الف- تلفات حرارتی محسوس گازهای خروجی از دودکش
ب- تلفات حرارتی ناشی از هیدروژن و رطوبت تعیین تلفات حرارتی دودکش توسط نمودار محاسبه راندمان واقعی حرارتی بویلر و دیگ بخار
شاخصهای مؤثر در محاسبات راندمان بویلر
دپارتمان پژوهش و توسعه شرکت پاکمن در راستای انتقال دانش فنی به کارفرمایان و با توجه اخص به بهینه سازی مصرف سوخت و راهبری بویلرها که سرمایه ای کلان را در بر می گیرد، مبادرت به انجام مطالعات وسیع و بررسی همه جانبه راندمان واقعی بویلرهای ساخته شده در سطح کشور نموده است.
راندمان بویلر که یکی از پارامترهای شاخص جهت ارزیابی عملکرد بویلر است، تأثیر قابل توجهی بر روی هزینه های مصرف سوخت، تعمیر و نگهداری و عمر مفید دستگاه دارد. خاطر نشان می سازد که در حال حاضر در سطح کشور هیچگونه استانداردی جهت الزام انجام آزمایشات تعیین راندمانهای بویلر از سوی مراجع قانونی وجود ندارد و راندمانهای ادعا شده بدون انجام محاسبات واقعی و آزمایشات می باشد. لذا کارفرمایان می باید از سازندگان بویلر مدارک مربوط به داده های تست و نحوه محاسبات راندمان بویلر را درخواست نمایند تا ضمن بررسی موارد مذکور، صحت مشخصات فنی تجهیزات را نیز کنترل نمایند. از اینرو نوشتار ذیل به منظور شفافسازی و رفع ابهامات موجود در مفاهیم و تعاریف مورد استفاده در تعیین راندمان بویلرها ارائه می گردد. دراین مبحث، اصول پایه و روشهای استفاده جهت محاسبه و دستیابی به حداکثر راندمان بویلر ارائه گردیده است.
اصول احتراق:
عناصر اصلی سوخت شامل کربن و هیدروژن می باشد. هیدروژن به صورت غیر ترکیبی و آزاد نیز در گاز طبیعی وجود دارد. همراه با این مواد، مقدار کمی گوگرد و نیتروژن نیز وجود دارد.
احتراق سوخت، طی یک پروسه اکسیداسیون که همراه با آزاد شدن انرژی حرارتی می باشد صورت می گیرد. واکنش مابین اکسیژن موجود در هوا با کربن، هیدروژن و در صورت وجود گوگرد، رخ می دهد. این واکنش در شرایطی رخ می دهد که دما نسبتاً بالاست، این دما که دمای اشتعال نامیده می شود مابین 400 تا 700 درجه سانتیگراد و وابسته به نوع سوخت متغیر است. (این عدد تا 2000 درجه نیز می رسد) اگر هوا به میزان کافی و مناسب تأمین شود، کربن به طور کامل می سوزد و به دی اکسید کربن تبدیل می شود. هنگامی که به علت کمبود هوا پروسه احتراق به صورت کامل انجام نمی شود، گاز مونوکسید کربن تولید می شود. هیدروژن نیز می سوزد و تولید بخار آب می نماید. در صورت وجود گوگرد، این عنصر نیز در اثر احتراق، تولید دی اکسید گوگرد (SO2 ) می نماید و ممکن است در ادامه پروسه و ترکیب با مولکول اکسیژن دیگر، تری اکسید گوگرد (SO3 ) تولید شود. هوا به طور متوسط از لحاظ وزنی شامل 23.21% اکسیژن و 75.81% نیتروژن و مقادیری جزئی آرگون، هلیم و کریپتون می باشد. با درنظر گرفتن تخمینی جزئی، نسبت گازهای متشکله هوا به صورت 23.2% اکسیژن و 76.8% گازهای غیرقابل احتراق می باشد. از لحاظ حجمی نیز نسبت گازهای تشکیل دهنده هوا به صورت 20.9% اکسیژن و 79.1% گازهای غیرقابل احتراق می باشد. عناصر متفاوت ذکر شده به نسبت وزنهای مولکولی هر یک از عناصر، بشرح ذیل با اکسیژن ترکیب می شوند:
O2=32 اکسیژن
C=12 کربن
H 2=2 هیدروژن
N 2=28 نیتروژن
S=32 گوگرد
تعاریف راندمان
راندمان، شاخص اندازه گیری عملکرد اقتصادی چرخه بقای تجهیزات می باشد.
برای راندمان بویلر و دیگ بخار سه تعریف به شرح ذیل وجود دارد:
الف- راندمان احتراق
ب- راندمان انتقال حرارت
ج- راندمان حرارتی واقعی بویلر
الف- راندمان احتراق
راندمان احتراق مشخصه توانایی مشعل جهت احتراق کامل سوخت است که برابر نسبت تفاضل انرژی ورودی و تلفات دودکش به انرژی ورودی می باشد. عموماً محدودة راندمان احتراق مابین 75-86 % گزارش گردیده است. مقدار سوختی که مورد احتراق قرار نمی گیرد و همچنین میزان هوای اضافی در راندمان احتراق تأثیرگذار است. مشعل هایی به راندمان بالا دست می یابند که مقدار سوخت مورد احتراق قرار نگرفته و همچنین میزان هوای اضافی به حداقل ممکن رسیده باشد. لذا به منظور اطمینان از احتراق کامل سوخت، می باید هوا به میزان مناسب تأمین شود. بدیهی است ورود هوای اضافی منجر به سرد شدن شعله و نهایتاً کاهش راندمان بویلر می گردد. به منظور حصول اطمینان از واکنش مؤثر اکسیژن با مواد قابل اشتعال سوخت، هوای مورد نیاز برای احتراق می بایست در زمان مناسب به سیستم وارد شود. گازهای حاصله نیز می باید در دمای اشتعال و یا دمایی بالاتر باقی بمانند تا زمانی که پروسه احتراق کامل شود. حداکثر راندمان احتراق در زمان حداکثر دمای گاز حاصل می شود. اختلاط گازها و سرعت انبساط آنها جهت احتراق کامل سوخت بسیار مؤثر است.
ب- راندمان انتقال حرارت
راندمان انتقال حرارت نشانگر کارآمد بودن مبدل حرارتی بویلر می باشد که توانایی مبدل بویلر جهت انتقال حرارت از پروسه احتراق به آب یا بخار را مشخص می نماید و برابر با نسبت انرژی منتقل شده به آب یا بخار به انرژی ورودی به بویلر است. از آنجائیکه راندمان انتقال حرارت منحصراً کارآمد بودن مبدل حرارتی بویلر را ارزیابی می نماید، لذا تلفات حرارتی تابشی و کنوکسیونی ناشی از بدنه بویلر و متعلقات مربوطه را درنظر نمی گیرد، از اینرو شاخص صحیحی از راندمان واقعی بویلر نبوده و نمی تواند در ارزیابیهای اقتصادی مورد استناد قرار گیرد. خاطرنشان می سازد جهت دستیابی به راندمان بالا، می باید انتقال حرارت از شعله مشعل و گازهای حاصل از احتراق تا حد امکان به حداکثر برسد. در صورتی که دوده بر سطوح حرارتی بویلر بنشیند و یا رسوب املاح و میکرو ارگانیسمها در آب بویلر ایجاد گردد، پروسه انتقال حرارت و بالطبع راندمان بویلر کاهش می یابد.
ج- راندمان حرارتی واقعی بویلر
راندمان سوخت به بخار یا آب، شاخص اندازهگیری همه جانبه راندمان حرارتی واقعی بویلر بوده که کارآمد بودن مبدل حرارتی بویلر را با احتساب کلیه تلفات حرارتی بویلر در نظر می گیرد. لذا این راندمان میباید در ارزیابی اقتصادی بویلر مورد محاسبه قرار گیرد.
طبق دستورالعمل ASME Power Test Code PTC,4.1 راندمان حرارتی واقعی بویلر بواسطه یکی از دو روش ذیل قابل محاسبه است:
I- روش انرژی ورودی به خروجی: بر مبنای نسبت انرژی خروجی به انرژی ورودی قابل محاسبه است.
II- روش تلفات حرارتی: بر پایه احتساب کلیه تلفات حرارتی بویلر بنا شده است و با احتساب تفاضل مقادیر تلفات دودکش و تابشی و کنوکسیونی از میزان 100% حاصل می شود.