استفاده از اکونومایزر در دیگ های لوله آتشی

مقدمه
هم اکنون در آستانه فاز دوم هدفمندی یارانه ها قرار گرفتیم، لزوم توجه به مصرف بهینه سوخت از اهمیت ویژه ای برخوردار شده است.صنایعی که در مرحله اجرای اول قانون با افزایش قیمت محصولات خود، جبران افزایش هزینه ها را نمودند، در فاز دوم در صورت افزایش مجدد قیمت محصولات ، قابلیت رقابتی خود با محصولات خارجی را از دست خواهند داد.لذا چاره ای جز کاهش هزینه ها باقی نخواهد ماند.

بویلر ها انرژی‌بر ترین تجهیزات صنعتی می‌باشند که کاهش مصرف سوخت در آنها تاثیر بسزایی در قیمت تمام شده محصولات خواهد داشت.یکی از موثرترین راهکارها در کاهش سوخت بویلر، استفاده از اکونومایزر جهت بازیافت حرارت خروجی از دودکش و انتقال آب آن به آب ورودی می باشد.استفاده از اکونومایزر در بویلر های واترتیوب امری معمول است ولی استفاده از این راهکار در دیگ های فایرتیوب در کشور ما چندان معمول نمی‌باشد. همچنین استفاده از اکونومایزر در دیگ های فایرتیوب ملاحظات خاصی دارد که در این مقاله به آن پرداخته شده و از نظر اقتصادی نیز مساله بررسی می‌گردد.

اصول کارکرد

اکونومایزر یا پیش گرمکن آب یک مبدل حرارتی از نوع لوله آبی است که می‌تواند از لوله ساده یا فین دار ساخته شود.اکونومایزر با کاهش دمای دودکش می‌تواند راندمان بویلر را تا ده درصد افزایش دهد. به صورت عمومی کاهش 20 درجه سانتی گراد دمای دودکش معادل یک درصد افزایش راندمان بویلر می‌باشد.

در بویلر های فایر تیوب دمای دودکش بین 180 تا 300 درجه سانتی گراد است که از لحاظ تئوریک می تواند با استفاده از اکونومایزر تا حد دمای شبنم کاهش یابد.دمای شبنم (dew point) دمایی است که در آن بخار آب موجوددر دود، چگالیده شده و تبدیل به قطرات مایع می‌گردد. دمای شبنم بستگی به نوع سوخت دارد.در این دما گاز های دی‌اکسید کربن و دی‌اکسید گوگرد ناشی از احتراق در آب حل شده و تشکیل اسید می‌دهند که باعث خوردگی بسیار سریع خواهد شد. دمای شبنم برای گاز طبیعی 6 درجه سانتی‌گراد و برای گازوئیل 85 درجه سانتی‌گراد است ولی توصیه شده است که طراحی اکونومایزر بر این مبنا صورت پذیرد که دمای دود به زیر 120 درجه سانتی‌گراد کاهش نیابد که دلیل آن حفاظت دودکش در برابر خوردگی می‌باشد.

سیستم کنترل مهمترین نقطه تفاوت در کاربرد اکونومایزر در بویلر های واترتیوب و فایرتیوب است. در بویلر های واتر تیوب، جریان آب و دود به صورت دائمی بوده و در اکونومایزر همواره آب و دود در حا ل انتقال حرارت می باشند در حالی که در بویلر های فایر تیوب مشعل با پرشر سوئیچ یا پرشر ترانسمیتر کنترل شده و بسته به مصرف بخار برای لحظاتی به حداقل شعله می رسد و یا حتی خاموش می گردد. همچنین میزان آب ورود به بویلر نیز با سطح آب داخل بویلر تنظیم شده و در صورت استفاده لول سوئیچ، برای دقایقی ورود آب به بویلر قطع می‌گردد. زمان کارکرد پمپ و مشعل نیز تناسب مستقیمی با هم ندارند بدین معنی که ممکن است سطح آب دیگ کاهش یافته باشد ولی فشار افت نکرده باشد. در این حالت پمپ تغذیه شروع به کار نموده و آب را به بویلر تزریق می نماید در حالی که در اکونومایزر دودی عبور نمی کند و عملا اکونومایزر کار نمی کند.اگر عکس حالت فوق اتفاق بیافتد، یعنی فشار افت کند ولی هنوز سطح آب بویلر بالا باشد، مشعل شروع به کار کرده و آب اکن در لوله های اکونومایزر را تبدیل به بخار می کند، در نتیجه فشار اکونومایزر افزایش یافته و شیر اطمینان عمل می‌کند.

برای حل مشکل فوق، باید آب در لوله های اکونومایزر در زمانی که مشعل مشغول به کار است جریان داشته باشد حتی اگر دیگ آب مصرف نکند.
بدین منظور اگر در سیستم دی‌اریتور نصب شده باشد، از مخزن ذخیره دی‌اریتور استفاده می‌گردد. آب موجود در مخزن ذخیره دی‌اریتورتوسط یک پمپ سیرکوله به دی‌اریتور فرستاده شده و مجددا به مخزن ذخیره بر می گردد. پمپ سیرکوله تنها زمانی روشن می‌شود که مشعل روشن باشد. نقطه ضعف این طرح این است که آب را نمی توان بیش از 100 دجه سانتی‌گراد گرم نمود چون دی‌اریتور ها معمولا اتمسفریک می باشند و اگر آب برگشتی بویلر بیش‌تر از کندانس برگشتی تشکیل شده باشد، قبل از ورود به اکونومایزر دمای بالایی خواهد داشت که عملا کارایی اکونومایزر را به حداقل خواهد رساند.بهترین حالت استفاده از ک مخزن تحت فشارو یا دی‌اریتور تحت فشار است که بتوان آب را تا حداکثر ممکن پیش‌گرم نمود.

جهت اطمینان از عدم تولید بخار در اکونومایزر، مسیر دود باید مجهز به دمپر و مدار کنارگذر باشد به نحوی که چنانچه آب در خروجی اکونومایزر به دمای اشباع نزدیک گردد، دمپر مسیر بای پاس باز شده و دود از تماس با لوله های اکونومایزر خارج گردد.
برای طراحی سطح حرارتی اکونومایزر باید به نکات مهمی توجه نمود. نکته اول بار(load)  بویلر می‌باشد. همانگونه که می دانیم هنگامی که بویلر با 50 درصد بار نامی خود کار می کند، دبی دود نیز نصف می گردد ولی در عین حال دمای دود نیز کاهش می‌یابد. به همین دلیل سطح حرارتی مورد نیاز در 50 درصد بار بیش‌تر از 100 درصد بار خواهد بود. نکته دوم اتفاده از لوله های فین‌دار می‌باشد. تعداد هفت فین در اینچ برای سوخت گاز و پنج فین در اینچ برای سوخت گازوئیل و بدون فین برای مازوت توصیه می‌گردد.نکته سوم توجه به افت فشار مجاز دود بر حسب فن مشعل می باشد. بدین معنی که افت فشار ایجاد شده توسط اکونومایزر نباید بگونه ای باشد که فن مشعل توان فائق آمدن بر آن را نداشته باشد و اصطلاحا مشعل خفه کند.

میزان بازیافت حرارت از دود بویلر به عوامل از جمله طراح دیگ و دمای دود خروجی، میزان هوای اضافی، دمای آب برگشتی، نوع سوخت و نیز نحوه کنترل اکونومایزر بستگی دارد. به صورت کل می‌توان انتظار داشت که افزایش راندمان بویلر پس از اکونومایزر از رابطه زیر محاسبه گردد:

+=0.06T-8.5
که در آن T دمای دودکش قبل از نصب اکونومایزر بر حسب درجه سانتیگراد می‌باشد.
برای محاسبه سطح انتقال حرارت از فرمول زیر استفاده می‌شود:
Q=U.A.〖T〗_m
Q=m CP(T-120)
〖T〗_m=((T_(1-t_2 ) )-(T_(2-t_1 )))/(ln(T_(1-t_2 ) )/(T_(2-t_1 ))⁡)
که در آن U ضریب کلی انتقال حرارت برابر با 175 W/m^2 C، CP حرارت ویژه دود برابر با 1.16KJ/KgC، وm دبی دود معادل با 1.15 برابر دبی بخار می باشد.

مثال:مطلوب است محاسبه اکونومایزر برای بویلر با ظرفیت 7 تن در ساعت و دمای دودکش 250 درجه سانتیگراد و دمای آب ورودی 60 درجه سانتی گراد.
دبی دود بویلر برابر خواهد بود با:
1.15×7000=8050 kg/hr
حرارت جذب شده زا دود بخار برابر خواهد بود با:
Q=m CP(T-120)=(8050×1.16×(250-120))/3600=337KW=289Kcal/hr
دمای آب خروجی برابر است با:
Q=m CP_w (t_(2-t_1 ) )t_2=101
اختلاف دمای لگاریتمی برابر است با:
        〖T〗_m=((T_(1-t_2 ) )-(T_(2-t_1 )))/(ln(T_(1-t_2 ) )/(T_(2-t_1 ))⁡)=((250-101)-(120-60))/(ln⁡(250-101)/(120-60))=98.8
سطح حرارتی برابر است با:
A=Q/(U〖T〗_m )=33700/(175×98.8)=19.5 m^2
میزان افزایش راندمان برابر 6.5 درصد و کاهش مصرف سوخت گاز 33 متر مکعب در ساعت و گازوئیل 31 لیتر در ساعت خواهد بود.

به طور کلی در علم اقتصاد هر گونه سرمایه گذاری که بازگشت سرمایه آن کمتر از 6 ماه باشد، به عنوان بسیار جذاب ، بازگشت سرمایه کمتر از 18 ماه به عنوان جذاب و بیش از دو سال نیازمند بررسی شناخته می‌شود با این تعریف می‌توان گفت بازگشت سرمایه برای بویلر های گاز سوز بالای 7 تن کمتر از 18 ماه و برای بویلرهای گازوئیل سوز کمتر از 6 ماه است پس بنابر این جز سرمایه گذاری جذاب و بسیار جذاب محسوب می‌شوندو استفاده اکونومایزر برای آنها توصیه می‌گردد.