بویلر | دیگ گرمایشی

بویلر یا دیگ گرمایشی وظیفه رساندن دمای یك سیال به نقطه جوش آن را بر عهده دارد و عموما به دستگاهی گفته می شود كه فرآیند جوش آوردن یا گرم كردن یك سیال را انجام میدهد. از بویلرها به صورت عمومی برای تولید بخار استفاده می شود و انرژی این کار از احتراق سوخت های فسیلی یا از گرمای زباله ها طی یک فرآیند آزاد ایجاد می شود.

دیگ آب گرم، بخار و روغن داغ از انواع مختلف بویلرها محسوب می شوند. دیگ هایی که برای مصارف خانگی و ساختمانی (غیر از بیمارستان ها و برخی صنایع) ساخته میشوند به طور معمول از نوع آب گرم می باشد. آنها ظرفیتی از چند کیلووات تا حداکثر یک مگاوات دارند و ظرفیت آن بیانگر مقدار انرژی حرارتی است که به آب منتقل می شود.

بویلرها عمدتاً برای تولید بخار یا آب داغ با فشار و دمای بالا طراحی شده‌اند و در صنایع بزرگ مانند نیروگاه‌ها، پتروشیمی و سیستم‌های گرمایش مرکزی استفاده می‌شوند. در حالی که تجهیزاتی مانند هیترها یا پکیج‌ها معمولاً برای گرمایش مستقیم فضاها یا تامین آب گرم مصرفی به کار می‌روند و فشار و دمای پایین‌تری دارند.

بویلر چیست؟

بویلر یک مبدل حرارتی است که برای تولید بخار یا گرمایش آب استفاده می‌شود. این دستگاه با استفاده از سوخت‌هایی مانند گاز، گازوئیل یا برق، آب را گرم کرده و به بخار، روغن داغ یا آب داغ تبدیل می‌کند. بویلرها در صنایع مختلف مانند نیروگاه‌ها، سیستم‌های گرمایش مرکزی، صنایع غذایی و پتروشیمی کاربرد گسترده‌ای دارند. بخار، آب یا روغن داغِ تولید شده توسط بویلر می‌تواند برای تولید برق، گرمایش فضاها، استریلیزاسیون و فرآیندهای صنعتی استفاده شود. طراحی بویلرها به گونه‌ای است که ایمنی و بازدهی بالا را تضمین می‌کنند و در انواع مختلف مانند واترتیوب و فایرتیوب ساخته می‌شوند.

بویلر یک مخزن پرفشار است که سطح انتقال حرارت را بین محفظه احتراق و سیال فراهم می کند. داخل این مبدل حرارتی دو بخش وجود دارد، یک طرف حرارت و طرف دیگر یک سیال است. این تجهیزات گرمایشی گران قیمت، گرمایش خود را از طریق سوخت‌های مختلف شامل گاز طبیعی، گازوئیل، زغال سنگ، برق یا حتی انرژی خورشیدی تامین میکنند. در برخی موارد، از بیومس (مواد آلی مانند چوب یا ضایعات کشاورزی) نیز به عنوان سوخت استفاده می‌شود. انتخاب نوع سوخت به عوامل مختلفی مانند دسترسی به منابع، هزینه و ملاحظات محیط زیستی بستگی دارد. انرژی حاصل از سوخت، آب داخل بویلر را گرم کرده و به بخار، روغن یا آب داغ تبدیل می‌کند.

محیطهای کاربردی بویلرها

بویلرها در انواع مختلفی مانند بویلر آب داغ، بویلر روغن داغ و بویلر بخار ساخته می‌شوند و هر کدام کاربردهای گسترده‌ای در صنایع و سیستم‌های مختلف دارند. در ادامه به طور کامل‌تر به محیط‌های کاربردی هر یک می‌پردازیم:

1. بویلر آب داغ، آب را تا دمای مشخصی گرم می‌کند (معمولاً زیر 100 درجه سانتیگراد) و در محیط‌های زیر استفاده می‌شوند:
   • سیستم‌های گرمایش مرکزی: برای گرمایش ساختمان‌های مسکونی، تجاری و صنعتی.
   • گرمایش استخرها: برای حفظ دمای آب استخرهای شنا و اسپا.
   • تامین آب گرم مصرفی: در هتل‌ها، بیمارستان‌ها و مجتمع‌های مسکونی.
   • صنایع سبک: در فرآیندهایی که به دمای بالا نیاز ندارند، مانند برخی فرآیندهای شیمیایی یا غذایی.
2. بویلر روغن داغ، از روغن به عنوان سیال انتقال حرارت استفاده می‌کنند و قادر به رسیدن به دماهای بسیار بالا (حتی بیش از 300 درجه سانتیگراد) هستند. کاربردهای آن شامل:
   • صنایع پلاستیک و لاستیک: برای قالب گیری، اکستروژن و ولکانیزاسیون.
   • صنایع نساجی: برای خشک‌کردن و پرداخت پارچه.
   • صنایع غذایی: در فرآیندهای خشک کردن و پخت.
   • صنایع شیمیایی: برای فرآیندهای تقطیر و گرمایش مواد شیمیایی.
   • صنایع چوب و کاغذ: برای خشک کردن چوب و تولید کاغذ.
3. بویلر بخار، بخار با فشار و دمای بالا تولید می‌کنند و در محیط‌های زیر استفاده می‌شوند:
   • نیروگاه‌ها: برای تولید برق از طریق چرخاندن توربین‌ها.
   • صنایع پتروشیمی و شیمیایی: در فرآیندهای تقطیر، گرم کردن و واکنش‌های شیمیایی.
   • صنایع غذایی و دارویی: برای استریلیزاسیون، پاستوریزه کردن و پخت.
   • صنایع نساجی: برای رنگرزی و پرداخت پارچه.
   • بیمارستان‌ها: برای استریلیزاسیون تجهیزات پزشکی و ضدعفونی.
   • سیستم‌های گرمایش صنعتی: در کارخانه‌ها و فرآیندهای تولیدی.

اجزای اصلی بویلر

بویلر یکی از مولفه های اصلی سیستم تولید بخار می باشد که از سه بخش اصلی تشکیل شده است. این سه بخش اصلی عبارتند از:

• سیستم آب تغذیه
• سیستم بخار
• سیستم سوخت

اگر بخواهیم جزئی تر و دقیق تر اجزای اصلی سیستم بویلر را به شما معرفی کنیم، دیگ‌ها از بخشهای زیر تشکیل میشوند

1. گرم کننده آب تغذیه: آب دیگ بخار را قبل از گرمایش توزیع می کند. این کار هم کارایی سیستم را بالا می برد و هم از وارد شدن شوک حرارتی به دیگ بخار جلوگیری می کند.
2. دی اریتر: اکسیژن و سایر گازهای حل شده در آب را از بین می برد. اکسیژن باعث خوردگی و آسیب به لوله ها و بویلر می شود.
3. پمپ تغذیه: آب تغذیه را به دیگ بخار پمپاژ می کند.
4. اکونومایزر: یک مبدل حرارتی می باشد که به دیگ بخار متصل می شود و آب را گرم می کند، اما از نقطه جوش فراتر نمی رود.
5. سوپرهیتر: یک مبدل حرارتی است که دما را تا بیشترین حالت ممکن بالا می برد.
6. کندانسور: کار خنک سازی و سرد کردن را بر عهده دارد.
7. مخزن زیر آب: املاح موجود در آب در این مخزن جمع آوری می شوند تا از خرابی و آسیب رسیدن به بویلر جلوگیری شود.
8. کنترل کننده ها: در مسیر جریان بویلر قرار دارند و جریان آب و بخار را نمایش می دهند. همچنین جریان سوخت و ترکیبات شیمیایی سوخت و هوا را نیز نشان می دهند.

مزایای عمومی و اختصاصی بویلرها

هر نوع بویلر (آب داغ، روغن داغ و بخار) دارای مزایای عمومی و مزایای اختصاصی است که آن را برای کاربردهای خاص مناسب می‌کند. در ادامه به تفکیک این مزایا را بررسی می‌کنیم:

مزایای عمومی بویلرها

• بازدهی بالا: بویلرها انرژی سوخت را به طور موثر به انرژی حرارتی تبدیل می‌کنند.
• انعطاف‌پذیری در انتخاب سوخت: می‌توانند از سوخت‌های مختلف مانند گاز، گازوئیل، برق، زغال سنگ یا حتی انرژی تجدیدپذیر استفاده کنند.
• قابلیت استفاده در مقیاس‌های مختلف: از سیستم‌های کوچک مسکونی تا صنایع بزرگ قابل استفاده هستند.
• کنترل دقیق دما و فشار: با استفاده از سیستم‌های کنترل پیشرفته، دما و فشار به دقت تنظیم می‌شوند.
• طول عمر بالا: با نگهداری مناسب، بویلرها سال‌ها به طور موثر کار می‌کنند.

مزایای اختصاصی انواع بویلرها

هر نوع بویلر با توجه به نیازهای خاص محیط کاربردی و مزایای منحصر به فرد خود انتخاب می‌شود.

1. بویلر آب داغ:
   • ایمنی بالا: به دلیل کارکرد در فشار و دمای پایین‌تر، خطر انفجار یا خرابی کاهش می‌یابد.
   • هزینه اولیه و نگهداری پایین: ساختار ساده‌تر و هزینه‌های تعمیر و نگهداری کمتر.
   • مناسب برای گرمایش فضاها: برای سیستم‌های گرمایش مرکزی و تامین آب گرم مصرفی ایده‌آل است.
   • کم خطر بودن: نشت آب خطرات کمتری نسبت به بخار یا روغن داغ دارد.
2. بویلر روغن داغ:
   • دماهای بسیار بالا: قادر به رسیدن به دماهای بالاتر از 300 درجه سانتیگراد است.
   • کاهش خطر خوردگی: روغن به عنوان سیال انتقال حرارت، خوردگی کمتری ایجاد می‌کند.
   • پایداری حرارتی: روغن در دماهای بالا پایدار است و خطر جوشیدن یا انفجار ندارد.
   • مناسب برای صنایع خاص: در صنایعی مانند پلاستیک، لاستیک و نساجی که به دمای بالا نیاز دارند، کاربرد دارد.
3. بویلر بخار:
   • انرژی بالا: بخار با فشار و دمای بالا برای فرآیندهای صنعتی سنگین ایده‌آل است.
   • کاربردهای گسترده: در نیروگاه‌ها، صنایع غذایی، دارویی، شیمیایی و نساجی استفاده می‌شود.
   • قابلیت تولید برق: بخار تولید شده می‌تواند توربین‌ها را به حرکت درآورد و برق تولید کند.
   • استریلیزاسیون و ضدعفونی: بخار برای استریلیزاسیون تجهیزات پزشکی و فرآیندهای غذایی بسیار موثر است.

در ادامه مهمترین معایب دیگ های گرمایشی را لیست می نمائیم:

• بویلرها به فضای زیادی نیاز دارند. آنها به یک استوانه آب گرم احتیاج دارند که می تواند فضای زیادی را به خود اختصاص دهد.
• بویلرها میزان آب گرم محدودی تولید می کنند. مقدار آب گرم تولیدی به میزان حجم مخزن شما بستگی دارد. وقتی آب گرم تمام شود باید منتظر بمانید تا مخزن دوباره گرم شود.
• آنها همچنین گرما را از دست می دهند. یک مخزن آب گرم در صورت عایق بندی نشدن صحیح می تواند گرما را از بین ببرد و ناکارآمد باشد.

انواع بویلر

بویلرها دارای انواع مختلفی هستند که توسط تولید کنندگان زیادی و با ساختارهای متفاوتی تولید می شوند. نمونه های جدیدتر بویلر باعث شده تا مدل های قدیمی از دسترس خارج شوند و دیگ های بخار جدید جای خود را در بین صنعت گران باز کنند. سه نوع بسیار کاربردی و پر طرفدار بویلرها عبارتند از دیگ آب گرم، دیگ روغن داغ و دیگ بخار.

بویلر آب گرم

دیگهای آب گرم بسیار ارزشمند هستند و گرمای زیادی را تولید می کنند و با چرخش آب گرم به تجهیزات حرارتی مانند رادیاتورها، بخاری های پایه و سیستم های گرمایشی و انتقال حرارت به آنها گرمای محیط را تامین می کند. این بویلرها ممکن است با برخی دیگر از سیستم های گرمایشی مطابقت نداشته باشند.

دیگ آب گرم وسیله ای برای گرم کردن آب مورد استفاده در سیستم های گرمایشی، تهویه و سیستم های تامین آب گرم ساختمان ها و انواع دیگر سازه ها است. دیگ های آب گرم چدنی، که آب را تا دمای بالاتر از 115 درجه سانتیگراد گرم نمی کنند، برای گرم کردن ساختمان های مسکونی و عمومی استفاده می شوند.

چندین مدل دیگ آب گرم وجود دارد که همه آنها از بخش های جداگانه و مخصوص لوله ای شکل ساخته شده اند. محفظه های داخلی هر بخش، که در آن آب گرم شده گردش می کند، در هنگام مونتاژ بویلر، با بازوهایی در بالا و پایین به هم وصل می شوند. همچنین یک کوره و محفظه احتراق در زیر دو مجموعه به صورت متقارن مونتاژ شده است. ممکن است از سوخت های مختلفی در دیگ آب گرم چدنی استفاده شود.

اگر چه بسیاری از افراد فکر می کنند که دیگ های آب گرم بسیار پر مصرف هستند اما اینگونه نیست زیرا این دیگ ها، آب گرم شده را به طور مکرر بازیافت و استفاده می کنند و نسبت به دیگر سیستم های گرمایشی موجود، انرژی بیشتری استفاده نمی کنند. اکثر بویلرهای آب گرم در واقع سازگار با محیط زیست هستند و راندمان بالایی دارند.

بویلر روغن داغ

در این بویلرها به طور معمول، آب به عنوان یک حامل گرما برای سیستم های گرمایش صنعتی عمل می کند. در دماهای بالاتر، آب نیاز به فشار زیاد دارد که ممکن است همیشه از نظر نصب یا ایمنی مطلوب نباشد. دیگ روغن داغ برای سیستم های گرمایشی صنعتی بسیار مناسب هستند و درجه حرارت بالایی را با فشار کم و ایمن تامین می کنند.

در بویلرهای روغن داغ، از مایعات حرارتی مصنوعی و روغن پایه استفاده می شود. این مایعات و روغن در فشارهای بالا کار می کنند، تا 300 درجه سانتیگراد می رسند و هنگام عبور از سیستم گرمایشی گرما تولید می کنند.

از بویلر روغن داغ در صنایع زیر استفاده می شود:

• صنایع غذایی
• صنایع نساجی
• صنعت قیر و ایزوگام
• صنعت چوب
• تولید چرم
• ساخت بتن و سیمان

بویلر بخار

یکی از آسانترین راه های انتقال گرما و حرارت استفاده از بخار آب است. آب به دلیل ظرفیت حرارتی بالایی که دارد و همچنین ارزان و در دسترس بودنش به عنوان یک انتقال دهنده حرارت عالی مورد استفاده قرار می گیرد.

دیگ بخار نوعی سیستم تبادل گرما است که با استفاده از آن آب از طریق احتراق یک سوخت و لوله ای که در آب فرو رفته است، تا دمای جوشش گرم می شود. سپس گرمای تولید شده در این دیگ به عنوان بخار وارد سیستم می شود. این بخار از طریق سیستم های لوله ای در تجهیزاتی که گرم می شوند، اعم از کویل های آب گرم در واحد های انتقال هوا یا سایر تجهیزات گرمایشی، جریان می یابد.

دیگ بخار از طریق احتراق بین سوخت و هوا عمل می کند و شعله را به درون لوله هایی که در آب غوطه ور هستند، هدایت می کند. سپس گرمای حاصل از احتراق از لوله به آب منتقل شده و آب تبخیر می شود. در نهایت این بخار به لوله کشی منتقل می شود تا در برنامه گرمایشی خاص مورد استفاده قرار گیرد.

برای داشتن یک بویلر بخار کارآمد، تصفیه مناسب آب از اهمیت زیادی برخوردار است. این به دلیل وجود مواد جامد محلول در آب است که می تواند باعث ایجاد ترک در پوسته یا خوردگی دیگ بخار شود. یک ترک یا خوردگی نازک در پوسته دیگ بخار می تواند باعث کاهش چشمگیر راندمان فرایند انتقال حرارت و افزایش هزینه سوخت شود.

در ادامه طی یک جدول این سه مدل بویلر با هم مقایسه شده اند:

محاسبه ظرفیت بویلر

ظرفیت بویلر به مقدار انرژی موردنیاز برای تأمین بخار یا آب گرم در یک سیستم حرارتی بستگی دارد. برای محاسبه دقیق، ابتدا باید نوع بویلر (بخار، آب داغ یا روغن داغ) و شرایط عملکرد آن را مشخص کرد. روش‌های محاسبه برای هر نوع بویلر متفاوت است.

محاسبه ظرفیت بویلر بخار

ظرفیت بویلر بخار معمولاً بر حسب کیلوگرم بر ساعت (kg/hr) یا تن بخار بر ساعت (TPH) بیان می‌شود. محاسبه ظرفیت آنها به عوامل زیر بستگی دارد:

• میزان بخار موردنیاز سیستم (m): بر حسب kg/hr
• آنتالپی بخار اشباع خروجی (h₂): بر حسب kJ/kg
• آنتالپی آب ورودی (h₁): بر حسب kJ/kg
• راندمان بویلر (η): معمولاً بین 80% تا 90%

فرمول محاسبه ظرفیت بویلر بخار: Q = (m × (h₂ – h₁)) / η

محاسبه ظرفیت بویلر آب گرم

ظرفیت بویلر آب گرم معمولاً بر حسب کیلوکالری بر ساعت (kcal/hr) یا کیلووات (kW) بیان می‌شود. محاسبه ظرفیت آنها به عوامل زیر بستگی دارد:

• دبی آب گرم موردنیاز (m): بر حسب kg/hr
• ظرفیت گرمایی ویژه آب (Cₚ): تقریباً 1 kcal/kg.°C
• اختلاف دمای ورودی و خروجی آب (ΔT): بر حسب °C
• راندمان بویلر (η)

فرمول محاسبه ظرفیت بویلر آب گرم: Q = (m × Cₚ × ΔT) / η

محاسبه ظرفیت بویلر روغن داغ

بویلرهای روغن داغ در سیستم‌هایی استفاده می‌شوند که به دمای بالاتری نسبت به آب گرم نیاز دارند. ظرفیت آنها بر اساس مقدار گرمای مورد نیاز برای تأمین دمای مطلوب محاسبه می‌شود.

• دبی روغن حرارتی (m): بر حسب kg/hr
• ظرفیت گرمایی ویژه روغن (Cₚ): بستگی به نوع روغن دارد
• اختلاف دمای ورودی و خروجی (ΔT): بر حسب °C
• راندمان بویلر (η)

فرمول محاسبه ظرفیت بویلر روغن داغ: Q = (m × Cₚ × ΔT) / η

نکات مهم در انتخاب ظرفیت بویلر

1. در نظر گرفتن ضریب اطمینان: معمولاً ظرفیت بویلر را کمی بیشتر از مقدار محاسبه شده در نظر می‌گیرند تا در شرایط پیک مصرف، کمبودی ایجاد نشود.
2. راندمان واقعی سیستم: همیشه راندمان بویلر را در محاسبات لحاظ کنید، زیرا بخشی از انرژی ورودی به صورت تلفات حرارتی از بین می‌رود.
3. شرایط عملیاتی بویلر: عواملی مانند فشار کاری، نوع سوخت، کیفیت آب تغذیه و شرایط محیطی می‌توانند روی راندمان و ظرفیت تأثیر بگذارند.
4. نوع بویلر و کاربرد آن: بسته به اینکه بویلر برای سیستم گرمایشی، تولید بخار صنعتی یا فرآیندهای خاص استفاده می‌شود، ظرفیت آن باید به درستی تعیین گردد.

قیمت بویلر

قیمت بویلرها به عوامل متعددی بستگی دارد که هر کدام می‌توانند تأثیر قابل‌توجهی بر هزینه نهایی داشته باشند. در ادامه، مهم‌ترین پارامترهای تأثیرگذار بر قیمت انواع بویلر آورده شده است:

1. نوع بویلر
2. ظرفیت و توان حرارتی که بر اساس کیلوکالری بر ساعت (kcal/h) یا تن تبرید (TR) سنجیده می‌شود و هر چه ظرفیت بیشتر باشد، قیمت نیز بالاتر خواهد بود.
3. جنس و ضخامت بدنه
   • چدنی: دوام بالا، مناسب برای فشارهای پایین، قیمت کمتر.
   • فولادی: تحمل فشار بالا، عمر طولانی‌تر، قیمت بیشتر.
   • استیل ضد زنگ: برای موارد خاص مانند صنایع غذایی، گران‌تر از فولادی.
4. نوع سوخت مصرفی
   • گاز طبیعی: مقرون به صرفه، متداول‌ترین نوع بویلر.
   • گازوئیل: هزینه نگهداری و سوخت بالاتر.
   • دوگانه‌سوز: انعطاف‌پذیر، اما هزینه اولیه بیشتر.
   • برقی: مصرف انرژی بالا، معمولاً برای کاربردهای خاص.
5. فشار کاری
6. استانداردها و برند تولید کننده؛ بویلرهایی که دارای استانداردهای ASME ، EN یا ISIRI باشند، قیمت بالاتری دارند و برندهای معتبر معمولاً به دلیل کیفیت بالاتر گران‌تر هستند.
7. تجهیزات جانبی و سفارشی‌سازی
   • مشعل، پمپ، تابلو برق و سیستم‌های کنترلی هوشمند می‌توانند قیمت را افزایش دهند.
   • عایق‌کاری و سیستم‌های کاهش مصرف سوخت نیز تأثیرگذارند.
8. محل نصب و هزینه حمل و نقل