راندمان بویلر که یکی از پارامترهای شاخص جهت ارزیابی عملکرد بویلر است، تاثیر قابل توجهی بر روی هزینه های مصرف سوخت، تعمیر و نگهداری و عمر مفید دستگاه دارد. اصول احتراق، پایه و اساس محاسبه راندمان بویلر می باشد که در زیر توضیح داده شده است.

اصول احتراق:

   عناصر اصلی سوخت شامل کربن و هیدروژن می باشد. هیدروژن به صورت غیر ترکیبی و آزاد نیز در گاز طبیعی وجود دارد. همراه با این مواد، مقدار کمی گوگرد و نیتروژن نیز وجود دارد. احتراق سوخت، طی یک پروسه اکسیداسیون که همراه با آزاد شدن انرژی حرارتی می باشد صورت می گیرد. واکنش مابین اکسیژن موجود در هوا با کربن، هیدروژن و در صورت وجود گوگرد، رخ می دهد. این واکنش در شرایطی رخ می دهد که دما نسبتا بالاست، این دما که دمای اشتعال نامیده می شود مابین 400 تا 700 درجه سانتیگراد و وابسته به نوع سوخت متغیر است (این عدد تا 2000 درجه نیز می رسد). اگر هوا به میزان کافی و مناسب تامین شود، کربن به طور کامل می سوزد و به دی اکسید کربن تبدیل می شود. هنگامی که به علت کمبود هوا پروسه احتراق به صورت کامل انجام نمی شود، گاز مونوکسید کربن تولید می شود. هیدروژن نیز می سوزد و تولید بخار آب می نماید. در صورت وجود گوگرد، این عنصر نیز در اثر احتراق، تولید دی اکسید گوگرد (SO2) می نماید و ممکن است در ادامه پروسه و ترکیب با مولکول اکسیژن دیگر، تری اکسید گوگرد (SO3) تولید شود. هوا به طور متوسط از لحاظ وزنی شامل 23.21% اکسیژن و 75.81% نیتروژن و مقادیری جزئی آرگون، هلیم و کریپتون می باشد. با درنظر گرفتن تخمینی جزئی، نسبت گازهای متشکله هوا به صورت 23.2% اکسیژن و 76.8% گازهای غیرقابل احتراق می باشد. از لحاظ حجمی نیز نسبت گازهای تشکیل دهنده هوا به صورت 20.9% اکسیژن و 79.1% گازهای غیرقابل احتراق می باشد.

   عناصر متفاوت ذکر شده به نسبت وزن های مولکولی هر یک از عناصر، به شرح ذیل با اکسیژن ترکیب می شوند:

O₂=32            اکسیژن

C=12              کربن

H₂=2              هیدروژن

N₂=28           نیتروژن

S=32             گوگرد

پارامترهای موثر در راندمان بویلر

   پارامترهای کلیدی که در راندمان بویلر موثر می باشند، به شرح ذیل است:

1. دمای گاز خروجی
2. تعداد چرخش دود در بویلر
3. سطح حرارتی
4. هوای اضافی
5. تلفات تابشی و کنوکسیونی
6. ترکیبات سوخت
7. دمای محیط
8. تطابق مشعل با بویلر

• دمای گاز خروجی

   دمای گاز خروجی همان دمای گازهای حاصل از احتراق است که از دودکش بویلر خارج می شود. میزان دمای گازهای خروجی مورد استفاده در محاسبات راندمان بویلر می باید واقعی بوده و از صحت کافی برخوردار باشد به نحوی که انعکاس دهنده مصرف واقعی سوخت بویلر باشد.

   طبق مشاهدات عینی، برخی سازندگان دمای گازهای خروجی را کمتر از میزان واقعی درنظر می گیرند که این امر باعث افزایش کاذب راندمان بویلر می گردد، لذا توصیه می گردد که گارانتی بویلر بر اساس دمای واقعی گازهای خروجی عرضه گردد.

   لازم به توضیح است که شرایط اقلیمی محل پروژه در دمای گازهای خروجی تاثیرگذار است و می باید در نظر قرار گیرد. باید توجه داشت درصورتیکه دمای گازهای خروجی از دودکش، از حد مطلوبی پایین تر بیاید مشکلات کندانس پدید می آید. وجود بخار آب حاصل از احتراق هیدروژن منجر به نشست بخار آب در بدنه دودکش می گردد. در مورد سوخت های حاوی گوگرد نیز در اثر ترکیب گاز تری اکسید گوگرد با بخار آب، اسیدسولفوریک تشکیل می شود. جهت کاهش مشکلات ناشی از پدیده خوردگی که در اثر حضور تری اکسید گوگرد ایجاد می شود، مبانی طراحی می باید بر اساس دمای 250-270 درجه سانتیگراد گازهای خروجی در نظر گرفته شود.

   بنابراین در دماهای مذکور محصولات احتراق دربرگیرنده مقادیر قابل توجهی از حرارت محسوس همراه با گرمای نهان در بخار آب متراکم نشده می باشد.

• تعداد چرخش دود در بویلر

   تعداد پاس هایی که گازهای داغ حاصل از احتراق قبل از خروج از بویلر طی می کند یکی از عوامل تعیین کننده جهت مقایسه بویلرها می باشد. به عنوان مثال یک بویلر سه پاس، سه فرصت جهت تبادل حرارتی مابین گازهای داغ و آب درون بویلر را فراهم می سازد، در نتیجه با توجه به اینکه دمای گاز قبل از خروج از بویلر کاهش یافته و حداکثر انرژی گرمایی جهت تبادل حرارت مورد استفاده واقع شده است، به علت ساختار فیزیکی مبدل حرارتی و ضریب انتقال حرارت، راندمان بالاتر و هزینه مصرف سوخت پایین تری را در مقایسه با بویلر دو پاس دارد.

• سطح حرارتی

   سطح حرارتی بویلر یکی از شاخص های قابل اهمیت جهت مقایسه پیشنهادات سازندگان می باشد. به طور کلی سطح حرارتی نشانگر این امر است که بویلر در چه شرایط سختی کار می کند. بویلرهایی که سطح حرارتی بالایی دارند دارای تنش حرارتی کمتری بوده که منجر به راندمان بیشتر، استهلاک کمتر و عمر مفید بیشتر خواهد شد. برابر بررسی های بعمل آمده برای یک ظرفیت مشخص شده، سطح حرارتی متفاوتی از سوی سازندگان ارائه گردیده است که این اختلاف بعضا تا حدود %50 متغیر بوده است.

• هوای اضافی

   در عمل، احتراق کامل طبق شرایط ایده آل امکان پذیر نمی باشد و به منظور احتراق کامل هوای بیشتری نسبت به مقادیر تئوری مورد نیاز می باشد. این شرایط ناشی از عدم اختلاط کامل هوا با کل اجزای مورد احتراق می باشد. بنابراین هوای اضافی میزان هوایی است که علاوه بر هوای مورد نیاز مشعل، جهت تکمیل احتراق می باید تامین گردد. لیکن این امر بدان معنا نیست که هوای اضافی بیش از مورد نیاز تامین گردد، چرا که وجود هوای اضافی برای پروسه احتراق یکی از زمینه های اتلاف انرژی در صنایع را فراهم می آورد. از اینرو میزان هوای اضافی مورد نیاز می باید تحت کنترل قرارگیرد و طراحی بویلر به گونه ای انجام گیرد که احتراق در حداقل هوای اضافی صورت گیرد. تغییرات دما و فشار هوا می تواند باعث نوسانات در میزان هوای اضافی مورد نیاز بویلر شود. احتراق در مقادیر پایین هوای اضافی منجر به افزایش مونوکسید کربن و تولید دوده در بویلر و نهایتا کاهش راندمان بویلر می شود. با توجه به تفاسیر ذکر شده، ضروری است که مقدار هوای مورد نیاز جهت طراحی برآورد گردد. لذا به منظور سهولت در تعیین مقدار هوای مورد نیاز نمودارهای ذیل برای سوخت مایع و گاز طبیعی تهیه گردیده است. لازم به توضیح است که حجم های ارائه شده برای شرایط استاندارد در دمای 15˚C و فشار 1 atm می باشد.

• تلفات تابشی و کنوکسیون

   انرژی حرارتی بصورت تابشی و کنوکسیونی از بدنه و اجزای بویلر هدر می رود. تلفات حرارتی تابشی تابعی از دمای سطوح و فاصله تجهیزات تا سطوح سرد و تلفات حرارتی کنوکسیونی تابعی از دما و سرعت هوای محیط می باشد. میزان تلفات مذکور تابعی از ابعاد بویلر و دما و فشار کاری بویلر می باشد که بر روی راندمان بویلر تاثیرگذار است.

• ترکیبات سوخت

   ترکیبات شیمایی سوخت تاثیر به سزایی بر روی راندمان بویلر دارد. بنابراین به منظور دستیابی به محاسبات واقعی راندمان، صحت مقادیر ترکیبات سوخت مورد استفاده می باید بررسی گردد، چرا که در نظرگرفتن سوختی با مشخصات ایده آل راندمان را به طور غیر واقعی افزایش می دهد.

• دمای محیط

   دمای محیط اثرات قابل توجهی بر روی کارآیی بویلر دارد. هنگام بررسی محاسبات راندمان، شرایط دمایی محیط می باید مدنظر قرار گیرد. از این رو به منظور دستیابی به راندمان بالاتر، توصیه می گردد که هوای محیط اطراف بویلر گرم باشد.

• تطابق مشعل با بویلر

   نحوه عملکرد بویلر بر مبنای قابلیت و توانایی مشعل و بویلر و کنترل کارکرد هماهنگ آنهاست. مشعلی که تطابق لازم با بویلر را نداشته باشد، راندمان پایین تری داشته و هزینه های مصرف انرژی و تعمیر و نگهداری بیشتری را بدنبال خواهد داشت.