سخان الهواء المسبق

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة
رسم تخطيطي لمولد البخار في محطة توليد الطاقة التي تعمل بالفحم، مع تسليط الضوء على موقع مسخن الهواء المسبق (APH).

جهاز التسخين المسبق للهواء هو أي جهاز مصمم لتسخين الهواء قبل عملية أخرى (مثل الاحتراق في الغلاية)، بهدف أساسي هو زيادة الكفاءة الحرارية للعملية. ويمكن استخدامه بمفرده أو كبديل لنظام استعادة الحرارة أو ملف تسخين البخار.

يتناول هذا المقال بالتحديد مسخنات الهواء المستخدمة في الغلايات الكبيرة الموجودة في محطات الطاقة الحرارية التي تنتج الطاقة الكهربائية من مصادر مثل الوقود الأحفوري أو الكتلة الحيوية أو النفايات . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] فعلى سبيل المثال، يُعزى إلى مسخن الهواء ليونغستروم توفير عالمي في الوقود يُقدر بنحو 4,960,000,000 طن من النفط ، ولذا "قلما نجد اختراعات حققت نجاحًا مماثلًا في توفير الوقود مثل مسخن الهواء ليونغستروم"، الذي صنفته الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين كمعلم تاريخي دولي رقم 44 في مجال الهندسة الميكانيكية . [ 6 ]

يُستخدم مُسخّن الهواء لاستعادة الحرارة من غازات الاحتراق في المرجل ، مما يزيد من كفاءته الحرارية بتقليل الحرارة المفقودة في هذه الغازات. ونتيجةً لذلك، تُنقل غازات الاحتراق إلى مدخنة الغازات عند درجة حرارة أقل، مما يُسهّل تصميم نظام النقل والمدخنة . كما يُتيح التحكم في درجة حرارة الغازات الخارجة من المدخنة ( للامتثال لأنظمة الانبعاثات، على سبيل المثال). ويُركّب هذا المُسخّن بين المُقتصد والمدخنة.

الأنواع

يوجد نوعان من مسخنات الهواء المسبقة المستخدمة في مولدات البخار في محطات الطاقة الحرارية : الأول أنبوبي الشكل، مُدمج في قناة غازات الاحتراق الخاصة بالغلاية، والآخر مسخن هواء مسبق متجدد . [ 1 ] [ 2 ] [ 7 ] ويمكن ترتيب هذه المسخنات بحيث يتدفق الغاز أفقيًا أو رأسيًا عبر محور الدوران.

نوع آخر من مسخنات الهواء المسبقة هو جهاز التجديد المستخدم في صناعة الحديد أو الزجاج.

النوع الأنبوبي

ميزات البناء

تتكون المسخنات الأنبوبية من حزم أنابيب مستقيمة تمر عبر قناة مخرج المرجل وتفتح من طرفيها خارج القناة. داخل القناة، تمر غازات الفرن الساخنة حول أنابيب المسخن، ناقلةً الحرارة من غاز العادم إلى الهواء داخل المسخن. يُدفع الهواء المحيط بواسطة مروحة عبر قناة عند أحد طرفي أنابيب المسخن، ومن الطرف الآخر يخرج الهواء الساخن من داخل الأنابيب إلى مجموعة أخرى من القنوات، التي تنقله إلى فرن المرجل للاحتراق.

مشاكل

تتطلب قنوات التسخين المسبق الأنبوبية للهواء البارد والساخن مساحة أكبر ودعامات هيكلية أكثر من تصميم التسخين المسبق الدوار. علاوة على ذلك، وبسبب غازات المداخن المحملة بالغبار والمواد الكاشطة، تتآكل الأنابيب الخارجية للقناة بشكل أسرع من جهة تيار الغاز. وقد تم إحراز العديد من التقدمات للتغلب على هذه المشكلة، مثل استخدام السيراميك والفولاذ المقوى.

تتضمن العديد من مولدات البخار الجديدة ذات الطبقة المميعة المتداولة (CFB) والطبقة المميعة الفقاعية (BFB) حاليًا سخانات هواء أنبوبية توفر ميزة فيما يتعلق بالأجزاء المتحركة من النوع الدوار.

تآكل نقطة الندى

يحدث تآكل نقطة الندى لأسباب متعددة. [ 8 ] [ 9 ] يُعد نوع الوقود المستخدم ومحتواه من الكبريت والرطوبة من العوامل المساهمة. ومع ذلك، فإن العامل الأهم في تآكل نقطة الندى هو درجة حرارة معدن الأنابيب. إذا انخفضت درجة حرارة المعدن داخل الأنابيب عن درجة حرارة تشبع الحمض، والتي تتراوح عادةً بين 88  درجة مئوية (190  درجة فهرنهايت) و110  درجة مئوية (230  درجة فهرنهايت)، ولكن في بعض الأحيان تصل إلى 127  درجة مئوية (260  درجة فهرنهايت)، فإن خطر تلف تآكل نقطة الندى يصبح كبيرًا.

سخانات الهواء التجديدية

يوجد نوعان من مسخنات الهواء التجديدية : مسخنات الهواء التجديدية ذات الألواح الدوارة (RAPH) ومسخنات الهواء التجديدية ذات الألواح الثابتة (Rothemuhle). [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 10 ]

مسخن هواء متجدد ذو لوحة دوارة

مسخن هواء نموذجي ذو لوحة دوارة متجددة (نوع ثنائي القطاع) [ 11 ]
الوظيفة الأساسية لجهاز التسخين المسبق للهواء المتجدد Ljungström الخاص بـ Fredrik Ljungström .

يتكون تصميم اللوحة الدوارة (RAPH) [ 2 ] من عنصر لوحة دوارة مركزي مثبت داخل غلاف مقسم إلى قطاعين ( نوع ثنائي القطاعات )، أو ثلاثة قطاعات (نوع ثلاثي القطاعات )، أو أربعة قطاعات ( نوع رباعي القطاعات ) تحتوي على موانع تسرب حول العنصر. تسمح موانع التسرب للعنصر بالدوران عبر جميع القطاعات، مع الحفاظ على تسرب الغاز بين القطاعات عند الحد الأدنى، وتوفير مسارات منفصلة للغاز والهواء وغازات الاحتراق عبر كل قطاع.

تُعدّ المفاعلات ثلاثية القطاعات الأكثر شيوعًا في محطات توليد الطاقة الحديثة. [ 12 ] في هذا التصميم، يتصل القطاع الأكبر (الذي يشغل عادةً نصف مساحة الغلاف تقريبًا) بمخرج الغاز الساخن للغلاية. يتدفق غاز العادم الساخن فوق العنصر المركزي، ناقلًا جزءًا من حرارته إليه، ثم يُوجّه عبر قنوات لمعالجة إضافية في أجهزة تجميع الغبار وغيرها من المعدات قبل طرده من مدخنة غازات الاحتراق . أما القطاع الثاني الأصغر، فيُغذّى بالهواء المحيط بواسطة مروحة ، حيث يمر الهواء فوق العنصر الساخن أثناء دورانه داخل القطاع، فيُسخّن قبل نقله إلى فرن الغلاية للاحتراق. أما القطاع الثالث، وهو الأصغر حجمًا، فيُسخّن الهواء الذي يُوجّه إلى المطاحن ويُستخدم لنقل خليط الفحم والهواء إلى مواقد غلاية الفحم. وبالتالي، فإن إجمالي الهواء المسخن في RAPH يوفر: هواء التسخين لإزالة الرطوبة من غبار الفحم المسحوق، والهواء الناقل لنقل الفحم المسحوق إلى مواقد الغلاية والهواء الأساسي للاحتراق.

يُعدّ الدوّار نفسه وسيط نقل الحرارة في هذا النظام، ويتكون عادةً من نوع من أنواع الهياكل الفولاذية و/أو الخزفية . يدور الدوّار ببطء نسبيًا (حوالي 1-2 دورة في الدقيقة ) للسماح بنقل الحرارة الأمثل أولًا من غازات العادم الساخنة إلى العنصر، ثم أثناء دورانه، من العنصر إلى الهواء البارد في القطاعات الأخرى.

ميزات البناء

في هذا التصميم، يتم دعم غلاف سخان الهواء بالكامل على هيكل دعم الغلاية نفسه مع وصلات التمدد اللازمة في مجرى الهواء.

يرتكز الدوّار العمودي على محامل دفع في طرفه السفلي، ويُشحّم بحمام زيتي، ويُبرّد بواسطة الماء المتداول في أنابيب داخل الحمام الزيتي. يُستخدم هذا الترتيب لتبريد الطرف السفلي للعمود، حيث يقع هذا الطرف من الدوّار العمودي عند الطرف الساخن للقناة. أما الطرف العلوي للدوّار، فيحتوي على محمل أسطواني بسيط لتثبيت العمود في وضع رأسي.

يُبنى الدوّار على عمود رأسي مزود بدعامات شعاعية وأقفاص لتثبيت السلال في مكانها. كما تُزوّد ​​بألواح مانعة للتسرب شعاعية ومحيطية لمنع تسرب الغازات أو الهواء بين القطاعات أو بين القناة والغلاف أثناء الدوران.

لتنظيف الرواسب من السلال أثناء التشغيل، تُستخدم نفاثات بخارية لتجميع الغبار والرماد المتطاير في قادوس الرماد السفلي لسخان الهواء المسبق. ويرتبط قادوس الغبار هذا بقواديس الغبار الرئيسية لجامعات الغبار لتفريغه.

يدور الدوّار بواسطة محرك يعمل بالهواء المضغوط ونظام تروس، ويجب تشغيله قبل بدء تشغيل الغلاية، كما يجب أن يستمر في الدوران لفترة من الوقت بعد إيقاف الغلاية، لتجنب التمدد والانكماش غير المتساويين اللذين قد يؤديان إلى التواء الدوّار أو تشققه. يكون هواء المحطة جافًا تمامًا في الغالب (الهواء الجاف ضروري لأجهزة القياس)، لذا يُحقن الهواء المستخدم لتشغيل الدوّار بالزيت لتزييت محرك الهواء.

تم توفير نوافذ فحص محمية للسلامة لعرض التشغيل الداخلي للمسخن المسبق في جميع ظروف التشغيل.

توجد السلال في هياكل القطاعات الموجودة على الدوار، وهي قابلة للتجديد. ويعتمد عمر السلال على مدى كشط الرماد وتآكله في غازات مخرج الغلاية.

مشاكل

تحتوي غازات مداخن الغلايات على العديد من جزيئات الغبار (بسبب ارتفاع نسبة الرماد) التي لا تُسهم في الاحتراق، مثل السيليكا، والتي تُسبب تآكلًا احتكاكيًا للسلال، وقد تحتوي أيضًا على غازات أكالة تبعًا لتركيب الوقود. على سبيل المثال، ينتج عن استخدام الفحم الهندي عادةً مستويات عالية من الرماد والسيليكا في غازات المداخن. ولذلك ، يكون تآكل السلال أكبر عمومًا مقارنةً بأنواع الوقود الأخرى الأنظف احتراقًا.

في هذا النوع من أنظمة التسخين المسبق للهواء، تمر غازات الغلاية المحملة بالغبار والمسببة للتآكل بين عناصر سلال التسخين المسبق للهواء. تتكون هذه العناصر من صفائح مموجة متعرجة مضغوطة داخل سلة فولاذية، مما يوفر مساحة حلقية كافية لمرور الغاز. صُممت هذه الصفائح بشكل مموج لزيادة مساحة السطح اللازمة لامتصاص الحرارة، ولإعطائها الصلابة اللازمة لتكديسها داخل السلال. لذا، يتطلب الأمر استبدالها بشكل متكرر، ويتم الاحتفاظ بسلال جديدة جاهزة دائمًا. في البداية، كان يُستخدم فولاذ كورتن في صناعة هذه العناصر. أما اليوم، وبفضل التقدم التكنولوجي، قد يستخدم العديد من المصنّعين براءات اختراعهم الخاصة. كما يُوفر بعض المصنّعين مواد مختلفة لاستخدامها في صناعة هذه العناصر بهدف إطالة عمر السلال.

في بعض الحالات، قد تتراكم رواسب غير محترقة على عناصر التسخين المسبق للهواء، مما يؤدي إلى اشتعالها أثناء التشغيل العادي للغلاية، وبالتالي حدوث انفجارات داخلها. أحيانًا، يمكن رصد انفجارات طفيفة في غرفة التحكم من خلال تغيرات في درجات حرارة الهواء الداخل والخارج من غرفة الاحتراق.

رسم تخطيطي لسخان هواء نموذجي ذي لوحة ثابتة متجددة

مسخن هواء متجدد ذو لوحة ثابتة

تُركّب عناصر التسخين في هذا النوع من مسخنات الهواء التجديدية داخل غلاف، ولكنها ثابتة وليست دوارة. وبدلاً من ذلك، تدور قنوات الهواء في المسخن بحيث تُعرّض أجزاء من عناصر التسخين بالتناوب للهواء البارد المتدفق للأعلى. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

كما هو موضح في الرسم المجاور، توجد قنوات هواء دوارة للدخول في الجزء السفلي من الألواح الثابتة، على غرار قنوات الهواء الدوارة للخروج في الجزء العلوي من الألواح الثابتة. [ 13 ]

تُعرف سخانات الهواء التجديدية ذات الألواح الثابتة أيضًا باسم سخانات Rothemuhle، والتي يتم تصنيعها منذ أكثر من 25 عامًا بواسطة Balke-Dürr GmbH في Ratingen ، ألمانيا .

مُجدِّد

يتكون جهاز التجديد من شبكة من الطوب: طوب موضوع بمسافات تعادل عرض الطوبة الواحدة، مما يسمح بتدفق الهواء بسهولة نسبية عبر الشبكة. الفكرة هي أنه عندما تمر غازات العادم الساخنة عبر الشبكة، فإنها تُطلق حرارتها إلى الطوب. ثم ينعكس تدفق الهواء، بحيث يُسخن الطوب الساخن هواء الاحتراق والوقود الداخلين. في فرن صهر الزجاج، يوضع جهاز التجديد على جانبي الفرن، وغالبًا ما يشكلان وحدة متكاملة. أما في فرن الصهر العالي ، فتوضع أجهزة التجديد (المعروفة باسم مواقد كوبر ) بشكل منفصل عن الفرن. يحتاج الفرن إلى موقدين على الأقل، وقد يحتوي على ثلاثة. أحد هذه المواقد يعمل بالغاز، حيث يستقبل الغازات الساخنة من أعلى الفرن ويُسخن الشبكة الداخلية، بينما يعمل الآخر بالهواء البارد، حيث يستقبل الهواء البارد من المنافيخ، ويُسخنه، ثم يمرره إلى فرن الصهر العالي.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 4 صادق كاكاش؛ هونغتان ليو (2002). المبادلات الحرارية: الاختيار والتقييم والتصميم الحراري (  الطبعة الثانية). الصحافة اتفاقية حقوق الطفل. رقم ISBN 0-8493-0902-6.
  2. 1 2 3 4 5 شركة بابكوك وويلكوكس (2005). البخار: توليده واستخدامه (الطبعة 41 ). ISBN  0-9634570-0-4.
  3. 1 2 3 صادق كاكاش، محرر. (أبريل 1991). الغلايات والمبخرات والمكثفات . وايلي إنترساينس. ISBN 0-471-62170-6.(انظر الفصل الثامن بقلم زد إتش لين)
  4. ↑ شركة الكهرباء البريطانية الدولية (1991). ممارسات محطات الطاقة الحديثة: دمج ممارسات أنظمة الطاقة الحديثة (الطبعة الثالثة (مجموعة من 12 مجلدًا) ). بيرغامون. ISBN  0-08-040510-X.
  5. ↑ توماس سي. إليوت؛ كاو تشين؛ روبرت سوانكامب (1997). الدليل القياسي لهندسة محطات توليد الطاقة (الطبعة الثانية ). ماكجرو هيل بروفيشنال. ISBN  0-07-019435-1.
  6. ↑ "مسخن الهواء المسبق من نوع ليونغستروم 1920" . asme.org . الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين. 21 يونيو 1995. مؤرشف من الأصل في 20 أكتوبر 2016. تم الاطلاع عليه في 5 أبريل 2019 .
  7. ↑ "مسخن الهواء ثلاثي القطاعات ليونغستروم" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 28-09-2007 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 24-05-2007 .
  8. ↑ أمثلة على تآكل نقطة الندى
  9. ↑ المزيد من الأمثلة على تآكل نقطة الندى
  10. ↑ لورانس درباك؛ باتريشيا بوستون؛ كاليا ويسترا؛ آر. بروس إريكسون، محرران (1996). هندسة محطات الطاقة (بلاك آند فيتش) . تشابمان آند هول. ISBN 0-412-06401-4.
  11. ↑ الدورة التدريبية SI:428A منشور إلكتروني لمعهد تدريب تلوث الهواء التابع لوكالة حماية البيئة الأمريكية ، والمعروف باسم APTI (انتقل إلى الصفحة 23 من 28)
  12. ↑ " تكييف الهواء "
  13. ↑ "دليل تنظيف مجاري الهواء" .الثلاثاء، 11 يونيو 2019