دیگ های چگالشی (کاندنسینگ)

مقدمه

یکی از فن آوری های کاهش مصرف انرژی، فن آوری دیگ های چگالشی است که میتوان در ساخت پکیج های خانگی دیگ های موتورخانه ای و حتی صنعتی از آن بهره برد. این فن آوری تنها بخشی از راهکار کاهش مصرف انرژی بوده و به تنهایی نمی تواند باعث کاهش هزینه های دوره ی عمر پروژه گردد.

در این مقاله به معرفی فنی این دیگ ها خواهیم پرداخت و سعی در بررسی و معرفی غیر جانب دارانه از دیگ های کاندنسینگ و با پرهیز از زیاده گویی پیرامون مزایای آن نگاشته شده تا مخاطب بتواند با شناخت مزایا و معایب دیگ های چگالشی به انتخاب و طراحی مناسب اقدام نماید.

دیگ های چگالشی بخشی از صورت مسئله کاهش مصرف انرژی در موتورخانه بوده و عدم طراحی مناسب موتورخانه صرفاً با انتخاب این تجهیز نمی تواند به کاهش مصرف انرژی ختم گردد.

دیگ های چگالشی به خودی خود یک انتخاب مناسب برای کاهش مصرف انرژی نبوده و در کنار طراحی مناسب میتواند در بخش کاهش هزینه های با کاهش مصرف انرژی موثر واقع گردد.

فرایند احتراق

به واکنش سوخت با هوا اکسیژن در مجاورت گرمای کافی فرایند احتراق گفته می شود. محصولات مورد نیاز فرایند احتراق شامل سه مورد است.

1. سوخت یا هیدروکربن ها
2. اکسیژن
3. حرارت کافی

با گرد آمدن موارد فوق کنار هم فرایند احتراق صورت گرفته و محصولات احتراق شامل موارد زیر را خواهیم داشت.

1. انرژی (حرارت)
2. منوکسید کربن (در صورت کم بودن اکسیژن و احتراق ناقص)
3. دی اکسید کربن (در صورت کافی بودن اکسیژن)
4. آب

البته با توجه به ناخالصی هوا و وجود نیتروژن در هوا محصولات احتراق می تواند شامل اکسیدهای نیتروژن و دیگر ترکیبات باشد که در این بحث در صدد تحلیل این موارد نیستیم ولی اکسیدهای نیتروژن خود از آلاینده ها هوا محسوب میگردد که در دیگ های چگالشی این اکسیدها بسیار کاهش می یابد.

به دلیل کاهش آلاینده های هوا فن آوری چگالشی سازگاری بیشتری با محیط زیست دارد.

چگالش

چگالش، تبدیل بخار به مایع است. در مقابل آن کلمه تبخیر را داریم که تبدیل مایع به گاز است.

در فراید کاهش دمای دود دمای بخار آب موجود در محصولات احتراق بسیار کاهش یافته و باعث چگالش تبدیل گاز به مایع) بخار آب موجود می شود. لذا به جای بخار آب شاهد مایع آب خواهیم بود. مشابه این چگالش را در بدنه کتری آب سرد که تازه روی شعله کم گاز گذاشته شده است می توان دید.

آب موجود در محصولات احتراق در صورت بخار بودن قابل مشاهده نمی باشد مگر در دمای پایین دود. در دیگهای سنتی به علت بالا بودن دمای دود آب موجود به صورت بخار می باشد.

در دیگ های کاندنسینگ به دلیل گرفتن کامل حرارت از محصولات احتراق دمای دود به شدت کاهش یافته تا جایی که بخار آب دچار چگالش شده و بعضا قابل رؤیت خواهد بود.

راندمان بالا

در دیگهای چدنی و فولادی سنتی محصولات احتراق، پس از انتقال حرارت به بدنه دیگ نهایتاً تا دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد می تواند سرد. شود و محصولات احتراق که شامل گازهای مونوکسید کربن و دی اکسید کرین و بخار آب است با دمای حدود ۱۵۰ درجه سانتیگراد از دیگ خارج می شوند. این دما در صورت تنظیم نبودن و یا عدم انتخاب صحیح دیگ و یا مشعل به راحتی به بالای ۲۰۰ درجه سانتیگراد خواهد رسید. این در صورتی است که کاهش دمای محصولات احتراق در دیگ های چگالشی تا دمای کمتر از کاهش دمای احتراق نتیجه احتراق کامل و جذب سریع حرارت توسط دیگ و دیگر عوامل که به آن اشاره خواهد شد. است.

گرمای نهان تخیر آب

آب برای تبخیر نیازمند جذب گرمای زیادی در ۱۰۰ درجه سانتیگراد دارد که به آن گرمای نهان تبخیر گویند.

گرمای نهان تبخیر آب ۵۳۳ کالری برای هر گرم آب است. گرمای نهان تبخیر در مقابل ظرفیت گرمایی آب که یک کالری برای هر گرم آب است. بسیار بالا است.

می توان گفت هر گرم آب فقط برای تغییر فاز از مایع به بخار ۵۳۳ برابر آنچه برای تغییر دما ایک درجه سانتیگراد) لازم است، نیاز به گرما دارد. به عنوان مثال یک کتری آب در ۱۰ دقیقه به جوش خواهد آمد ولی با همان میزان شعله ساعتها تا تبخیر کامل آب به جذب گرمای شعله خواهد پرداخت. حال اگر عکس این فرایند را داشته باشیم یعنی به سرد کردن محصولات احتراق (دود) ادامه دهیم شاهد جذب بسیار زیاد حرارت تا کاهش دمای دود و مشاهد آب مایع خواهیم بود. این گونه می توان گفت که آب موجود در محصولات احتراق در صورتی که به صورت بحار از دیگ موتورخانه خارج شود مقدار زیادی انرژی را با خود ربوده و در صورتی که دمای دود را کاهش دهیم و این انرژی را بگیریم میتوانیم ۱۰ تا ۲۰ درصد بیشتر از فرایند سوختن حرارت کرد. بگیریم.

بخار آب محصولات احتراق در دمای ۱۰۰ درجه تا رسیدن به مایع ۱۰۰ درجه بسیار مستعد از دست دادن حرارت می باشد.

ارزش حرارتی گاز

لازم به توضیح است دو معیار برای ارزش گذاری میزان حرارت قابل تولید توسط گاز وجود دارد. یک معیار قدیمی که به آن ارزش حرارتی پایین که معدل ۸۰۰۰ کیلو کاری بر متر مکعب گاز است و دیگری ارزش حرارتی بالا که معادل ۹۰۰۰ کیلوکالری بر متر مکعب است.

اگر میزان گرمای گرفته شده از سوخت را در دیگ با ارزش حرارتی پایین بدست آوریم که منتج به عدد بالاتری خواهد شد ولی اگر نسبت به ارزش حرارتی بالا حساب کنیم راندمان کمتری بدست خواهد آمد.

راندمان ۱۰۷ درصد

عدد ۱۰۷ درصد از گرمای تولید شده توسط دیگ چگالشی با احتساب ارزش حرارتی پایین بدست آمده است.

در دیگ ها و پکیج های سنتی و آبگرمکن ها ما حداکثر راندمان حدود ۹۳ درصد را خواهیم داشت چون آب را به فرم بخار از محفظه احتراق خارج میکنیم و در پکیج ها و دیگ های کاندنسینگ با افزودن این ۱۵ درصد گرمای نهان تبخیر راندمان از ۱۰۰ درصد تجاوز خواهد کرد و در آزمایشگاه شاهد راندمان ۱۰۵ تا ۱۱۰ درصد خواهیم بود

در اصل باید راندمان دیگ های چگالشی را نزدیک به ۹۵ درصد دانست و حداکثر راندمان دیگهای سنتی را حداکثر ۸۰ درصد اعلام را بگیریم میتوانیم ۱۰ تا ۲۰ درصد بیشتر از فرایند سوختن حرارت کرد.

تفاوت های دیگ چگالشی

کاهش دمای دود تا ایجاد چگالش به راحتی در دیگ های معمولی هم امکان پذیر است ولی باعث استهلاک دیگ شده و در ضمن به دلیل احتراق نا مناسب راندمان خوبی را نخواهد داشت. در دیگ های چگالشی، افزایش راندمان مدیون چند تغییر عمده در مشعل دیگ. فرایند کنترلی و حتی مدار آبی آن میشود که به شرح زیر است:

احتراق پیش مخلوط

در بخش سوخت و احتراق این دیگها با بکارگیری سامانه پیش مخلوط به جای سامانه های احتراق سنتی، افزایش بهسوزی گاز را داریم.

دمیده شدن دقیق حجم هوای (اکسیژن) مورد نیاز

در مشغلهای پیش مخلوط قبل از احتراق، گاز و هوا به تناسب بسیار دقیق با هم مخلوط شده و بعد از این مرحله دیگر هوایی به شعله اضافه یا دمیده نمی شود وجود هوای اضافه در مشعل های سنتی باعث به سوزی شعله شده ولی در عین حال باعث افزایش شدید حجم محصولات احتراق نیز شده که باید به صورت دود گرم از دیگ خارج گردد. از این رو کاهش هوای اضافه به افزایش راندمان احتراق می انجامد.

شكل مشعل

شکل مشغل های پیش مخلوط بر خلاف انواع سنتی آن سعی در استفاده از یک سطح یک دست شعله در خروج و نیز استفاده از خواص تایشی شعله دارد. در این مشعل ها از تمرکز حجم زیاد شعله جلوگیری شده و شعله به صورت جزء به جزء از بدنه مشعل خارج می شود. از این رو این دیگها در ظرفیتهای بالا که به صورت دیگ های زمینی ساخته می شوند، یک دیگ ظرفیت بالا خود شامل چندین دیگ و مشعل مجزا می باشد.

دامنه کاری مشعل

مشغل های سنتی در ۱۰۰ درصد توان کارکرده و در بعضی از مدل ها که قابلیت کم و زیاد شدن دارند. این امکان در بهترین حالت تا ۳۰ درصد ظرفیت مشعل است. در مشغلهای پیش مخلوط امکان کار مشغل با ۹ درصد توان نیز وجود دارد. این امکان خود باعث کاکرد با توان کم و افزایش چگالش دیگ می شود.

جذب بالای حرارت در بدنه دیگ

دومین عامل مهم در دیگ چگالشی قدرت جذب حرارت از شعله توسط دیگ است. در دیگهای سنتی فولادی و چدنی، ضخامت بالای بدنه باعث مقاوت در جذب حرارت و بزرگ شدن سطح دیگ شده است. در دیگ های چگالشی با جایگزین کردن استیل ضد زنگ و نازک و یا استفاده از الیاژهای آلمینیوم میزان انتقال حرارت بالا برده می شود. این سطح نازک بدنه و نیز استفاده از آلیاژهای خاص جهت افزایش راندمان حساسیت دیگ را بالا برده و شرایط کاری استاندارد آن را بسیار محدود می سازد.

سرعت بالای سیال

باید توجه داشت که رسیدن به ظرفیتهای نامی بالا نیاز به سرعت بالای جریان احتراق دارد. از این رو زمان زیادی برای کاهش دمای سیال در دیگ نبوده و باید به سرعت محصولات احتراق سرد شده و از دیگ خارج شوند در این دیگها در صورت مختل شدن و یا کاهش جریان صدای جوش آمدن سیال و ترکیدن حباب های سیال به سرعت به گوش رسیده که این امر میتواند باعث صدمات جدی به دیگ شود.

کاهش سرعت گردش سیال در این دیگها به تبع باعث کاهش انتقال حرارت از محصولات احتراق شده و در نتیجه عملیات چگالش که نیاز به کاهش سریع دما دارد به درستی رخ نخواهد داد.

برگشت سریع سیال نیز یکی از مشکلات دیگ های کاندنسینگ بوده که در مباحث فنی به آن اشاره خواهد شد و برای حل آن باید ظرفیت هیدرو سپریتورها با مخازن ذخیره قبل دیگ را بالاتر برد.

جهت جریان سیال مخالف با جریان شعله

همانند فرایند انتقال حرارت در انواع مبدلها بخصوص مبدل های صفحه ای که به جهت انتقال حرارت بهتر باید جریانهای انتقال دهنده سیال در مبدل به صورت ضربدری وارد مبدل شوند؛ در مبدل حرارتی دیگ چگالشی دو جریان محصولات احتراق و سیال گرم شونده نیز باید کاملا جریان خلاف هم داشته که این امر بعضا در دیگ های سنتی به صورت موازی و هم جهت انجام میشود. در دیگ های سنتی جریان مخالف ممکن است باعث ایجاد چگالش در دیگ شده و با توجه به نوع بدنه دیگها آسیبهای جدی به دیگ وارد کند. این آسیب ها به دلیل اسیدی بودن آب چگالش شده ی محصولات احتراق در بلند مدت تاثیرات منفی فراوانی بر دیگهای سنتی دارد.

سامانه ی کنترل الکترونیکی سریع و پیشرفته

بر خلاف دیگ های سنتی که نیاز به کنترلرهای ساده الکترونیکی داشته این دیگ ها به دلیل سرعت بالا محصولات احتراق و آب در میدل نیازمند تشخیص دقیق تغییرات دما در بخش دود و سیال می باشد. از این رو در ساخت بردهای الکترونیکی این تجهیزات از برنامه های دقیق و محاسبه کننده سریع استفاده شده که تا حد ممکن فرایند تنظیم شعله را مدیریت و بیشترین چگالش را در محصولات احتراق ایجاد نماید. همچنین سرعت بالا و دقیق کنترلر باعث میشود تا در صورت بروز خطا از خارج شدن محصولات احتراق با دمای بالا جلوگیری گردد.

شرایط نامناسب کاری

برگشت دیگ با دمای بالا

تنها منبع کاهش دمای محصولات احتراق که باید به زیر دمای ۱۰۰ درجه سانتگیراد برسد. دمای آب برگشت به دیگ است. از این رو دمای برگشت هر چه کمتر باشد قابلیت کاهش دما بهتر و فرایند چگالش بهتر صورت می پذیرد.

برای پایین بودن دمای برگشت بهتر است از اختلاط آب گرم با سرد در تجهیزات جلوگیری کرد و نیز از گردش آب در مناطقی که گرمایش نیاز ندارند ممانعت نمود. از این رو در طراحی کلی باید به منطقه بندی و کنترل مناطق گرمایشی پرداخت و طراحی موتورخانه های سنتی برای دیگهای چگالشی مناسب نمی باشد.

برگشت سریع

برگشت سریع سیال از سامانه گرمایشی باعث بالا بودن سیال بدون تبادل کافی در تجهیزات گرمایشی شده که در دیگ منجر به عدم ایجاد چگالش کافی گردد.

برگشت سریع در سامانه های لوله کشی چند مداره با خاموش شدن پمپ های مدار دوم به یکباره اتفاق می افتد. از این رو ظرفیت خازنی هید رو سپریتورها برای جلوگیری از برگشت سریع، بسیار مناسب است.

کیفیت نا مناسب آب

هرگونه کیفت پایین آب شامل موارد زیر می تواند باعث تخریب مبدل حرارتی چگالشی شود.

1. بالا و یا پایین بودن ph آب
2. وجود کلر در آب ا به ویژه
3. وجود انواع سختی در آب

شرایط مناسب کاری

دمای برگشت پایین

محصولات احتراق خروجی دیگ های چگالشی دمای خود را با تبادل حرارت با آب برگشت دیگ تأمین کاهش می دهند. از این رو دمای محصولات احتراق نمیتواند از دمای برگشتی پایین تر رود.

از این رو تجهیزات چگالشی در سامانه های گرمایشی دما پایین مانند گرمایش کفی و نیز فن کویل ها بهتر از سامانه های دما بالا مانند رادیاتور عمل می نماید.

به نوعی می توان گفت بهتر است دمای برگشت آب گرم به دیگ کمتر از ۵۵ درجه سانتیگراد باشد. در صورت بالاتر رفتن دمای دیگ درصد چگالش دیگ به طور متناسب کاهش یافته یا به عبارتی از راندمان دیگ کاسته می شود.

گردش آب بالا در دیگ

در مبدل دیگ نیاز به گردش آب جهت خارج کردن گرما و رساندن محصولات احتراق به دمای پایین است گرش آب بالا در دیگ در بهبود راندمان و کیفت کار دیگ تاثیر فراوانی دارد. باید دقت نمود برگشت سریع از مدار گرمایشی به دیگ خود میتواند باعث برگشت گرم شده و این در نقطه مقابل قرار داد که میتواند باعث کاهش راندمان و کیفت کاری دیگ شود. از این رو بهتر است حجم ثابت و مشخصی از سیال را در دیگ های کاندنسینگ با پمپ مجزا از طریق سامانه لوله کشی دو مداره تأمین نمود تا هرگونه شک ناشی از افزایش و کاهش دبی از دیگ برداشت شود.

ایجاد ارتباط دیگ با دمای داخل و بیرون

جهت جلوگیری از کارکرد زیاد دیگ به دلیل نیاز به کاهش مصرف انرژی و کاهش استهلاک دستگاه در کلیه موتورخانه ها به ویژه موتوخانه های چگالشی نیاز به ایجاد سامانه ای جهت متناسب سازی کارکرد دیگ با دمای داخل از طریق دما پاهای داخل ساختمان و نیز کنترل حجم مورد نیاز تولید گرما توسط دمایاها و یا سنسورهای بیرونی است.

نتیجه گیری

طراحی گرمایشی مناسب با دیگ های چگالشی با توجه به حساسیت و بالا بودن قیمت نیاز به طراحی مدرن پایه آبی داشته و پایه اصلی آن در طراحی منطقه بندی صحیح کل سامانه و نیز کنترل دقیق تجهیزات الکترونیکی است. از این رو صرفاً جایگزینی دیگ های کاندنسینگ را به جای دیگ و مشعل در تجهیزات و نقشه های سنتی توصیه نمی شود. فرهنگ طراحی موتورخانه های چگالشی کاملا متفاوت از موتورخانه های سنتی بوده هر چند که طراحی موتورخانه های سنتی نیز در کشورمان نیز در بخش طراحی از ضعف های بسیاری رنج می برد. وبگاه تاسیسات سنگین میناگر سعی در آموزش طراحان و مجریان موتورخانه های گرمایشی و سرمایشی به بروزترین راه کارهای طراحی و اجرای موتورخانه های بروز و چگالشی می باشد.