تاریخچه دیگ بخار

[spow 44197]

دیگ بخار

 

امروزه از ديگ هاي بخار در صنايع غذايي ،سيستمهاي گرمايشي و نيروگاهها استفاده ميگردد و آنچه مشخص ميباشد اين است كه استفاده از ديگ هاي بخار از اوايل قرن هجدهم ميلادي با پيدايش ماشين هاي بخار در صنعت رايج گرديده است ديگ هاي اوليه از ظرف سر بسته اي از ورقهاي آهني كه بر روي هم برگردانده شده و پرچ شده بودند در اشكال كروي ساده تا انواعي پيچيده تر نظير ديگ هاي واگن وات كه شبيه والگن سر پوشيده اي بود ساخته مي شدند .

 

 

 

اين ظروف بر روي ديواره اي از آجر بر روي آتش قرار داشتند و براي رساندن حرارت به نقاطي از ظرف كه مقابل آتش نبودن از كانال هاي آجري استفاده مي شد اين ديگ ها را بيرون سوز مي نامند و بزرگترين اشكال آنها ايجاد رسوب و لجن در پايين ترين نقطه يعني بالاي سطح داغ آتش بود كه سبب جلوگيري تماس فلز و آب مي شد كه نتيجه آن بالا رفتن درجه حرارت فلز( حدود 500 درجه سلسيوس) و تغيير شكل و در نهايت سوختن آن بود و هر چند فشار كاري ديگ هاي آنزمان در حدود فشار اتمسفر بود وليكن اين مشكل با عث خراب شدن و يا مواردي تركيدن ديگ مي شد .

 

با افزايش تقاضا براي توليد ديگ هاي با فشار بالا تر ، ساخت ديگ هايي كه درون سوز بودند آغاز شد كه از استوانه هاي فلزي ساخته مي شدند و كوره نيز به شكل استوانه در درون مخزن استوانه اي قرار ميگرفت و محصولات احتراق كه در آن زمان بيشتر به صورت جامد (زغال سنگ) بودند از روي صفحه اي مشبك به درون كوره انتقال مي يافتند و درون كوره مي سوختند .

 

در اين ديگ هاي بخار اوليه براي بهره برداري از دماي گازهاي خروجي دودكش ، از طريق انتقال آنها از كوره به كانالهاي تعبيه شده در زير مخزن استوانه اي و در نهايت هدايت به سمت دودكش خروجي دیگ بخار اقدام به بالا بردن راندمان مي نمودند وليكن با توجه به اينكه فلز مخزن زير كوره كه به دليل جمع شدن گل ولاي حاصل از آب و كاهش تماس آن با آب مخزن دیگ بخار داراي دماي بيشتري مي شد ، همان مشكل تغيير خاصيت فلز تاحدودي وجود داشت هرچند دماي گازهاي كانال خيلي كمتر از قبل بود.در ادامه فرآيند پيشرفت توليد ديگ هاي بخار صنعتي ، ديگ هاي معروف به لوله آتشي عقب خشك (FireTube &DryBack) طراحي و ساخته شدند كه دراين ديگ ها با قراردادن لوله هاي متعدد داخل مخزن دیگ بخار، گازهاي داغ انتهاي كوره را از داخل آنها عبور داده و در نهايت از قسمت دودكش دیگ بخار خارج مي شدند ولي از مشكلات اين ديگ ها وجود سطح عايقكاري شده در انتهاي كوره بود كه علاوه براتلاف انرژي حرارتي ، حين كار و يا انتقال در اثر لرزش و ضربه هاي ايجاد شده در كوره باعث صدمه ديدن عايق كاري و در نتيجه سوختن فلز انتهاي كوره ميگرديد كه اين مشكل در نسل بعدي ديگ هاي بخار صنعتي با قرار دادن انتهاي كوره در داخل آب تا حدود زيادي مرتفع گرديد و سطح حرارتي ديگ افزايش يافت در اين طرح كه به نام طرح لوله آتشي وعقب تر(FierTube & WetBack) معروف ميباشد به طور معمول بسته به ظرفيت دیگ بخار از لحاظ انرژي حرارتي ورودي ، به دو صورت : دوپاس و سه پاس ، طراحي و ساخته ميشوند راندمان حرارتي در ديگ هاي جديد با اعمال سطح حرارتي قابل قبول وعايق كاري مناسب به حدود 85% قابل دستيابي ميباشد.

[spow 44197]

گامي هرچند كوتاه به دنبال دیگ بخار كورنيش تك كوره اي برداشته شد و و آن دیگ بخار بزرگتر دو كوره اي لانكاشير بود كه تحت امتياز FAIRBAIRN و HETHERINGTON در سال 1844 به ثبت رسيد كه تا اوايل دهه 1950 ميدان دار ديگ هاي صنعتي بود. احتمالا بيش از هزار عدد از اين دیگ بخار هنوز در انگلستان كار مي كنند، گرچه امروزه آنها را با نوع پرصرفه تر و چند لوله اي به نام " ECONOMICS" جايگزين مي نمايند.

بايد در نظر داشت كه هر چه سطوح در معرض حرارت ديگ بخار زيادتر باشد مقدار حرارت جذب شده از مصرف مقدار معيني سوخت، يعني بازده بازيافت حرارتي، بيشتر خواهد بود. براي اين منظور تعداد بيشماري لوله هاي باريك كه از آن ها گازهاي گرم جريان دارد و در داخل اب قرار دارند عامل ازدياد سطوح گرم هستند، و در عين حال نيازي به كانال گازهاي گرم در پايين دیگ بخار و دو طرف آن نخواهد بود. اين نوع ديگ ها يكپارچه مي باشند. هر چه لوله ها بلندتر و باريكتر باشند، سطوح انتقال حرارت كارايي بيشتري خواهند داشت. اين ديگ هاي چند لوله اي براي ظرفيت معيني، كم حجم تر از نمونه هاي پيشين خود هستند و نيازي به آجركاري ندارند. اين ديگ ها در كشتيها و لكوموتيوها كه فضا نقش تعيين كننده دارد، كاربرد زيادي دارند.

 

تعدادي از ديگهاي اوليه كشتيها جهت استفاده بيشتر از فضا، داراي سطح مقطع چهار گوش بودند كه بر اثر پارگي گوشه ها، منجر به انفجارات شديد اين ديگها گرديد.

 

ظروف تحت فشار داخلي، تمايل دارند كه به حالت كروي درايند و بنابراين مكانهاي غير كروي ظروف، تحت تنش شديد قرار دارند. نزديكترين شكل عملي و ممكن ديگ هاي بخار، به خصوص اگر انتهاي ديگ ها گنبدي شكل باشد، استوانه است. طرحي از ديگ استوانه اي در اوايل سالهاي 1800 به ثبت رسيد كه هدف آن تحمل فشار 200 bar بود. در اين طرح پيشنهاد شده بود كه چنين استوانه اي بايد از جنس مس و با ضخامت 46 mm ساخته شود، ولي سابقه اي از ساخت اين نوع ديگ در دست نيست . همچنين قرار بود اين ديگ برون سوز باشد كه به نوبه خود موجب مشكلاتي مي گرديد، ولي شكل كروي ديگ، برون سوز بودن ديگ را توجيه نمي كند. امروزه نيز با داشتن آلياژهاي فولادي مختلف، در سطح جهاني از ساخت ديگهاي لوله- آتشي با ضخامت بيش از 22mm كه در معرض آتش يا گازهاي داغ باشد، خودداري مي شود . اين امر به منظور جلوگيري از تنشهاي حرارتي فوق العاده در فلز مي باشد.

سرانجام همه ديگ هاي كشتيها را استوانه اي ساختند ولي به علت محدوديت وزن و اندازه، از آجر كاري و ساخت كانالهاي جانبي خودداري گرديد و از ديگهاي چند لوله اي و كوره هاي درون سوز- تا چهار كوره – استفاده شد. گازهاي داغ كوره ها وارد محفظه هاي جداگانه اي با ديواره هاي لوله – ابي در عقب كوره مي گرديد و از آنجا با يك چرخش 180 º وارد يك سري لوله هاي با قطر حدود 75 mm مي شد. بعد از عبور از داخل اين لوله ها، گازها وارد دودكش قيفي شكل مي شدند . اين دیگهاي بخار را ديگ هاي بخار دوكاناله مي ناميدند.

 

بعادها، ديگ هاي سه كاناله ساخته شد كه در آن، گازها از طريق يك سري لوله هاي ديگر به قسمت عقب كوره برمي گشت. اين ديگ ها را ديگ هاي اسكاچ دريايي مي ناميدند كه از سالهاي 1850 تا پيدايش موتورهاي ديزل و جايگزيني آنها كاربرد داشتند.

 

به تدريج ديگ هاي اسكاچ را در خشكي به كار بردند و چون محدوديت جا نبود از آجر كاري نيز استفاده شد و آنها را بلند تر ساختند. اين ديگ ها را در انگلستان به نام اقتصادي و در آمريكا هنوز به نام اسكاچ مي شناسند.

 

اين ديگ ها به علت ارزانتر، با صرفه تر و كوچكتر بودن از ديگهاي لانكاشير تا اوايل سالهاي 1930 با آن به رقابت پرداختند . ديگ هاي اسكاچ فوق ابتدا داري قسمتهاي عقبي عايق كاري شده بودند، ولي بعدها اين ديواره ها را با ديواره هاي لوله – آبي پوشاندند .

 

ديگ هاي سه كاناله اقتصادي داراي مشكل عمده ناشي از استفاده صفحه لوله مشتركي جهت كانل دوم و سوم بودند. گازهاي ورودي به كانال دوم داري دماي 1000 º c بود كه پس از خروج از كانال سوم تا 250 º c تقليل مي يافت. بنابراين، صفحه لوله در معرض دو اختلاف دماي شديد قرار داشت كه باعث تنش و در نهايت نشتي انتهاي لوله ها مي شد.

[spow 44197]

در 1935 شركت لينكلن در Ruston و Hornsby ساخت ديگ سه معبره جديدي را بر اساس ديگ هاي سه كاناله دريايي اسكاچ به ثبت رساند. طرح جديد مشكل صفحه لوله هاي مشترك را كه تحت دو اختلاف دماي زياد قرار داشتند از طريق ايجاد صفحه لوله جداگانه براي هر يك از كانالها، برطرف ساخت . ديواره هاي محفظه عقبي كوره با ديواره لوله – آبي مجهز شد و ديواره جلويي، خروجي گازهاي كوره و ورودي گازها به سري لوله هاي معبر دوم را تشكيل مي داد.

 

اين ديواره لوله آبي در انتهاي كوره ديگ بخار كه به نام WET_BACK نيز ناميده مي شد اين مزيت را داشت كه سطوح عايقكاري اتلاف حرارت را تبديل به سطوح مفيد و جاذب حرارت نمود.

 

گازهاي كوره پس از عبور از جلوي ديگ بخار، در محفظه دود مقابل ديگ بخار، تغيير جهت داده و از طريق سري لوله هاي كانال سوم به قسمت عقبي ديگ وارد مي شود. اين سري لوله به صفحه لوله جداگانه اي در عقب ديگ بخار، متصل مي گردند.

 

صفحه لوله جلويي ديگ بخار، سري لوله هاي كانال دوم و وروديهاي كانال سوم را در خود جاي داده كه بدين طريق مشكل اختلاف دما وجود ندارد زيرا دماي گازهاي خروجي كانال دوم و ورودي كانل سوم تقريبا يكسان هستند. اين ساختار جديد ديگ بخار امروزه در همه جا رواج دارد.

 

پيشرفت عمده ديگري نيز در آمريكا صورت گرفت . در زمان جنگ جهاني دوم نياز شديدي به تامين بخار در تاسيسات جبهه ها احساس گرديد و ضرروت داشت كه نصب و راه اندازي اين ديگ ها در كمترين زمان انجام شود. قبل از اين، پوسته ديگ بخار با قطعات آتشكاري، تلمبه ها، شيرها و دمنده هاي توليد كنندگان مختلف، در محل نصب، تجهيز مي گرديد ولي از اين زمان به بعد ديگ بخار با همه اين قطعات به صورت كامل و آماده به كار نصب مي گرديد. اين نوع ديگ بخار را به نام پكيج يا يك پارچه مي نامند و شامل دي با همه اين قطعات به صورت كامل و آماده به كار نصب مي گرديد.

 

اين نوع ديگ بخار را به نام پكيج يا يك پارچه مي نامند و شامل ديگ بخار اسكاچ سه معبره و dry-back است كه بر روي يك پايه نصب شده است. پس از جنگ، اين نوع ديگ هاي يكپارچه عموميت يافتند و جزء ديگ هاي با ظرفيت بسيار بالاي لوله – آتشي، ساير ديگ ها را از اين نوع ساختند.

 

اين ديگ ها را به صورت كامل با همه قطعات كمكي، پس از مونتاژ و آزمايش در كارخانه، آماده به كار حمل مي نمايند. اين ديگ ها عموماً سه كاناله و از نوع wet-back مي باشند.

 

ديگ هاي كوچكتر، مخصوص ديگ هاي آب گرم كن را از نوع شعله – معكوس مي سازند. كوره اين ديگها فقط در يك طرف باز است و شعله مشعل در مركز كوره به سمت عقب كوره كه بسته است مي تابد. گازهاي حاصل از احتراق به صورت متحدالمركز (concentric) در اطراف شعله به عقب برمي گردند. تنها كانال لوله هاي اين كوره نيز به طور متحدالمركز در اطراف كوره قرار گرفته است . چون اين ديگ فقط يك كانال دارد، وسايلي جهت تشديد اغتشاش گازهاي گرم در نظر گرفته شده كه باعث افزايش انتقال حرارت و كاهش دماي گازهاي خروجي مي شوند.

 

ناحيه انتهايي كوره عملاً به علت بسته بودن آن و بالا بودن فشار، از نظر جريان گاز ها راكد و غير فعال است. قابل ذكر است كه طراحي مشعل به نحوي است كه ايجاد شعله اي بلند ، باريك و نفوذي مي نمايد. شعله اي كوتاه و چتري باعث كشيده شدن توسط گازهاي گرم خروجي و ادامه احتراق در لوله هاي ديگ بخار است كه منجر به افزايش دماي فلز در اين نواحي مي گردد.