مقدمه
سوپرهیتر وسیله ای است که در دیگ های بخار یا همان بویلرها یافت می شود و با هدف تبدیل بخار مرطوب* و اشباع شده به بخار خشک* استفاده می شود. بخار خشک حاوی انرژی گرمایی زیادی است و راندمان کلی چرخه را افزایش می دهد. همین کافیست تا به نقش مفید سوپرهیترها در چرخه بخار پی ببریم. علاوه بر این، حجم کمتری از بخار خشک در داخل سیلندرهای موتورهای رفت و برگشتی یا محفظه توربین های بخار متراکم خواهد شد. با توجه به شرایط حاکم، استفاده از انواع ورق استیل ضد سایش در ساخت این وسیله امری اجتناب ناپذیر می باشد.
* بخار خشک زمانی تشکیل می شود که سرعت تبخیر آب با سرعت میعان برابر باشد.
* بخار تولید شده از طریق بویلر، دارای کمی رطوبت ناشی از مولکول های آب تبخیر نشده است. به این بخار، که رایج ترین نوع در واحد های صنعتی می باشد، بخار مرطوب گفته می شود.
انواع سوپرهیتر
این وسیله می تواند بخشی ثانویه در سیستم باشد و یا به صورت مجزا به کار گرفته شود. سوپر هیترهای بویلر را می توان به 3 دسته تابشی، همرفتی و ترکیبی طبقه بندی کرد.
سوپرهیترهای تابشی مستقیماً داخل محفظه احتراق بویلر قرار می گیرند. این نوع جاگذاری، به مشعل بویلر اجازه می دهد تا لوله های بویلر و سوپرهیتر را گرم کنند. به همین دلیل، این نوع از سوپرهیترها دارای راندمان بالایی هستند. از این سوپرهیتر عمدتاً در نیروگاه های بخار استفاده می شود.
سوپرهیترهای همرفتی علاوه بر نیروگاه های بخار، در لوکوموتیوها نیز یافت می شوند. این نوع سوپرهیتر از گازهای داغ مشعل برای گرم کردن مجدد بخار استفاده می کند. یک سوپرهیتر همرفتی می تواند بسیار کارآمد باشد، زیرا بیشتر انرژی حرارتی فقط به لوله های بویلر داده می شود و گازهای خروجی، لوله های سوپرهیتر را گرم می کنند.
سوپرهیترهای ترکیبی به دلیل ثابت بودن دما در نرخ های مختلفِ جریان بخار، دارای راندمان کاری بالاتری هستند. سوپرهیترهای ترکیبی تحت عنوان چندمرحله ای نیز شناخته می شوند و دمای ثابت در فشارهای مختلف را تضمین می کنند.
عملکرد و اجزای سوپرهیتر
سوپرهیتر دارای دو بخش اولیه و ثانویه است. سوپرهیتر اولیه، نخستین جایی است که بخار خروجی از محفظه های آن عبور می کند. پس از گرمایش توسط سوپرهیتر اولیه، بخارِ حاصل به سوپرهیتر ثانویه منتقل می شود تا مجدداً تحت حرارت قرار گیرد. بنابراین، بخار تشکیل شده در سوپرهیتر ثانویه، داغ ترین بخار در بین بخارهای دیگر می باشد. از بخار تولید شده توسط این وسیله برای چرخاندن توربین فشار بالا استفاده می شود. در انتهای فرآیند، فشار و دما با کاهش مواجه می شود.
یک سوپرهیتر از مجموعه ی اجزای زیر تشکیل می شود:
محفظه احتراق
محفظه ای که در آن سوخت تحت احتراق قرار می گیرد و از حرارت آن برای گرم کردن بخار استفاده می شود.
مشعل
ابزاری است برای سوزاندن سوخت در محفظه احتراق. از گرمای مشعل برای گرم کردن بخارِ جریان یافته به داخل محفظه احتراق استفاده می شود.
ابزار اندازه گیری
به منظور بررسی پارامترهای فرآیند مانند دما و فشار احتراق، دمای بخار ورودی و خروجی.
بخار زمانی سوپرهیت می شود که هیچ مولکول آبی در آن باقی نمانده باشد. به همین دلیل است که به یک سوپرهیتر ثانویه نیاز داریم تا بخار خشک تحویل دهد. بخار وارد محفظه شده و از طریق تعدادی لوله ی موازی در معرض کوره (سوپرهیتر تابشی) یا گازهای خروجی قرار می گیرد.
بررسی مواد ساخت و جنبه های اقتصادی
از جمله مواد ترجیحی در ساخت این وسیله، ورق استیل 321 است. این آلیاژ که زیرمجموعه خانواده آستنیتی فولادهای ضدزنگ است، تحت عنوان ورق استیل ضد سایش نیز شناخته می شود.
سوپر هیترها مزایای زیادی دارند که مهم ترینِ آنها کاهش مصرف سوخت و افزایش راندمان می باشد. در صورتی که از آلیاژ مناسب در ساخت آن استفاده نشود، مزایای فوق الذکر تحت تاثیر قرار گرفته، هزینه های تعمیر و نگهداری افزایش یافته و نتایج قابل قبولی بدست نخواهد آمد. بنابراین، با توجه مناسب بودن قیمت ورق استیل 321 و حداقل نیاز با عملیات تعمیر و نگهداری و همچنین مقاومت بالا در برابر خوردگی و اکسیداسیون ناشی از قرارگیری در برابر بخارهای داغ، استفاده از آن کاملاً مقرون به صرفه می باشد.
عوامل موثر در روند کاری سوپرهیتر ها
پارامترهای خاصی در کنار هم قرار می گیرند و باعث می شوند که یک سوپرهیتر به درستی کار کند و عمر قابل قبولی داشته باشد. از جمله مهم ترین ِاین پارامتر ها انتخاب جنس مناسب برای ساخت آن می باشد. ورق استیل 321 می تواند گزینه ای مناسب برای چنین کاربردی باشد. فولادهای ضدزنگ علاوه بر مقاومت بالا در برابر خوردگی و اکسیداسیون، از دوام و ماندگاری بالا در انواع شرایط کاری برخوردارند. در نگاه اول ممکن است قیمت ورق استیل 321 تا حدودی برای پیمانکاران و سازندگان نگران کننده باشد، اما این آلیاژ، مقرون به صرفه بودن خود را در طول زمان ثابت می کند.
