انواع دیگ موتورخانه

دیگ یک مخزن تحت فشار (Pressure Vessel) است که آب را گرم می‌کند یا به بخار تبدیل می‌کند. طبقه‌بندی دیگ‌ها به روش‌های مختلفی انجام می‌شود، اما معمولاً بر اساس جنس دیگ صورت می‌گیرد و ما هم مباحث را بر همین اساس دنبال می‌کنیم. شناخت درست انواع دیگ، در نگهداری موتورخانه و طراحی موتورخانه گرمایشی تاثیر مستقیم دارد. علاوه بر جنس، انواع بویلر بر اساس فشار کاری (کم‌فشار، میان‌فشار، پرفشار)، دمای کاری (پایین، متوسط، بالا)، نوع سوخت (گازسوز، گازوئیل‌سوز، مازوت‌سوز، چندگانه‌سوز)، نوع سیال عامل (بخار، آب داغ، آب گرم، روغن) و تعداد پاس عبور دود (دو، سه یا چهار پاس) هم دسته‌بندی می‌شوند که در ادامه به‌اختصار بررسی می‌شوند.

استانداردهای ASME و NFPA در ارتباط با دیگ‌ها، مخازن تحت فشار و سوخت به شرح زیر است:

• ASME Boiler and Pressure Vessel Codes (BPVC)
• Section I – Rules for Construction of Power Boilers
• Section IV – Rules for Construction of Heating Boilers
• Section VII – Recommended Rules for Care and Operation of Power Boilers
• Section VIII – Pressure Vessels
• National Fire Protection Association (NFPA) Codes
• NFPA-30 – Flammable and Combustible Liquids Code
• NFPA-54 – National Fuel Gas Code
• NFPA-85 – Boiler and Combustion System Hazards Code

طبقه‌بندی دیگ‌ها

دیگ‌ها را می‌توان از نقطه‌نظرهای مختلفی بررسی و تقسیم‌بندی کرد.

طبقه‌بندی بر اساس جنس دیگ

دیگ‌های چدنی

بدنه این دیگ‌ها از چدن آتش‌خوار ساخته می‌شود و چون به‌صورت پره‌پره تولید می‌گردد، امکان تغییر ظرفیت حرارتی و مونتاژ آن در هر مکانی وجود دارد. دیگ‌های چدنی به دلیل جنسشان در برابر پوسیدگی و خوردگی مقاوم بوده و عمر بالایی دارند. برای شناخت بیشتر انواع این محصول می‌توانید بررسی جامع انواع دیگ چدنی را مطالعه کنید.

از معایب آن می‌توان به تحمل فشار پایین (۴ تا ۷ بار) و قیمت بالاتر نسبت به دیگ‌های فولادی اشاره کرد. ظرفیت دیگ چدنی بین ۳۳۰۰۰ تا ۱۳۰۰۰۰۰ کیلوکالری بر ساعت است.

دیگ‌های فولادی

این نوع دیگ‌ها برای فشارها و ظرفیت‌های حرارتی متوسط تا زیاد کاربرد دارند.

طبقه‌بندی بر اساس نوع سیال در لوله

دیگ‌های فولادی خود به دو نوع عمده آب‌درلوله (Water Tube) و آتش‌درلوله (Fire Tube) تقسیم می‌شوند.

دیگ‌های آب‌درلوله (واترتیوب)

این دیگ‌ها برای ظرفیت حرارتی ۱۳,۰۰۰,۰۰۰ تا ۸۲,۸۰۰,۰۰۰ Btu/h، فشارهای ۱۵۰ تا ۹۰۰ psig و دبی بخار بیش از ۱۵۰۰۰ Lb/hr به کار می‌روند؛ در نیروگاه‌های بخار که نیاز به فشار بالا است، از این نوع دیگ استفاده می‌شود. در این طراحی، آب داخل لوله‌ها جریان دارد و حرارت شعله از بیرون لوله‌ها به آب منتقل می‌شود؛ بخار تولیدشده به درام بالایی می‌رود و در صورت نیاز، دوباره توسط شعله فوق‌داغ (سوپرهیت) می‌شود.

مقایسه بویلر واترتیوب با بویلر فایرتیوب

دیگ‌های آتش‌درلوله (فایرتیوب)

دیگ‌های فولادی آتش‌درلوله معمولاً برای فشارهای ۳۰ تا ۳۰۰ psig، ظرفیت‌های ۴۰۰,۰۰۰ تا ۲۶,۷۸۰,۰۰۰ Btu/h و دبی‌هایی تا حدود ۳۰ Ton/hr استفاده می‌شوند. در این نوع دیگ‌ها محصولات احتراق داخل لوله‌ها جریان دارد و آب روی پوسته بیرونی لوله‌ها و کوره قرار می‌گیرد. این دیگ‌ها در موتورخانه صنایع، کارخانجات و مجتمع‌های مسکونی کاربرد فراوان دارند. همان‌طور که گفته شد، دستیابی به حداکثر فشار محدود است، زیرا ضخامت در یک قطر ثابت با افزایش فشار طبق فرمول زیر بیشتر می‌شود.

در این رابطه t، P، D و E به‌ترتیب حداقل ضخامت جداره دیگ (اینچ)، فشار داخلی دیگ (psi)، قطر دیگ (اینچ) و بازده اتصال هستند و S تنش مجاز فولاد (psi) است.

با توجه به اینکه قطر دیگ‌های فولادی معمولاً بیش از یک متر است، برای رسیدن به فشارهای بالا باید ضخامت را افزایش داد که هم هزینه را بالا می‌برد و هم مشکلات ساخت، حمل و نصب را به دنبال دارد.

مثال ۶: می‌خواهیم توسط یک دیگ فایرتیوب فولادی، فشار ۴۵ بار را تامین کنیم. اگر قطر دیگ ۱.۵ متر، تنش مجاز فولاد ۱۹۴۰۰ psi و بازده اتصالات ۰.۸۵ باشد، ضخامت تقریبی بدنه را محاسبه کنید.

اگر طول دیگ ۲ متر باشد، فقط وزن پوسته آن (بدون لوله‌ها و سایر قسمت‌ها) به بیش از ۲ تن می‌رسد.

طبقه‌بندی انواع بویلر بر اساس فشار کاری

طبقه‌بندی انواع بویلر بر اساس دمای کاری

طبقه‌بندی انواع دیگ بر اساس نوع سیال عامل

• دیگ‌های آب گرم و داغ
• دیگ‌های بخار
• دیگ‌های روغن

طبقه‌بندی انواع دیگ بر اساس نوع سوخت مشعل

• دیگ‌های گازسوز
• دیگ‌های مازوت‌سوز
• دیگ‌های چندگانه‌سوز
• دیگ‌های گازوئیل‌سوز

برای بررسی دقیق‌تر عملکرد و تنظیمات این مشعل‌ها، مطالعه بررسی عملکرد مشعل گازی موتورخانه پیشنهاد می‌شود.

طبقه‌بندی بر اساس عقب دیگ

دیگ‌های فولادی فایرتیوب خود به دو دسته عقب‌تر و عقب‌خشک تقسیم می‌شوند.

دیگ‌های عقب‌تر (Wet Back) و عقب‌خشک (Dry Back)

در دیگ‌های عقب‌خشک، انتهای لوله‌های پاس اول، دوم و سوم به یک صفحه لوله (تیوب‌شیت) متصل می‌شوند. به دلیل اختلاف زیاد دما بین پاس دوم (حدود ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد) و پاس سوم (حدود ۲۵۰ درجه سانتی‌گراد)، این سطح دچار تنش و در نهایت نشتی می‌شود. این نوع دیگ‌ها همچنین نیاز به عایق‌کاری و تعمیر موتورخانه در فواصل کوتاه دارند که هزینه را بالا می‌برد و ممکن است در تولید بخار یا آب گرم وقفه ایجاد کند.

برای رفع این مشکل، دیگ‌های عقب‌تر طراحی شدند؛ در این طرح، کوره و لوله‌های پاس دوم به یک صفحه و لوله‌های پاس سوم به صفحه‌ای جداگانه متصل می‌شوند. این طراحی سطوح عایق‌کاری‌شده دیگ‌های عقب‌خشک را به سطوح جذب‌کننده حرارت تبدیل می‌کند.

محاسبه و انتخاب انواع بویلرها

در انتخاب دیگ، پارامترهای زیادی از جمله نوع سیال، فشار، دما، ظرفیت حرارتی، نوع مشعل، جنس دیگ، تعداد پاس و عقب‌تر یا عقب‌خشک بودن آن دخالت دارند. برای فشارهای بالا استفاده از دیگ‌های فولادی مناسب‌تر است، اما باید از قبل برای حمل و نصب آن‌ها چاره‌ای اندیشید؛ چون دیگ‌های فولادی یکپارچه‌اند، امکان انتقال آسان آن‌ها به محل نصب باید از پیش بررسی شود. برای موتورخانه‌های کوچک، معمولاً محدودیت فضا اهمیت بیشتری در انتخاب نوع دیگ پیدا می‌کند؛ برای مثال گرمایش یک ساختمان مسکونی ۱۰ طبقه هم با دیگ چدنی و هم فولادی قابل تامین است، اما باید به محدودیت فیزیکی هرکدام توجه داشت.

پس از مشخص‌شدن نوع دیگ، باید ظرفیت حرارتی (برای دیگ آب گرم) یا دبی (برای دیگ بخار) بر اساس فرمول زیر محاسبه شود. برای گرمایش، بار حرارتی ساختمان در یک ضریب اطمینان (معمولاً ۱۰ تا ۱۵ درصد) ضرب می‌شود؛ برای تولید بخار نیز حرارت لازم برای تبدیل آب تغذیه به بخار، بر گرمای نهان بخار در فشار کاری تقسیم می‌شود.

در این فرمول، ظرفیت حرارتی دیگ آب گرم، بار حرارتی ساختمان، ظرفیت حرارتی دیگ بخار، دبی جرمی، اختلاف دمای رفت و برگشت آب گرم و گرمای ویژه آب لحاظ می‌شود.

روی هر دستگاه باید یک پلاک مشخصات، به‌صورت دائم، خوانا و برجسته یا با مهر پاک‌نشدنی نصب شده باشد که حداقل شامل نام یا علامت تجاری سازنده است.

• سطح حرارتی دیگ‌های فایرتیوب را معمولاً ۳ تا ۵ فوت مربع به ازای هر اسب بخار بویلر (۳۴۵۰۰ Btu/h) در نظر می‌گیرند. برند CLEAVER BROOKS، یکی از بزرگ‌ترین سازندگان دیگ‌های آب داغ و بخار جهان، اکثر دیگ‌های آب داغ خود را چهارپاسه تولید می‌کند و ۵ فوت مربع سطح حرارتی به ازای هر اسب بخار در نظر می‌گیرد.

برای ظرفیت‌های حرارتی بیش از ۲,۴۰۰,۰۰۰ Btu/h، پیشنهاد می‌شود دو دیگ ۵۰٪، ۶۷٪ یا ۷۰٪ ظرفیت، یا سه دیگ ۳۴٪ تا ۴۰٪ ظرفیت انتخاب شود.

راندمان دیگ‌ها معمولاً بین ۷۵ تا ۸۵ درصد است و از تقسیم حرارت تولیدی بر سوخت مصرفی به دست می‌آید.

تخمین ظرفیت انواع بویلر

یکی از روش‌های تخمین ظرفیت دیگ برای ساختمان‌های مسکونی در مناطق خشک و معتدل، استفاده از رابطه زیر است:

A = مساحت ساختمان (متر مربع)

Q = ظرفیت تقریبی دیگ (بی‌تی‌یو بر ساعت)

H = ارتفاع ساختمان (متر)

در پروژه‌های نوسازی، گاهی به‌جای تعویض کامل دیگ قدیمی، آموزش تبدیل موتورخانه به پکیج راهکار مقرون‌به‌صرفه‌تری است. همچنین در موتورخانه‌های جدید، کنترل دیگ‌ها معمولاً از طریق موتورخانه هوشمند و سیستم‌های اتوماسیون انجام می‌شود که دقت تنظیم دما و صرفه‌جویی سوخت را افزایش می‌دهد.

استانداردهای ساخت انواع دیگ‌ها

طراحی و ساخت دیگ‌های آب گرم و بخار بر اساس استانداردهای مختلفی صورت می‌گیرد. استانداردهای مورد پذیرش کشور ما، مطابق مبحث ۱۴ مقررات ملی ساختمان، عبارت‌اند از ISIRI 4231، BS 2790، ANSI و ASME I,IV. از میان این‌ها، استانداردهای ASME، BS 2790 و IRD (به‌ترتیب مربوط به آمریکا، انگلستان و آلمان) جامع‌ترین‌اند.

تست‌های انواع بویلر

تست‌ها و کنترل‌های زیادی باید به‌صورت دوره‌ای روی انواع بویلر بخار و آب داغ انجام شود که در ادامه به برخی از آن‌ها اشاره می‌شود.

تست هیدرواستاتیک

این تست با فشار ۱.۵ برابر فشار طراحی دیگ (۱.۱ برابر حداکثر فشار کار مجاز) انجام می‌شود. ممکن است لازم باشد شیرهای اطمینان باز و به‌جای آن‌ها فلنج‌های کور نصب شوند؛ در این حالت شیرهای ونت برای خروج هوا باید باز بمانند. دمای آب باید دمای محیط باشد، اما نباید کمتر از ۷۰ درجه فارنهایت باشد؛ سپس کلیه شیرهای دیگ محکم بسته می‌شوند.

تست سطح پایین آب

این تست برای اطمینان از عملکرد سیستم قطع‌کن دیگ هنگام افت غیرمجاز سطح آب انجام می‌شود. برای این کار، دیگ با ظرفیت کم روشن و آب ورودی بسته می‌شود تا با تولید بخار، سطح آب پایین بیاید؛ در این حالت باید سیستم کنترل سطح پایین آب (Low Water Cut Off) دیگ را خاموش کند، هرچند آب همچنان باید در شیشه آب‌نما دیده شود. توصیه می‌شود این تست هفتگی، حداقل ماهی یک‌بار انجام شود.

تست عملکرد شیر اطمینان

یکی از مهم‌ترین کنترل‌های دوره‌ای دیگ، اطمینان از عملکرد صحیح شیرهای اطمینان آن است. استاندارد ASME (Section VI) توصیه می‌کند شیرهای اطمینان دیگ‌های بخار و آب داغ، در حالی که دیگ زیر بار است، هر یک ماه یک‌بار تست شوند: اهرم شیر اطمینان تا باز‌شدن کامل کشیده و ۵ تا ۱۰ ثانیه اجازه تخلیه داده می‌شود (برای دیگ‌های آب داغ، ۵ ثانیه یا تا زمان خروج آب صاف)، سپس اهرم رها می‌شود تا فنر شیر آن را ببندد.

روش دیگری که ترجیح داده می‌شود این است که دیگ روشن شود و فشار تا مرز بازشدن شیر اطمینان بالا برود؛ به‌محض باز شدن شیر، مشعل خاموش و اجازه داده می‌شود فشار تا حد کاری معمول افت کند. این روش سالی یک تا دو بار توصیه می‌شود و باید مطابق استاندارد ASME (Section VII) انجام شود. برای بویلرهای بخار، سرویس منظم بر اساس نحوه سرویس و نگهداری دیگ بخار باید در برنامه نگهداری سالانه گنجانده شود.

ساختمان انواع دیگ‌های فولادی فایرتیوب و تجهیزات آن‌ها

بدنه خارجی (Shell)

پوسته جانبی دیگ معمولاً از جنس 17Mn4 است. بدنه دیگ باید با حداقل ۲ اینچ پشم سنگ پتویی عایق‌کاری شود تا در صورت نیاز، به‌سادگی قابل تعویض و برداشتن باشد.

لوله‌ها (Tubes)

وظیفه لوله‌ها انتقال حرارت حاصل از احتراق سوخت به آب و هدایت محصولات احتراق است؛ بنابراین باید استحکام حرارتی بالایی داشته باشند و حرارت داخل خود را سریعاً به آب منتقل کنند. لوله‌ها باید بدون درز و معمولاً از جنس St35.8 یا St35.29 باشند.

کوره‌ها (Furnace)

کوره نیز مانند پوسته از فولاد آتش‌خوار (معمولاً 17Mn4) ساخته می‌شود و چون در معرض تنش‌های حرارتی بالا قرار دارد (دمای محصولات احتراق داخل کوره ۲۵۰۰ تا ۳۰۰۰ درجه فارنهایت)، انبساط زیادی پیدا می‌کند. برای پاسخ به این انبساط، کوره یا موجدار ساخته می‌شود (که استحکام بیشتر، وزن کمتر و سطح حرارتی بزرگ‌تری هم دارد) یا در صورت صاف‌بودن، در فواصل مناسب قطعات انبساط‌گیر روی آن نصب می‌شود. در دیگ‌هایی که کوره آن‌ها شعله معکوس دارد، به دلیل آزاد بودن ته کوره، نیازی به این قطعات نیست.

صفحات لوله‌ها (Tube Sheets)

لوله‌ها روی این صفحات پرچ می‌شوند؛ اتصال آن‌ها معمولاً با گشادکردن غلطکی لوله (اکسپندکردن) به نام والس‌زنی انجام می‌شود. جوشکاری لوله به صفحه لوله نیز روشی متداول است که نشتی سر لوله‌ها را کاهش می‌دهد و در این حالت نیازی به اکسپندکردن نیست. در دیگ‌های با فشار کمتر از ۲۰۰ psig، لوله‌ها معمولاً فقط اکسپند می‌شوند؛ در فشارهای بالاتر، علاوه بر اکسپندکردن، جوشکاری هم انجام می‌شود.

دریچه‌های بازدید (Handholes & Manholes)

برای دسترسی به داخل دیگ‌های فولادی بزرگ، معمولاً در قسمت بالا یا کنار دیگ دریچه‌هایی تعبیه می‌شود. برای آب‌بندی بهتر، سطح آب‌بندی از داخل دیگ انجام می‌شود تا فشار درون دیگ به آب‌بندی کمک کند؛ بین درِ دریچه و بدنه دیگ نیز یک واشر گرافیتی قرار می‌گیرد. شکل دریچه باید بیضی باشد تا امکان خروج آن از داخل دیگ فراهم شود. توصیه می‌شود دیگ‌های با ظرفیت حرارتی بیش از ۱۲۵ BHP حتماً یک منهول داشته باشند. در بازدید همین دریچه‌هاست که معمولاً نیاز به تعمیر دیگ موتورخانه یا بررسی وضعیت مدار آب گرم مصرفی و منبع کویل‌دار مشخص می‌شود.

برای درک بهتر این فرآیندها می‌توانید در ادامه ویدیوی زیر را مشاهده کنید.

برداشت از مطالب سایت تنها با ذکر منبع و لینک سایت مجاز می‌باشد