انرژی

مقدمه

در این نوشتار، تلاش شده تا مفهوم رده­ی انرژی و راندمان دیگ­های آبگرم در یک مرور مجدد، ارزیابی شده و پس از بازخوانی تعاریف و روش­های درست، از گسترش برخی نگرش­های غلط در این زمینه، جلوگیری شود. در ابتدا مفهوم راندمان برای مشعل و دیگ به صورت مجزا توصیف شده و صحت این مفاهیم ارزیابی شده است. در ادامه لزوم نگرش جامع در قالب ساختاری پکیج گونه، از دو دیدگاه استاندارد و هم چنین آزمایشات عملی مورد بررسی قرار گرفته است. مفهوم راندمان خالص و ناخالص  توصیف شده و نهایتا رده­های انرژی قابل دسترس برای دیگ های آبگرم چگالشی و غیر چگالشی بیان شده و مقایسه­های لازم صورت گرفته است.

1-راندمان

راندمان در معنای عملی به معنای سهم مصرف انرژی یا انرژی مفید از میزان کل انرژی ورودی به یک سیستم است. مشعل و بویلر دو بخش مهم از یک سیستم تاسیساتی هستند که در نگاه صنعتی، از مفهوم راندمان برای آنها به فراوانی استفاده می­گردد. سوال مهمی که در این بخش مطرح است، صحت مفهوم راندمان برای مشعل و یا بویلر به صورت مجزاست.

• مفهوم راندمان برای مشعل

مشعل وظیفه اختلاط هوای و سوخت را عهده­دار بوده و وظیفه اصلی آن تبدیل انرژی سوخت به گرما است. این گرما در قالب شعله با یک طیف دمایی و رنگی نمود می­یابد. دما، رنگ، سرعت، حجم (طول و قطر) و … همگی از ویژگی­های مهم شعله­ی خروجی مشعل هستند و طراحی یک مشعل سهم مهمی در هر یک از ویژگی­های فوق خواهد گزارد. در شکل 1 شعله ناشی از احتراق سوخت گاز با دو طیف رنگی مختلف نشان داده شده است. اما نکته مهم این است که تا زمانی که شعله­ی مشعل، توسط یک مصرف کننده­ی انرژی، مورد استفاده قرار نگیرد، مفهوم راندمان، تکمیل نشده است. در کتب مهندسی و استاندارد­های صنعتی، برای مشعل راندمانی تعریف نمی­شود و مفهوم راندمان برای مشعل، یک نگرش ناقص علمی است که متاسفانه در بسیاری از محافل صنعت تاسیسات مورد استفاده قرار می­گیرد و بعضا در محاسبات تخمینی نیز برای انتخاب مشعل، از آن بهره گرفته می­شود.

(الف)

(ب)

شکل 1 – طیف رنگی شعله ناشی از احتراق گاز در مشعل صنعتی؛ (الف) شعله با طیف رنگی آبی با قابلیت همرف بالا. (ب) شعله با طیف رنگی از آبی تا زرد با قابلیت تشعشع بالا

• مفهوم راندمان برای بویلر

بویلر جزء مهم یک موتورخانه آبگرم است. وظیفه اصلی یک بویلر، دریافت انرژی گرمایی از محصولات احتراق مشعل و انتقال آن به آب است. انتقال گرما به روش های تشعشی[1] و همرفت[2] صورت می­گیرد. طراحی بویلر در میزان و روش انتقال انرژی گرمایی از محصولات احتراق به آب، نقش اساسی را ایفا می­کند. برای محاسبه راندمان یک بویلر، لازم است از میزان کل انرژی ورودی، سهم مفید که به آب انتقال پیدا کرده، محاسبه گردد و در ادامه با توجه به میزان انرژی دریافتی، راندمان بویلر تعیین گردد. سهم مفید انرژی تنها به کمک اطلاعات ساختاری بویلر قابل محاسبه و آزمایش نیست و پارامترهای شعله­ی اثر مهمی در آن بازی می­کنند. از مهم­ترین پارامترهای شعله که در میزان انتقال انرژی به آب مهم هستند، می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

• رنگ و دمای شعله: این پارامتر بیانی از میزان تشعشعی بودن شعله است. تشعشع با توان چهارم دمای محصولات احتراق، رابطه مستقیم دارد. (شکل 1)
• سرعت شعله: این پارامتر میزان انتقال انرژی به روش همرفت را خطاب قرار می­دهد.
• ساختار شعله: در شعله­های پیچشی به علت اختشاش، انتقال حرارت به شکل بهتری صورت می­گیرد. در شکل 2 نمونه­ای از شعله­ی پیچشی با اختشاش بالا نشان داده شده است.
• هوای اضافه احتراق: هوای اضافه عامل مهمی در پرت انرژی از طریق دودکش است و کم شدن آن اثر چشمگیری بر راندمان میگذارد.

حتی ساختار شعله، میزان سهم انرژی در پاس های بویلر را نیز تحت الشعاع قرار داده و اتلافات این بخش­ها را نیز به تناسب آن تغییر می­دهد. با توجه به این توضیحات، برای یک بویلر که تنها از یک ساختمان فولادی برای انتقال گرما ساخته شده است، نمی­توان مفهوم راندمان را مطرح کرد و اعلام راندمان برای یک بویلر، بدون توجه به اینکه احتراق ورودی آن از چه ویژگی­هایی برخوردار است، یک بیان کاملا غیر علمی و غیرکاربردی است.

شکل 2 – شعله پیچشی؛ در این شعله به علت اختشاش بالا، انتقال حرارت از شعله به آب در گردش در بویلر، به نحو بهتری صورت می­گیرد.

• راندمان پکیج آبگرم

با توجه به توضیحاتی که در بندهای 1-1 و 1-2 ارائه گردید، مفهوم راندمان تنها برای یک مجموعه که متشکل از بویلر و مشعل است و در اصلاح پکیج[3] نامیده می­شود، صحیح و کاربردی است و سایر مفاهیم و اعداد راندمان برای مشعل و بویلر با ساختار جداگانه کاملا اشتباه و غیر علمی هستند. به همین دلیل در این گزارش از این پس از مفهوم پکیج آبگرم به جای بویلر آبگرم برای بررسی راندمان استفاده می­شود. در شکل 3 نمای برشی از یک پکیج فایرباکس با معرفی بخش­های مختلف آن نشان داده شده است.

شکل 3 –  نمای برشی از یک پکیج فایر باکس؛ بررسی عملکرد این پکیج، لازمه ی نگاه یکسان به دو بخش بویلر و مشعل به صورت همزمان است.

 برای بررسی راندمان و تعیین رده­ی انرژی پکیچ­های آبگرم لازم است به استانداردهایی که موازین و روش­های سنجش را ارائه می­دهند، مراجعه کرد. در جدول 1 فهرست استانداردهای حاکم بر این مساله ارائه شده است. از میان این استانداردها، استاندارد ملی 14763 تنها برای انتخاب رده­ی انرژی به کار گرفته می­شود. دو استاندارد BS-EN 303-3 برای پکیج های آبگرم با مشعل­های دمنده­دار، و استاندارد BS-EN 15502 برای پکیج­های آبگرم با مشعل پیش مخلوط یا مشعل­های اتمسفریک مورد استفاده قرار می­گیرند. استاندارد ملی 4472 تنها استاندارد فعال در ایران در خصوص مساله سنجش انرژی پکیچ­های آبگرم است. در این استاندارد، برای سنجش راندمان، بویلر را به مشعلی که توصیه شده­ی سازنده آن است، مجهز می­کنند و نگرش در کلیه  بخش­های این استاندارد، در قالب پکیج صورت گرفته است.  

جدول 1 –  استاندارد های مربوط به مساله سنجش رده انرژی پکیج های آبگرم

2- سیکل سنجش راندمان پکیج آبگرم

سیکل شماتیک سنجش راندمان پکیج آبگرم مطابق استاندارد ملی 4472 و استاندارد BS-EN 303-3 در شکل 4 نشان داده شده است. بر اساس این طرح، آب گرم شده در دیگ به وسیله پمپ به داخل مبدل رفته و پس از کاهش دما و اندازه­گیری جرم آن توسط ترازو دوباره به دیگ برمی­گردد. برای کاهش دمای آب در مبدل از روش­های متفاوتی نظیر برج­ خنک­کن و منبع آب می­توان استفاده کرد. در این سیکل، منبع انبساط، منبع تغذیه و در نقاط ورودی و خروجی دیگ دماسنج­های آب نیز تعبیه شده است. اجرای این آزمون از لحاظ اتاق آزمابشگاه، ابزارهای سنجش دما، فشار، دبی آب، حجم گاز مصرفی، اطلاعات محیطی و … ملزومات خاصی داشته که توضیح آن از اهداف این نوشتار خارج است.

شکل 4 – سیکل سنحش راندمان پکیج آبگرم

 2-1- ارزش حرارتی

ارزش حرارتی سوخت (در اینجا گاز شهری) میزان انرژی است که در ازای احتراق یک متر مکعب سوخت در شرایط استاندارد (دمای 15 درجه سانتیگراد و فشار 25/1013 میلی بار) آزاد می­شود. سوخت گاز، معمولا خالص نیست و از درصدهای حجمی گوناگون گازهایی نظیر متان، اتان و … تشکیل شده است. محاسبه ارزش حرارتی نیازمند آگاهی از درصدهای حجمی اجزای تشکیل دهنده و ارزش حرارتی هر یک از اجزاست.

ارزش حرارتی با دو تعریف مجزا، محاسبه و گزارش می شود:

• ارزش حرارتی بالا[4] (ناخالص[5]): در محاسبه ارزش حرارتی بالا، آب موجود در سوخت به صورت مايع در نظر گرفته می­شود.
• ارزش حرارتی پایین[6] (خالص[7]): در محاسبه ارزش حرارتی پایین، آب موجود در سوخت به صورت بخار در نظر گرفته می­شود.

ارزش حرارتی بالا H_gross، همواره از ارزش حرارتی پایین H_net بیشتر است. علت این امر این است که آب موجود در سوخت، در فرایند تغییر فاز از بخار به مایع، انرژی گرمایی تولید می­کند.

2-2- سنجش راندمان

مطابق با استاندارد ملی 4472 و استاندارد BS-EN 303-3، راندمان پکیچ آبگرم به صورت مستقیم و بر طبق رابطه (1) محاسبه می­شود.

در این رابطه:

m : جرم آب

T_in : دمای آب ورودی به پکیج

T_out : دمای آب خروجی از پکیج

V_r : حجم گاز مصرفی در شرایط استاندارد (دمای 15 درجه سانتیگراد و فشار 25/1013 میلی بار)

 : ارزش حرارتی بالا/ پایین

حجم گاز مصرفی در شرایط استاندارد نیز به کمک رابطه (2) قابل محاسبه است:

در این رابطه، V حجم گازی است که در سیکل سنجش راندمان مصرف می­شود. در زیر رادیکال، کسر اول برای تصحیح فشار هوا در محیط آزمایشگاه، کسر دوم برای تصحیح فشار خط گاز، کسر سوم برای تصحیح دمای گاز و کسر آخر برای تصحیح چگالی گاز نسبت به شرایط مرجع مورد استفاده قرار می­گیرد.

3- برچسب انرژی دیگ و مشعل

پس از سنجش راندمان پکیج به کمک استاندارد ملی 4472 و استاندارد BS-EN 303-3 ، نوبت به تعیین برچسب انرژی می­رسد. برای این امر از استاندارد ملی 14763 بهره گرفته می­شود. بر طبق این استاندارد رده های انرژی پکیج­­های آبگرم، مطابق جدول 2 دسته بندی می­شوند. 

جدول 2 –  برچسب انرژی دیگ و مشعل (مطابق با استاندارد 14763)

در خصوص این استاندارد، توجه به چند نکته ضروری است:

• معیار برچسب انرژی یک پکیج؛ بر مبنای راندمان حرارتی ناخالص صورت می­گیرد.
• بالاترین برچسب یک پکیج آبگرم، A می­باشد و لذا هر نوع برچسب نظیر A⁺ ، A⁺⁺ و یا A⁺⁺⁺ تا زمانی که استاندارد به روز جایگزین نشود، کاملا غیر قانونی بوده و تنها برای فریب مصرف کنندگان ناآگاه به کار برده می­شوند.
• پکیج­هایی که راندمان ناخالص آنها، پایین­تر از 72 باشد، قابلیت دریافت برچسب انرژی را ندارند. این در حالی است که بسیاری از پکیج­های آبگرم، به علت بالا بودن دمای دودکش و یا اتلافات شدید سطحی و یا مشعل­های نامناسب، راندمانی پایین تر از 72 درصد داشته و به هیچ وجه قابلیت بهره­ برداری حتی بر مبنای پایین­ترین رده­­ی انرژی را نیز ندارند. از مهم­ترین این پکیچ­ها می­توان به پکیج هایی که بویلر دو پاس با دمای دودکش بالا دارند و یا پکیج هایی که مشعل آنها استاندارد لازم را نداشته و در هوای اضافه بالا کار می­کنند اشاره کرد.

3-1- پکیج­های آبگرم فولادی در بهترین حالت برچسب C دارند

یکی از محصولات احتراق گاز، بخار اسید سولفوریک است. این بخار در دمایی فی ما بین 160 الی 180 درجه سانتی گراد (بسته به نوع سوخت)، چگالیده می­شود. این اسید خاصیت خورندگی دارد و به شدت ساختمان فولادی بویلر را تخریب می­کند. اگر دمای محصولات احتراق در دودکش، به علت طراحی نامناسب ساختمان بویلر و یا ناهمخوانی ساختار ظرفیتی مشعل، دمایی پایین­تر از دمای 160 الی 180 درجه سانتی­گراد داشته باشد، سولفوریک اسید بدنه بویلر را سریعا تخریب می­کند. شکل 5، وضعیت یک بویلر که دمای دودکش آن پایین از اعداد فوق است، بعد از یکسال کارکرد نشان می­دهد.

شکل 5 – تخریب ساختمان بویلر فولادی بعد از یک سال کارکرد، به دلیل پایین بودن دمای محصولات احتراق و چگالش سولفوریک اسید

از سوی دیگر در بویرهای فولادی، چگالش بخار آب وجود ندارد و انرژی نهان بخار آب موجود در سوخت بازیابی نمی­شود. با توجه به حجم اتلافات دودکش و عدم بازیابی انرژی بخار آب، راندمان پکیج در بهترین حالت نمی­تواند بالاتر از 85 الی 86 درصد باشد. از این رو بر طبق اطلاعاتی که در جدول 2 بیان شده است، یک پکیج فولادی در بهترین حالت می­تواند، برچسب انرژی C را اخذ کند.  

3-2- پکیج­های چگالشی برچسب انرژی A دارند

در پکیج­های چگالشی، ساختمان داخلی بویلر از مواد مقاوم به خورندگی در برابر اسیدهای موجود در محصولات احتراق، تولید می­شود. لذا از یک سو دمای دودکش در یک فرایند صحیح طراحی قابلیت کاهش تا زیر نقطه شبنم دارد و از سوی دیگر، به علت معیان بخار آب به مایع، انرژی نهان بخار آب در محصولات احتراق آزاد شده و راندمان پکیج قطعا بالاتر از 90 درصد خواهد بود. این راندمان در بهترین شرایط تا اعداد 99 درصد هم به صورت آزمایشگاهی قابلیت افزایش دارد. لذا بر طبق اطلاعاتی که در جدول 2 بیان شده است، یک پکیج چگالشی برچسب انرژی A را مطابق با استاندارد 14763 اخذ می­نماید. در شکل 6 نمونه­ای از پکیج­های چگالشی نشان داده شده است.

شکل 6 – پکیج چگالشی؛ ساخت شرکت پاکمن؛ ساختار داخلی این پکیج ها از مواد مقاوم به خوردگی ساخته می­شود. این پکیج ها از رده انرژی A مطابق با استاندارد ملی 14763 برخوردار هستند.  

3-3- اعلام راندمان بالاتر 100 برای پکیج های چگالشی کاربردی است یا جنبه تبلیغاتی دارد؟

در بخش 2-1 برای ارزش حرارتی دو تعریف ارزش حرارتی ناخالص و خالص ارائه شده است. ارزش حرارتی ناخالص زمانی است که بخار آب محصولات احتراق به عنوان مایع در نظر گرفته می­شود. راندمان مطلوب بویلرهای چگالشی، نیز بر چگالش بخار آب در محصولات احتراق استوار است. لذا در نگاه عملی و کاربردی، لازم است راندمان بویلر چگالشی را بر مبنای ارزش حرارتی ناخالص H_gross محاسبه کرد. از سوی دیگر بر طبق رابطه (1)، با توجه به اینکه ارزش حرارتی در مخرج کسر قرار دارد، راندمان ناخالص   همواره از راندمان خالص  پایین تر است. بر طبق این توضیحات راندمان کاربردی برای بویلرهای چگالشی همان راندمان ناخالص است. این راندمان همواره پایین تر از 100 می­باشد. متاسفانه در تبلیغات اقتصادی بعضا راندمان پکیج به صورت خالص گزارش می­شود، در صورتی که راندمان خالص با مفهوم چگالش بخار آب، در تناقض بوده و تنها یک شعار تبلیغاتی و بهره­گیری مغرضانه از تعاریف ارزش حرارتی است. به عبارت دیگر در چنین حالتی، راندمان پکیج­های چگالشی که اصول و مفهوم کارکرد آنها بر مبنای ارزش حرارتی ناخالص (بالا) استوار است، به صورت خالص گزارش می­شود و این موضوع تنها یک سوء استفاده از تعریف ارزش حرارتی خالص است و هیج مفهوم کاربردی و عملی ندارد.  

4- آزمایشات عملی برچسب انرژی بر روی پکیج آبگرم فولادی (غیرچگالشی)

همان طور که در بخش 1 به طور کامل توضیح داده شده است، مفهوم راندمان تنها برای یک پکیج که متشکل از دیگ و مشعل است، مفهوم علمی، عملی و استانداردی پیدا می­کند. این موضوع را می­توان در قالب آزمایش تجربی به خوبی اثبات کرد. برای این امر می­توان یک بویلر را با مشعل های مختلف مورد آزمایش قرار داد و وضعیت راندمان مجموع را بر مبنای استاندارد ملی 4472 و استاندارد BS-EN 303-3 تعیین کرد. در جدول 3 اطلاعات آزمایشگاهی برای بویلر سه پاس آبگرم از نوع فایرباکس به ظرفیت 600 کیلووات ارائه شده است. این بویلر با سه مشعل مختلف مورد آزمایش قرار گرفته است و نتایج آن، در سه ردیف از جدول 3 ارائه شده است. همان طور که ملاحظه می­شود، برچسب انرژی پکیج، با اینکه در هر سه آزمایش، بویلر ثابت است، کاملا متفاوت از یکدیگر است. علت اصلی این مساله، تفاوت ساختار شعله در مشعل­های مختلف و فابلیت کارکرد هر یک در هوای اضافه­ی متفاوت است. از دیگر نکات جالب اینکه در پکیج نوع سه[8] که در آن هوای اضافه احتراق قریب به 35 درصد پایین­تر از پکیج نوع یک است، دمای دودکش نه تنها افزایش نداشته بلکه به اندازه­ی تقریبا 10 درجه کاهش نیز داشته است. علت امر ساختار اختشاشی شعله­ی این مشعل در مقایسه با مشعل نوع 1 است.

5- نتیجه گیری

 با توجه به اطلاعاتی که در بخش­های مختلف این گزارش ارائه شده است، در مجموع و به صورت تیتر وار، نتایج زیر ارائه می­شود:

• مفهوم راندمان برای مشعل و بویلر به صورت مجزا معنای علمی و عملی ندارد و هر گونه اعدادی که برای این دو به صورت مجزا گزارش می­شود، کاملا غلط بوده و مبنای استانداردی نیز ندارد. راندمان تنها برای یک پکیج که متشکل از بویلر و مشعل است، مفهوم پیدا می­کند.
• سنجش راندمان پکیج­های آبگرم بر مبنای استاندارد ملی 4472 و استاندارد BS-EN 303-3 صورت می­گیرد. به کمک این استاندارد و توسط یک سیکل استاندارد می­توان راندمان پکبج را محاسبه کرد و نهایتا بر چسب مربوطه­ی آن را بر مبنای استاندارد 14763 گزارش داد.
• راندمان به دو صورت راندمان خالص و ناخالص گزارش می­شود. راندمان کاربردی، همان راندمان ناخالص است و برچسب انرژی بر مبنای راندمان ناخالص تعیین می­شود.
• پکبج­های فولادی غیر چگالشی هرگز نمی­توانند رده­ی انرژی بالاتر از C را اخذ کنند.
• پکیج­های چگالشی رده انرژی A دارند.
• اعلام راندمان بالاتر 100 (یا راندمان خالص) برای بویلرهای چگالشی بیشتر بازی با مفاهیم ارزش حرارتی است و جنبه­ی تبلیغاتی دارد. بویلرهای چگالشی در مفهوم چگالش، کارکردی مطابق با ارزش حرارتی ناخالص (بالا) دارند و در نگاه کاربردی لازم است راندمان آنها را به صورت ناخالص ارائه داد. راندمان ناخالص همواره زیر 100 است.

[1] Radiation

[2] Convection

[3] Packaged Boiler

[4] Higher heating value (HHV)

[5] Gross

[6] Lower Heating Value (LHV)

[7] Net

[8] با مشعل 3 راه اندازی شده است