تاریخچه دیگ بخار

امروزه از دیگ های بخار در صنایع غذایی ،سیستمهای گرمایشی و نیروگاهها  استفاده میگردد و آنچه مشخص میباشد این است که استفاده از دیگ های بخار از اوایل قرن هجدهم میلادی با پیدایش ماشین های بخار در صنعت رایج گردیده است دیگ های بخار اولیه از ظرف سر بسته ای از ورقهای آهنی که بر روی هم برگردانده شده و پرچ شده بودند در اشکال کروی ساده تا انواعی پیچیده تر نظیر دیگ های واگن وات که شبیه والگن سر پوشیده ای بود ساخته می شدند .

این ظروف بر روی دیواره ای از آجر بر روی آتش قرار داشتند و برای رساندن حرارت به نقاطی از ظرف که مقابل آتش نبودن از کانال های آجری استفاده می شد این دیگ ها را بیرون سوز می نامند  و بزرگترین اشکال آنها ایجاد رسوب و لجن در پایین ترین نقطه  یعنی بالای سطح داغ آتش بود که سبب جلوگیری تماس فلز و آب می شد که نتیجه آن بالا رفتن درجه حرارت فلز( حدود 500 درجه سلسیوس) و تغییر شکل و در نهایت سوختن آن بود و هر چند فشار کاری دیگ های بخار آنزمان در حدود فشار اتمسفر بود ولیکن این مشکل با عث خراب شدن و یا مواردی ترکیدن دیگ بخار می شد .
 
 

با افزایش تقاضا برای تولید دیگ های با فشار بالا تر ، ساخت دیگ هایی که درون سوز بودند آغاز شد که از استوانه های فلزی ساخته می شدند و کوره نیز به شکل استوانه در  درون مخزن استوانه ای قرار میگرفت و محصولات احتراق که در آن زمان بیشتر به صورت جامد (زغال سنگ) بودند از روی صفحه ای مشبک به درون کوره انتقال می یافتند و درون کوره  می سوختند .

در این دیگ های بخار اولیه برای بهره برداری از دمای گازهای خروجی دودکش ، از طریق انتقال آنها از  کوره به کانالهای تعبیه شده در زیر مخزن استوانه ای و در نهایت هدایت به سمت دودکش خروجی دیگبخار اقدام به بالا بردن راندمان می نمودند ولیکن با توجه به اینکه فلز مخزن زیر کوره که به دلیل جمع شدن گل ولای حاصل از آب و کاهش تماس آن با آب مخزن دیگ بخار دارای دمای بیشتری می شد ، همان مشکل تغییر خاصیت فلز تاحدودی وجود داشت هرچند دمای گازهای کانال خیلی کمتر از قبل بود.در ادامه فرآیند پیشرفت تولید دیگ های بخار صنعتی ، دیگ های معروف به لوله آتشی عقب خشک (FireTube &DryBack) طراحی و ساخته شدند که دراین دیگ ها با قراردادن لوله های متعدد داخل مخزن دیگ بخار، گازهای داغ انتهای کوره را از داخل آنها عبور داده و در نهایت از قسمت دودکش دیگ بخار خارج می شدند  ولی از مشکلات این دیگ ها وجود سطح عایقکاری شده در انتهای کوره  بود که علاوه براتلاف انرژی حرارتی ، حین کار و یا انتقال در اثر لرزش و ضربه های  ایجاد شده در کوره باعث صدمه دیدن عایق کاری و در نتیجه سوختن فلز انتهای کوره میگردید که این مشکل در نسل بعدی دیگ های بخار صنعتی با قرار دادن انتهای کوره در داخل آب تا حدود زیادی مرتفع گردید و سطح حرارتی دیگ افزایش یافت در این طرح که به نام طرح لوله آتشی وعقب تر(FierTube & WetBack) معروف میباشد به طور معمول بسته به ظرفیت دیگ بخار از لحاظ انرژی حرارتی ورودی ، به دو صورت : دوپاس و سه پاس  ، طراحی و ساخته میشوند راندمان حرارتی در دیگ های جدید با اعمال سطح حرارتی قابل قبول وعایق کاری مناسب به حدود 85% قابل دستیابی میباشد.
گامی هرچند کوتاه به دنبال دیگ بخار کورنیش تک کوره ای برداشته شد و و آن دیگ بخار بزرگتر دو کوره ای لانکاشیر بود که تحت امتیاز FAIRBAIRN و HETHERINGTON در سال 1844 به ثبت رسید که تا اوایل دهه 1950 میدان دار دیگ های صنعتی بود. احتمالا بیش از هزار عدد از این دیگ بخار هنوز در انگلستان کار می کنند، گرچه امروزه آنها را با نوع پرصرفه تر و چند لوله ای به نام " ECONOMICS" جایگزین می نمایند.
باید در نظر داشت که هر چه سطوح در معرض حرارت دیگ بخار زیادتر باشد مقدار حرارت جذب شده از مصرف مقدار معینی سوخت، یعنی بازده بازیافت حرارتی، بیشتر خواهد بود. برای این منظور تعداد بیشماری لوله های باریک که از آن ها گازهای گرم جریان دارد و در داخل اب قرار دارند عامل ازدیاد سطوح گرم هستند، و در عین حال نیازی به کانال گازهای گرم در پایین دیگ بخار و دو طرف آن نخواهد بود. این نوع دیگ ها یکپارچه می باشند. هر چه لوله ها بلندتر و باریکتر باشند، سطوح انتقال حرارت کارایی بیشتری خواهند داشت. این دیگ های چند لوله ای برای ظرفیت معینی، کم حجم تر از نمونه های پیشین خود هستند و نیازی به آجرکاری ندارند. این دیگ ها در کشتیها و لکوموتیوها که فضا نقش تعیین کننده دارد، کاربرد زیادی دارند.
 
تعدادی از دیگهای اولیه کشتیها جهت استفاده بیشتر از فضا، دارای سطح مقطع چهار گوش بودند که بر اثر پارگی گوشه ها، منجر به انفجارات شدید این دیگها گردید.
 
ظروف تحت فشار داخلی، تمایل دارند که به حالت کروی درایند و بنابراین مکانهای غیر کروی ظروف، تحت تنش شدید قرار دارند. نزدیکترین شکل عملی و ممکن دیگ های بخار، به خصوص اگر انتهای دیگ ها گنبدی شکل باشد، استوانه است. طرحی از دیگ استوانه ای در اوایل سالهای 1800 به ثبت رسید که هدف آن تحمل فشار 200 bar بود. در این طرح پیشنهاد شده بود که چنین استوانه ای باید از جنس مس و با ضخامت 46 mm ساخته شود، ولی سابقه ای از ساخت این نوع دیگ در دست نیست . همچنین قرار بود این دیگ برون سوز باشد که به نوبه خود موجب مشکلاتی می گردید، ولی شکل کروی دیگ، برون سوز بودن دیگ را توجیه نمی کند. امروزه نیز با داشتن آلیاژهای فولادی مختلف، در سطح جهانی از ساخت دیگهای لوله- آتشی با ضخامت بیش از 22mm که در معرض آتش یا گازهای داغ باشد، خودداری می شود . این امر به منظور جلوگیری از تنشهای حرارتی فوق العاده در فلز می باشد.

سرانجام همه دیگ های کشتیها را استوانه ای ساختند ولی به علت محدودیت وزن و اندازه، از آجر کاری و ساخت کانالهای جانبی خودداری گردید و از دیگهای چند لوله ای و کوره های درون سوز- تا چهار کوره – استفاده شد. گازهای داغ کوره ها وارد محفظه های جداگانه ای با دیواره های لوله – ابی در عقب کوره می گردید و از آنجا با یک چرخش 180 º وارد یک سری لوله های با قطر حدود 75 mm می شد. بعد از عبور از داخل این لوله ها، گازها وارد دودکش قیفی شکل می شدند . این دیگهای بخار را دیگ های بخار دوکاناله می نامیدند.
 
بعادها، دیگ های سه کاناله ساخته شد که در آن، گازها از طریق یک سری لوله های دیگر به قسمت عقب کوره برمی گشت. این دیگ ها را دیگ های اسکاچ دریایی می نامیدند که از سالهای 1850 تا پیدایش موتورهای دیزل و جایگزینی آنها کاربرد داشتند.
 
به تدریج دیگ های اسکاچ را در خشکی به کار بردند و چون محدودیت جا نبود از آجر کاری نیز استفاده شد و آنها را بلند تر ساختند. این دیگ ها را در انگلستان به نام اقتصادی و در آمریکا هنوز به نام اسکاچ می شناسند.
 
این دیگ ها به علت ارزانتر، با صرفه تر و کوچکتر بودن از دیگهای لانکاشیر تا اوایل سالهای 1930 با آن به رقابت پرداختند . دیگ های اسکاچ فوق ابتدا داری قسمتهای عقبی عایق کاری شده بودند، ولی بعدها این دیواره ها را با دیواره های لوله – آبی پوشاندند .
 
دیگ های سه کاناله اقتصادی دارای مشکل عمده ناشی از استفاده صفحه لوله مشترکی جهت کانل دوم و سوم بودند. گازهای ورودی به کانال دوم داری دمای 1000 º c بود که پس از خروج از کانال سوم تا 250 º c تقلیل می یافت. بنابراین، صفحه لوله در معرض دو اختلاف دمای شدید قرار داشت که باعث تنش و در نهایت نشتی انتهای لوله ها می شد.
در 1935 شرکت لینکلن در Ruston و Hornsby ساخت دیگ سه معبره جدیدی را بر اساس دیگ های سه کاناله دریایی اسکاچ به ثبت رساند. طرح جدید مشکل صفحه لوله های مشترک را که تحت دو اختلاف دمای زیاد قرار داشتند از طریق ایجاد صفحه لوله جداگانه برای هر یک از کانالها، برطرف ساخت . دیواره های محفظه عقبی کوره با دیواره لوله – آبی مجهز شد و دیواره جلویی، خروجی گازهای کوره و ورودی گازها به سری لوله های معبر دوم را تشکیل می داد.
 

این دیواره لوله آبی در انتهای کوره دیگ بخار که به نام WET_BACK نیز نامیده می شد این مزیت را داشت که سطوح عایقکاری اتلاف حرارت را تبدیل به سطوح مفید و جاذب حرارت نمود.
 
گازهای کوره پس از عبور از جلوی دیگ بخار، در محفظه دود مقابل دیگ بخار، تغییر جهت داده و از طریق سری لوله های کانال سوم به قسمت عقبی دیگ وارد می شود. این سری لوله به صفحه لوله جداگانه ای در عقب دیگ بخار، متصل می گردند.
 
صفحه لوله جلویی دیگ بخار، سری لوله های کانال دوم و ورودیهای کانال سوم را در خود جای داده که بدین طریق مشکل اختلاف دما وجود ندارد زیرا دمای گازهای خروجی کانال دوم و ورودی کانل سوم تقریبا یکسان هستند. این ساختار جدید دیگ بخار امروزه در همه جا رواج دارد.
 
پیشرفت عمده دیگری نیز در آمریکا صورت گرفت . در زمان جنگ جهانی دوم نیاز شدیدی به تامین بخار در تاسیسات جبهه ها احساس گردید و ضرروت داشت که نصب و راه اندازی این دیگ ها در کمترین زمان انجام شود. قبل از این، پوسته دیگ بخار با قطعات آتشکاری، تلمبه ها، شیرها و دمنده های تولید کنندگان مختلف، در محل نصب، تجهیز می گردید ولی از این زمان به بعد دیگ بخار با همه این قطعات به صورت کامل و آماده به کار نصب می گردید. این نوع دیگ بخار را به نام پکیج یا یک پارچه می نامند و شامل دی با همه این قطعات به صورت کامل و آماده به کار نصب می گردید.
 
این نوع دیگ بخار را به نام پکیج یا یک پارچه می نامند و شامل دیگ بخار اسکاچ سه معبره و dry-back است که بر روی یک پایه نصب شده است. پس از جنگ، این نوع دیگ های یکپارچه عمومیت یافتند و جزء دیگ های با ظرفیت بسیار بالای لوله – آتشی، سایر دیگ ها را از این نوع ساختند.
 
این دیگ ها را به صورت کامل با همه قطعات کمکی، پس از مونتاژ و آزمایش در کارخانه، آماده به کار حمل می نمایند. این دیگ ها عموماً سه کاناله و از نوع wet-back می باشند.
 
دیگ های کوچکتر، مخصوص دیگ های آب گرم کن را از نوع شعله – معکوس می سازند. کوره این دیگها فقط در یک طرف باز است و شعله مشعل در مرکز کوره به سمت عقب کوره که بسته است می تابد. گازهای حاصل از احتراق به صورت متحدالمرکز (concentric) در اطراف شعله به عقب برمی گردند. تنها کانال لوله های این کوره نیز به طور متحدالمرکز در اطراف کوره قرار گرفته است . چون ایندیگ فقط یک کانال دارد، وسایلی جهت تشدید اغتشاش گازهای گرم در نظر گرفته شده که باعث افزایش انتقال حرارت و کاهش دمای گازهای خروجی می شوند.
 
ناحیه انتهایی کوره عملاً به علت بسته بودن آن و بالا بودن فشار، از نظر جریان گاز ها راکد و غیر فعال است. قابل ذکر است که طراحی مشعل به نحوی است که ایجاد شعله ای بلند ، باریک و نفوذی می نماید. شعله ای کوتاه و چتری باعث کشیده شدن توسط گازهای گرم خروجی و ادامه احتراق در لوله های دیگ بخار است که منجر به افزایش دمای فلز در این نواحی می گردد.