دیگ ها و انواع آن به همراه مزایا و معایب آنها
تاریخچه:
جیمزوات مخترع اسکاتلندی که اغلب از او به عنوان مخترع ماشین بخار یاد می‌شود چهره اصلی انقلاب صنعتی است. وات در واقع اولین 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 نوع پیشرفته‌تری از آن را به ثبت رساند. با وجود این ماشین ساخته شده توسط نیوکومن کارایی بسیار کمی داشت و آن را فقط برای خارج کردن آب از معادن زغال سنگ به کار می‌گرفتند.
وات با اینکه فقط 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 اولین ماشین بخار دانست.
اولین 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 تعداد زیادی موتورهای بخاری تولید و به بازار عرضه کرد که در نتیجه ثروت سرشاری نصیب آن دو گردید.
در باب اهمیت ماشین بخار مبالغه و گزافه‌گویی نمی‌شود. درست است که بسیاری از اختراعات دیگر در انقلاب صنعتی نقش داشته‌اند؛ ولی هیچ‌یک از آنها به تنهایی نمی‌توانستند برای انقلاب صنعتی حیاتی باشند. قبل 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 بسیار زیادی برای تولید در دسترس بود و مرتباً نیز به میزان آن افزوده می‌شد.
دیگ یا بویلر (Boiler) وسیله است که اصطلاحا گرما را بر ماده ناقل گرما( آب) سوار می کند. دیگ را می توان در گروه های مختلفی دسته بندی کرد.
دسته اول (از نظر عملکرد):
- دیگ تولید آب گرم
- دیگ تولید آب داغ
- دیگ تولید بخار
چند نکته مهم:
- دیگ های تولید آب گرم برای سیستم های حرارت مرکزی با توان پایین استفاده می شود. یعنی ساختمان های کوچک، تعداد واحد و یا نیاز پایین یا با اقلیم نه خیلی سرد.
- فشار این سیستم در حد فشار جو است، بنابراین دمای آب گرم ناقل حرارت با توجه به نقطه جوش آب در ارتفاعی که سیستم در آن کار می کند، تعیین می شود (قاعدتا هر زمان ارتفاع از سطح دریا بیشتر شود، فشار افزایش می یابد و در دمای بالاتر به نقطه جوش می رسد.)
دقت کنید تولید آب داغ یا بخار در سیستم حرارت مرکزی یا بخار در ساختمان هایی با بار حرارتی زیاد (نیاز به گرمایش زیاد) و یا اقلیم های سرد کاربرد بیشتری دارد.
و مسئله اخر اینکه: سیستم حرارت مرکزی تولید بخار نه تنها برای گرمایش، بلکه جهت تامین حرارت در بخش ژنراتور چیلر های جذبی نیز که یک سیستم مولد سرما است، کاربرد دارد!
دسته دوم (دیگ از نظر جنس):
- دیگ چدنی
- دیگ فولادی
1- دیگ چدنی:
در تولید دیگ آبگرم چدنی همان طور که از اسم آن پیداست از چدن خاکستری استفاده می شود. دیگ های چدنی در ظرفیت های مختلف و معمولا به صورت قطعاتی (پره ای) به روش ریخته گری تولید می گردد. این دیگ ها بر اساس ظرفیت حرارتی آن ها از تعدادی پره چدنی تشکیل شده اند. در فضای وسط پره ها شعله مشعل قرار می گیرد و جهت افزایش بازده دیگ و حداکثر استفاده از انرژی حرارتی سوخت، در محیط پره ها مجرا های خاصی در نظر گرفته شده است که گاز های حاصل از احتراق از آن ها عبور می کنند و انرژی خود را به آب داخل دیگ منتقل می کنند.
هر دیگ بر حسب ظرفیت آن شامل یک پره جلو، یک پره عقب و تعدادی پره وسط است که پره جلو و عقب با یکدیگر و با پره های وسط تفاوت دارند ولی تمام پره های وسط یکسان هستند.
دیگ های چدنی برای فشار های پایین و حداکثر ۵ بار استفاده می شوند. (البته برخی از سازندگان اظهار می دارند که دیگ های تولیدی آن ها فشارهای بالاتر از ۵ بار را هم تحمل می کنند.) این دیگ ها در مصارف خانگی و تولید آب برای مصارف صنعتی سبک مورد استفاده قرار می گیرند. از نظر فشار و دمای کاری دارای محدودیت هستند. بهتر است برای مناطقی که زمستان های سرد دارند و اختلاف دمای آب رفت و برگشت ممکن است زیاد باشد استفاده نشود زیرا تنش های حرارتی ناشی از آب برگشتی نسبتا سرد ممکن است باعث ترک خوردگی پره های آن ها شود.
دیگ های چدنی به دلیل اینکه پره ای هستند امکان افزایش ظرفیت حرارتی آن ها و حمل و نقل آسان آنها وجود دارد. از طرفی هزینه نصب بویلرهای چدنی بیشتر از نوع فولادی است. دیگ های چدنی دارای مقاومت خوبی در مقابل خوردگی هستند.
مزایای دیگ های چدنی:
- در برابر خوردگی و زنگ زدگی مقاوم هستند.
- به دلیل قابلیت جدا شدن پره های دیگ حمل و نقل آن ها آسان است و ظرفیت حرارتی آن ها با افزایش یا کاهش تعداد پره ها قابل تغییر است.
- در صورت شکستن پره ها می توان آن ها را با پره نو تعویض کرد.
- قیمت آن ها ارزان تر است.
معایب دیگ های چدنی:
- از مشکلات اصلی دیگ ها ترک برداشتن جدار پره ها در اثر تنش های حرارتی، فشار زیاد سیستم، ایجاد رسوب روی سطح داخلی پره ها و … است که در این صورت پره باید توسط فرد متخصص تعویض شود و در صورتی که هنگام تعویض پره دقت کافی به عمل نیاید دیگ مشکل آب بندی و دود بندی پیدا می کند
- راندمان حرارتی آن ها نسبت به دیگ های سه پاس فولادی کمتر است.
- مقاومت آن ها در برابر برخورد مستقیم شعله پایین است و درصورتی که در داخل دیگ آب نباشد و مشعل بیشتر از ۵ دقیقه روشن بماند کل پره را باید تعویض کرد.
- برای مناطق خیلی سرد که امکان شوک حرارتی وجود دارد مناسب نمی باشند.
- هزینه نصب و جمع کردن آن ها بیشتر است.
دیگ فولادی:
دیگ فولادی آبگرم به صورت یکپارچه در کارخانه و از ورق و لوله فولادی آلیاژی آتشخوار تولید می گردد. این دیگ ها به دو دسته آب در لوله (water tube) و آتش در لوله (fire tube) تقسیم می گردد. معمولا در مواردی که نیاز به تامین فشار های بسیار بالا می باشد (مثل نیروگاه ها) ازدیگ های واترتیوب استفاده می گردد. دیگ های فولادی آتش در لوله یا فایر تیوب در تاسیسات متداول تر هستند.
اجزا یک دیگ آبگرم فولادی فایر تیوب به صورت خلاصه به شرح زیر می باشد: ۱- بدنه ۲- لوله ها ۳- صفحات نگهدارنده لوله ها ۴- کوره ۵- اتصالات لوله رفت و برگشت ۶- اتصال لوله انبساط ۷- شیر اطمینان ۸-شیر تخلیه ۹-دریچه های بازرسی ۱۰-محفظه دود ۱۱- درب های جلو و عقب ۱۲- اتصال دودکش ۱۳- اتصالات مربوط به نشان دهنده ها ۱۴- عایق ۱۵- روکش (کاور) ۱۶- شاسی
این نوع دیگ ها در صنایع و کارخانجات مختلف، ساختمان ها و مجتمع های مسکونی کاربرد دارند.
مزایای دیگ های فولادی:
- طول عمر این دیگ ها بالا تر است.
- راندمان و بازده حرارتی دیگ های فولادی سه پاس از دیگ های چدنی بیشتر است.
- ظرفیت آن ها تقریبا نامحدود است. (مناسب جهت پروژه های بزرگ)
- قابلیت تحمل شوک های حرارتی را دارند.
- فشار های خیلی بالا را می توانند تحمل کنند (مناسب جهت ساختمان های مرتفع)
- قابلیت تطابق با هر نوع سوخت را دارند.
معایب دیگ های فولادی:
- قیمت آن ها نسبت به دیگ های چدنی بالاتر است.
- چون در کارخانه به صورت یکپارچه ساخته می شوند حمل و نقل آن مشکل است.
- در صورت خرابی هزینه تعمیر آن ها بالاتر است.
- ظرفیت آن ها ثابت و غیر قابل تغییر است.
به بیان دیگر و به صورت خلاصه می توان گفت:
- راندمان حرارتی دیگ های فولادی به خصوص در مدل های سوپر سه پاس Wet Back به مراتب از دیگ های چدنی بیشتر است.
- طول عمر دیگ های فولادی از دیگ های چدنی به به دلیل شکننده بودن پره های آن ها بیشتر می باشد. ( امکان شکستگی پره های دیگ های چدنی چه در حمل و نقل ، چه در هنگام مونتاژ و چه در اثر سرد و گرم شدن وجود دارد.)
- با افزایش ظرفیت دیگ و در نتیجه افزایش تعداد پره‌ها طول دیگ زیادتر شده و شعله مشعل توان گرم نمودن آب گردش‌کننده در پره های انتهایی دیگ های چدنی را ندارد. لذا از دیگ های چدنی معمولا در پروژه های کوچک و خانگی (به دلیل سادگی در حمل و نقل) بیشتر استفاده می گردد.
- دیگ های چدنی معمولا تحمل فشار های بالا را ندارند و به دلیل فشار کاری پایین تر نسبت به دیگ های فولادی معمولا در ساختمان های با ارتفاع کم استفاده می شود.
- میزان رسوب گیری دیگ های چدنی به دلیل پیچ و خم های عبور آب به مراتب بیشتر از دیگ های فولادی بوده و در نتیجه راندمان آن نسبت به حالت اولیه سریع تر کاهش یافته و شکنندگی آن افزایش می یابد.
منابع:
کتاب مدرسان شریف
کتاب مرجع کاربردی بویلرهای آب گرم و بخار صنعتی
کتاب مرجع کامل تاسیسات صنعت و ساختمان
کتاب تاسیسات حرارتی رشته تاسیسات
