หม้อไอน้ำแบบท่อน้ำหรือหลอดน้ำ (Water Tube Boiler)

 

       หม้อไอน้ำหลอดน้ำ ให้น้ำความดันสูงอยู่ในท่อเล็ก ๆ แทนจึงทนความดันได้สูงกว่า ในยุคแรก ๆ ลักษณะรูปร่างภายนอกคล้าย ๆ กับหม้อไอน้ำหลอดไฟ เพียงแต่น้ำและไอน้ำอยู่ในท่อ โดยมีก๊าซร้อนอยู่ภายนอก

  Straight-tube Boiler    

รูปแสดงตัวอย่าง หม้อไอน้ำท่อน้ำยุคแรก (a) วางดรัมตามยาว (b) ตามขวาง

หม้อไอน้ำหลอดน้ำตัวแรก เป็นแบบท่อตรง ดังในรูปใช้ท่อตรงขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 3-4 นิ้ววางเรียงเยื้องสลับกัน 7-8 นิ้ว ต่อเข้ากับท่อร่วมแนวดิ่ง (vertical header) สองตัว ตัวหนึ่งเรียก downcomer หรือ downtake ทำหน้าที่จ่ายน้ำเกือบ ๆ อิ่มตัวให้แก่ท่อ ท่อร่วมตัวที่สองเรียกว่า riser หรือ uptake ทำหน้าที่รับน้ำผสมไอน้ำกลับขึ้นสู่ดรัม (drum) ข้างบน โดยที่น้ำสามารถไหลหมุนเวียนได้เองตามธรรมชาติ

 Bent-tube Boiler

รูปแสดงตัวอย่าง  หม้อไอน้ำ Stirlingสี่ดรัมยุคแรก

หม้อไอน้ำท่อโค้ง มีหลายแบบด้วยกัน แต่มีลักษณะโดยทั่วไปที่ใช้ท่อโค้งจำนวนหลายท่อ เชื่อมระหว่าง drum และ header การใช้ท่อโค้งก็เพื่อให้จุดต่อกับดรัมอยู่ในแนวรัศมีของดรัม คือตั้งฉากกับผิวดรัมนั่นเอง จำนวนดรัมที่ใช้มีตั้งแต่ 2-4 ดรัม ตัวอย่างหม้อไอน้ำท่อโค้งเช่น หม้อไอน้ำสเตอร์ลิงสี่ดรัม   Four-drum Early Stirling Boiler เป็นหม้อไอน้ำที่ใช้งานในยุค 1890 โดยมีดรัมของน้ำผสมไอน้ำด้านบน สามลูก และมี mud drum หนึ่งลูกอยู่ด้านล่าง

 หม้อไอน้ำหลอดน้ำยุคใหม่ (Water-tube Boiler : Recent Developments)

           จากที่มีการใช้ ผนังเตาเผาหล่อเย็นด้วยน้ำ (water cooled furnace walls) ที่เรียกว่าผนังน้ำ (water walls) ทำให้เครื่องกำเนิดไอน้ำ (steam generator) ยุคใหม่ เป็นการรวมเอา เตาเผา(furnace) อีโคโนไมเซอร์ (economizer) บอยเลอร์ (boiler)  ซูเปอรฮีทเตอร (์superheater) รีฮีทเตอร์(reheater)  เครื่องอุ่นอากาศ(air preheater) เข้าไว้ด้วยกัน 
 

     โครงสร้างดังกล่าว พอสรุปได้ว่า เครื่องกำเนิดไอน้ำยุคใหม่มีส่วนประกอบที่สำคัญดังนี้ คือ
 

  
รูปแสดงตัว ผังแสดงการไหลของเครื่องกำเนิดไอน้ำยุคใหม่ 


 

        จากรูปแสดงแผนภูมิของเครื่องกำเนิดไอน้ำโดยทั่วไป น้ำที่อุณหภูมิ 450 ถึง 500 ⁰F จากทางออกของ HP FWH เข้าที่ economizer แล้วออกในสภาพน้ำอิ่มตัวหรือ มีไอน้ำปนเล็กน้อย แล้วเข้ากลาง steam drum น้ำจาก steam drum ไหลลงทาง downcomer ที่หุ้มฉนวนอยู่ด้านนอกเตาเผาเข้าสู่ header ไหลขึ้นทาง water tubes ที่เป็นผนังเตาในตัว หรือเรียกว่า risers รับความร้อนและกลายเป็นไอบางส่วน ทำให้เกิดความหนาแน่นที่แตกต่างกัน เป็นแรงขับให้เกิดการหมุนเวียนแบบธรรมชาติ ไอน้ำถูกแยกออกจากน้ำเดือดใน drum แล้วไหลผ่าน superheater ไปเข้า HP turbine แล้วกลับมารับความร้อนเพิ่มที่ reheater ก่อนส่งไปขับ LP turbine แล้วระบายไปที่ condenser
 

           อากาศภายนอกผ่าน FD fan ไปรับความร้อนที่ air preheater ก่อนระบายไอเสียทิ้ง อากาศที่อุ่นขึ้นไหลเข้าเตาเผาผสมกับเชื้อเพลิงแล้วเผาไหม้ได้อุณหภูมิในราว 3000 ⁰F ก๊าซร้อนจากการเผาไหม้ถ่ายความร้อนบางส่วนแก่ water tubes แล้วถ่ายให้ superheater, reheater, economizer จนอุณฆภูมิลดลงเหลือประมาณ 600⁰F แล้วอุ่นอากาศที่ air preheater จนอุณหภูมิลดลงเหลือประมาณ 300 ⁰F ก่อนระบายทิ้งทาง stack โดยถูกดูดด้วย ID fan และแรงดูดธรรมชาติจากความสูงของปล่อง stack

 

   Boiler Walls

        เป็นท่อน้ำหล่อเย็นผนังและรับความร้อน โดยจัดเรียงให้ชิดกันเพื่อดูดกลืนความร้อนได้มากที่สุด  โครงสร้างท่อเปลี่ยนแปลงไปมากดังในรูป จากเดิมเป็น (a) ท่อเปลือย (bare)  (b) ปะบนผนังทนไฟ (tangent) หรือฝังบนผนังทนไฟ (embedded)   (c) ท่อพืด (studded tubes)ในที่สุดปัจจุบันเป็นแบบ (d) แผ่นเมมเบรน (membrane)

รูปแสดงภาพด้านบนของหลอดน้ำชนิดต่าง ๆ

เมมเบรนทำหน้าที่เป็นครีบเพื่อรับการถ่ายเทความร้อน ทำให้โครงสร้างแข็งแรงและเป็นเตาเผารับความดันไม่รั่วได้ ผิวด้านในไม่ต้องมีอะไรเสริม ส่วนด้านนอกจะมี ฉนวน และเหล็กประกบหลัง ตัวอย่างเช่นผู้ผลิตรายหนึ่งใช้ ท่อ 3นิ้ว วางระยะ 3.75 นิ้ว แบบที่สองท่อ 3 นิ้วระยะ 4 นิ้ว และแบบที่สามท่อ 2.75 นิ้วระยะ 3.75 นิ้วs

    Water Circulation       

รูปแสดงการไหลวนตามธรรมชาติ

น้ำนเวียนจาก steam drum ผ่านลงทาง downcomer เข้า bottom header ขึ้นทาง water tubes หรือ risers กลายเป็นไอบางส่วน แล้วกลับสู่ steam drum ทั้งนี้จะออกแบบไม่ให้เกิดการเดือดจนเป็นไอ 100% ในท่อ เพื่อป้องกันปัญหาความเสียหายจากท่อละลายหรือ burnout จากผลของ departure from nucleate boiling (DNB) ความหนาแน่นของน้ำใน มากกว่า two-phase mixture ใน risers

   Steam Drum
        หน้าที่หลัก คือการแยกไออิ่มตัว และยังมีหน้าที่อื่น ๆ คือ

รูปแสดงการแยกตัวของไอน้ำในดรัม (a) แรงโน้มถ่วง (b) เชิงกล บานเกล็ดและตาข่าย (c) แรงหนีศูนย์กลาง

  Superheaters และ Reheaters

            ซูเปอร์ฮีทเตอร์และรีฮีทเตอร์ ในเครื่องกำเนิดไอน้ำในโรงไฟฟ้าทำจากท่อขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางภายนอก 2-3 นิ้ว ท่อขนาดเล็กจะทนความเค้นจากความดันได้ดีกว่า ขณะที่ท่อที่ใหญ่กว่าจะมีความดันตกน้อยและติดตั้งวางแนวให้ตรงง่ายกว่า ไม่มีการติดครีบภายนอกท่อเนื่องจากเพิ่มความเค้นและทำความสะอาดยาก ส่วนครีบภายในไม่มีความจำเป็น เนื่องจากไม่เกิดปัญหา DNB การออกแบบการถ่ายเทความร้อนจึงใช้พื้นฐานของการไหลของก๊าซเป็นหลัก ซึ่งมีค่าการนำความร้อนต่ำ nucleate boiling ในท่อ boiler มาก


 Superheaters

► Convection Superheaters   ►  Radiant Superheaters

กราฟการตอบสนองของอุณหภูมิขาออกของซูเปอร์ฮีทเตอร์แบบ พาความร้อน, แผ่รังสี, และแบบผสม

เนื่องจากท่อต้องรับอุณหภูมิ ความดัน และความเค้นจากความร้อนสูงมาก จึงต้องเลือกใช้วัสดุที่สร้างอย่างรอบคอบ ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 850OF ใช้เหล็กคาร์บอนก็เพียงพอ แต่ซูเปอร์ฮีทเตอร์และรีฮีทเตอร์ ในปัจจุบันทำงานที่ประมาณ 1000OF จึงต้องเลือกใช้เหล็กกล้าอัลลอย เพื่อความแข็งแรงและทนต่อการกัดกร่อน

Superheaters and Reheaters     ผังแสดงซูเปอร์ฮีทเตอร์และรีฮีทเตอร์แบบ (a) ห้อย (b) กลับ (c) แนวนอน

การจัดวาง ซูเปอร์ฮีทเตอร์, รีฮีทเตอร์, อีโคโนไมเซอร์ และเครื่องอุ่นอากาศ ในเครื่องกำเนิดไอน้ำแบบเตาไซโคลน

ขอขอบคุณทุกๆแหล่งที่มาของข้อมูล
http://www.me.psu.ac.th/~smarn/pplant/P3a.htm
http://industrial.uru.ac.th/pdf_book_aj/