دیگ بخار (Boiler): دستگاه تولید بخار آب
اصول پایه و قانون علمی پشت دیگ بخار
همه ما جوشیدن آب را در کتری دیدهایم. وقتی آب به نقطه جوش (100°C) میرسد، به بخار تبدیل میشود. دیگ بخار نیز بر همین اصل ساده کار میکند، اما با تفاوتهای بزرگ:
- افزایش فشار: دیگ بخار، ظرفی بسته و بسیار مستحکم است که اجازه میدهد فشار داخل آن افزایش یابد. وقتی فشار بالا میرود، نقطه جوش آب نیز بالا میرود. مثلاً در فشار 10 bar، آب در دمای حدود 180°C میجوشد.
- بهرهوری بیشتر: بخار تولیدشده در این فشار و دمای بالا، انرژی بسیار بیشتری نسبت به بخار آزاد در فشار جو دارد و میتواند کارهای سنگینتری انجام دهد.
مثال علمی: یک قطار بخار قدیمی را در نظر بگیرید. ذغالسنگ میسوزد و آب داخل دیگ را گرم میکند. بخار پر فشار تولیدشده وارد سیلندر میشود و پیستون را به حرکت درمیآورد. این حرکت پیستون به چرخهای قطار منتقل میشود. اینجا، انرژی شیمیایی (ذغالسنگ) به انرژی حرارتی (گرما) و سپس به انرژی مکانیکی (حرکت) تبدیل شده است.
| نوع دیگ بخار | ساختار و نحوه عبور گازهای داغ | مزایا | کاربردهای رایج |
|---|---|---|---|
| دیگ فایرتیوب3 (آتشلوله) | گازهای داغ ناشی از سوختن، از داخل لولههای متعددی عبور میکنند که در محفظه آب غوطهور هستند. آب اطراف لولهها گرم و به بخار تبدیل میشود. | ساخت ساده، هزینه کمتر، تعمیر و نگهداری آسانتر | کارخانههای کوچک، کارگاهها، سیستمهای گرمایش مرکزی قدیمی |
| دیگ واترتوب4 (آبلوله) | آب در داخل دستهای از لولهها جریان دارد و گازهای داغ، این دسته لولهها را احاطه کرده و آنها را گرم میکنند. | ایمنی بالاتر در فشارهای زیاد، تولید بخار با ظرفیت و فشار بسیار بالا، راندمان حرارتی بهتر | نیروگاههای برق، کشتیهای بزرگ، صنایع پتروشیمی |
| دیگ الکتریکی | از المنتهای برقی برای گرم کردن مستقیم آب استفاده میشود. هیچ شعله یا گاز داغی وجود ندارد. | بسیار تمیز، بیصدا، نصب آسان، کنترل دقیق دما | ساختمانهای اداری، بیمارستانها، خشکشوییها، مکانهای با محدودیت سوخت فسیلی |
بخشهای حیاتی یک دیگ بخار چگونه کار میکنند؟
یک دیگ بخار صنعتی، فراتر از یک مخزن ساده است. مانند یک بدن زنده، اندامهای مختلفی دارد که با هم همکاری میکنند:
- کوره5: محفظهای که سوخت (گاز، گازوئیل، مازوت) در آن میسوزد و انرژی اولیه را تولید میکند.
- مخزن اصلی (درام): مخزن فولادی بزرگی که بخش اصلی آب در آن ذخیره میشود. در دیگهای آبلوله، این مخزن در بالا قرار دارد.
- اکونومایزر6: مانند یک بازیاب گرما عمل میکند. گازهای داغ خروجی از دیگ، قبل از رفتن به دودکش، از این قسمت میگذرند و آب ورودی به دیگ را مقداری گرم میکنند. این کار راندمان7 کلی دیگ را بالا میبرد.
- سوپر هیتر8: بخار خروجی از درام را حتی بیشتر گرم میکند تا به اصطلاح «بخار خشک» و داغتری تولید کند که برای چرخاندن توربینها ایدهآل است.
- کنترلکنندهها و شیرهای ایمنی: مغز و سیستم عصبی دیگ هستند. فشار، سطح آب و دما را دائماً کنترل میکنند. شیر ایمنی، در صورت افزایش خطرناک فشار، به طور خودکار باز میشود تا از انفجار جلوگیری کند.
از گرمایش ساختمان تا تولید برق: کاربردهای شگفتانگیز بخار
بخار یک حامل انرژی عالی است. میتواند گرما منتقل کند یا حرکت ایجاد کند. به همین دلیل در جاهای مختلفی دیده میشود:
- تولید برق: مهمترین کاربرد دیگهای بخار غولپیکر در نیروگاههاست. بخار پر فشار و داغ، پرههای یک توربین را با سرعت بسیار بالا میچرخاند. این توربین به یک ژنراتور وصل است و برق تولید میکند. تقریباً بیش از 80% برق جهان با استفاده از توربینهای بخار تولید میشود.
- گرمایش صنعتی و ساختمانی: در بسیاری از شهرهای سردسیر، آب گرم یا بخار کم فشار از یک موتورخانه مرکزی به رادیاتور خانهها و ساختمانها میرسد. در صنعت نیز برای خشک کردن، پخت مواد غذایی، استریل کردن و... از بخار استفاده میشود.
- حمل و نقل: اگرچه امروزه کمتر رایج است، اما لوکوموتیوهای بخار و کشتیهای بخار، انقلابی در جابجایی ایجاد کردند.
- پزشکی و بهداشت: دستگاه اتوکلاو9 در بیمارستانها که برای استریل کردن ابزار جراحی استفاده میشود، در واقع یک دیگ بخار کوچک و کنترلشده است که با ایجاد بخار داغ و فشار بالا، تمام میکروبها را از بین میبرد.
مثال عملی: یک کارخانه رب گوجهفرنگی را تصور کنید. پس از خرد کردن گوجهها، پالپ آنها باید برای از بین بردن میکروبها پخته و سپس برای غلظت بیشتر، آب آن تبخیر شود. این کار با عبور دادن پالپ از لولههایی که بیرون آنها بخار داغ جریان دارد، انجام میشود. بخار، گرمای خود را از دست میدهد و آب گوجه به آرامی تبخیر میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر، ولی از یک خانواده هستند. پکیج10 یک «دیگ آب گرم» است و هدف اصلی آن گرم کردن آب برای شوفاژ یا مصرف خانگی است. معمولاً بخار تولید نمیکند و فشار کاری آن بسیار پایینتر از یک دیگ بخار صنعتی است. پس هر دو مبدل حرارتی هستند، اما محصول نهایی (آب گرم یا بخار) و فشار کار متفاوتی دارند.
پاسخ: انفجار به دلیل کاهش سطح آب یا نقص شیر ایمنی. اگر آب داخل دیگ کم شود، قسمتی از دیوارههای داغ که باید خنک بمانند، بیش از حد گرم میشوند و استحکام خود را از دست میدهند. فشار داخلی بخار میتواند باعث ترکیدن دیگ شود. همیشه کنترل سطح آب و سلامت شیرهای ایمنی، حیاتی است.
پاسخ: آب سخت، آبي است که املاح کلسیم و منیزیم زیادی دارد. وقتی این آب گرم و تبخیر میشود، املاح آن به صورت رسوبات سخت (مانند جرم داخل کتری) روی سطوح داخلی دیگ و لولهها میچسبند. این لایه رسوب مانند یک عایق عمل میکند و مانع انتقال خوب گرما از آتش به آب میشود. در نتیجه سوخت بیشتری مصرف میشود و همچنین ممکن است نقاطی از دیگ بیش از حد داغ شده و آسیب ببینند. به همین دلیل، تصفیه و نرمسازی آب ورودی به دیگهای صنعتی بسیار مهم است.
پاورقی
1 دیگ بخار (Boiler): دستگاهی برای تولید بخار با گرم کردن آب در یک محفظه تحت فشار.
2 گرمای نهان تبخیر (Latent Heat of Vaporization): گرمای لازم برای تغییر فاز مایع به گاز در نقطه جوش.
3 فایرتیوب (Fire-tube): نوعی دیگ که گازهای داغ از داخل لولههای محاط در آب عبور میکنند.
4 واترتوب (Water-tube): نوعی دیگ که آب از داخل لولههای محاط در گازهای داغ عبور میکند.
5 کوره (Furnace): محفظه احتراق دیگ.
6 اکونومایزر (Economizer): مبدل حرارتی برای پیشگرم کردن آب ورودی با گازهای داغ خروجی.
7 راندمان (Efficiency): نسبت انرژی مفید خروجی به انرژی ورودی.
8 سوپر هیتر (Superheater): بخشی برای گرم کردن بیشتر بخار اشباع و تولید بخار خشک.
9 اتوکلاو (Autoclave): دستگاه استریلکننده با بخار تحت فشار.
10 پکیج (Wall-mounted Boiler): دیگ آب گرم دیواری کوچک برای گرمایش و آب گرم مصرفی ساختمان.
