دیگ آبگرم و بخار موتورخانه

انتخاب دیگ

دیگ موتورخانه وظیفه انتقال گرمای تولیدی مشعل به سیال فرآیندی موتورخانه را دارد. درواقع دیگ موتورخانه و مشعل سیستم گرمای مورد نیاز ساختمان را تامین می‌کنند. برای انتخاب دیگ باید ابتدا بار حرارتی کل ساختمان تعیین شود. بار حرارتی کل ساختمان معمولا با علامت Q_t نشان داده می‌شود. این بار مجموع تلفات حرارتی ساختمان و آب گرم مصرفی ساختمان است. با داشتن بار حرارتی کل ساختمان و نوع موتورخانه و سیال فرآیندی برای گرمایش، نوع و ظرفیت دگی مورد نظر تعیین می‌شود. البته قبل از طراحی و انتخاب دیگ باید ضریب اطمینان مورد نظر در بار حرارتی کل ساختمان در نظر گرفته شود. ضریب اطمینان عددی بین 5% تا 20% که این رنج تفاوت به دلیل تفاوت در نوع عایقکاری، مصالح استفاده شده و اتلاف حرارتی موتورخانه و اجناس مورد استفاده است.

(Q_B=Q_t*(1+A

Q_B قدرت دیگ بر حسب بی تی یو بر ساعت (Btu/hr) است و A ضریب اطمینان برای اتلاف حرارتی از دیگ و لوله است. بعد از محاسبه قدرت دیگ مورد نظر و با توجه به نوع سیال و موتورخانه حرارتی، با توجه به کاتالوگ شرکت‌های سازنده، دیگ مورد نظر انتخاب می‌شود. اگه قدرت مورد نظر در کاتالوگ نباشد در صورتی که اختلاف خیلی زیادی نداشته باشد یک پله پایین تر و در غیر این صورت یک پله بالاتر به عنوان دیگ مورد نظر انتخاب می‌شود. در صورتی که مقدار قدرت مورد نیاز برای دیگ از 400000  بی تی یو بر ساعت بیشتر شود بهتر است با توجه به زمان و میزان سردی هوا به جای یک دیگ از دو یا چند دیگ به صورت موازی استفاده شود که دیگ‌هایی که کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند کمتر دچار فرسودگی شوند. این کار علاوه بر اینکه باعث عمر بیشتر دیگ‌های دیگر می‌شود، به هنگام تعمیر و تعویض دیگ فرسوده می‌تواند به عنوان دیگ جایگزین در مدت تعمیر و تعویض استفاده شود. در ایران به دلیل اینکه کشور ما در بیشتر مناطق گرم است و فصول سرد کمتر است ( که اخیرا فصول سرد کمتر هم شده است) کار دیگ در بیشتر فصول سال تهیه انرژی مورد نیاز برای آب مصرفی است. مخصوصا در ساختمان‌های بزرگتر باید این نکته مورد توجه قرار گیرد. پس بهتر است در ساختمان‌های بزرگتر حتما از دو دیگ موازی یکی کوچکتر برای تولید آب گرم مصرفی و یکی دیگر برای تلفات حرارتی ساختمان در نظر گرفته شود و در فصول گرم دیگ های اصلی از سرویس خارج شوند.

تعیین قطر دودکش دیگ موتورخانه

گازهای حاصل از احتراق سوخت درون دیگ باید توسط دودکش به فضای خارج از ساختمان هدایت شوند. در صورت تعیین اشتباه قطر دودکش، احتراق ناقص رخ می‌دهد و میزان مصرف سوخت و همچنین بازده حرارتی دیگ کاهش می‌یابد. حرکت گازهای احتراق در دودکش به اختلاف دمای گاز و هوای خارج و همچنین ارتفاع دودکش رابطه مستقیم دارد. اختلاف دمای گازهای احتراق و هوای بیرون را می‌توان حدود 400 درجه فارنهایت ( 200 درجه سانتیگراد) در نظر گرفت. نیروی مکش دودکش باید به اندازه‌ای باشد که کلیه مقاومت‌ها و اتلاف در آن جبران شود. این مقاومت‌ها با سطح مقطع دودکش رابطه معکوس دارد و هرچه سطح مقطع بیشتر باشد مقاومت در برابر هدایت گازهای احتراق کاهش می‌یابد. از طرفی ارتفاع دودکش با نیروی مکش دود رابطه معکوس دارد و هر چه ارتفاع دودکش بیشتر باشد نیروی مکش دودکش کاهش می‌یابد و در صورت افزایش ارتفاع باید سطح مقطع بیشتر در نظر گرفته شود تا مقاومت در مسیر دود کمتر شود. البته جداول مورد نیاز برای  سطح مقطع دیگ بر حسب ارتفاع و قدرت دیگ موجود است که کار را ساده کرده است.

انواع دیگ

به طور کلی دیگ‌ها به دو دسته اصلی دیگ‌های چدنی و دیگ‌های فولادی تقسیم می‌شوند. البته دیگ‌های خاص هم وجود دارد که با توجه به نوع فرآیند طراحی و ساخته می‌شوند. اما در اینجا فقط به دیگ‌های حرارت مرکزی موتورخانه اشاره شده است که در آن دو دسته قرار می‌گیرند.

دیگ چدنی (CAST IRON BOILER)

این دیگ‌ها همانطور که از اسم آنها مشخص است از جنس چدن هستند. این نوع دیگ از نصب و اتصال چند صفحه چدنی که اصطلاحا پره دیگ نام دارند تشکیل شده اند. این پره‌ها به وسیله بوشن یا مغزی در کنار یکدیگر جمع شده و آب‌بندی می‌شوند. هر دیگ چدنی دارای 3 نوع پره جلو، عقب و میانی است. تعداد این پره‌ها مشخص کننده قدرت دیگ است و با بیشتر کردن آن قدرت دیگ بیشتر می‌شود. وقتی این پره‌ها در کنار هم قرار بگیرند و یک دیگ را تشکیل دهند مشعل روی آن نصب شده و شعله آتش درون آن جریان می‌یابد و باعث گرم شدن آب آن می‌شود. درزها و قسمت‌هایی که در تماس آتش هستند توسط آجر نسوز و یا سیمان و ملات نسوز محافظت می‌شوند. یک حفره در پره جلو و عقب برای نصب دودکش و مشعل در نظر گرفته شده است و محل اتصال فشار سنج و اتصالات، لوله‌های رفت و برگشت آب و شیر اطمینان و ابزار دقیق روی آن تعبیه شده است.

از مزیت‌های این دیگ این است که با تغییرات پره در آن می‌توان ظرفیت حرارتی را تغییر داد و در واقع این نوع دیگ برای ظرفیت‌های مختلف انعطاف پذیر است. از معایب این دیگ شکننده بودن چدن است. در صورتی که دیگ بدون آب کار کند سریع ترک می‌خورد. تعمیر این دیگ ممکن نیست و فقط باید پره‌های آن بعد از پوسیدگی تعویض شود.

نکات مربوط به دیگ چدنی

• این دیگ می تواند نهایتا برای فشار 5 بار استفاده شود( بسته به توصیه و استاندارد سازنده متغیر است).
• چدن شکننده است و در حمل و نقل آن باید دقت شود تا ترک ایجاد نشود.
• این دیگ‌ها معمولا در سیستم‌های حرارت مرکزی استفاده می‌شود و سیال آن می‌تواند آب داغ، آب گرم و بخار فشار ضعیف باشد.
• بعد از نصب دیگ باید حتما کاور (پوشش) عایق حرارتی آن نصب شود تا از اتلاف حرارتی آن جلوگیری شود.
• دیگ چدنی حتما باید بر روی فونداسیونی بتنی حداقل 10 سانتیمتر نصب شود و محل نصب آن باید کاملا تراز باشد.

دیگ فولادی

این نوع دیگ در دو نوع با لوله‌های آتش و لوله‌های آب ساخته می‌شود که در ادامه به صورت مختصر توضیح داده شده است.

• دیگ‌های فولادی با لوله‌های آتش (Fire Tube): در این دیگ آتش و گازهای داغ حاصل از احتراق درون لوله‌ها جریان می‌یابد. این لوله‌ها توسط آب در گردش احاطه شده اند. از این سیستم در حرارت مرکزی با آب داغ و یا بخار استفاده می‌شود. انواع جدید این نوع دیگ‌ها فشاری حداکثر تا 250 پوند بر اینچ مربع ( حدودا 17 بار) و تولید بخار حداکثر 20000 پوند بر ساعت ساخته شده است. سوخت مورد استفاده این دیگ‌ها ممکن است گازوییل، گاز و یا هردو باشد.
• دیگ فولادی با لوله‌های آب (Water Tube): در این دیگ برعکس نوع اول، آب در لوله‌ها گردش نموده آتش بر لوله‌ها محیط است. انواع جدید آن می‌توانند حداکثر تا 60000 پوند بر ساعت بخار تولید نموده و حداکثر فشار کاری آنها حدودا 900 پوند بر اینچ مربع ( حدودا 60 بار) فشار را تحمل کند. مشکل اصلی و محدودیت این دیگ‌ها حجم و بزرگی آنها است و حمل و نقل و نصب آنها مشکل‌تر است. سوخت این دیگ‌ها مانند دیگ‌های دیگر می‌تواند گازوییل و یا گاز یا ترکیبی باشد. این دیگ‌ها قابلیت طراحی برای استفاده از سوخت جامد را داشته باشند.

دیگهای فولادی تحت تاثیر رطوبت هوا طی مدت زمان کوتاه‌تری زنگ می‌زنند و این مشکل در کنار مشکل حمل و نقل آن‌ها و همچنین قیمت بیشتر تمایل به سمت دیگ‌های چدنی را بیشتر می‌کند. اما در جایی که نیازمند آب داغ و یا بخار فشار قوی است به ناچار باید از دیگ فولادی استفاده کرد.

دیگ ها به عنوان تجهیزات مولد گرمایش مرکزی از جنبه های مختلف در گروه های زیر  طبقه بندی  می شوند :

از نظر کاربری :

  الف– دیگ مناسب سیستم ابگرم

   ب– دیگ مناسب سیستم اب داغ

   ج– دیگ مناسب سیستم بخار

از نظر انرژی اولیه و سوخت مصرفی :

الف– دیگ با سوخت جامد

ب- دیگ با سوخت مایع

ج- دیگ با سوخت گازی

د- دیگ الکتریکی

از نظر جنس :  الف – دیگ چدنی قطعاتی

ب– دیگ فولادی که خود در دو گروه عمده فولادی لوله آتش و لوله اب دسته بندی می شود.

از نظر استقرار :   الف- دیگ افقی        ب- دیگ عمودی

به طور کلی و بدون در نظر گرفتن تمهیدات خاص بازده دیگ ها بین 75 تا 80 درصد است.

زیرا تقریبا 4 درصد از انرژی ورودی توسط تشعشع و انتقال از سطح دیگ به هدر می رود و 3 درصد از طریق زیر اب کشی تلف می شود و 18 درصد از انرژی نیز به صودت گرما از دودکش خارج می شود.

تعیین ظرفیت دیگ

مجموع بارهای گرمایشی شامل بار گرمایش ساختمان و ظرفیت مورد نیاز برای تولید ابگرم مصرفی مبنای تعیین ظرفیت دیگ یا دیگ های یک پروژه است.

چنانچه در پروژه ای برای تامین سرمایش از چیلرهای جذبی استفاده می شود. باید مقدار ظرفیت گرمایشی مورد نیاز ژنراتور چیلر جذبی را نیز در محاسبات تعیین ظرفیت دخالت داد.

اما باتوجه به اینکه نیاز های گرمایشی زمستانی با نیاز های گرمایشی تابستانی همزمان نیستند، تنها یکی از بارهای زمستانی یا تابستانی که مقدار بیشتری را به خود اختصاص می دهند به علاوه ظرفیت گرمایشی مورد نیاز تولید ابگرم مصرفی پایه انتخاب دیگ قرار می گیرند.

برای تعیین ظرفیت دیگ می توان در شرایط مختلف از روابط زیر سود جست :

الف- زمانی که برای سرمایش از چیلر جذبی استفاده نمی شود و یا ظرفیت گرمایش زمستان بیشتر از ظرفیت گرمایش مورد نیاز برای چیلر جذبی در تابستان است :

Q_{B =} Q_{H +} Q_HW

ب- زمانی که برای سرمایش از چیلر جذبی استفاده می شود و ظرفیت گرمایش زمستانی کمتر از ظرفیت گرمایشی مورد نیاز برای چیلر جذبی در تابستان است :

Q_{B =} Q_{C +} Q_HW

Q_B = ظرفیت دیگ برحسب (Btu / hr)

Q_H = بار گرمایش زمستانی بر حسب (Btu / hr)

Q_HW = بار گرمایش تولید ابگرم مصرفی برحسب (Btu / hr)

Q_C = بار گرمایش چیلر جذبی برای سرمایش تابستانی برحسب (Btu / hr)

در نهایت باید به ترتیب زیر، 30 درصد به ظرفیت گرمایشی دیگ برای جبران اتلاف گرمایی

دودکش و خطوط لوله کشی افزود.

بنابراین ظرفیت نهایی برابر است با :            

Q_B * 1.3 = Btu / hr

انتخاب دیگ

• نوع سیستم، فشار کار، نوع سوخت و تاحدودی ظرفیت گرمایشی مورد نیاز مبانی انتخاب دیگ محسوب می شوند.
• برای سیستم های ابگرم با فشار کمتر از 5 اتمسفر می توان از دیگ های چدنی قطعاتی استفاده نمود.
• دیگ های چدنی برای سیستم های بخار فشار ضعیف نیز کاربرد دارند، اما کمتر از انها به عنوان مولد بخار استفاده می شود.
• برای سیستم های ابگرم و یا سیستم های اب داغ و بخار با فشار های بالاتر از 5 اتمسفر باید از دیگ فولادی استفاده کرد.
• دیگ های فولادی که به طور معمول برای گرمایش ساختمان ها به کارگرفته می شوند، اغلب از نوع لوله- اتش هستند و دیگ های فولادی لوله – اب کمتر در تاسیسات گرمایش مرکزی ساختمان ها کاربرد دارند و بیشتر برای تولید بخار در تاسیسات صنعتی و نیروگاه های حرارتی مورد استفاده قرار می گیرند.
• هر یک از دیگ های چدنی فولادی با توجه به سوخت پیش بینی شده در پروژه،می توانند مجهز به مشعل گازسوز،گازوئیل یا دوگانه سوز شوند.
• در حالت کلی بهتر است برای تامین بارهای گرمایشی حداقل از دو دیگ هم ظرفیت استفاده شود.در این صورت هر یک از دیگ های باید به تنهایی پاسخگوی نیاز های دو سوم از بار های گرمایشی پروژه باشند.
• بنابراین هر دیگ 66 درصد از نیاز های را براورده خواهد ساخت .چنین انتخابی به معنای در نظر گرفتن ، حداقل 30 درصد ظرفیت ذخیره برای پروژه می توان بار ذخیره را تا 50 درصد نیز افزایش داد.

سوخت (دیگ های چدنی و فولادی لوله - اتش)

• بازده دیگ های چدنی 75 درصد و بازده دیگ ها فولادی 80 درصد در نظر گرفته می شود. بنابراین برای تعیین ظرفیت گرمایی ورودی دیگ و انتخاب مشعل باید ظرفیت گرمایی مورد نیاز خروجی را در موارد اول و دوم به ترتیب تقسیم بر 0.75 و 0.80 نمود :

برای دیگ چدنی :

(ورودی) hr / Btu / hr ÷ 0.75 = Btu  (خروجی)

برای دیگ فولادی :

( ورودی )  Btu / hr ÷ 0.80 = Btu / hr (خروجی)

برای تعیین مقدار سوخت گازی باید مقدار ظرفیت مشعل دیگ بر ارزش حرارتی سوخت تقسیم شود :

مقدار سوخت گازی بر حسب فوت مکعب در ساعت برابر است با :

( ³ Btu / ftارزش حرارتی سوخت)  ÷  Btu / hr

برای گاز طبیعی می توان مقدار ظرفیت گرمایی را بر Btu / ft³1000 تقسیم نمود :

مقدار سوخت گازی بر حسب فوت مکعب در ساعت برابر است با :

 1000Btu / hr÷Btu / ft³

چنانچه تعیین وزن سوخت مورد نظر باشد،می باید ظرفیت گرمایی بر حسب کیلوکالری در ساعت را بر ارزش حرارتی یک کیلو گرم سوخت گاز تقسیم کرد.

برای سوخت گاز طبیعی می توان این مقدار را 10500 کیلو کالری بر کیلو گرم در نظر گرفت.

وزن سوخت گاز برحسب کیلو گرم در ساعت =

در هر حال بهتر است ارزش حرارتی سوخت چه از نظر حجمی و چه از نظر وزنی بر اساس مستندات شرکت منطقه ای گاز تعیین شود.

برای تعیین مقدار سوخت مایع نیز همچون سوخت گازی باید مقدار ظرفیت گرمایی مشعل بر ارزش حرارتی سوخت تقسیم شود :

مقدار سوخت مایع بر حسب گالن در ساعت  =  Btu / hr ÷ Btu / gal

چنانچه تعیین وزن سوخت مایع مورد نظر باشد می باید، ظرفیت گرمایی مشعل بر حسب کیلو کالری در ساعت را بر ارزش حرارتی یک کیلو گرم سوخت مایع تقسیم کرد.

وزن سوخت مایع برحسب کیلو گرم در ساعت =

برای تعیین مصرف سوخت مایع یا گاز سالیانه می توان به ترتیب از روابط زیر استفاده کرد :

   = مصرف سوخت سالیانه (برای سوخت مایع )  برحسب ترم

 = مصرف سوخت سالیانه (برای سوخت گاز )  برحسب ترم

= Q بارگرمایشی (Btu / hr)

=ADD  روز درجه سالیانه

= اختلاف دمای طرح داخل و خارج

هر ترم برابر است با   Btu / hr  100000

مقدار هوای احتراق (دیگ چدنی  و فولادی لوله - اتش)

- از طریق رابطه زیر می توان مقدار هوای احتراق بر اساس 30 درصد هوای اضافی در دمای 70 درجه فارنهایت برای دیگ گازسوز را بر حسب فوت مکعب در دقیقه (cfm) محاسبه نمود:

                                                   فوت مکعب در ساعت گاز * 0.265 = cfm

بایدتوجه داشت که این مقدار هوا نتها برای احتراق است و تعیین کننده مقدار هوای خروجی از دودکش نیست.

بر همین اساس می توان از طریق رابطه زیر مقدار سطح ازاد یا مفید دریچه یا شبکه ورود هوای احتراق را برای دیگ های گاز سوز تعیین کرد :

سطح ازاد شبکه ورود هوای احتراق بر حسب فوت مربع = 

حداکثر سطح ازاد شبکه ها و دریچه های ورودی هوای احتراق با توجه به چگونگی استقرار تیغه ها ، 50 در صد است.

بنابراین برای تعیین سطح ناخالص درچه کافی است مقدار به دست امده از رابطه بالا را دو برابر کنیم.

مقدار هوای احتراق (دیگ چدنی و فولادی- آتش)

• از طریق رابطه زیر می توان مقدار هوای احتراق بر اساس 30 درصد هوای اضافی در دمای 70 درجه فارنهایت برای دیگ با سوخت نفتی را برحسب فوت مکعب در دقیقه (cfm)محاسبه نمود:

 (گالن در ساعت سوخت نفتی)cfm = 35 * gph

باید توجه داشت که این مقدار هوا تنها برای احتراق است و تعیین کننده مقدار هوای خروجی از دودکش نیست.

بر همین اساس می توان از طریق رابطه زیر، مقدار سطح ازاد دریچه یا شبکه ورود هوای احتراق را تعیین کرد:

سطح آزاد شبکه ورود هوای احتراق بر حسب فوت مربع= ft/min250/(cfm×1.3)

حداکثر سطح آزاد شبکه‌ها و دریجه‌های ورودی هوای احتراق با توجه به چگونگی استقرار تیغه‌ها، 50 درصد است. بنابراین برای تعیین سطح ناخالص دریچه کافی است مقدار به دست آمده  از رابطه بالا را دوبرابر کنیم.

از طریق رابطه زیر می‌توان مقدار هوای احتراق براساس 30 درصد هوای اضافی در دمای 70 درجه فارنهایت برای دیگ با سوخت نفتی را بر حسب فوت مکعب در دقیقه (cfm) محاسبه نمود:

(گالن در ساعت سوخت نفتی)             gph×35=cfm

باید توجه داشت که این قدار هوا تنها برای احتراق است و تعیین کننده مقدار هوای خروجی از دودکش نیست. بر همین اساس می‌توان از طریق رابطه زیر، مقدار سطح آزاد دریجه یا شبکه ورود به هوای احتراق را تعیین کرد:

سطح آزاد شبکه ورود هوای احتراق بر حسب فوت مربع= ft/min250/(cfm×1.3)

حداکثر سطح آزاد شبکه‌ها و دریچه‌های ورود هوای احتراق با توجه به چگونگی استقرار تیغه‌ها، 50 درصد است. بنابراین برای تعیین سطح ناخالص دریچه کافی است، مقدار به دست آمده از رابطه بالا را دو برابر کنیم. چنانچه بر روی دریچه‌های ورودی هوای احتراق ار توری استفاده می‌شود. نباید چشمه‌های توری کنتر از 2/1 اینچ (12.5 میلیمتر) باشد.

دیگ فولادی لوله- آب