اکونومایزر Economizer به معنی بازیافت کننده انرژی؛ سیستمی که برای استفاده از حرارت یا سرمای هدر رفته در یک فرآیند برای پیش گرم کردن یا پیش سرد کردن یک سیال دیگر مانند آب، هوا یا مبرد کاربرد دارد و هدف آن کاهش مصرف سوخت یا برق و افزایش راندمان کلی سیستم است. با توجه به تعریف ارائه شده، اکونومایزر یکی از اجزای مهم و کلیدی در سیستمهای حرارتی و برودتی است که با یک هدف مشخص در سیستم به کار گرفته میشود.
درواقع این دستگاه بازیافت کننده انرژی با استفاده از سرما یا گرمای هدر رفته در فرآیندهای مختلف به پیش گرمایش یا پیش سرد کردن سیالات دیگر کمک میکند و در نهایت زمینه صرفهجویی قابل توجهی در مصرف انرژی و سوخت را فراهم میکند. همین ویژگی باعث شده که امروزه استفاده از اکونومایزر در صنایع مختلف به یک ضرورت تبدیل شود، چراکه کاهش مصرف انرژی مستقیما به کاهش هزینههای عملیاتی منجر میشود.
اکونورمایزرها انواع مختلفی دارند که هرنوع آن، متناسب با نوع سیستم و نیاز آن طراحی میشود. برای درک راحتتر، اکونومایزر دیگ بخار از حرارت گارهای داغ خروجی برای گرم کردن آب تغذیه استفاده میکند، در حالیکه اکونومایزر چیلر یا اکونومایزر در سیکل تبرید با بهبود شرایط مبرد، راندمان سیستم سرمایشی را افزایش میدهد. از طرف دیگر، اکونومایزر هوایی و اکونومایزر در هوارسانها در سیستمهای تهویه مطبوع مورد استفاده قرار میگیرند تا در فصول خنک، از هوای تازه و سرد بیرون برای سرمایش طبیعی استفاده شود و نیاز به چیلر کاهش پیدا کند.
همچنین در نیروگاهها، کورهها و کمپرسورها نیز مدلهای مخصوصی از اکونومایزرها به کار میروند که هرکدام به نحوی وظیفه بهینهسازی مصرف انرژی در بخش خاصی از فرآیند را بر عهده دارند.
با توجه به تنوع گسترده این تجهیزات، خرید اکونومایزر باید با بررسی دقیق نوع کاربرد، ظرفیت سیستم گرمایشی یا سرمایشی، نوع سیال و شرایط کاری که حاکم است، انجام شود؛ زیرا انتخاب نادرست این تجهیز میتواند علاوه بر افزایش هزینهها عملکرد کلی سیستم را هم مختل کند. از این رو، قبل از تصمیمگیری بابت قیمت اکونومایزر یا سفارش ساخت آن، لازم است شناخت درستی از ساختار و وظیفه هر نوع اکونومایزر داشت. از آنجایی که بررسی تمام انواع اکونومایزرها به زمان زیادی نیاز دارد،
ما در این مطلب به صورت تخصصی اکونومایزر در بویلر را از زوایای مختلف از جمله کاربرد، نحوه عملکرد و قیمت و مشخصات فنی بررسی کردهایم.
فهرست مطالب این صفحه:
اکونومایزر بویلر چیست؟
همانطور که گفتیم اکونومایزرها انواع مختلفی دارند و ما قصد داریم بررسی تخصصی آن را در دیگهای بخار داریم. اکونومایزر در بویلر از مهمترین بخشهای سیستم تولید بخار است که درواقع به منظور کاهش مصرف و افزایش راندمان طراحی میشود. فرق اساسی که اکونومایزر دیگ بخار دارد این است که این تجهیز یک وسیله پیش گرمایش است که در مسیر خروجی گازهای داغ دودکش و قبل از خروج آنها در بویلر نصب میشود تا از حرارت نهفته در گازهای احتراق برای پیش گرم کردن آب تغذیه یا فیدواتر استفاده کند. دراصل عملکرد اکونومایزر دیگ بخار بر پایه بازیافت انرژی حرارتی تلف شده است.
وقتی که گازهای داغ از سطح انتقال حرارت بویلر عبور میکنند، هنوز دمای بالایی دارند و بین 200 تا 300 درجه هستند. در صورتی که از اکونومایزر بویلر استفاده نشود، حرارت حاصل از فرآیند به طور مستقیم از طریق دودکش به محیط بیرون دفع میشود و هدر میرود. اما با عبور آب تغذیه از داخل لولههای اکونومایزر این انرژی بازیافت شده و دمای آب قبل از ورود به درام یا محفظه دیگ بخار تا حد چشمگیری افزایش پیدا میکند. از دید کارشناسی، اکونومایزرها به شکل لوله فیندار ساخته میشوند تا بدین طریق سطح انتقال حرارت و کارایی گرمایش در آنها بالا برود.
در سیستمهای بزرگ صنعتی، حتی از اکونومایزرهای چندمرحلهای برای دستیابی به بالاترین بازده استفاده میشود. نتیجه این فرآیند حرفهای این است که راندمان بویلرها 5 الی 10 درصد بالا رفته و مصرف سوخت فسیلی نیز در آنها کاهش مییابد. از طرفی، دمای گاز خروجی نیز کاهش پیدا میکند که مستقیما منجر به صرفهجویی اقتصادی و البته کاهش سطح آلایندههای زیست محیطی میشود. به عبارتی، اکونومایزر دیگ بخار نه تنها بخشی از تجهیزات جانبی بویلر نیست، بلکه قلب سیستم بهینهسازی حرارتی محسوب میشود و نقش تعیین کنندهای در کارایی و طول عمر کل مجموعه دارد.
وظیفه اکونومایزر در دیگ بخار
خرید اکونومایزر دیگ بخار در سیستمهای گرمایشی با هدف مشخصی انجام میشود. اما اگر بخواهیم ریز شویم باید بگوییم که وظیفه اکونومایزر در بویلرها استفاده از حرارت گازهای داغ خروجی دودکش برای پیش گرمایش آب تغذیه است. این کار باعث میشود انرژی حرارتی که در حالت عادی هدر میرود، دوباره به چرخه برگردد. در نتیجه، بویلر برای رساندن آب به دمای تبخیر، سوخت کمتری مصرف میکند و راندمان کلی سیستم افزایش مییابد.
به بیان دیگر، اکونومایزر بویلر یک مبدل حرارتی بازیافتی است که دمای آب را قبل از ورود به درام بالا میبرد تا فرآیند تولید بخار سریعتر و با مصرف انرژی کمتر انجام شود. استفاده از اکونومایزر در بویلرها نه تنها به صرفهجویی سوخت منجر میشود، بلکه باعث کاهش دمای گازهای خروجی، کاهش تنش حرارتی بر اجزای دیگ و در نهایت افزایش طول عمر تجهیزات حرارتی نیز میگردد.
کاربرد اکونومایزر در بویلر:
- پیش گرمایش آب تغذیه دیگ بخار
- افزایش راندمان حرارتی سیستم
- کاهش مصرف سوخت و هزینههای مربوط به انرژی
- کاهش دمای گازهای خروجی دودکش
- جلوگیری از شوک حرارتی به دیگ بخار و تجهیزات
- کاهش آلایندههای حاصل از احتراق
- افزایش طول عمر اجزای بویلر
طراحی و ساختار اکونومایزر دیگ بخار چگونه است؟
طبیعتا یکی از مهمترین بخشهای تولید این تجهیزات صنعتی که در سیستمهای گرمایشی به کار میروند، طراحی اکونومایزر بویلر است که با بتواند در سیستمهای مختلف با فشار کاری که دارند، وظیفه خود را به درستی انجام دهد. معمولا ساختار اکونومایزر دیگ بخار طوری طراحی میشود که بتواند حداکثر میزان حرارت قابل بازیافت از گازهای خروجی دودکش را به آب تغذیه تبدیل کند.
از دیدگاه فنی، اکونومایزر یک مبدل حرارتی غیرمستقیم است که به طور معمول در مسیر بین بخش سوپر هیتر و دودکش قرار میگیرد. سیال گرمکننده، گاز داغ حاصل از احتراق است و سیال گرمشونده، آب تغذیه بویلر میباشد. در ادامه برای آشنایی بیشتر با ساختار اکونومایزرهای کاربردی در سیستم گرمایشی اجزای اصلی این تجهیزات را بررسی کردهایم.
این مطلب هم مطالعه کنید : دیگ چگالشی
- لولههای اکونومایزر
لولهها درواقع مسیر عبور آب هستند و از فولاد آلیاژی مقاوم به حرارت و خوردگی ساخته میشوند. سطح داخلی لولههای اکونومایزر دیگ بخار برای عبور جریان آشفته طراحی میشود تا انتقال حرارت افزایش پیدا کند. لولههایی در طراحی و ساخت اکونومایزر مورد استفاده قرار میگیرند پرهدار یا فین دار هستند که قبلتر هم به آن اشاره کردیم. این نوع لولهها مزیتی که دارند، کاهش ابعاد اکونومایزر و افزایش سطح حرارتی است.
- فینها
روی سطح بیرونی لولهها جوش داده میشوند تا سطح تماس با گازهای داغ افزایش یابد و بازده حرارتی بالا برود. فینها در اکونومایزر دیگ بخار با هدف افزایش سطح موثر انتقال حرارت طراحی و به کار گرفته میشوند. از آنجا که گازهای داغ خروجی دارای ضریب انتقال حرارت پایینی هستند، انتقال انرژی از گاز به سطح لوله به صورت طبیعی چندان کارآمد نیست. برای جبران این ضعف، فینها روی سطح خارجی لولهها جوش داده میشوند تا سطح تماس بین گاز داغ و فلز لوله چند برابر شود.
به این ترتیب، حرارت بیشتری از گازهای خروجی به آب داخل لوله بدون اینکه نیاز به افزایش طول یا تعداد لولهها باشد، منتقل میشود. استفاده از فین همچنین باعث کاهش حجم و وزن کلی اکونومایزر، بهبود توزیع حرارت و افزایش راندمان حرارتی تا چندین درصد میگردد. در طراحی صنعتی، فینها معمولا از فولاد کربنی یا آلیاژی مقاوم در برابر حرارت ساخته میشوند و بسته به نوع جریان، به شکل مارپیچی، مستقیم یا پلهای نصب میشوند تا حداکثر بازده انتقال حرارت حاصل شود.
- کلکتورها
کلکتورها نیز از اجزای مهم اکونومایزر در بویلر هستند و ورودی و خروجی آب در دو سمت دستگاه را تشکیل میدهند. کلکتور در اصل وظیفه توزیع یکنواخت جریان در لولهها را برعهده دارد.
- پوسته یا قاب نگهدارنده
ساختار مکانیکی اکونومایزر را در مقابل فشار گازها و ارتعاشات پایدار نگه میدارد. درواقع پوسته بخش سازهای اکونومایزر است که تمام مجموعه شامل لولهها، فینها و کلکتورها را در خود نگه میدارد و از آنها در برابر فشار گازهای داغ، لرزش و تغییرات حرارتی محافظت میکند. پوسته یا کیس نگهدارنده از فولاد مقاوم در برابر حرارت و خوردگی ساخته میشود و به صورت کاملا آببندی شده طراحی میگردد تا از نشت گازها جلوگیری شود.
طراحی قاب باید طوری باشد که ضمن تحمل وزن مجموعه و فشار کاری، انبساط حرارتی لولهها را نیز بدون ایجاد تنش مکانیکی جبران کند. همچنین در نقاط دسترسی پوسته، دریچههای بازرسی و تمیزکاری برای سرویسهای دورهای تعبیه شود.
- بافلها
یکی دیگر از اجزای اکونومایزر دیگ بخار بافلها هستند، این قطعه، صفحات یا تیغههاییاند که در مسیر عبور گازها در اکونومایزر نصب میشوند تا جهت و الگوی جریان گاز را کنترل کنند. وظیفه اصلی بافلها این است که گازها را وادار کنند تا به صورت یکنواخت از میان لولههای فیندار رد شوند نه اینکه مستقیم سریع از یک مسیر کوتاه خارج شوند. این طراحی باعث میشود زمان تماس گاز با سطح لوله افزایش یافته و انتقال حرارت به شکل موثرتری انجام شود. علاوه بر بهبود راندمان حرارتی، بافلها مانع از ایجاد نواحی سرد یا راکد در جریان میشوند و از سایش موضعی ناشی از حرکت نامنظم گازها نیز جلوگیری میکنند.
- سیستم تخلیه و هواگیری
این سیستم نیز به طور خلاصه برای جلوگیری از تجمع بخار یا هوا داخل مدار آب طراحی شده تا راندمان انتقال حرارت را کاهش پیدا نکند. سیستم تخلیه و هواگیری وظیفه خارج کردن هوای محبوس شده و بخارهای ناخواسته از مدار آب در مواقع راهاندازی، کارکردن یا توقف بویلر را برعهده دارد.
وجود هوا یا بخار داخل لولهها میتواند باعث ایجاد نقاط خشک، کاهش سطح تماس آب با دیواره داخلی لوله شود که افت راندمان را به نبال دارد. این سیستم شامل شیرهای هواگیری در نقاط بالایی و شیرهای تخلیه در نقاط پایینی اکونومایزر بویلر است تا جریان سیال کاملا پیوسته و یکنواخت باقی بماند. عملکرد صحیح آن از خوردگی، شوک حرارتی و آسیب به لولهها جلوگیری میکند.
در طراحی اکونومایزر دیگ بخار و بویلر، عواملی مثل دبی گازهای خروجی، دمای ورودی و خروجی سیالات، فشار کاری، جنس متریال، و مقاومت در برابر خوردگی اسیدی باید دقیق محاسبه شوند. چیدمان لولهها عمدتا به صورت پشت سرهم افقی یا مارپیچی عمودی انجام میشود تا افت فشار گاز کم و انتقال حرارت موثر باشد. عملکرد مناسب اکونومایزر باعث افزایش راندمان بویلر تا حدود 8 درصد و کاهش محسوس مصرف سوخت میشود؛ به همین دلیل، طراحی مهندسی دقیق آن نقش تعیین کنندهای در بهرهوری کل سیستم دارد.
انواع اکونومایزرها بر اساس فرآیند چگالش در بویلر
اکونومایزرها انواع مختلفی دارند که از نظر شکل ظاهر، بر اساس ساختار، نحوه گردش سیال، جنس متریال و شرایط کاری بویلر تقسیم بندی میشوند. در این بخش اما قصد داریم انواع این دستگاهها را بر اساس رفتار حرارتی و نحوه برخورد با بخار آب موجود در گازهای خروجی بررسی کنیم که اصطلاح رایج آن اکونومایزر چگالشی/غیرچگالشی است.
اکونومایزر چگالشی
اکونومایزر چگالشی دیگ بخار یکی از پیشرفتهترین انواع اکونومایزرهاست که با هدف بازیافت حداکثری انرژی از گازهای خروجی اگزوز طراحی میشود. در این نوع، دمای گازهای داغ تا زیر نقطه شبنم Dew Point کاهش پیدا میکند و بخار آب موجود در محصولات احتراق به مایع تبدیل میشود.
در نتیجه، علاوه بر گرمای محسوس گازها، گرمای نهان تبخیر بخار آب نیز بازیافت میشود. همین موضوع باعث میشود راندمان حرارتی دیگ بخار به میزان قابلتوجهی افزایش یابد و مصرف سوخت تا حدود 10% کاهش پیدا کند. از نظر کاربرد اگر بخواهیم بگوییم، اکونومایزر چگالشی بیشتر در بویلرهای گازسوز، نیروگاههای بخار با سیستم بازیافت انرژی، و صنایعی که دمای گازهای خروجی پایینتر از 130 درجه سانتیگراد است استفاده میشود.
به دلیل چگالش بخار و تشکیل اسیدهای خورنده (مثل اسید سولفوریک و نیتریک)، استفاده از جنسهای مقاوم به خوردگی در این نوع اکونومایزر بویلر الزامی است. به همین خاطر هم عمدتا از استنلس استیل، آلیاژهای نیکل یا تیتانیوم در ساخت آن استفاده میشود تا دوام بالا و عملکرد پایدار در شرایط اسیدی تضمین شود.
این مطلب برا شماست : تجهیزات دیگ بخار
ویژگیها:
- جنس لولههای اکونومایزر چگالشی باید استیل ضدزنگ یا آلیاژ مقاوم به اسید باشد.
- راندمان حرارتی میتواند تا 10 الی 12% بالاتر از حالت غیرچگالشی برسد.
- نیاز به سیستم تخلیه کندانس اسیدی و کنترل خوردگی دارد.
- برای بویلرهای گازسوز با دمای پایین گاز خروجی مناسب است.
اکونومایزر غیرچگالشی
اکونومایزر غیرچگالشی دیگ بخار نوعی مبدل حرارتی است که وظیفه دارد از گرمای محسوس گازهای خروجی برای پیش گرمایش آب تغذیه استفاده کند، بدون آنکه بخار آب موجود در دود گاز به مایع تبدیل شود. در این سیستم، دمای گاز خروجی بالاتر از نقطه شبنم باقی میماند، بنابراین هیچ چگالشی رخ نمیدهد و خطر خوردگی اسیدی وجود ندارد. به همین دلیل، جنس لولهها معمولا از فولاد کربنی یا فولاد آلیاژی مقاوم به حرارت انتخاب میشود.
اکونومایزر غیرچگالشی بیشتر در بویلرهای صنعتی و سیستمهایی استفاده میشود که دمای دود بالا و کیفیت سوخت متغیر دارند. این نوع با ساختار سادهتر، نگهداری آسانتر و عمر کاری طولانیتر شناخته میشود. هنگام خرید اکونومایزر دیگ بخار از نوع غیرچگالشی، باید ظرفیت حرارتی بویلر، دمای گاز خروجی و شرایط آب تغذیه به دقت بررسی شود تا بیشترین راندمان و ایمنی عملکرد تضمین گردد.
ویژگیها:
- جنس لولهها فولاد کربنی یا آلیاژی مقاوم به حرارت است.
- در محدودهی دمایی 120 تا 150 درجه سانتیگراد کار میکند.
- راندمان حرارتی حدود 5 تا 8% افزایش مییابد.
- در بویلرهای بخار متعارف و صنایع سوخت گازی یا گازوئیلی معمولی کاربردی است.
جنس اکونومایزرهای دیگ بخار
بر چه اساسی باید جنس اکونومایزر دیگ بخار را انتخاب کرد؟ دلیل انتخاب جنسهای مختلف در اکونومایزر بویلر چیست؟ اکونومایزر یک مبدل حرارتیست که بین خروجی دود و در ورودی آب دیگ بخار نصب میشود و خرید اکونومایزر دیگ بخار میتواند افزایش راندمان در عین کاهش هزینههای ناشی از کم شدن مصرف سوخت را به دنبال داشته باشد. این موضوع را چند بار تا اینجای مطلب خواندهاید اما نکته مهم اینجاست که جنس لولهها و پوسته اکونومایزر هم باید قادر باشد دما، فشار و خاصیت خورندگی گازها را تحمل کند. در بیشتر دیگهای بخار صنعتی، اکونومایزرها از فولاد کربنی ساخته میشوند. چون این جنس مقاومت حرارتی بالا، قیمت مناسب و استحکام کافی برای فشارهای بالا را دارد.
درواقع فولاد کربنی برای آب داغ و بخار معمولی بهترین گزینه اقتصادی است. اگر بخار یا دود اسیدی تر باشد، مثلا در دیگهایی که سوخت مازوت یا گازوئیل سنگین استفاده میشود، بهتر است از فولاد آلیاژی مقاوم به حرارت و خوردگی مثل SA-213 T11 یا T22 استفاده شود. این آلیاژها عمر دستگاه را چند برابر میکنند و جلوی سوراخ شدن یا نشت زودهنگام آن را نیز میگیرند.
در صنایع غذایی یا دارویی که خلوص بخار اهمیت دارد، از استنلس استیل استفاده میشود. این فلز خاصیت ضدزنگ دارد و هیچ آلودگی را وارد آب نمیکند. البته ناگفته نماند که قیمت اکونومایزر استیل از نوع فولادی بیشتر است و دوام بالای آن هزینه اولیه زیادی که برای نصب وراهاندازی میشود را جبران میکند. به بیان ساده، انتخاب جنس اکونومایزر بستگی به نوع سوخت، دمای دود خروجی و کیفیت آب تغذیه دیگ دارد. اما اگر بخواهید یک تصمیم اقتصادی و فنی بگیرید، فولاد کربنی گزینهای است که 80% پروژهها انتخابش میکنند که دلیل آن تعادلی است که اکونومایزر فولادی بین قیمت، دوام و راندمان حرارتی دارد.
خرید اکونومایزر مخصوص دیگ بخار
خرید اکونومایزر بویلر یا دیگ بخار بدون اطلاعات کافی چالش برانگیز است و ممکن است نتیجهای که انتظار میرود از آن حاصل نشود. زمانی که برای خرید اکونومایزر مخصوص بویلر اقدام میشود، انتخاب دقیق و مهندسی شده اهمیت بسیاری دارد، زیرا طراحی نادرست یا انتخاب غیرمتناسب میتواند نه تنها بازده سیستم را کاهش بدهد بلکه باعث آسیب دیدن بویلر نیز میشود. اولین نکته، تناسب ظرفیت حرارتی اکونومایزر با ظرفیت بخاردهی دیگ است؛ اکونومایزر باید قادر باشد آب تغذیه را تا حد امکان پیش گرم کند، بدون اینکه باعث افت فشار یا تاخیر در تولید بخار شود.
دوم اینکه، باید به جنس متریال لولهها و فینها توجه کرد. برای بویلرهای گازسوز، استنلس استیل یا آلیاژهای مقاوم به خوردگی توصیه میشود، در حالیکه برای سوختهای جامد یا مایع میتوان از فولاد کربنی استفاده کرد.
نکته سوم، دمای گازهای خروجی و نقطه شبنم دود است؛ انتخاب بین اکونومایزر چگالشی و غیرچگالشی باید بر اساس همین پارامتر انجام گیرد تا از چگالش ناخواسته و خوردگی جلوگیری شود.
چهارم، طراحی مسیر گاز و وجود سیستم هواگیری و تخلیه موثر بسیار مهم است تا از تجمع بخار یا هوا در مدار جلوگیری شود. هنگام خرید باید به سهولت سرویس پذیری، راندمان حرارتی واقعی، استانداردهای ساخت و گارانتی معتبر سازنده نیز توجه کرد تا طول عمر و عملکرد پایدار دستگاه تضمین شود.
قیمت اکونومایزر دیگ بخار
قیمت اکونومایزر بویلر به عوامل مختلفی بستگی دارد که مستقیما بر هزینه نهایی ساخت و بهرهبرداری آن اثر میگذارند. نخستین عامل، ظرفیت حرارتی و ابعاد دستگاه است؛ هرچه سطح انتقال حرارت، تعداد لولهها و حجم آبگیری بیشتر باشد، هزینه ساخت نیز بالاست. عامل دوم، جنس متریال مورد استفاده است. اکونومایزرهای ساخته شده از فولاد کربنی قیمت پایینتری دارند، در حالیکه مدلهای استیل یا تیتانیومی چون مقاومت بالایی در برابر خوردگی و دمای بالا دارند، گرانتر هستند.
نوع طراحی نیز در تعیین قیمت موثر است؛ اکونومایزرهای فیندار یا اسپیرال فین به دلیل راندمان بالاتر، قیمت بیشتری نسبت به مدلهای ساده دارند. به جز این موارد تجهیزات جانبی مثل سیستم هواگیری، درین کندانس، عایق حرارتی، بافلها و اتصالات فلنجی هم در تعیین قیمت موثرند. از منظر عملیاتی، قیمت اکونومایزر باید در ارتباط مستقیم با صرفهجویی انرژی و بازگشت سرمایه بررسی شود. یک اکونومایزر با طراحی مهندسی دقیق میتواند ظرف چند ماه هزینه اولیه خود را از طریق کاهش مصرف سوخت جبران کند.
بنابراین، هنگام ارزیابی قیمت، باید به راندمان، دوام و خدمات پس از فروش سازنده بیش از عدد خام قیمت توجه کرد؛ چون انتخاب اشتباه در این مرحله بر عملکرد کلی دیگ بخار و هزینههای بلندمدت اثر مستقیمی میگذارد.
