مکانیسم بویلر steam boiler

مدیران انجمن: javad123javad, parse

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: roham hesami

محل اقامت: Tehran -Qeytariyeh, Ketabi Street, 8 meters from Saba

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 732

سپاس: 433

جنسیت:

تماس:

مکانیسم بویلر steam boiler

پست توسط rohamjpl »

بویلر یا دیگ بخار مجموعه‌ای از لوله‌ها است که از آن‌ها برای انتقال گرمای تولیدی توسط فرایند احتراق به سیال استفاده می‌شودمعرفی دیگ بخار
اساس کار دیگ بخار یا بویلر (Boiler) مبتنی بر ویژگی های مخازن تحت فشار است. دیگ بخار در حقیقت یک مخزن بسته است که آب داخل آن با استفاده از حرارت ناشی از احتراق سوخت مصرفی دیگ بخار گرم شده و در نهایت به بخار آب با فشار بالا تبدیل می شوند.بخش داخلی دیگ بخار شامل دو قسمت می باشد: طرف آتش و طرف آب.
به همه سطوحی که در طرف آتش دیگ بخار قرار دارد سطح گرمایی گفته می‌شود.تصویر
همه قسمت‌های داخلی یک دیگ بخار که تحت فشار بالا قرار می گیرند از آلیاژهای آهنی ساخته شده است.نواع دیگ بخار
با توجه به نوع طراحی طراحی بویلرهای بخار اصولاً این محصول در دو نوع لوله آبی (WaterTube) و لوله آتشی (Fire Tube)، طراحی می گردد.
اساس کار دیگ بخار لوله آبی (واترتیوب)
دیگ‌های لوله آبی از ظروفی به نام درام تشکیل شده اند که بوسیله لوله به یکدیگر وصل می شوند.
گاز داغ در اطراف لوله ها جریان دارد و آب درون لوله ها جاری می باشد ، در نتیجه آب داخل لوله ها در مجاورت با هوای داغ اطراف لوله، بخار آب تشکیل می دهد.
ظرفیت دیگ‌های لوله آبی آزادی را می توان افزایش داد و این یکی از مهمترین دلایل برتری این نوع دیگ بخار است.
یک دیگ‌ لوله آبی با ظرفیت نیم تن در ثانیه توانایی تولید بخار با فشار ۱۶۰ اتمسفر و دمای۵۵۰ درجه سانتی‌گراد را دارد.
البته پکیج دیگ‌های لوله آبی در ابعاد کوچک‌تر برای استفاده در صنعت نفت و پتروشیمی ساخته می‌شوند.
اساس کار دیگ بخار لوله آتشی (فایرتیوب)
محفظة احتراق و لوله‌های بویلر داخل یک محفظة نسبتاً بزرگ استوانه ای با قطر زیاد قرار دارند.
ساختمان دیگ به گونه‌ای است که گازهای داغ ناشی از احتراق از داخل لوله ها عبور داده می شود و بدین وسیله به آبی كه در خارج از لوله ها قرار دارد حرارت منتقل می شود.
دیگ‌های لوله آتشی در صنایع مختلف برای مقاصد گرمایش بصورت دیگ ثابت و دیگهای قابل حمل تولید و بکار می روند.
دیگ بخار فایرتیوب در ظرفیت های متفاوتی و حداکثر 25 تن در ساعت می تواند ساخته شود.
دیگ های بخار لوله آتشی بدلیل اینکه از یک مخزن بزرگ آب تحت فشار تشکیل شده از نظر فشار و ظرفیت محدودیت دارند و معمولاً مناسب فشارهای پایین مانند 6 آتمسفر و كمتر و نهایت تا 10 الی 12 آتمسفر طراحی می شوند.
البته می توان با افزایش ضخامت جداره این مشکل را تا حدود زیادی برطرف کرد که در این صورت از نظر اقتصادی محدودیت وجود دارد و در نهایت آب داغ یا بخار آب تولید می‌شودبه صورت کلی می‌توان گفت که یک سیستم بویلر از سه بخش تشکیل شده است. بخش اول، سیستم آب تغذیه را نشان می‌دهد، بخش دوم سیستم بخار و بخش سوم نیز سیستم سوخت است.
به صورت جزئی‌تر می‌توان اجزای اصلی سیستم بویلر را شامل، «گرم کننده آب تغذیه» (Feedwater Heater)، «دی اریتر» (Deaerator)، «پمپ تغذیه» (Feed Pump)، «اکونومایزر» (Economizer)، «سوپرهیتر» (Superheater) و «کندانسور» (Condenser) دانست. شکل زیر به صورت کلی و در حالت عمومی، شیوه قرار گرفتن اجزای مختلف یک مجموعه دیگ بخار را به تصویر کشیده است.به صورت کلی سیستم آب تغذیه، آب مورد نیاز مجموعه را فراهم می‌کند و این آب را برای دست‌یابی به بخار کافی، به صورت خودکار تنظیم می‌کندآب تغذیه بویلر معمولا حاوی اکسیژن محلول است که از نشتی موجود درون کندانسور و پمپ ناشی می‌شود. این اکسیژن باعث ایجاد خوردگی و آسیب‌های بسیار زیادی در بخش‌های مختلف بویلر می‌شود. دی اریتور در واقع به صورت مکانیکی و با عبور دادن بخار از گرم‌کن آب تغذیه، اکسیژن را از محلول خارج می‌کند.
این فرایند یعنی پیش گرمایش و خارج ساختن اکسیژن در تعدادی از بویلرهای صنعتی با استفاده از مخزن condensate نیز انجام می‌شود. به صورت کلی می‌توان گفت که دی اریتور در سیستم‌های بزرگ کاربرد زیادی دارد. همچنین سیستم condensate که سیستم نسبتا ارزان‌تری است، برای بویلرهایی مناسب است که بارها آب برای چگالش بازگردانده می‌شود. در واقع با توجه به اینکه آب بازگردانده شده درصد اکسیژن کمتری وجود دارد، استفاده از سیستم condensate اقتصادی‌تر است.
آخرین عضو سیستم آب تغذیه مجموعه بویلر یا دیگ بخار، اکونومایزر است. اکونومایزر یک ابزار بسیار مناسب برای افزایش بازدهی سیستم است. اکونومایزر
اکونومایزر (Economizer) یکی از انواع مبدل حرارتی است که آب تغذیه بویلر از میان آن عبور داده شده و از حرارت گازهای داغ خروجی برای گرم کردن این آب استفاده می شود. بدین ترتیب، آب تغذیه با دمای بالاتری به درون بویلر فرستاده شده و انرژی کمتری را برای تبخیر و یا گرمایش آب نیاز دارد. لذا در این حالت، با یک مقدار انرژی مشخص، می توان آبگرم و یا بخار بیشتری را تولید کرد. نتیجه ی این امر افزایش در راندمان بویلر است.این اکونومایزر گرما را از گاز موجود در خروجی دریافت می‌کند و بخار را با استفاده از آن گرم می‌کند. این موضوع بازدهی بویلر را افزایش می‌دهد. آب تغذیه از طریق اکونومایزر وارد بویلر می‌شود و به شکل بخار به سمت «درام بخار» (Steam Drum) حرکت می‌کند.
به صورت کلی درام وظیفه جدا کردن آب و بخار از یکدیگر را به عهده دارد. درام پایین، mud drum نامیده می‌شود. این درام یک محفظه در پایین بویلر را تشکیل می‌دهد که آب را تنظیم می‌کند و رسوبات و یا محصول‌های خوردگی را جمع‌آوری می‌کند. این محصول‌ها در مراحل بعدی جمع‌آوری می‌شود. توجه شود که فرایند انجام شده در mud drum
سیستم بخار وظیفه حرارت دادن به آب و تولید بخار از آب تغذیه را به عهده دارند. علاوه بر این، سیستم بخار، وظیفه کنترل کردن میزان بخار تولید شده در بویلر را نیز بر عهده دارد. بخار تولیدی، در نهایت از درون یک سیستم پایپینگ عبور می‌کند. در این مجموعه، فشار بخار با استفاده از گیج‌های فشار بخار در زمان‌های متناوب کنترل می‌شوند.
سیستم سوخت، شامل تمام ابزار و تجهیزاتی است که سوخت را برای تولید انرژی ضروری و مورد نیاز مجموعه فراهم می‌کنند. ابزاری که در این سیستم استفاده می‌شوند به نوع سوختی بستگی دارد که سیستم استفاده می‌کند.
دسته‌بندی بویلرها یا دیگ‌های بخار
تاکنون طراحی‌های بسیار گوناگونی از بویلرها انجام شده است و به صورت کلی می‌توان، بویلرها را بر اساس معیارهای مختلف تقسیم‌بندی کرد. یکی از این معیارها، دسته‌بندی بویلرها بر اساس مسیر عبور آب و گاز داغ است. یکی دیگر از انواع مختلف تقسیم‌بندی بویلرها، تقسیم بندی آن‌ها بر اساس مسیر چرخش آب است. انواع دیگری از تقسیم‌بندی‌ها نیز موجود هستند
«سیکل رانکین» (Rankine Cycle) یا «سیکل بخار رانکین» به مجموعه‌ فرآیند‌های بسته‌ای گفته می‌شود که نتیجه آن کار مفید خروجی است. معمولا در این سیکل‌ها از آب به‌عنوان سیال کاری استفاده می‌شود. هم‌چنین در بخشی از فرآیند‌های این سیکل، سیال مذکور به صورت بخار و در بخشی دیگر به شکل مایع است.فرآیند‌های انجام شده در یک سیکل رانکین
در حالت کلی ۴ فرآیند اصلی در یک سیکل رانکین اتفاق می‌افتد. در ادامه هرکدام از این فرآیند‌ها توضیح داده شده.
۲→۱: افزایش فشار سیال با استفاده از پمپتصویر
۳→۲: انتقال حرارت به سیال پرفشار توسط بویلر و تبدیل آن به بخار داغ
۴→۳: انبساط بخار در توربین و تولید کار
۱→۴: خنک و متراکم شدن سیال در کندانسور
در این سیکل فرآیند‌ها به ترتیب زیر اتفاق می‌افتند.
۲→۱: آیزنتروپیک
۳→۲: فشار ثابت
۴→۳: آیزنتروپیک
۱→۴: فشار ثابت
با توجه به مفاهیم عنوان شده به‌منظور تحلیل سیکل رانکین در ابتدا بایستی مقدار حرارت و کار مبادله شده با محیط را در هر مرحله یافت. توجه کنید که در این تحلیل h نشان دهنده آنتالپی ویژه سیال در هر مرحله است.راندمان سیکل رانکین
چرخه رانکین چرخه اساسی کار در تمام نیروگاههایی است که یک مایع کار به طور مداوم تبخیر و متراکم می شود. انتخاب مایع عامل عمدتا به دامنه دمای موجود بستگی دارد. شکل 1 چرخه رانکین ایده آل را نشان می دهد.
نمودارهای آنتالپی فشار (ph) و آنتروپی دما (Ts) این چرخه در شکل 2 آورده شده است . چرخه Rankine در مراحل زیر عمل می کند:
1-2-3 انتقال حرارت ایزوباریک . مایع فشار بالا از پمپ تغذیه (1) به دیگ بخار وارد می شود و تا دمای اشباع گرم می شود (2). افزودن بیشتر انرژی باعث تبخیر مایع می شود تا زمانی که کاملاً به بخار اشباع تبدیل شود (3).
3-4 ایزنتروپیک انبساط . بخار در توربین منبسط می شود ، بنابراین کار تولید می شود که ممکن است به برق تبدیل شود. در عمل ، با حرکت بیشتر فرآیند به منطقه دو فاز ، انبساط توسط دمای محیط خنک کننده و با فرسایش پره های توربین توسط حباب مایع در جریان بخار محدود می شود. کیفیت بخار خروجی باید بیشتر از 90٪ باشد.
4-5 رد حرارت ایزوباریک . مخلوط بخار و مایع از توربین (4) در فشار کم متراکم می شود ، معمولاً در یک کندانسور سطحی با استفاده از آب خنک کننده قرار می گیرد. در کندانسورهای بخوبی طراحی شده و نگهداری شده ، فشار بخار کاملاً کمتر از فشار اتمسفر است و به فشار اشباع سیال عامل در دمای آب خنک کننده نزدیک می شود.
5-1 فشرده سازی ایزنتروپیک . فشار میعانات در پمپ تغذیه افزایش می یابد. به دلیل حجم کم مایعات ، کار پمپ نسبتاً کم است و غالباً در محاسبات ترمودینامیکی نادیده گرفته می شود.
همانند دیگر سیکل‌های ترمودینامیکی در این سیکل نیز با تقسیم کار خالص خروجی از سیکل و حرارت ورودی به آن، راندمان سیکل محاسبه می‌شود. برای بدست آوردن کار خالص خروجی می‌توان گفت:
توجه داشته باشیدکه کار خروجی مثبت و کار ورودی منفی در نظر گرفته می‌شود. به همین دلیل است که در رابطه بالا قبل از کار پمپ از علامت منفی استفاده کرده‌ایم. از طرفی برای بدست آوردن راندمان بایستی میزان حرارت وارد شده به سیکل را نیز محاسبه کنیم. همان‌طور که می‌دانید در سیکل رانکین این بویلر است که به سیستم انرژی می‌دهد. در نتیجه انرژی وارد شده به سیکل برابر است با:$w_{net}=w_{turbine}-w_{pump}=(h_{3}-h_{4})-(h_{2}-h_{1}) $
بنابراین با تقسیم کار خالص خروجی به حرارت ورودی به سیکل، می‌توان راندمان سیکل رانکین را به شکل محاسبه کرد.$q_{in}=q _ { Boiler}=h_{3}-h_{2} $ لذا $\eta = \frac {w_{net}}{q_{in}}=\frac {(h_{3}-h_{4})-(h_{2}-h_{1})}{(h_{3}-h_{2})} $استفاده از یک سیستم معادلات برای نمودار تغییر دما در دیگ بخار [بسته]$ Q_{net}=Q_{in}-Q_{out}=(m_{boiler}×c_{boiler}+m_{water}×c_{water})×\frac {ΔT_{(boiler\;and\;water\;system)}}{Δtime}$قانون دوم ترمودینامیک - مشکل نیروگاه بخار سادهبگذارید ابتدا به سوال دوم خودم پاسخ دهم. در یک نیروگاه بخار ، شما یک پمپ ، توربین ، دیگ بخار و کندانسور دارید. پمپ در حالی که توربین نیرو تولید می کند ، برق مصرف می کند. اکنون منطقی نیست که یک منبع برق جداگانه برای کمپرسور داشته باشید وقتی چند متر از آن توربین تولید برق دارید. از این رو ، بخشی از توان تولید شده توسط توربین برای راه اندازی پمپ استفاده می شود. از این رو توان خالص تولید شده توسط توربین برابر است با تولید ناخالص برق (Wout) منهای ورودی کار پمپ.
بعد ، برای محاسبه خروجی ناخالص توربین ، باید از اصل صرفه جویی در انرژی استفاده کنید. شما در این زمینه درست هستید.
آنچه در معادله فوق محاسبه کرده اید خروجی توربین در واحد جریان جرم واحد است. از این رو ، شما در اینجا در مورد توده اذیت نخواهید کرد. در واقع واحدهایی که توسط شما استفاده می شود اشتباه هستند. آنها باید kJ / kg باشند. ضرب این در دبی جریان جرمی بخار ، توان خروجی را بر حسب کیلووات به ما می دهد.
بعد ، آنتالپی چیست؟ این مقدار حرارت سیستم است. چگونه آنتالپی افزایش می یابد؟ این کار با افزودن گرما به سیستم انجام می شود. از این رو ، تغییر در آنتالپی در اضافات گرما همانطور که داده می شود ، برطرف می شود.
سپس ، کارایی به عنوان نسبت خروجی مورد نظر به ورودی داده شده تعریف می شود. از این رو ، برای نیروگاه ، این بازده با نسبت خالص کار توربین به گرمای اضافه شده ارائه می شود. همانطور که قبلاً گفته شد ، خروجی خالص کار با خروجی ناخالص توربین منهای کار پمپ داده می شود.
سرانجام ، در قضیه کارنو بیان شده است که "موتورهای حرارتی بین دو مخزن گرمایی از کارآیی کمتری نسبت به موتور گرمایی کارنو بین مخازن مشابه برخوردار نیستند." از این رو ، برای تعیین حداکثر بازده نیروگاه ، باید کل تنظیم چرخه Rankine خود را با یک چرخه Carnot که در همان دو حد دما کار می کند جایگزین کنید. اصطلاح محدودیت دما به چه چیزی اشاره دارد؟ حداکثر و حداقل دما در طی چرخه توسط مایع کار حاصل می شود. عقل سلیم به ما می گوید که حداکثر دمای بخار درست بعد از خروج از دیگ بخار است. در این حالت ، این دما 3500 درجه سانتیگراد است. به همین ترتیب ، کمترین دما درست پس از خروج آب از کندانسور مشاهده می شود. اکنون با استفاده از این دو مقدار دما می توانید حداکثر بازده نیروگاه را با استفاده از فرمول کارایی Carnot با T1 = 3500 C و T2 = 200 C تعیین کنید.
آنچه من را در این نمودار آزار می دهد حلقه بسته بین مولد بخار و توربین است. وقتی بخار در مولد بخار تولید می شود ، فشار افزایش می یابد. نویسنده با مشاهده تصویری که پیوندی برای آن فراهم کردم ، مخزنی را نیمه پر از آب و نیمه پر از بخار به تصویر کشیده است. یک لوله در بالا "جایی که بخار می رود" و یک لوله در پایین "جایی که آب وارد می شود" وجود دارد. با این حال فشار در پایین و بالا یکسان است. (در واقع نه کاملاً ، به دلیل تأثیر گرانش بر روی آب ، فشار در پایین بیشتر است)
اگر بخار از طریق توربین جریان یابد ، احتمالاً فشار در خروجی کمتر است.
نمودار سپس یک کندانسور را نشان می دهد ، جایی که احتمالاً فشار نیز باید کمتر باشد.
بخار به آب متراکم می شود و سپس دوباره به ته دیگ پمپ می شود.
این قسمت اذیتم می کند. از انرژی برای پمپاژ آب به دیگ بخار استفاده می شود. احتمالاً باید انرژی زیادی داشته باشد ، زیرا کار در مقابل فشار زیادی انجام می شود.
حدس می زنم نوع پمپ مورد استفاده بیشتر از نوع کمپرسور هوا باشد ، یعنی نمونه ای که به صورت چرخه کار می کند و نه مانند "فن". اگر چنین باشد ، اشکال دارد که اختلاف فشار زیادی در دو طرف پمپ وجود داشته باشد و انرژی زیادی از دست نرود.
اگر هر آنچه در بالا توضیح دادم صحیح است ، باید اینگونه باشد كه انرژی (در توربین) فقط از انرژی حرارتی و جنبشی بخار تولید می شود. باید اینگونه باشد که ما باید انرژی فشار را از طریق پمپ به سیستم برگردانیم تا جریان بخار را حفظ کنیم. (در غیر این صورت آب ما کم می شود.) دلیل این امر بدون پمپ است ، ما یک دیگ بخار داریم که به یک حلقه به دو سر توربین متصل است. اگر در دیگ بخار آب بجوشانیم ، فشار را افزایش می دهیم ، فشار در هر دو انتهای توربین به همان اندازه افزایش می یابد و هیچ دبی وجود نخواهد داشت. بنابراین بدیهی است که این منطقی نخواهد بود ، توربین نمی چرخد ​​و هیچ انرژی الکتریکی تولید نمی شود.
باید اینگونه باشد که انرژی جنبشی و حرارتی استخراج شده بیش از انرژی فشار وارد شده مجدد باشد. چگونه می توانیم این موضوع را ثابت یا اثبات کنیم؟
تصویر
بنابراین سوال من این است که چگونه این سیستم را تحلیل کنیم؟ با دانش ابتدایی خودم در زمینه ترمودینامیک نمی دانم از کجا شروع کنم. من در دانشگاه ترمودینامیک زیادی انجام ندادم ، و فکر نمی کنم در موارد ساده ای که می توانم درک کنم مانند موتورهای کارنو مهارت خاصی داشتم.درک کار در چرخه های ترمودینامیکی و تعریف متفاوت
من درمورد تعریف سیستم ها و محاسبه کار در یک چرخه ترمودینامیکی ، مثلاً یک چرخه برق معمولی ، گیج شده ام. چنین چرخه ای ممکن است دارای پمپ ، دیگ بخار ، توربین و کندانسور باشد.
حال فرض معمول این است که اگر ما یک سیستم را به عنوان یک دیگ بخار یا یک کندانسور تعریف کنیم ، می گوییم که هیچ کاری روی آن سیستم ها انجام نمی شود و تنها اصطلاحات مربوط به تعادل انرژی انتقال گرما و آنتالپی توده های در حال ورود و بیرون در این نوع سناریو ، آیا بازده چرخه به عنوان Wnet / Qin تعریف می شود که در آن Qin گرمای اضافه شده به دیگ بخار است و شبکه کار تفاوت بین کار انجام شده توسط توربین و کار اضافه شده به پمپ استاما اگر من بنزین را به عنوان یک سیستم و نه هر یک از اجزای جداگانه نگاه کنم ، می خواهم ادعا کنم که گاز موجود در دیگ بخار و کندانسور به دلیل تغییر حجم آن کار می کند $dW = P dV $ آیا من تصور این را درست می دانم؟ و اگر چنین است ، آیا گاز به عنوان یک سیستم به تنهایی در توربین ، می تواند کار متفاوتی از مقدار کار توربین (اگر توربین سیستم باشد) در همان چرخه انجام دهد؟
و اگر چنین است ، آیا هنگام تعریف سیستم به عنوان گاز موجود در چرخه در مقابل هر بلوک از چرخه به عنوان یک سیستم ، آیا این پرسش که بازده چرخه چه پاسخی متفاوت می دهد؟
: اگر سیستم فقط گاز باشد ، آیا شبکه خالصی که برای تعیین کارایی استفاده می کنیم ، کار خالصی است که توسط گاز در 4 بلوک چرخه انجام می شود (دو انبساط و فشرده سازی آن)؟ این را با فرض قبلی من مقایسه کنید ، جایی که خالص کار تفاوت کار خروجی توربین منهای ورودی کار به کمپرسور / پمپ است اگر سیستم ها هر بلوک باشند.0
برای هر قطعه از تجهیزات موجود در حلقه ، نسخه سیستم باز قانون اول ترمودینامیک به ما می گوید:$\dot{Q}-\dot{W_s}=\dot{m}(u_{out}-u_{in}+(Pv)_{out}-(Pv)_{in}) $
جایی که m˙ میزان جریان جرم است ،$\dot{Q}$ میزان اضافه شدن گرما به قطعه تجهیزات است ،$\dot{W_s} $˙ میزان کار شافت انجام شده توسط یک قطعه از تجهیزات در اطراف ، شما انرژی داخلی در واحد جرم است ، P فشار است و v حجم ویژه است. میزان کار انجام شده برای فشار دادن جرم به داخل قطعه تجهیزات، P فشار است و v حجم ویژه است. میزان کار انجام شده برای فشار دادن جرم به داخل قطعه تجهیزات$\dot{m}((Pv)_{out}-(Pv)_{in}) $است.
توجه داشته باشید که ، برای هر یک از تجهیزات جداگانه ، سمت راست معادله لزوماً صفر نیست. بنابراین ، تغییر در انرژی داخلی بین ورودی و خروجی به علاوه کار خالصی که در ورودی و خروجی برای فشار دادن مواد به داخل و خارج تجهیزات لازم است ، اثر ترکیبی گرمای اضافه شده به تک تک تجهیزات و کار شافت را انجام می دهد توسط تجهیزات. اما ، اگر این معادلات تعادل گرما را برای تمام تجهیزات موجود در حلقه بسته (که در حالت پایدار کار می کنند) جمع کنیم ، بدست می آوریم:
$\sum{\dot{Q}}-\sum{\dot{W_s}}=0 $و $\sum{\dot{m}(u_{out}-u_{in}+(Pv)_{out}-(Pv)_{in})}=0 $
ومورد آخر این است که سیستم باید به صورت چرخه کار کند.
تصویر

ارسال پست