دیگ بخار یا بویلر و اجزای آن چیست؟

دیگ‌بخار یا بویلر (به انگلیسی: Boiler) عبارت است از یک مخزن بسته که در آن بخار آب جهت استفاده در خارج از آن توسط گرمای ناشی از احتراق سوخت تولید می‌شود. داخل دیگ‌‌بخار شامل دو بخش طرف آتش و طرف آب است. سطح گرمایی دیگ‌بخار به مجموع کلیه سطوح در طرف آتش دیگ‌بخار گفته می‌شود. تمام بخش‌های داخلی و تحت فشار یک دیگ‌بخار از آلیاژهای آهنی ساخته می‌شوند. دیگ‌های بخار از نظر جنس به دو دسته چدنی و فولادی تقسیم‌بندی می‌شوند. دیگ‌بخار چدنی برای تولید بخار کم فشار ساخته می‌شود و به همین دلیل بیشتر در مواردی نظیر سامانه‌های گرمایش مرکزی استفاده می شود. بیشتر دیگ‌های بخار از گونه فولادی هستند.همچنین دیگ چدنی نیز تولید می‌گردد. همچنین دو نوع دیگ بخار بصورت کلی در دنیا ساخته می‌شود که عبارتند از واتر تیوپ و فایر تیوپ.

استفاده از دیگ‌بخار در سیر تاریخ

جیمز وات مخترع اسکاتلندی که بیشتر از او به عنوان مخترع ماشین بخار یاد می‌شود چهره اصلی انقلاب صنعتی است. وات در واقع نخستین سازنده ماشین بخار نیست. هرو او آلکساندریا در قرن اول میلادی ابزارهای مشابهی را توصیف کرده بود. در سال ۱۶۹۸ توماس ساوری ماشین مشابهی را به ثبت رساند که برای تلمبه کردن آب از آن استفاده می‌شد و در ۱۷۱۲ توماس نیوکومن گونه پیشرفته‌تری از آن را به ثبت رساند. با وجود این ماشین ساخته شده توسط نیوکومن کارایی بسیار کمی داشت و آن را تنها برای خارج کردن آب از معادن زغال‌سنگ به کار می‌گرفتند. وات با اینکه تنها یک دوره کارآموزی یکساله را در زمینه ابزارسازی گذرانده بود ولی از استعداد ابداع و نوآوری فراوان برخوردار بود. وی در سال ۱۷۶۴ هنگامی که مشغول تعمیر یک مدل از ماشین‌های نیوکومن بود به ماشین بخار علاقه‌مند شد. وات اصلاحاتی آنچنان مهم و ارزنده در ماشین اختراعی نیوکومن به عمل آورد که می‌توان او را مخترع نخستین ماشین بخار دانست. نخستین تغییر مهم وات که در سال ۱۷۶۹ به ثبت رساند اضافه کردن یک محفظه جداگانه تراکم بخار بود. او همچنین با عایق‌بندی، سیلندر بخار را مجزا کرد و در سال ۱۷۸۲ ماشین دوطرفه را اختراع نمود. تمام این‌ها همراه با چند فقره تغییرات و اصلاحات کوچک‌تر به کارایی بیشتر ماشین‌های بخار منتج شد. این ازدیاد کارایی عملاً به معنای تفاوت بین یک ابزار ماهرانه ولی نه چندان قابل استفاده با وسیله‌ای با توان صنعتی فراوان بود. وات در سال ۱۷۸۱ با اختراع یک سری چرخ‌دنده حرکت تناوبی موتور را به حرکت دورانی تبدیل کرد. با استفاده از این ابزار بر موارد استفاده از موتور بخار به شکل چشمگیری افزوده شد. وات که خود فاقد استعداد لازم در کارهای تجاری بود، در سال ۱۷۷۵ به اتفاق ماتیو بولتون که مهندسی چیره‌دست و معامله‌گری توانا بود شرکتی تأسیس کرد، طی ۲۵ سال بعد شرکت وات – بولتون شمار بسیاری موتورهای بخاری تولید و به بازار عرضه کرد که در نتیجه ثروت سرشاری نصیب آن دو گردید.

درباره اهمیت ماشین بخار مبالغه و گزافه‌گویی نمی‌شود. درست است که بسیاری از اختراعات دیگر در انقلاب صنعتی نقش داشته‌اند؛ ولی هیچ‌یک از آن‌ها به‌تنهایی نمی‌توانستند برای انقلاب صنعتی حیاتی باشند. پیش از آن اگر چه از نیروی آب و باد برای به گردش درآوردن چرخ آسیاب‌ها استفاده می‌شود ولی منبع اصلی نیرو همواره عضلات انسان بود. استفاده از این عامل ظرفیت تولید صنعتی را به کلی محدود می‌کرد. با اختراع ماشین بخار این محدودیت بر طرف شد. پس از آن انرژی بسیاری برای تولید در دسترس بود و همواره نیز به میزان آن افزوده می‌شد.

گونه‌های دیگ‌بخار

• دیگ‌های لوله آبی (به انگلیسی: water-tube boiler)

در بویلر گونه water tube لوله‌های جریان که از مقداری لوله موازی و متصل تشکیل شده در معرض گازهای حاصل از کوره قرار داده می‌شوند. سپس لوله‌ها از میان بدنه بویلر که آب تغذیه را هم شامل می‌شوند گذر می‌کنند که در نتیجه توسط آب پوشیده می‌شوند. این نوع بویلر در انواع یک یا چند مخزنی تولید و عرضه می شوند.

• دیگ‌های لوله آتشی (به انگلیسی: fire-tube boiler)

در یک بویلر گونه Water tube شرایط وارونه گونه Fire tube است.

دیگ لوله آبی

همگام با توسعه صنعت در قرن گذشته، استفاده از دیگهای بخار با فشار بالا ضرورت پیدا کرد و بنا به دلایلی، گاهی نیز انفجارهای مصیبت باری به همراه داشته‌است. آن روزها دیگ‌های بخار شامل ظروف تحت فشار با قطرهای بسیاری بود که تحت فشار داخلی، دچار تنش‌های انبساطی در دیواره‌های این ظروف می‌گردید. مقدار این تنش به نام تنش حلقه‌ای معروف است. بهترین راه برای جلوگیری از بروز این مشکل کاهش قطر ظرف تحت فشار است که این امر اساس کار دیگهای لوله– آبی است. در این دیگ‌ها آب، درون لوله‌ها جاری است و گازهای داغ در سطح خارجی لوله‌ها جریان دارند. دیگ‌های لوله آبی متشکل از ظروفی به نام درام هستند که توسط لوله به یکدیگر متصل شده‌اند. آب در درون لوله‌ها گردش کرده و گازهای داغ از اطراف لوله‌ها عبور می‌کنند. مهم‌ترین مزیت دیگ‌های لوله آبی آزادی در افزایش ظرفیت ساخت آن‌ها است. دیگ‌های لوله آبی می‌توانند تا ظرفیت نیم تن در ثانیه بخار با فشار ۱۶۰ اتمسفر و دمای۵۵۰ درجه سانتی‌گراد تولید کنند. البته دیگ‌های لوله آبی به صورت پکیج و در ابعاد کوچک‌تر نیز ساخته می‌شوند که در صنایع نفت و پتروشیمی کاربرد فراوان دارند.

در ظرفیت های بالاتر از 20 مگاوات از گونه‌های دیگ‌بخار لوله آبی (واترتیوب) استفاده می‌شود. در این گونه دیگ‌بخار، آتش لوله‌های آب را احاطه کرده و سبب گرمایش آب و تبخیر آب داخل لوله ها می شود؛ بخار حاصله در محفظه بالایی در نظر گرفته شده جمع شده و به مصرف می رسد.

شیر اطمینان دیگ بخار در تمامی نقاطی که محدودیت فشار وجود دارد کاربرد دارد.

دیگ لوله آتشی

این گونه دیگ‌های بخار معمولاً، شامل بدنه اصلی، صفحه – لوله‌های جلو و عقب، کوره و اتاقک برگشت می‌باشد که پس از مونتاژ و جوشکاری ابتدا کامل مورد آزمایش‌های غیر مخرب (پرتونگاری، اولتراسونیک، مایع نافذ و…) قرار گرفته و سپس عملیات تنش گیری آن‌ها در کوره مخصوص انجام می‌گیرد. در این نوع دیگ، سوخت (مانند نفت، گاز یا زغال) در یک کوره (فرن) افقی سوزانده می‌شود و حرارت به توپر (لوله‌ها) منتقل می‌شود. درون توپر، آب به بخار تبدیل می‌شود و بخار تولید شده در دیگ جمع‌آوری می‌شود. این بخار سپس می‌تواند برای انجام انواع فرآیندها مانند تأمین انرژی یا تولید برق استفاده شود.

مزیت‌های دیگ‌های لوله‌آتشی عمدتاً در امور مرتبط با محدودیت‌های فضایی و نیاز به انتقال حرارت سریع است. در موردی که فضای آزاد کمتری برای نصب دستگاه وجود دارد، دیگ‌های لوله‌آتشی به علت طراحی افقی و کم‌فضایی، انتخاب مناسبی می‌باشند.

به صورت جزئی‌تر، می‌توان اجزای اصلی سیستم بویلر را به قسمت های زیر تقسیم کرد:

دستگاه گرم کننده تغذیه آب (Feedwater Heater):

برای توزیع آب دیگ بخار قبل از گرمایش استفاده می‌شود. پیش گرمایش دستگاه تغذیه آب، برگشت‌ناپذیری تولید بخار را کاهش می‌دهد. سپس کارایی ترمودینامیکی سیستم را بهبود می‌بخشد. این مسئله، باعث کاهش هزینه‌های عملیاتی می‌شود و همچنین به جلوگیری از وارد شدن شوک حرارتی به فلز دیگ بخار کمک می‌کند.

دی اریتور (Deaerator):

از آن برای حذف کردن اکسیژن و گازهای حل شده در آب مورد استفاده در دیگ بخار بکار می‌­رود. اکسیژن حل شده در آب دیگ بخار باعث خسارت‌های شدید ناشی از خوردگی، در سیستم بخار می‌شود؛ به این صورت که به دیواره فلزی لوله‌ها و دیگر تجهیزات فلزی می‌چسبد و تشکیل اکسید (زنگ) می‌دهد.

کربن دی اکسید حل شده در آب نیز با آن واکنش می‌دهد و تولید اسید کربنیک می‌کند که باعث خوردگی بیشتر می‌شود. بیشتر دی اریتورها برای حذف کردن اکسیژن به میزان 7 ppb در واحد جرم و کمتر از آن، و همچنین حذف کلی کربن دی اکسید طراحی می‌شوند.

پمپ تغذیه آب (Feedwater Pump):

نوع خاصی از پمپ هاست که برای پمپاژ آب تغذیه به دیگ بخار مورد استفاده قرار می گیرد. آب ممکن است یا همان موقع عرضه شود یا به صورت چگالیده برگشتی، به عنوان نتیجه ای از چگالش بخار تولید شده توسط دیگ بخار، تولید شود. این پمپ ها معمولا دستگاه های فشار بالا هستند که از یک سیستم بازگشتی چگالیده، مکش می گیرند و می توانند از نوع پمپ گریز از مرکز، و یا پمپ جابجایی مثبت باشند.

اکونومایزر (Economizer) ها در دیگ بخار:

دستگاه های مبدل حرارتی هستند که مایعات، عموما آب را گرم می کنند، اما به طور معمول این گرما از نقطه جوش آن سیال فراتر نمی رود. دلیل نام­گذاری اکولایزرها به این دلیل است که می توانند از آنتالپی جریان های مایع استفاده کنند که داغ هستند، اما نه انقدر داغ که در یک دیگ بخار استفاده شوند، درنتیجه باعث بازیابی آنتالپی مفید بیشتر و بهبود کارایی دیگ بخار می شود.

اکونومایزرها دستگاهی برای اتصال به دیگ بخار هستند که با استفاده از گازهای خروجی از دیگ بخار برای پیش گرم شدن آب سرد مورد استفاده برای پر کردن آن (آب تغذیه) در مصرف انرژی صرفه جویی می کنند.

سوپرهیتر (Superheater):

واحد مبدل حرارتی است که بخار اشباع را به حالت مافوق گرم میبرد. سوپر هیتر، بخار اشباع را تا بالاتر از دمای اشباع حرارت میدهد، تا وقتی که به حداکثر دمای مورد نیاز در طراحی برسد و بنابراین به بیشترین دمای ممکن نیاز دارد و لذا در جریان گازهای حاصل، جلوتر از بقیه واحدها قرار داده میشود.

حداکثر دمای دیگ بخار توسط ویژگی‌­های ماده ای که دیواره­‌های سوپرهیتر با آن ساخته شده­‌اند، تعیین می‌­شود. مواد مقرون به صرفه امروزی می‌توانند تا دمای 550 – 660 را تحمل کنند.

کندانسور (Condenser) یا چگالنده:

وسیله ای در دیگ بخار است که فرآیند میعان در آن صورت می گیرد و وظیفه خنک‌سازی سیال عامل را به عهده دارد.

الزامات یک بویلر یا دیگ بخار عالی

• مهارت مناسب و ساختار ساده دیگ بخار با استفاده از موادي كه تجربه نشان داده که بهترین مواد هستند. و بنابراین استفاده از آنها مانع از ضرورت انجام تعمیرات زودهنگام می شود.
• یک مخزن رسوبگیری در بویلر لازم است تا تمام ناخالصی ها را از آب بگیرد.
• ظرفیت بخار و آب کافی برای جلوگیری از هر گونه نوسان در فشار بخار و یا سطح آب دیگ بخار
• سطح آب برای جدا شدن کافی بخار از آب، برای جلوگیری از ایجاد کف در دیگ بخار
• گردش آب با ثبات و کامل در سراسر دیگ بخار، به طوری که تمام قطعات در همان دما باقی بمانند.
• فضای آب تقسیم شده به بخش هایی که به گونه ای مرتب شده اند که اگر هر بخش دیگ بخار از کار بیافتد هیچ انفجاری رخ نمی دهد. مسیرهای بزرگ و آزاد بین بخش های مختلف برای برابر کردن خط آب و فشار در همه قسمت ها
• مازاد قدرتی زیاد بر هر تغییر شکل مجاز، دیگ بخار به طوری ساخته شده که از تغییر شکل (کرنش) به دلیل انبساط نابرابر، مبرا باشد و در صورت امکان از مفاصل در معرض مستقیم اثر آتش جلوگیری کند.
• یک محفظه احتراق به گونه ای تنظیم می شود که احتراق گازها که در کوره دیگ بخار آغاز شده ممکن است قبل از فرار گازها به دودکش کامل شود.
• به منظور تفکیک جریان و استخراج کل گرمای موجود از گازهای بویلر، سطح گرمادهنده تا جای ممکن در زوایای درست نسبت به جریان های گازهای گرم شده قرار گیرد.
• قطعات بویلر برای تمیز کردن و تعمیرات قابل دسترس باشند، این نکته ای حائز اهمیت در رابطه با ایمنی و اقتصاد است.
• دیگ بخار بایستی با کارهایی که انجام می شود متناسب بوده و قادر به کار تا ظرفیت کامل خود با بالاترین میزان اقتصاد باشد.
• دیگ بخار بایستی به بهترین ابزارهای سنجش دریچه های ایمنی و سایر ابزارها مجهز باشد.

واژگان و تعاریف دیگ بخار:

• میزان PH این یک علامت اختیاري پذیرفته شده است كه نمایانگر درجه اسیدي یا بازي آب می باشد. PH، لگاریتم معکوس غلظت یون هیدروژن دیگ بخار می باشد (مول بر لیتر)
• مشعل پودرکننده سوخت مشعلی در دیگ بخار است که برای اینکه احتراق سوخت در آن رخ دهد، سوخت توسط هواي متراکم به ذرات ریز تبدیل شده و بصورت پودر با فشار زیاد در یک یا چند مسیر جریان پیدا می کند.
• دیوارهایی که توسط هوا خنک می شود دیواره نسوز دیگ بخار که در آن منافذی برای عبور هوا تعبیه شده است.
• کمبود هوا هوای غیر کافی در مخلوط سوخت و هوا در جایی است که اکسیژن لازم برای اکسیده نشدن کامل سوخت در دیگ بخار (احتراق کامل) ضروری می باشد.
•  هوا زدا تخلیه کننده هوا مجهز به شیر شناور که در بالاترین نقطه سامانه آب گرم بویلر می گردد.
• شیر هواگیری خودکار تخلیه کننده هوا مجهز به المان حساس حرارتی خودکار که در بالاترین نقطه مسیر بخار  نصب می گردد.
• شیر هواگیری مجرای مجهز شده به یک شیر که در بالاترین نقطه دیگ یا مخزن تحت فشار برای تخلیه هوا نصب می گردد.
•  بار مبنا بار مبنا اصطلاحی است که جهت بخشی از توان دیگ بخار که عملا در مدت طولانی ثابت خواهد بود، بکار می رود.
• لوله ته گرد لوله فلزی که پس از گذر از حفره ای در ورقه فلزی مربوطه گرد شده باشد.
• تخلیه تخلیه قسمتی از آب دیگ به منظور تقلیل غلظت یا خارج کردن لجن
• کانال رابط کانالی برای انتقال محصولات احتراق بین قسمت‌های واحد تولید بخار و دودکش
• محفظه هوای مشعل محفظه اطراف مشعل که در آن فشار هوا بالاتر از جو برای ایجاد اطمینان از توزیع و خروج هوای ثانویه وجود دارد.
• هوازدایی فرآیندی که در آن مقدار هوای موجود در محلول را تا حد ممکن یا درصد مورد نظر در کل حجم آب کاهش میدهد.
• دیگ بخار فولادی یکپارچه لوله آتشی دیگ بخار یکپارچه یا آب گرم لوله آتشی نوع اصلاح شده دیگ بخار اسکاتلندی می‌باشد که در آن ملاحظات مهندسی ساخت آزمون احتراق قبل از حمل و تامین مواد اولیه، مهارت در ساخت و عملکرد آن توسط سازنده که مسئولیت همه اجزا و قسمت های به کار رفته در مونتاژ دیگ را به عهده دارد پیش بینی شده است. اجزاء شامل دیگ، مشعل، کنترل کننده ها، تجهیزات و قطعات کمکی می باشد.
• مسیر یک مسیر عبور بسته که سطح جانبی آن گرم شده و سیال در یک جهت درون آن جریان دارد.
• نقطه ریزش پایین ترین دمایی که در آن سوخت مایع می تواند تحت شرایط معینی از آزمایش جریان پیدا کند.
• مشعل چرخشی مشعلی که مواد نفتی درون خود را توسط محفظه گردان سریعی به صورت ذرات در می آورد.
• دودکش یک مجرای عمودی که بر اساس اختلاف چگالی گازهای ورودی و خروجی در آن، موجب جریان از مبدا می شود.
• مشعل پودر کننده سوخت با بخار مشعلی برای احتراق سوخت که در آن سوخت توسط حرارت بخار تبدیل به ذرات ریز می شود. این عمل ممکن است در داخل یا خارج مشعل صورت پذیرد.
• ستون آب لوله عمودی که بالا و پایین آن به ترتیب با بخار و آب دیگ در تماس می باشد و می توان به آن، آب سنج شیر و هشداردهنده حداقل و حداکثر ارتفاع آب وصل نمود.
• ضربه آب افزایش ناگهانی فشار آب در اثر تبدیل سریع نیروی جنبشی به فشار را ضربه آب می گویند.
•  سطح آب ارتفاع سطح آب در دیگ بخار را سطح آب می گویند.

شیر تخلیه دیگ بخار برنزی جهت تخلیه دیگ بخار (درین) مورد استفاده قرار می گیرد .