نقش بویلرها و بخارها در چرخه صنعت
در این مقاله به بررسی نقش دیگ بخار در صنعت می پردازیم. برای این منظور ابتدا سیر تاریخی نقش دیگ بخار در صنعت و سپس به تشریح عملکرد بویلر می پردازیم.
بررسی سیر تاریخی نقش دیگ بخار در صنعت
کارشناسان صنایع سنگین نقش دیگ بخار در صنعت را بسیار مهم قلمداد می کنند و معتقدند؛ اگر دیگ‌های بخار اختراع نشده بودند، شاید بسیاری از تحولات صنعتی در جهان شکل نمی‌گرفت یا رخ نمی‌داد و اگر «بخار» نبود جهان شکل و شمایل امروزی اش را نداشت.
اگر دانشمندان پی به نقش و استفاده از آن در به گردش درآوردن چرخ‌های صنعت نمی‌بردند، شاید صنایع مان امروز با نیرو و انرژی دیگر یا روندی متفاوت روبه‌رو بود.
پی بردن بشر به نیروی شگرف و شگفت بخار بود که موجبات و زمینه‌ساز بروز تحولات در روند صنعتی شدن جهان را فراهم ساخت و ما در این گزارش که تا حدودی یک گزارش تخصصی ـ صنعتی است، شما را با پدیده دیگ‌های بخار تا حد امکان آشنا می‌کنیم.
انفجار دیگ بخار
البته پیش از این نیز حدود یک‌سال و نیم قبل بحث نقش دیگ بخار در صنعت در جهان صنعت توسط برخی رسانه‌ها مورد بررسی قرار گرفت و آن هم زمانی که در آخرین روزهای اردیبهشت سال ۹۲ و زمانی بود که خبر انفجار یک دیگ بخار در کارخانه قندریزی میاندوآب در رسانه‌ها منعکس و گفته شد که با این انفجار بخش‌هایی از تجهیزات خط تولید این کارخانه در شهرک صنعتی میاندوآب تخریب شد و ۶ نفر از کارگران آن راهی بیمارستان شدند.
فردای آن روز شبکه محلی تلویزیون تبریز میزگردی را با کارشناسان تجهیزات مربوط به دیگ‌های بخار تدارک دید و پخش کرد که مطالب جالبی در آن گفته شد، از جمله اینکه مخاطبان این شبکه تلویزیون را با پیشینه این لوازم زیربنایی صنعت جهان آشنا ساخت و کارشناسان دیگ‌های بخار در آن برنامه تلویزیونی مدعی شدند که اگر دیگ‌های بخار اختراع نمی‌شدند اصولا صنعت به شکل امروزی‌اش روی کره زمین شکل نمی‌گرفت.
حق با آنهاست، زیرا اسناد، شواهد و مدارک نیز نشانگر همین است. مهندس نواب، کارشناس شرکت ایمن‌آوران صنعت یکی از تولیدکنندگان همین دیگ‌های بخار در مقاله‌ای در این باره نوشته است:
همزمان با ورود بشر به دوران صنعتی که با استفاده گسترده‌تر او از نیروی ماشین در اوایل قرن هجدهم میلادی آغاز شد، تلاش‌های افرادی نظیر وات، مارکیز او …، از انگلستان در ارتباط با گسترش بهره‌برداری از نیروی بخار و طراحی و ساخت دیگ‌های بخار شروع شد.
دیگ‌های بخار اولیه
دیگ‌های بخار اولیه از ظروف سربسته و از ورق‌های آهن که روی هم برگرداننده و پرچ شده و شامل اشکال مختلف کروی یا مکعب بودند، ساخته شدند. این ظروف روی دیوارهای آجری روی آتش قرار داده شده و در حقیقت برون‌سوز محسوب می‌شدند.
این دیگ‌ها در مراحل آغاز بهره‌برداری فشار مورد نیاز را تا حدود یک BAR تامین می‌کردند که پاسخگوی نیازهای آن دوره بود ولی به علت تشکیل رسوب و لجن در کف دیگ که تنها قسمت تبادل حرارت آب با شعله بود و باعث می‌شد دمای فلز به آرامی بالا رفته و موجب تغییر شکل فلز کف و در نتیجه ایجاد خطر انفجار می‌شد.
همزمان با نیاز به فشارهای بالاتر بخار از سوی صنایع، روند ساخت دیگ‌های بخار نیز تحولات بیشتری را تجربه کرد و برای دستیابی به بازده حرارتی بالا، نیاز به تبادل حرارتی بیشتری احساس می‌شد، در نتیجه سطوح در معرض حرارت با در نظر گرفتن تعداد زیادی لوله باریک که در آنها گازهای گرم جریان و اطراف آنها آب وجود داشت، افزایش یافتند.
این دیگ‌ها با حجم کمتر راندمان مناسبی داشتند. دیگ‌های بخار لوله دودی امروزی در حقیقت انواع تکامل یافته دیگ‌های یاد شده هستند.
بنا به نوشته این پژوهشگر بخار آب از زمان‌های خیلی دور به صورت‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گرفته و نخستین بار از نیروی بخار برای به حرکت درآوردن نخستین پمپ استفاده شد. نخستین پمپ نیز توسط شخصی به نام ساوری (۱۷۱۵- ۱۶۵۰م) در انگلستان ساخته شد.
موتورهای ساوری
در این پمپ که به موتور (SAVERY S ENGINE) معروف بود بخار در فشار ۴/۵ تا ۸ بار(BAR) وارد محفظه‌ای پر از آب می‌شد. بخار بر سطح آب داخل این محفظه فشار می‌آورد و آب را در داخل لوله‌ها پمپاژ می‌کرد.
مشکل موتور ساوری این بود که چون بخار با سطح آب تماس مستقیم داشت، بنابراین خیلی زود فشار خود را از دست می‌داد. در همان زمان‌ها شخص دیگری به نام «دنیس پاپین» (۱۷۱۲- ۱۶۴۷م) جدا کردن بخار و سطح آب را مطرح کرد و پیستونی را در داخل این محفظه در نظر گرفت و بعد از او شخصی دیگر به نام «توماس نیوکامن» (۱۷۲۹-۱۶۶۳ م) براساس این ایده موتوری را طراحی کرد و ساخت.
در این موتور، بخار وارد یک سیلندر عمودی شده و پیستون را به طرف بالا حرکت می‌داد. سپس شل شدن بخار و تخلیه آن ایجاد مکش کرده و موجب پایین آمدن پیستون در اثر فشار محیط می‌شد و به این ترتیب جریان آب را پمپاژ می‌کرد.
مزیت این موتور نسبت به موتورهای ساوری این بود که به ازای قدرت یکسان، مصرف سوخت آن ۲/۳ مصرف سوخت موتور ساوری بود. ۶۰ سال بعد، مخترعی به نام «جیمز وات» ایده موتور بخار رفت و برگشتی مدرن را ارائه کرد.
موتورهای بخار «جیمز وات»
جیمز وات در سال ۱۷۶۴م در حالی که مشغول تعمیر یک موتور نیوکامن بود، متوجه اتلاف بخار در داخل سیلندر شد و به این ترتیب درسال ۱۷۶۵م ایده جداسازی کندانسه و بخار را بنیان نهاد، تا اینکه در سال ۱۷۸۱م ایده دیگری برای تبدیل موتورهای رفت و برگشتی به موتورهای دوار را مطرح کرد، امروزه نیز از موتور مشهور او در بعضی از صنایع استفاده می‌شود.
مزیت اساسی موتور وات مربوط به مصرف سوخت کمتر آن بود. این موتور نسبت به موتور ساوری حدود ۷۵ درصد و نسبت به موتور نیوکامن حدود ۶۰ درصد سوخت کمتری را مصرف می‌کرد.
در نهایت شکل پیشرفته موتور جیمز وات توسط شخص دیگری به نام کورلیس (۱۸۸۸-۱۸۱۷م) ساخته شد که مصرف سوخت آن نصف موتور وات بود و امروزه از این موتورهای بخار در ژنراتورهای برق کوچک تا حدود ۵ مگاوات استفاده می‌شود.
نقش بویلر در صنعت، امروزه از بخار برای گرداندن توربین بخار در تولید برق، حرکت کمپرسور و پمپ، گرمایش ساختمان‌ها و همچنین گرمایش سیالات در فرآیندهای مختلف در صنایع استفاده می‌شود.
نقش بویلر در صنعت – تولید بخار صنعتی
دستگاه های تولید بخار به دو دسته تقسیم می‌شوند:
- در دسته اول که به دیگ بخار (BOILER) معروفند از انرژی حاصل از احتراق یک سوخت جامد، مایع یا گاز برای تولید بخار استفاده می‌شود.
- در دسته دوم که به مولد بخار یا (STEAM GENERATOR) معروف هستند حرارت لازم برای تبخیر آب از سیال داغی که خود از یک منبع دیگری کسب انرژی می‌کند، دریافت می‌شود.
منبع اولیه انرژی ممکن است نتیجه واکنش‌های هسته‌ای در یک رآکتور هسته‌ای یا انرژی اضافی حاصل از واکنش شیمیایی گرمازا در درجه حرارت بالا مانند واکنش‌هایی که در تولید آمونیاک و متانول صورت می‌گیرد، باشد.
به مولدهای بخاری که از واکنش اخیر استفاده می‌کنند به اصطلاح دیگ بخار ضایعات حرارتی (WASTE HEAT BOILER) ) گفته می‌شود.
