توربولاتور
توربولاتور (Turbulator) یا Tube insert پره های مارپیچی هستند که درون لوله های دیگ ها و بویلرهای FireTube قرار داده می شوند و به غیر از اینکه به جریان حالت دورانی می دهند، موجب می شوند که جریان دود در داخل لوله ها از حالت Laminar (جریان آرام) به حالت Turbulant (جریان مغشوش) تبدیل شود.
همانطور که استحضار دارید میزان انتقال حرارت در جریان Turbulant بسیار بالاتر از جریان Laminar می باشد و وجود این پره ها باعث افزایش میزان انتقال حرارت در دیگ شده و به تبع آن موجب افزایش راندمان احتراق و کاهش دمای محصولات احتراق (دود) می گردد.
به ازای ۱۵ درجه کاهش دمای دود، حدود ۱% راندمان دیگ افزایش می یابد. وجود توربولاتور در داخل لوله های دیگ تاثیر انکار ناپذیری در افزایش راندمان دیگ، کاهش تلفات انرژی حرارتی و کاهش مصرف انرژی دارد.
در حال حاضر بسیاری از سازندگان معتبر دیگ و بویلر، توربولاتور را از ابتدا بر روی دیگ های خود نصب و به مشتری تحویل می دهند.
در صورتی که دیگ شما فاقد توربولاتور می باشد می توانید با نصب توربولاتور نسبت به کاهش مصرف انرژی اقدام نمایید.
ساختار توربولاتور
توربولاتور پره مارپیچی است که در درون لوله های دود بویلرهای بخار و آبگرم نصب شده و با تشدید چرخش جریان دود باعث افزایش میزان انتقال حرارت می گردد.
دمای دودکش دیگ بخار رابطه مستقیمی با عملکرد آن دارد. اما آیا میدانید چه دمایی در خروجی دودکش بویلر مناسب است؟ برای بررسی این موضوع و همچنین رابطه بین عملکرد بویلر و دمای خروجی آن مطلب زیر که درمورد یک داستان واقعی در مورد وضعیت بویلر می باشد بیان شده است.
یک روز از کارخانه ای بازدید کردم. مسئول تاسیسات موتورخانه می گفت که بویلرهایشان بسیار خوب کار می کند. قبل از ورود به موتورخانه برایم توضیح داد که در کارخانه ۳ دستگاه دیگ ۷ تن دارند که با فشار ۸ بار در حال کار است.
دلیل را پرسیدم که چرا بنظرش وضعیت موتورخانه خوب است. ایشان گفتند بخاطر اینکه دمای دودکش یک دیگ ۱۵۰ درجه و دیگری ۱۵۵ درجه سانتیگراد است. علیرغم اینکه این دیگ ها با توجه به تجربه ایشان خیلی خوب بنظر می رسید. فهمیدم مشکل از کجا آب می خورد! از کارکرد نامناسب (خطای ترموستات دودکش)
جدول رابطه فشار کارکردی و دمای بخار خروجی بویلر
برای فهمیدن دلیل گفتارم به جدول زیر توجه کنید. این جدول ترمودینامیک است.
| فشار (بار گیج) | دما (درجه سانتیگراد) |
| ۱۰ | ۱۸۴ |
| ۸ | ۱۷۵ |
| ۶ | ۱۶۵ |
| ۵ | ۱۵۶ |
| ۴ | ۱۵۲ |
این جدول بیان می کند که در بویلرهای بخار اشباع در هر فشار کارکردی دمای بخار خروجی از دیگ چه مقدار باید باشد. مثلا در فشار ۸ بار دمای خروجی دیگ ۱۷۵ درجه سانتیگراد می شود.
همانطور که می دانید آب جهت تبدیل شدن به بخار دمای خود را از دود درون لوله ها می گیرد و هر سیال زمانی می تواند انتقال حرارت انجام دهد که دمایش بالاتر از سیال مجاور باشد.
وقتی نان داغی را در دست می گیرید این نان است که دست شما را داغ می کند و وقتی یخی را در دست می گیرید این دست شماست که یخ را گرم می کند. پس در بویلر بخار این دود است که آب را گرم می کند لذا باید دمای آن بالاتر از دمای بخار دیگ باشد.
دمای دودکش دیگ بخار چقدر باید باشد؟
دود در دیگ با فشار ۸ بار حداقل باید دمای ۱۷۵ درجه سانتیگراد داشته باشد. اما با توجه به اینکه راندمان بویلرها عمدتا و خوش بینانه در محدوده ۸۰ درصد می باشد لذا دمای دود خروجی از دودکش دیگ ها ۲۵ تا ۴۰ درجه در دیگ های عالی حداقل ۵۰ درجه تا ۸۰ درجه در دیگ های خوب و ۹۰ تا ۱۵۰ درجه در دیگ های متوسط بالاتر از دمای بخار اشباع دیگ می باشد.
با توضیحات فوق فکر می کنم کاملا مشخص گردید که چرا ترموستات دودکش آن کارخانه خراب می باشد.
توصیه می گردد همواره از صحت عملکرد ترمومترها و یا ترموستات های دودکش های بویلرهای بخار خود اطمینان حاصل کنید. زیرا یکی از هشدارهای تریپ یا خاموشی بویلر همواره از ترموستات دودکش باید صادر شود.
به عبارتی وقتی سطح آب درون دیگ های بخار کاهش یافت و لول سوئیچ دیگ دستور روشن شدن پمپ را نداد و سطح آب پایین تر از سطح لوله ها آمد اولین سیستم کنترلی که باید دستور خاموش شدن مشعل را بدهد ترموستات دودکش است.
حالا فرض کنید ترموستات دودکش شما خراب باشد و یا خطا نشان دهد. لول سوئیج درست کار نکند پس سطح آب پایین آمده و دیگ خواهد سوخت. توصیه می گردد بصورت هفتگی ترموستات دودکش بویلرهای خود را چک کنید.
این راهکار در مقایسه با سایر روش های بهینه سازی انرژی از هزینه پایین تر برخوردار بوده و سرعت نصب و اجرای این روش در مقایسه با سایر روش ها ( اکونومایزر، عایق کاری دیگ، تجدید نسوزکاری ها و کنترل بلودان و …) بالاتر است.
زمان بازگشت سرمایه سریع، کاهش مصرف سوخت دیگ ها از ۳ الی ۱۲ درصد(بسته به کیفیت بویلر) دلیل جذابیت این راهکار بهینه سازی انرژی در دنیاست.
این تکنولوژی نزدیک به ۱۲۰ سال است در دنیا به عنوان یکی از راهکارهای مفید بهینه سازی انرژی استفاده می گردد.
اطمینان از عملکرد صحیح توربولاتور
افت فشار ناشی از قرار دادن جسم خارجی در مسیر دود به عنوان تنها عامل منفی در استفاده از توربولاتور مطرح است. در کنار تمامی مزایای استفاده از این وسیله بر روی بویلرهای بخار و آب گرم، در صورت کاربرد نامناسب توربولاتور و نصب آن بدون انجام اندازه گیری های میدانی و محاسبات اولیه، ممکن است افت فشار اعمال شده بر فشار مثبت حاصل دمنده مشعل و ارتفاع دودکش غلبه نموده و موجب خفه شدن مشعل گردد.
برای اطمینان از عملکرد صحیح بویلر و اجتناب از خفه نمودن مشعل، افت فشار ناشی از نصب توربولاتور بر اساس هندسه توربولاتور طراحی شده به طور دقیق محاسبه و بررسی رفتار مشعل در افت فشار جدید بر اساس نمودار ظرفیت حرارتی فشار مشعل ها و تا نزدیک مقدار ماکزیمم افت فشار در نقطه حرارت کاری انجام می شود.
با در نظر گرفتن یک بازه ایمن میان حداکثر فشار قابل تامین توسط مشعل و مجموع افت فشارهای اعمال شده، می توان از عملکرد صحیح مشعل اطمینان یافت.
راهکارهای مناسب برای کاهش مصرف سوخت در دیگ بخار و دیگ آب گرم
- کاهش ۳ الی ۱۲ درصد مصرف گاز و گازوئیل با نصب توربولاتور داخل لوله های انواع دیگ های بخار و آب گرم
- طراحی و ساخت توربولاتور جهت حصول شرایط بهینه با بیشترین کاهش دمای دودکش و کمترین افت فشار گاز خروجی
- ممیزی مصرف انرژی تاسیسات کارخانجات و موتورخانه های صنعتی
- آنالیز گاز خروجی از دودکش انواع دیگ آب گرم، دیگ بخار و روغن داغ
- تعیین وضعیت و تنظیم مشعل های گاز و گازوییل سوز در دیگ آبگرم، دیگ بخار و دیگ روغن داغ
دیگ آب داغ و بویلر بخار لوله آتشی (فایرتیوب) یکی از منابع اصلی تولید حرارت در صنایع و ساختمان ها می باشند. راندمان دیگ های لوله آتشی بسته به طراحی و مشعل مورد استفاده بین ۶۵ تا ۸۵ درصد است.
در واقع ۱۵ تا ۳۵ درصد انرژی وارد شده به بویلر به هدر می رود. راهکارهای مختلفی جهت بازیافت حرارت از دودکش پیشنهاد شده اند که تاکنون به دلایل اقتصادی مورد اقبال عمومی قرار نگرفته اند.
توربولاتور وسیله ای برای افزایش راندمان
روش های معمول افزایش راندمان مبتنی بر بازیابی انرژی خروجی همراه دود و استفاده از آن جهت پیش گرم کردن آب یا هوای ورودی به بویلر است.
در استفاده از توربولاتور هدف اصلی دستیابی به روشی است که میزان انتقال حرارت از دود به آب داخل بویلر افزایش یافته، دمای خروجی دود کاهش یافته، و در نتیجه راندمان بویلر افزایش یابد.
استفاده از توربولاتور روش مقرون به صرفه تری در افزایش راندمان مجموعه بخار نسبت به استفاده از اکونومایزر و یا پیش گرمکن هوا می باشد.
تاریخچه
پیشینه تاریخی استفاده از توربولاتور در بویلرها به سال ۱۸۹۶ در انگلستان باز می گردد. در این سال در تحقیقی نشان داده شد که با استفاده از توربولاتور نوار پیچانده (Twisted tape) می توان مصرف زغال سنگ را در بویلر لوله آتشی ۲/۱۸ درصد کاهش داد.
استفاده از توربولاتور از اوایل قرن بیستم در انگلستان معمول گردید. هم اکنون در بسیاری از کشورهای دنیا توربولاتور بعنوان بخشی جدایی ناپذیر از بویلر در آمده است و سازندگان بویلر از همان ابتدا بویلر را مجهز به توربولاتور به مشتریان خود تحویل می دهند. وزارت انرژی آمریکا(DOE) نیز در کتاب خود با نام:
improving steam system performance:A Sourcebook for Industry
که مرجع بهره وری سوخت در آمریکا محسوب می شود، تاکید بر استفاده از توربولاتور در پاس ۲ و ۳ بویلرهای لوله آتشی دارد.
اصول کارکرد توربولاتور
در بویلرهای فایرتیوب، سوخت پس از احتراق در کوره، وارد لوله های دود (smoke tubes) می گردد. محصولات احتراق در عبور از این لوله ها، حرارت خود را به آب بیرون لوله ها منتقل می کنند و سرانجام از طریق دودکش خارج می شوند. بیش از نیمی از انتقال حرارت بویلر از طریق لوله های دود صورت می پذیرد.
جریان دود در لوله های دود و یک جریان توسعه یافته با پروفیل سرعت مستقیم است که لایه مرزی یاد شده که سرعت خیلی کمتری نسبت به جریان اصلی دارد به مثابه یک عایق حرارتی بین جداره لوله و حجم اصلی جریان قرار می گیرد و میزان انتقال حرارت را کاهش می دهد. همچنین دوده وارد لوله می شوند با قرار گرفتن در این لایه کم سرعت، فرصت نشستن بر روی جداره لوله را پیدا می کنند.
توربولاتور وسیله مکانیکی ثابتی است که در جریان سیال قرار گرفته و با ایجاد اغتشاش در جریان و از بین بردن لایه مرزی، ضریب انتقال حرارت را افزایش داده و از رسوب دوده بر روی سطح داخلی لوله جلوگیری می کند.
همچنین توربولاتور مسیر عبور جریان دود در لوله را طولانی تر نموده، دوده مدت زمان بیشتری در تماس با سطح تبادل حرارتی قرار می گیرد و در نتیجه میزان انتقال حرارت افزایش می یابد.
انواع توربولاتور
انواع مختلفی از توربولاتورهای داخل لوله ای برای بویلرها ارائه شده اند عبارتند از :
نوار پیچانده (Twisted tape)
معمول ترین نوع توربولاتور می باشد ضریب انتقال حرارت داخل لوله را تا ۳/۵ برابر افزایش می دهد و در عین حال افت فشار اضافی چندانی به سیستم تحمیل نمی کند (شکل۱).
نوارخمیده (Bent strip)
افزایش ضریب انتقال حرارت تا ۷ برابر گزارش شده است ولی به دلیل افت فشار بالا(تا حد ۳۰۰ درصد افت فشار لوله خالی ) موارد استفاده از آن محدود است (شکل۲).
نوار چین دار (Corrugated strip)
افزایش ضریب انتقال حرارت تا ۵ برابر افت فشار بالا (تا حد ۳۰۰ درصد افت فشار لوله خالی) استفاده از آن نیاز به دقت و محاسبات خاص و در صورت امکان تعویض فن دمنده مشعل دارد (شکل ۳).
فنری(Helix wire)
افت فشار کم، سهولت تولید همراه با ۲ برابر کردن ضریب انتقال حرارت این نوع توربولاتور را در رتبه دوم مصرف پس از نوار پیچانده قرار داده است (شکل ۴).
جنس توربولاتور با توجه به محل قرارگیری آن (پاس۲ یا ۳) و دمای کارکرد از استنلس استیل نسوز و یا آلومینیوم آلیاژی مخصوص می باشد. در ادامه این مقاله توجه خود را به معمول ترین نوع توربولاتور یعنی نوار پیچانده معطوف می نمائیم.
طراحی توربولاتور
شکل ۵ نحوه قرارگیری توربولاتور در لوله و پارامترهای مهم آن را نشان می دهد که در آن do قطر خارجی لوله، H گام پیچش ۱۸۰درجه ای نوار و δ ضخامت نوار فلزی است.
ضخامت نوار فلزی بین ۱/۵ تا ۳ میلیمتر می باشد. گام پیچش H مهم ترین پارامتر در طراحی توربولاتور است. نسبت گام به قطر لوله را نسبت پیچش نامیده و با Y مشخص می نمایند. هرچه قدر Y کوچکتر باشد، تعداد پیچ ها در واحد طول بیشتر بوده و لاجرم میزان اغتشاش و طول مسیر بیشتر شده و میزان انتقال حرارت بیشتر خواهد بود. نکته محدود کننده در کاهش عدد Y افت فشار مجاز مسیر دود می باشد.
با قرار گرفتن توربولاتور در لوله های دود، افت فشاری در مسیر دود ایجاد می گردد که چنانچه اختلاف فشار ایجاد شده توسط فن مشعل و دودکش نتواند بر آن فائق آید، دود نمی تواند از بویلر خارج شده، مشعل پس زده و خاموش می شود.
لذا با افزایش Y دمای خروجی دود از دودکش افزایش و افت فشار مسیر کاهش می یابد. برای بدست آوردن نقطه بهینه طراحی، ضریبی به نام beh تعریف می گردد که حاصل تقسیم میزان افت فشار بر دمای خروجی دودکش است. این ضریب را به ازای Y های مختلف محاسبه می نماییم.
این محاسبه برای بویلرهای مختلف انجام گرفت و الگوی مشابهی در تمامی آنها تکرار شد به این معنی که با افزایش Y ابتدا beh کاهش می یابد و پس از عبور از یک نقطه مینیمم، حالت صعودی به خود می گیرد (شکل ۶).
ابعاد بهینه توربولاتور
نقطه مینیمم منحنی، ابعاد بهینه توربولاتور است که در آن میزان افت فشار نسبت به افزایش راندمان حداقل است. البته ممکن است در نقطه بهینه طراحی هم مجموعه فن مشعل و دودکش توان غلبه بر افت فشار ایجاد شده را نداشته باشند که در این صورت باید Y را افزایش داده و لاجرم از نقطه بهینه دور شد.
Y بهینه هر بویلر با دیگری متفاوت است ولی محدوده کلی آن بین ۲/۶ تا ۳/۴ می باشد. Y عملی که بستگی به افت فشار مجاز دارد عددی بین ۳ تا ۵ است.
نتیجه گیری
استفاده از توربولاتور در کلیه دیگ های فایرتیوب توصیه می شود ولی انتخاب نوع ونیز طراحی آن با ملاحظات فنی دقیق همراه است که باید توسط کارشناسان خبره انجام پذیرد.
چنانچه از ابتدا طراحی بویلر مبتنی بر استفاده از توربولاتور صورت گیرد. نتیجه بدست آمده بسیار بهتر خواهد بود توربولاتور را می توان برای بویلرهایی با سوخت گاز و گازوئیل به کاربرد ولی استفاده از آن در بویلرهای مازوت سوز توصیه نمی شود.
