سوپر هیتر

همان طور که پیشتر گفته شد، بویلر یا دیگ بخار وسیله ای است که برای تولید بخار در فرآیند های صنعتی و یا خانگی به کار برده می شود. در صورت نیاز، ممکن است بخار با دمایی فراتر از دمای اشباع، یعنی بخار سوپر هیت، لازم باشد. دمای بالای گازهای خروجی از دودکش دیگ بخار می تواند برای این هدف مفید باشد. با استفاده از این گازهای داغ و یه سری لوله که بهش میگن سوپرهیتر، میشه دمای بخار رو برد بالاتر از دمای اشباع. حتما میپرسید چطوری؟ مقاله زیر رو بخونید. نگران نباشید، حدودا 5 دقیقه وقتتون رو میگیره.

کاربرد بخار سوپر هیت

سوپر هیتر چیست؟

سوپر هیتر یا فوق گرمکن در بویلر‌های بخار برای افزایش دمای بخار اشباع و حذف قطرات آب موجود در آن (تولید بخار خشک) استفاده می‌شود. سوپرهیتر نوعی مبادله کن گرما است که انرژی دود را به بخار اشباع وارد شده، منتقل کرده و باعث خشک شدن بخار و افزایش دمای بخار می‌شود. عموما در دیگ‌ های فایرتیوب، دمای بخار سوپر هیت می‌تواند 50 درجه بالاتر از دمای بخار اشباع باشد. به دلیل قرارگیری سوپر هیتر در منطقه با دمای بالا، استفاده از لوله با جنس متناسب با دمای گازهای داغ، الزامی است. استفاده از فین در لوله‌ های سوپر هیتر، در دمای بالا، می‌تواند باعث افزایش تنش‌ های حرارتی شود، لذا از لوله‌ های فین دار در لوله‌ های سوپرهیتر استفاده نمی‌ گردد.

در سیکل‌ های توان رانکین، برای بویلر های بدون سوپر هیتر، افزایش پیوسته راندمان به واسطه افزایش فشار تا فشار بحرانی وجود ندارد، در عوض در سیکل‌ های توان با وجود سوپر هیتر، با افزایش فشار راندمان سیکل افزایش می‌یابد. همچنین وجود قطرات آب در بخار و برخورد به پره‌ های توربین می‌تواند آسیب جدی به پره‌ ها وارد کند و بازده آیزنتروپیک توربین را کاهش دهد. برای جلوگیری از این اتفاق لازم است کیفیت بخار اشباع ورودی به سوپرهیتر کمتر از 88% نشود. با وجود اینکه سوپرهیتر کیفیت بخار را افزایش می‌دهد، اما در دما های بالاتر ا از 810 کلوین، نگه داشتن کیفیت بخار ورودی به سوپرهیتر بالاتر از 88 درصد مشکل است. در نتیجه بخار خروجی از سوپر هیتر وارد یک توربین با فشار بالا می‌ شود، تا فشار میانی (بالاتر از فشار کندانسور) منبسط می‌ شود و از توربین خارج می گردد. سپس بخار خروجی از توربین فشار بالا وارد یک مبدل حرارتی دیگر در داخل بویلر خواهد شد که باز گرم کن (ری هیتر)(Re-heater) نامیده می‌ شود. در ری هیتر، بخار اشباع با فشار میانی به بخار سوپرهیت تبدیل شده و وارد یک توربین با فشار میانی خواهد شد. در شکل 1 و 2 به ترتیب شکل شماتیک بویلر واتر تیوب به همراه سوپر هیتر و ری هیتر و نمودار سیکل رانکین آن آورده شده است.

سوپر هیتر در بویلر واتر تیوب

سیکل رانکین با ری هیتر

انواع سوپر هیتر کدام است؟

در بویلر ها، سوپر هیتر گرما را از گاز های داغ احتراق، از طریق مکانیزم‌های تابشی یا جابجایی جذب می‌کند. در صورتی که انتقال گرما از طریق مکانیزم تابشی باشد، سوپر هیتر تابشی نام دارد و در صورتی که از طریق جابجایی باشد، سوپر هیتر همرفتی نام دارد. در بویلر های واتر تیوب، سوپر هیتر از نوع تابشی یا همرفتی می‌تواند باشد ولی در بویلر های فایرتیوب سوپر هیتر تنها از نوع همرفتی است.

سوپر هیتر همرفتی

در بویلرهای واتر تیوب، این نوع سوپرهیترها در بالا یا پشت بانک لوله‌ های آبی و پشت لوله‌های آبی جهت محافظت در برابر ارتباط مستقیم با شعله و دمای بالای آن، قرار می‌گیرند. در دیگ های بخار فایر تیوب، سوپرهیتر از نوع همرفتی است و بین پاس دوم و سوم قرار می‌گیرد. عمده مکانیزم انتقال حرارت بین گازهای احتراق و لوله‌ های سوپر هیتر در این نوع سوپرهیتر، از نوع جابجایی است. با افزایش تقاضای بخار، مصرف سوخت و هوا افزایش یافته و در نتیجه دبی گاز های احتراق نیز افزایش می‌یابد. بنابراین ضریب انتقال حرارت کلی داخل لوله و خارج لوله‌ های سوپرهیتر افزایش می‌یابد. بنابراین ضریب انتقال حرارت کلی بین گاز و بخار سریعتر از افزایش سرعت جریان جرمی بخار افزایش می یابد.  لذا بخار، گرمای بیشتری در واحد جرم می‌گیرد و دمای بخار مطابق با نمودار شکل 1 افزایش می‌یابد.

دمای بخار خروجی سوپر هیتر با افزایش جریان بخار

در بویلر های فایرتیوب، سوپرهیتر بین پاس دوم و سوم قرار می‌گیرد. گازهای احتراق خروجی از پاس دوم با عبور از روی سوپرهیتر، بخشی از گرمای خود را به بخار داده و می‌توانند دمای بخار را تا حداکثر 50 درجه افزایش دهند. جهت افزایش بیش از 50 درجه‌ای بخار می‌توان از سوپر هیتر خارجی استفاده کرد.

سوپرهیتر تابشی

بخشی از سوپر هیتر می‌تواند در نزدیکی منطقه دما بالای شعله، به منظور کسب انرژی بیشتر قرار گیرد. در این حالت انتقال حرارت صورت گرفته بین گازهای احتراق و شعله و سطح بیرونی لوله‌های سوپرهیتر از نوع تشعشعی است. براساس روابط پایه انتقال حرارت مقدار انتقال حرارت تابشی با (T⁴_F– T⁴_S) متناسب است. T_F دمای شعله و T_s دمای سطح لوله است. از آن جا که دمای شعله بسیار بالاتر از دمای سطح لوله است و به بار بویلر بستگی ندارد، بنابراین مقدار انتقال حرارت به طور مشخص با T⁴_Flame رابطه مستقیم دارد و انتقال حرارت در واحد جرم با افزایش جریان بخار کاهش می‌یابد. از این رو، افزایش جریان بخار به دلیل افزایش تقاضای بار، باعث کاهش دمای بخار نهایی می‌شود که برخلاف دمای سوپر هیتر/گرم کن همرفتی است.