مقاله سوختهای فسیلی

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

  مقاله سوختهای فسیلی دارای ۹۲ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد مقاله سوختهای فسیلی  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی مقاله سوختهای فسیلی،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

---

بخشی از متن مقاله سوختهای فسیلی :

سوختهای فسیلی

فصل ۱ :

مولدهای بخار با سوختهای فسیلی

مولدهای بخار نیروگاه که در نیروگاههای تولید برق به کار می‌روند موضوع اصلی این کتاب را تشکیل می‌دهند. مولدهای بخار نیروگاهی مدرن اساساً دو نوع هستند:
۱ – نوع استوانه‌ای لوله آبی زیر بحرانی
۲ – نوع یکبار گذر فوق بحرانی. واحدهای فوق بحرانی معمولاً در فشار MPa24 و بالاتر کار می‌کنند که بالاتر از فشار بحرانی آب Mpa 09ر۲۲ ، است. مولد بخار استوانه‌ای زیر بحرانی معمولاً در حدود Mpa 13 یا Mpa 18 کار می‌کند. بسیاری از مولدهای بخاری که در دهه ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ خریداری شده‌اند از نوع استوانه‌ای لوله آبی هستند که در Mpa 18 کار می‌کنند

و بخار فوق گرم با دمای ۵۴۰ تولید می‌کنند و دارای یک یا دو مرحله بازگرمایش بخار هستند. این مولدها قابلیت سوزاندن زغال پودر شده و سوختهای نفتی را دارند، هر چند که سوختهای نفتی به علت افزایش قیمت و مشکلات مربوط به تامین آنها به تدریج کنار گذاشته می‌شوند. گاز طبیعی، هر چند که هنوز در برخی از نقاط دنیا در نیروگاهها مصرف می‌شود، با این همه به خاطر گرانی آن اکنون در ایالات متحده آمریکا بیشتر در مصارف خانگی مورد استفاده است. به هر حال، گاز طبیعی یک سوخت تمیز سوز و نسبتاً بدون آلودگی است.

ظرفیت بخاردهی مولدهای بخار نیروگاهی مدرن بالاست، و مقدار آن از ۱۲۵ تا ۱۲۵۰ می‌تواند تغییر کند. قدرت نیروگاهها نیز بین ۱۲۵ تا ۱۳۰۰ مگاوات است.
از سوی دیگر، مولدهای بخار صنعتی آنهایی هستند که در شرکتهای صنعتی و موسسات دیگر کاربرد دارند و انواع مختلفی را شامل می‌شوند. این مولدها می‌توانند همانند مولدهای بخار نیروگاهی از نوع لوله آبی و با سوخت زغال پودر شده باشند، اگر چه در آنها از زغال کلوخه‌ای، نفت یا گاز طبیعی، و غالباً ترکیبی از آنها، و همچنین از زباله‌های شهری، انرژی پسماندهای پردازشی یا فرآورده‌های فرعی دیگر نیز می‌توان استفاده کرد. در برخی از آنها حتی از گرمایش الکتریکی استفاده می‌شود. برخی از نوع بازیابنده گرما هستند

که در آنها از گرمای پسماند فرآیندهای صنعتی استفاده می‌شود این مولدها همچنین می‌توانند از نوع لوله آتشی باشند. مولدهای بخار صنعتی معمولاً بخار فوق گرم تولید نمی‌کنند، بلکه بخار اشباع یا حتی فقط آب گرم تولید می‌کنند ( در این صورت آنها را می‌توان مولد بخار نامید) کار این مولدها در فشارهای از چند کیلوپاسکال تا Mpa5/10 انجام می‌شود، و ظرفیت بخاردهی (یا آب گرم) آنها از کمتر از ۱ تا ۱۲۵تغییر می‌کند.

مولدهای بخار با سوختهای فسیلی غالباً با توجه به برخی اجزا یا ویژگی‌هایشان به صورت زیر تقسیم‌بندی می‌شوند:
۱ – دیگهای لوله آتشی
۲ – دیگهای لوله آبی
۳ – دیگهای گردش طبیعی
۴ – دیگهای گردشی کنترل شده
۵ – دیگهای جریان یکبار گذر
۶ – دیگهای زیربحرانی
۷ – دیگهای فوق بحرانی

دیگ لوله آتشی
دیگهای لوله آتشی از اواخر قرن هیجدهم با اشکال اولیه گوناگونی برای تولید بخار جهت مصارف صنعتی مورد استفاده بوده‌اند. امروزه دیگر از این نوع دیگها در نیروگاههای بزرگ استفاده نمی‌شود. در این فصل، این نوع دیگ به دلایل تاریخی گنجانده می‌شود، در مقابل دیگهای لوله آبی مدرن مورد تاکید خواهند بود. دیگهای لوله آتشی هنوز در صنایع به کار می‌روند و در آنها بخار اشباع با فشار حداکثر Mpa 8/1 و ظرفیت ۳/۶ تولید می‌شود. هر چند که اندازه آنها بزرگتر شده است ولی طرح کلی آنها در طی ۲۵ سال گذشته به طور چشمگیری تغییر نیافته است.

دیگ لوله آتشی شکل خاصی از دیگ نوع پوسته‌ای است. دیگ نوع پوسته‌ای عبارت است از ظرف یا پوسته‌ای بسته و معمولاً استوانه‌ای که محتوی آب است و بخشی از پوسته، مثلاً قسمت پایینی آن، به طور ساده در معرض گرمای شعله یا گازهای حاصل از احتراق خارجی قرار می‌گیرد. دیگ پوسته‌ای امروزه به اشکال نوتری مانند دیگ الکتریکی تکامل یافته است، که در آنها گرما توسط الکترودهای مستقر در آب تامین می‌شود.

در نوع دیگری از این دیگها، گرما به وسیله انباره و بدین ترتیب تامین می‌شود که بخار تولید شده در یک منبع خارجی از داخل لوله‌های درون پوسته عبور می‌کند. در هر دو نوع این دیگها، پوسته در معرض گرمای مستقیم نیست.

دیگ لوله آتشی صورت تکامل یافته دیگ پوسته‌ای است که در آن به جای بخار، گازهای گرم از داخل لوله‌ها عبور می‌کنند. به دلیل بهبود انتقال گرما، بازده دیگ لوله آتشی خیلی بیشتر از دیگ پوسته‌ای اولیه است و مقدار آن به حدود ۷۰ درصد می‌رسد.
در دیگهای لوله آتشی، لوله ها به صورتهای افقی، عمودی، یا مایل قرار می‌گیرند، اما لوله‌های افقی بیشتر متداول هستند. کوره و آتشدان در زیر انتهای جلویی پوسته واقع هستند. گازها به طور افقی از قسمت زیرین می‌گذرند و سپس تغییر جهت می‌دهند و آنگاه از لوله‌های افقی عبور می‌کنند و در قسمت جلو وارد می‌شوند.

دیگهای لوله آتشی بر دو نوع‌اند: (۱) دیگ با جعبه آتش (۲) دیگ کشتی اسکاچ . در دیگ با جعبه آتش، کوره یا جعبه آتشی همراه با لوله‌های آتشی در داخل پوسته قرار می‌گیرند. در دیگ کشتی اسکاچ احتراق در داخل یک یا چند محفظه احتراق استوانه‌ای که معمولاً در داخل و نزدیک به ته پوسته اصلی قرار دارند، انجام می‌گیرد. گازها از قسمت عقب محفظه‌ها خارج می‌شوند و پس از تغییر جهت از داخل لوله‌های آتشی به طرف جلو می‌آیند و از طریق دودکش خارج می‌شوند. در دیگهای کشتی اسکاچ معمولاً از سوختهای مایع یا گاز استفاده می‌شود.

دیگ لوله آبی: نمونه های اولیه
پیشرو مولدهای بخار مدرن، دیگ لوله آبی بود که توسط جورج بابکوک و استفن ویلکاکس در سال ۱۸۶۷ ساخته شد. آنها این دیگ را دیگ لوله آبی ((غیرانفجاری)) نامیدند که اشاره‌ای بود به انفجارهای فاجعه‌آمیز دیگها که در آن هنگام فراوان روی می‌داد. به هر حال، ساخت تجارتی دیگ لوله آبی تا اوایل قرن بیستم تحقق نیافت تا اینکه توربین بخار که نیازمند بخار با فشار و جریان بالاست اختراع شد.

دیگهای لوله آتشی برای داشتن چنین فشارها و ظرفیتهای بالایی نیازمند پوسته‌ای با قطر بزرگ بودند. پوسته‌ای با چنین قطر بزرگی نیز می‌بایست بتواند تحت تنشهای دمایی و فشاری بسیار بالایی کار کند که لازمه آن ضخامت بیش از اندازه پوسته بود. افزون بر آن، این نوع دیگها در معرض رسوب بندی و انفجار نیز بودند و هزینه آنها به طور غیرقابل قبولی بالا بود.

در مقابل، فشار بخار در دیگ لوله آبی به لوله‌ها و به استوانه‌های نسبتاً کم قطر وارد می‌شود و بدین ترتیب فشارهای بسیار بالای مولدهای بخار مدرن امروزی قابل تحمل است. دیگهای لوله آبی اولیه از لحاظ ظاهر بسیار شبیه دیگهای لوله آتشی بودند با این تفاوت که آب و بخار با فشار بالا در داخل لوله‌ها و گازهای حاصل از احتراق در خارج لوله‌ها قرار داشتند. دیگ لوله آبی مراحل متعددی را تا تکامل خود گذرانده است.

دیگ لوله مستقیم
اولین دیگ لوله مستقیم بود که در آن لوله‌های مستقیم با قطر خارجی ۳ تا ۴ اینچ تحت زاویه ۱۵، به فاصله ۸ اینچ از یکدیگر بین دو مقسم عمودی قرار می‌گرفتند. یکی از مقسم‌ها پایین آورنده بود که آب تقریباً اشباع را به لوله‌ها تغذیه می‌کرد. در این لوله‌ها آب به طور جزئی بخار می‌شد. مقسم دیگر بالا برنده بود که مخلوط مایع و بخار را دریافت می‌کرد. چگالی آب در پایین آورنده بیشتر از چگالی مخلوط دوفازه در بالا برنده بود و این اختلاف بین چگالی‌ها موجب گردش طبیعی آب در جهت عقربه ساعت می‌شد. با افزایش ظرفیت دیگ، از هر مقسم بیش از یک شاخه و از لوله‌ها بیش از یک دسته به کار رفت.

مخلوط دو فازه به استوانه بالایی که به موازات لوله‌ها (استوانه طولی) یا عمود بر آنها (استوانه عرضی) قرار می‌گرفت، وارد می‌شد. این استوانه‌ها آب تغذیه را از آخرین گرمکن آب تغذیه دریافت می‌کردند و بخار اشباع را از طریق جدا کننده بخار داخل استوانه، که بخار را از آب حبابها جدا می‌کرد، به فوق گرمکن می‌دادند. انتهای پایینی پایین آورنده‌ها به استوانه گل‌آلود وصل می‌شد که رسوبات آب گردشی را جمع میکرد.

استوانه طولی منفردی با قطر معمولاً ft4 (تقریبا m2/1 ) تنها می‌توانست به تعداد محدودی لوله مجهز شود و از این رو سطح گرمایش محدودی داشت. دیگهای استوانه افقی، بسته به ظرفیتی که داشتند دارای یک یا چند استوانه موازی بودند. این دیگها با سطح گرمایش ۹۳ تا m2 930 ساخته می‌شدند و فشار آنها به فشارهای پایینی بین ۲/۱ تا Mpa 3/2 و ظرفیت بخاردهی آنها به ۶۳/۰ تا ۱۰ محدود می‌شود.

در دیگهای استوانه عرضی، به دلیل شکل هندسی‌شان می‌توان از لوله‌های بسیار بیشتری در مقایسه با استوانه‌های طول استفاده کرد. این دیگها با سطح گرمایش ۹۳ تا m2 2300، فشارهای ۲/۱ تا Mpa10 ، و بخاردهی ۶۳/۰ تا ۶۳ ساخته می‌شدند.
برای تامین حداکثر گرماگیری لوله‌ها از گازهای احتراق گرم و به حداقل رساندن نقاط کور گاز، تیغه‌هایی در طول لوله‌های هر دو نوع دیگ قرار داده می‌شد تا تعداد مسیر عبور گاز را تا سه مسیر برساند.

دیگ لوله خمیده
انواع متعددی از دیگهای لوله خمیده متداول بوده است. به طور کلی، در دیگ لوله خمیده به جای لوله‌های مستقیم بین استوانه‌ها یا بین استوانه و مقسم‌ها، از لوله‌های خمیده استفاده می‌شد. لوله‌ها طوری خم می‌شدند که به طور شعاعی به استوانه‌ها وارد و یا از آن خارج شوند. تعداد استوانه‌ها معمولاً بین دو تا چهار عدد بودند. به طوری که در بالا اشاره شد، با نصب تیغه‌های گاز یک یا چند مسیر عبور گاز به وجود می‌آمد.

در اینجا کافی است که به نمونه‌ای از دیگهای لوله خمیده که دیگ استرلینگ چهار استوانه‌ای نامیده می‌شود اشاره کنیم، این دیگ در اوایل دهه ۱۸۹۰ ابداع شد و پس از آن تغییرات اندکی پیدا کرد. این دیگ، برخلاف سایر دیگهای لوله خمیده، دارای سه استوانه بالایی و یک استوانه پایینی ( که استوانه گل ‌آلود هم نامیده می‌شود) بود که به ترتیب محتوی مخلوط دو فازه و آب بودند.
دیگ چهار استوانه‌ای استرلینگ به ترتیبی که در زیر بیان می‌شود کار می‌کرد. گاز حاصل از احتراق از قسمت راست ته کوره به طرف بالا جریان می‌یافت.

در این دیگ، استوانه بخار مستقیماً در بالای استوانه آب قرار داشت و دارای یک ردیف لوله‌های خمیده در جلو، یعنی در طرف گازهای ورودی، و یک ردیف لوله در عقب بود. در طرحهای بعدی دیگ در استوانه‌ای استرلینگ، تنها از یک مسیر گاز استفاده شد. در طرحهای اخیر کوره دیگ استرلینگ، از دیوارهای خنک شونده استفاده می‌شود، به این ترتیب که سطوح داخلی کوره با لوله‌هایی که حامل همان آب دیگ است و از نیروگاه می‌آید پوشانده می‌شود. این لوله‌ها، سطوح جذب گرما را افزایش می‌دهند و پوشش نسوز درونی دیوارها را در مقابل دماهای بالا محافظت می‌کنند که نتیجه آن افزایش آهنگهای احتراق و جریان بخار است.

دیگ استرلینگ به طور کلی می‌تواند خود را با شرایط بارهای به شدت متغیر هماهنگ کند و در جایی که نگهداری کیفیت بالای آب مشکل است، یک دیگ مناسب به شمار می‌رود و با انواع سوختها هم سازگاری دارد. این دیگ هم در کشتیها و هم در موارد مستقر در سطح زمین کاربرد پیدا کرده است.

دیگ لوله آبی: پیشرفتهای اخیر
ظهور کوره با دیوارهای خنک شونده با آب که دیوارهای آبی نامیده می‌شود، بالاخره منجر به ادغام کوره، صرفه جو، دیگ، فوق گرمکن، بازگرمکن، و پیش خنک کن هوا در مولد بخار مدرن شد. برای خنک کردن دیوارهای محل قرار گیری صرفه جو، فوق گرمکن و اجزای دیگری مانند جدارهای حائل و دیوارهای مقسم نیز از آب استفاده می‌شود. استفاده از تعداد زیادی گرمکنهای آب تغذیه ( تا هفت یا هشت دستگاه) به معنی صرفه جوی کوچکتر، و فشار بالا به معنی دیگی با سطح کمتر است، زیرا گرمای نهان تبخیر با افزایش فشار به شدت کاهش می‌یابد.

بدین سان مولدهای بخار فشار بالای مدرن نسبت به واحدهای قدیمی‌تر نیازمند فوق گرمکن و بازگرمکنی با سطح بیشتر و دیگی با سطح کمتر هستند. فراتر از فشارهای Mpa 10، لوله‌های آبی کل سطح دیگ را می‌پوشانند و برخلاف آنچه در طرحهای قدیمی‌تر در دو بخش پیشین دیدیم، نیازی به وجود لوله‌های دیگر نیست.

آب در دمای ۲۳۰ تا ۲۶۰ از گرمکن فشار بالای آب تغذیه خارج و سپس وارد صرفه جو می‌شود و آن را به صورت مایع اشباع یا مخلوط دو فازه با کیفیت پایین ترک می‌کند و آنگاه از قسمت میانی وارد استوانه بخار می‌شود. آب از طریق لوله‌های عایق پایین آورنده که در خارج کوره قرار می‌گیرند، از استوانه بخار به مقسم جریان می‌یابد. مقسم به لوله‌های آبی که دیوارهای کوره را می‌پوشانند و به عنوان لوله‌های بالابرنده عمل می‌کنند مربوط می‌شود.

آب در این لوله‌ها گرما را از گازهای حاصل از احتراق دریافت می‌کند و به مقدار بیشتری تبخیر می‌شود. اختلاف چگالی بین آب لوله‌های پایین آورنده و لوله‌های آبی، به گردش آب کمک می‌کند. در استوانه، بخار از مایع در حال جوش جدا می‌شود و به فوق گرمکن و سپس به قسمت فشار بالای توربین می‌رود. بخار پس از خروج از این توربین به بازگرمکن باز می‌گردد و سپس به قسمت فشار پایین توربین می‌رود.
هوای جو پس از خروج از دمنده با جریان اجباری، درست پیش از آنکه گازها در جو تخلیه شوند، توسط گاز پیش گرم می‌شود. پس از آن هوا وارد کوره می‌شود و در آنجا با سوخت آمیخته می‌شود و می‌سوزد و دما به حدود ۱۷۰۰ می‌رسد. گازهای حاصل از احتراق بخشی از انرژی خود را به لوله‌های آبی و سپس به فوق گرمکن، بازگرمکن و صرفه جو می‌دهند

و آنگاه آن را در دمایی در حدود ۳۰۰ ترک می‌کنند. از آن به بعد، گازها هوای جو ورودی را در پیش گرمکن هوا گرم و آن را در دمایی در حدود ۱۵۰ ترک می‌کنند. یک دمنده با جریان مکشی، گازها را از درون کوره بیرون می‌کشد و به دودکش می‌فرستد. اینکه گازها با دمایی در حدود ۱۵۰ بیرون می‌روند به معنی اتلاف قابلیت انجام کار در نیروگاه است.

به هر حال، این مساله به نظر می‌رسد که قابل قبول باشد زیرا (۱) گازها باید در دمایی بسیار بیشتر از دمای نقطه چگالش بخار آب موجود در گازها قرار داشته باشند (دمای نقطه چگالش برابر است با دمای اشباع فشار جزئی بخار آب) تا از چگالش بخار، که موجب تشکیل اسید و خوردگی اجزای فلزی در مسیر جریان گازها می‌شود، جلوگیری شود؛ و (۲) گازهای حاصل از احتراق باید دارای نیروی بالابر کافی جهت گذشتن از مقدار زیادی دود که در بالای دودکش قرار دارد باشند تا به خوبی در جو پراکنده شوند.

فصل ۲ :
سوختها و احتراق

سوختهای فسیلی در نتیجه تجزیه هوا و آلی و تبدیل شیمیایی آنها در زمین بوجود می‌آید.
۳۰ درصد با مصرف نفت و گاز طبیعی به وجود می‌آید. بقیه نیز عمدتاً در نیروگاههای آبی و هسته‌ای تولید می‌شود. در ایالات متحده، مصرف گاز طبیعی در نیروگاهها، به خاطر ضرورت استفاده از آن در مصارف خانگی و صنعتی به تدریج کنار گذاشته می‌شود.

سوختهای سنتزی در شمار سوختهای احتراقی جدیدی هستند که به صورتهای مایع یا گازند و عمدتاً از زغال سنگ، صخره‌های نفتی، و شنهای قیری به دست می‌آیند. امروزه، محصولات فرعی صنعتی، پسماندهای خانگی و صنعتی ، وبیوماس درصد بسیار کوچکی از سوختهای مصرفی را به خود اختصاص می‌دهند.

در این فصل سوختهای احتراقی طبیعی (فسیلی) با سنتزی که در نیروگاهها مورد استفاده قرار می‌گیرند و نیز مراحل آماده سازی و سیستمهای احتراق آنها را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

زغال سنگ
زغال سنگ در اصطلاح عمومی به تعداد زیادی از مواد معدنی جامد آلی با ترکیبات و خواص متفاوت اطلاق می‌شود، اما همه آنها اساساً دارای مقدار زیادی عنصر کربن به صورت بی‌شکل (بدون ساختار منظم) هستند. زغال سنگ به صورت رسوبات لایه‌ای در اعماق متفاوت و غالباً زیاد یافت می‌شود، هر چند که گاهی در نزدیکی سطح زمین نیز پیدا می‌شود.

ذخایر قابل بهره‌برداری زغال سنگ در ایالات متحده در حدود ۲۷۰۰۰۰ میلیون تن تخمین زده می‌شود. (اینها شامل ذخایری هستند که استخراج آنها در آینده قابل پیش‌بینی اقتصادی است) که در ۳۶ ایالت از ۵۰ ایالت این کشور وجود دارند. ذخایر زغال سنگ در ایالات متحده در حدود ۳۰ درصد کل ذخایر جهانی زغال سنگ است.

زغال سنگ را با توجه به خواص فیزیکی و شیمیایی آن می‌توان از دیدگاههای گوناگون تقسیم‌بندی کرد. پذیرفته‌ترین روش تقسیم‌بندی، روشی است که انجمن آمریکایی آزمون و مواد (ASTM ) آن را ارائه داده است و طبق آن زغال، براساس میزان متامورفیسم (تغییر شکل و ساختار در اثر گرما، فشار، و آب) به درجات مختلف تقسیم‌بندی می‌شود. در پایین‌ترین مرتبه این تقسیم‌بندی زغال قهوه‌ای و در بالاترین مرتبه آن آنتراسیت (۳۸۸ ASTM D ) قرار دارد. ذیلاً این تقسیم بندی به ترتیب درجات نزولی و به اختصار معرفی می‌شود.

آنتراسیت.
آنتراسیت در میان زغالها بالاترین درجه را دارد و ۸۶ تا ۹۸ درصد جرم آن را در حالت خشک و عاری از مواد معدنی، کربن ثابت (کربنی که به حالت عنصری است) و درصد اندکی یعنی از ۲ تا ۱۴ درصد جرم آن را مواد فرار (عمدتاً متان CH4 ) تشکیل می‌دهد. آنتراسیت به رنگ سیاه درخشان، دارای چگالی زیاد، و حالت سخت و شکننده است. آنتراسیت با حداکثر درصد کربن ثابت به صورت گرافیت است. آنتراسیت به آرامی می‌سوزد و بیشترین ارزش گرمایی را پس از زغال قیری دارد. از آنتراسیت عمدتاً در مولدهای بخار دارای سوخت انداز استفاده می‌شود، و به ندرت آن را به صورت پودر می‌سوزانند. در ایالات متحده، بیشترین معادن آن در پنسیلوانیا قرار دارد.

زغال آنتراسیت با توجه به مقدار کربن ثابت آن به سه زیرگروه تقسیم می‌شود که عبارت‌اند از:
متا آنتراسیت که دارای بیش از ۹۸ درصد کربن، آنتراسیت که دارای ۹۲ تا ۹۸ درصدکربن، و نیمه آنتراسیت که دارای ۸۶ تا ۹۲ درصد کربن ثابت است.

زغال سنگ قیری.
زغال سنگ قیری به عنوان بزرگترین گروه، طیف وسیعی از زغالها را که دارای ۴۶ تا ۸۶ درصد جرمی کربن ثابت و ۲۰ تا ۴۰ درصد ماده فرار است، شامل می‌شود. نام آن از کلمه قیر گرفته می‌شود که همان ماده آسفالتی است که در تقطیر برخی از سوختها به دست می‌آید. ارزش گرمایی آن در محدوده ۲۵۶۰۰ تا ۳۲۶۰۰ قرار دارد. زغال قیری به ویژه اگر به صورت پودر باشد به آسانی می‌سوزد.

گروه زغال سنگهای قیری به پنج زیرگروه تقسیم می‌شود که عبارت‌اند از: زغال قیری که ماده فرار آن کم، متوسط، و زیاد است که نوع آخر آن نیز شامل انواع الف، ب و ج است. هر چه ماده فرار کمتر باشد، ارزش گرمایی زغال بیشتر است. زغال قیر که محتوی ماده فرار اندکی است به رنگ سیاه خاکستری است و ساختار دانه‌ای دارد، در حالی که گروههای با ماده فرار زیاد همگن یا ورقه‌ای هستند.

زغال سنگ زیرقیری.
این نوع زغال سنگها گروهی را تشکیل می‌‌دهند که عموماً دارای ارزش گرمایی کمتری از زغال‌سنگ قیری هستند. ارزش گرمایی آنها در محدوده ۱۹۳۰۰ تا ۲۶۷۵۰ قرار دارد. این نوع زغال محتوی درصد بالایی، ۱۵ تا ۳۰ درصد، رطوبت است ولی غالباً درصد گوگرد آن اندک است.

رنگ آن سیاه یا سیاه مایل به قهوه‌ای است و ساختار همگنی دارد. زغال سنگ زیرقیری را معمولاً به صورت پودر می‌سوزانند. این گروه از زغال سنگ هم به سه زیرگروه الف، ب، و ج تقسیم می‌شود.
زغال سنگ چوب گونه.

این نوع زغال در پایین‌ترین مرتبه طبقه‌بندی زغال سنگها قرار دارد و اسم Lignite آن از یک کلمه لاتینی که به معنی چوب است گرفته شده است. این زغال به رنگ قهوه‌ای و دارای ساختار ورقه‌ای است، و غالباً در آن باقیمانده رگه‌های چوب را می‌توان دید. منشاء پیدایش آن غالباً گیاهانی با رزین فراوان است و از این رو محتوی رطوبت بالای ۳۰ درصد، و ماده فرار زیاد است.

ارزش گرمایی آن در محدوده تقریباً ۱۴۶۵۰ تا ۱۹۳۰۰ است. از آنجا که رطوبت این نوع زغال زیاد و ارزش گرمایی آن کم است، انتقال آن به مسافتهای دور جهت مصرف، اقتصادی نیست و معمولاً در نیروگاههایی از آن استفاده می‌شود که در نزدیکی معادن آن ساخته می‌شوند. گروه زغالهای چوب‌گونه به دو زیرگروه الف و ب تقسیم می‌شود.

زغال سنگ نارس.
این نوع زغال در طبقه‌بندی ASTM قرار ندارد. با وجود این، آن را می‌توان از دیدگاه زمین‌شناسی اولین مرحله تشکیل زغال‌سنگ تلقی کرد. زغال سنگ نارس، ماده ناهنگنی است که شامل مواد گیاهی تجزیه شده و مواد معدنی غیرآلی است. میزان رطوبت آن تا ۹۰ درصد می‌رسد. زغال نارس به عنوان سوخت نیروگاهی چندان جالب نیست.

ولی در بسیاری از نقاط جهان فراوان یافت می‌شود. در ایالات متعددی از کشور آمریکا معادن بزرگی از آن وجود دارد. به خاطر وفور آن، در چند کشور (ایرلند، فنلاند، اتحاد شوروی) از آن در نیروگاههای مولد برق و گرمایش منطقه‌ای استفاده می‌شود.

تجزیه زغال سنگ
دو روش برای تجزیه زغال سنگ وجود دارد: روش مستقیم و روش تجزیه کمی عناصر، که هر دو روش مبتنی بر درصد جرمی است. هر دو روش ممکن است براساس زغال دریافتی استوار باشند که برای محاسبات احتراقی مناسب است، یا براساس بدون رطوبت که در آن از تغییرات مقدار رطوبت در یک محموله زغال و حتی در مراحل مختلف پودر کردن صرف نظر می‌شود، یا براساس بدون ماده معدنی خشک که در آن از این مساله که اجزای خاکستر از همان مواد معدنی موجود در زغال نباشند احتراز می‌شود.

تجزیه مستقیم
این روش از روش دیگری که برای تجزیه زغال وجود دارد ساده‌تر است و روشی است که به آسانی اطلاعات مهمی را برای مصرف زغال در مولدهای بخار فراهم می‌کند. روش پایه تجزیه مستقیم در ANSI/ASTM Standards D3172 معرفی شده است. با این روش درصدهای جرمی کربن ثابت، ماده فرار، رطوبت، و خاکستر تعیین می‌شود. درصد گوگرد به طور جداگانه تعیین می‌شود.

کربن ثابت همان عنصر کربن است که در زغال وجود دارد. در روش مستقیم، مقدار آن تقریباً معادل اختلاف بین جرم نمونه اصلی و مجموع جرمهای ماده فرار، رطوبت، و خاکستر در نظر گرفته می‌شود.

ماده فرار که شامل بخار آب نمی‌شود، قسمتی از زغال را گویند که به هنگام گرمایش نمونه در غیاب اکسیژن در ضمن یک آزمون استاندارد (تا دمای ۹۵۵ و به مدت ۷ دقیقه ) ، از آن جدا می‌شود. ماده فرار شامل هیدروکربنها و گازهای دیگری است که در نتیجه تقطیر و تجزیه به دست می‌آیند.

مقدار رطوبت در ضمن یک آزمون استاندارد و در نتیجه خشک کردن نمونه در یک گرمخانه تعیین می‌شود. این مقدار شامل همه آب موجود که شامل آب ترکیبی و آب هیدراتی است نمی‌شود. اصطلاحات متعدد دیگری برای رطوبت زغال به کار می‌رود که یکی از آنها رطوبت ذاتی است که در حالت طبیعی زغال وجود دارد و به عنوان بخشی از ماده معدنی محسوب می‌شود. در این مورد البته آب سطحی در نظر گرفته نمی‌شود.

خاکستر عبارت از نمکهای غیرآلی است که در زغال وجود دارند. مقدار آن در عمل با اندازه‌گیری مواد غیرقابل احتراق باقیمانده از احتراق زغال خشک در ضمن یک آزمون استاندارد (در ۷۵۰ ) تعیین می‌شود.
گوگرد به طور جداگانه در ضمن یک آزمون استاندارد، مطابق ANSI/ASTM Standards D2492 تعیین می‌شود. گوگرد چون قابل احتراق است، در ارزش گرمایی زغال هم سهیم است. در اثر احتراق آن اکسیدهایی تشکیل می‌شوند که در نتیجه ترکیب با آب به صورت اسید در می‌آیند. این اسیدها در صورتی که دمای گازهای احتراق به کمتر از دمای نقطه شبنم آنها برسد، موجب بروز مسائل خوردگی در قسمت انتهایی مولد بخار می‌شوند، علاوه بر آن موجبات آلودگی محیط زیست را نیز فراهم می‌کنند.

روش تجزیه کمی عناصر
این روش نسبت به روش قبلی روش علمی‌تری است که توسط آن درصد جرمی عناصر شیمیایی تشکیل دهنده زغال تعیین می‌شود. این عناصر شامل کربن، هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن و گوگرد هستند. مقدار خاکستر نیز به طور کلی تعیین می‌شود که گاهی تعیین مقدار آن در تجزیه جداگانه‌ای انجام می‌گیرد. این روش تجزیه در ANSI/ASTM Standards D3176 معرفی شده است.

ارزش گرمایی
ارزش گرمایی سوخت که واحد آن است ممکن است براساس زغال دریافتی، خشک، یا خشک و بدون خاکستر تعیین شود. ارزش گرمایی عبارت است از مقدار گرمای انتقال یافته وقتی که محصولات ناشی از احتراق کامل نمونه زغال یا هر سوخت دیگری تا رسیدن به دمای اولیه مشتعل شود.

سوخت ‌اندازهای مکانیکی
تقریباً تمام زغال‌سنگ‌ها را می‌توان در سوخت‌اندازها سوزاند. احتراق در سوخت انداز، به استثنای احتراق دستی، نسبت به بقیه روش‌ها کارآیی کمتری دارد. از این روش به خاطر بازده کمی که دارد معمولاً در دیگهایی استفاده می‌شود که ظرفیت پایینی دارند و مقدار بخار تولیدی آنها کمتر از ۵۰ است، هر چند که طراحان در صددند که موارد کاربرد سوخت‌اندازها را به دیگهایی با بخاردهی حدود ۶/۱۲ محدود کنند. این ظرفیتهای کم، نتیجه محدودیتهای عملی در رابطه با اندازه سوخت‌اندازها و آهنگ نسبتاً پایین احتراق در آنهاست

که برای تولید مقدار معینی بخار به کوره عریضی نیاز دارند. از طرف دیگر، احتراق پودر زغال و سیکلون دارای آهنگ‌های احتراق بالایی هستند و از لحاظ طراحی انعطاف پذیری بیشتری دارند به طوری که می‌توانند در هر ساعت میلیونها کیلوگرم زغال را که خوراک مولدهای بخار مدرن است، در کوره‌های بلندتر و باریکتر بسوزانند. با وجود این، سوخت اندازها، در حد خود، به عنوان بخش مهمی از سیستمهای مولد بخار نقش خود را حفظ می‌کنند.

سوخت‌اندازهای مکانیکی معمولاً به چهارگروه عمده تقسیم‌بندی می‌شوند. این گروهها با توجه به نحوه تغذیه زغال به کوره عبارت‌اند از سوخت اندازهای پخش کننده، سوخت اندازهای تغذیه کننده از زیر، سوخت اندازهای با آتشدان در حال نوسان، و سوخت اندازهای با آتشدان متحرک.

سوخت انداز پخش کننده متداولترین سوخت انداز برای ظرفیت‌های بخار ۵/۹ تا ۵۰ است. این نوع سوخت انداز می‌تواند انواع زغال‌سنگها، از زغال قیری که مرتبه بالایی دارد تا زغال چوب گونه، و حتی بعضی سوختهای پسمانده فرعی مانند ضایعات چوبی، خمیرچوب، پوست درختان، و غیره را بسوزاند، و نسبت به تغییرات سریع بار جوابگو باشد. در سوخت انداز پخش کننده، زغال از یک قیف به واحدهای توزیع کننده تغذیه می‌شود

و هر واحد دارای صفحه تغذیه رفت و برگشتی است که زغال را از قیفی روی صفحه پخش کن قابل تنظیم به چرخانه مجهز به پره‌های خمیده منتقل می‌کند. تعدادی از این مکانیسمهای توزیع کننده وجود دارند که زغال را به داخل کوره وارد می‌کنند و روی آتشدان سوخت انداز به طور یکنواختی پخش می‌کنند. هوا در ابتدا از طریق جریان هوایی که در زیر آتشدان قرار دارد به داخل کوره تغذیه می‌شود و به طرف بالا جریان می‌یابد. این هوا را هوای زیرآتشدان می‌نامند. ذرات ریز زغال که در حدود ۲۵ تا ۵۰ درصد زغال تزریق شده را تشکیل می‌دهند همراه هوا بالا می‌روند

و در حالی که معلق هستند می‌سوزند. ذرات درشتتر روی آتشدان می‌افتند و در لایه‌ای نسبتاً باریک می‌سوزند. بخش دیگری از هوا که هوای روی آتش نامیده می‌شود، از قسمت بالای محل تزریق زغال به داخل کوره دمیده می‌شود. برای دمیدن هوای زیر آتشدان و هوای روی آتش از دمنده‌های با جریان اجباری استفاده می‌شود. این سوخت انداز، مجهز به دستگاههایی برای جمع‌آوری و تزریق دوباره گرد زغال و نیز کنترل مقدار زغال و جریان هوا است تا مقادیر آنها متناسب با تقاضای بار روی مولد بخار باشد.
مساله‌ای که در مورد با سوخت‌اندازهای پخش‌کننده ساکن وجود داشت انتقال خاکستر بود، که در ابتدا با دست صورت می‌گرفت، بعداً این کار با بستن بعضی از قسمتهای آتشدان و قطع هوای تغذیه شده از آن قسمت انجام می‌گرفت بدون اینکه قسمتهای دیگر آتشدان تحت تاثیر قرار گیرند. سوخت انداز پخش کننده، تنها پس از به کارگیری سوخت انداز با آتشدان متحرک و تخلیه پیوسته خاکستر در اواخر دهه ۱۹۳۰، به طور گسترده‌ای متداول شد.

سوخت اندازهای با آتشدان متحرک، به عنوان یک گروه، شامل سوخت انداز با آتشدان زنجیری هم می‌شود. این سوخت‌اندازها شامل آتشدان، مفصلها، یا وسایل اتصال هستند که به صورت تسمه‌ای بی‌انتها به یکدیگر مربوط می‌شوند و به وسیله یک چرخ دندانه دار محرک در یک انتها و یک مکانیسم چرخ دندانه‌دار با محور ثابت در انتهای دیگر راه‌اندازی می‌شوند. زغال سنگ ممکن است به طریق فوق تزریق شود یا مستقیماً از یک قیف و از طریق یک روزنه قابل تنظیم بر روی آتشدان متحرک تغذیه شود که این روزنه ضخامت لایه زغال را تنظیم می‌کند. خاکستر نیز در چاله خاکستری که با توجه به جه حرکت آتشدان در یکی از دو انتها قرار می‌گیرد تخلیه می‌شود.

آتشدانهای تمیز شونده پیوسته که به صورت رفت و برگشتی و یا در حال نوسان طرح می‌شوند نیز ابداع شده‌اند. اینها هم مانند سوخت‌اندازهای تغذیه کننده از زیر، برای احتراق انواع خاصی از زغال سنگها مناسب هستند. اما، سوخت انداز با آتشدان متحرک و تخلیه پیوسته خاکستر، آهنگ احتراق بالایی دارد و همچنان به عنوان یک سوخت انداز برتر مورد استفاده است.

اشتعال زغال تازه وارد شده در سوخت اندازها و نیز احتراق ماده فرار آن، که در نتیجه تقطیر حاصل می‌شود، در اثر انتقال گرمای تابشی گازهای سوزان انجام می‌گیرد. احتراق بستر زغال ادامه می‌یابد و همچنانکه سوخت انداز به انتهای دیگر حرکت می‌کند بستر نازکتر می‌شود و هنگامی که سوخت انداز دور می‌زند خاکستر به چاله می‌ریزد. گاهی هم طاقهایی در داخل کوره ساخته می‌شوند تا با انعکاس گرما بر روی بستر زغال، فرآیند احتراق بهتر انجام گیرد.

احتراق پودر زغال
توسعه روشهای تجارتی برای احتراق زغال پودر شده، نقطه عطفی در تاریخ تولید بخار به شمار می‌رود. این روشها، امکان ساخت مولدهای بخار و نیروگاههای بزرگ، پربازده و قابل اطمینان را فراهم کرد. مفهوم احتراق زغال ((پودری)) که قبلاً با این عنوان نام برده می‌شد، به زمانهای کارنو، دیزل، و توماس ادیسون و بسیاری از اشخاص دیگر برمی‌گردد،

به طوری که کارنو ایده استفاده از آن را در چرخه کارنو مطرح کرد. دیزل در اولین تجربه خود در موتوری که اکنون به نام و نامیده می‌شود از پودر زغال استفاده کرد و توماس ادیسون با به کارگیری آن احتراق در کوره‌های سیمان را بهبود بخشید و بدین گونه بازده و تولید آنها را افزایش داد. اما، پودر زغال تنها پس از کوششهای راهگشایانه جان اندرسن و همکارانش و پیش آهنگی شرکت برق ویسکانسین به طور موفقیت آمیزی در نیروگاههای این شرکت مورد استفاده قرار گرفت.

انگیزه کوششهای اولیه برای احتراق پودر زغال از این عقیده سرچشمه می‌گرفت که اگر زغال به صورت ذرات ریزی در بیاید، به خوبی و به آسانی گاز خواهد سوخت. بعداً عوامل تشویق کننده دیگری مانند افزایش بهای نفت و وجود منابع وسیع زغال برای استفاده از پودر زغال مطرح شدند، به طوری که امروزه در مورد مصرف زغال می‌توان گفت که تاریخ دوباره تکرار می‌شود.

بسیاری از کارهای نظری در مورد مکانیسم احتراق پودر و زغال در اوایل دهه ۱۹۲۰ آغاز شدند. مکانیسم خرد کردن و پودر کردن از دیدگاه نظری به خوبی شناخته شده نیست و امروزه به عنوان یک موضوع قابل بحث مطرح است. احتمالاً پذیرفته‌ترین قانون در این مورد قانونی است که در سال ۱۸۶۷ در آلمان منتشر شد که به نام قانون ریتینگر نامیده می‌شود

و مطابق آن کار مورد نیاز برای تبدیل اندازه یک جسم به اندازه کوچکتر متناسب است با مساحت سطح جسم یا ماده تبدیل شده. با وجود این، این قانون و قوانین دیگر، بسیاری از فرآیندهایی را که در پودر کردن زغال دخالت دارند مورد ملاحظه قرار نمی‌دهد، و بسیاری از پیشرفتهای به عمل آمده در مورد کوره‌های پودر زغال شدیداً متکی بر همبستگی‌ها و طرح‌ها تجربی هستند.

برای احتراق رضایتبخش پودر زغال در یک کوره، دو شرط لازم است:
(۱) وجود مقدار زیادی ذرات بسیار ریز زغال به طوری که بتوانند از الک با توری شماره ۲۰۰ بگذرند. این امر اشتعال آسان زغال را به دلیل نسبت بالای سطح به حجم این ذرات، فراهم می‌کند.
(۲) وجود کمترین مقدار ممکن از ذرات درشتتر که موجب افزایش بازده احتراق می‌شود. این ذرات درشتتر باید شامل مقدار بسیار کمی از ذراتی با اندازه‌های بیشتر از حد معین باشند به طوری که معمولاً نتوانند از الک با توری شماره ۵۰ بگذرند. اینگونه ذرات موجب تشکیل سرباره و افت بازده احتراق می‌شوند. در شکل ۴ . ۱ ، خط A نوعاً محدوده پودر زغال را نشان می‌دهد.

این خط نشان می‌دهد که ۸۰ درصد زغال از الک با توری شماره ۲۰۰ که دارای سوراخهایی به اندازه mm 074/0 است می‌گذرند و ۹۹/۹۹ درصد از الک با توری شماره ۵۰ که اندازه سوراخهای آن mm297/0 است عبور می‌کنند، یعنی فقط ۱/۰ درصد ذرات درشتتر از mm 297/0 هستند.

اندازه زغال قیری که پس از استخراج از معدن آماده حمل می‌شود و اصطلاحاً آن را زغال درآمده از معدن می‌نامند در حدود ۸ اینچ است. کلوخه‌هایی که بزرگی آنها بیش از اندازه است شکسته می‌شوند ولی زغال ر از الک نمی‌گذرانند. اندازه‌های دیگر زغال با اسامی معینی نامیده می‌شوند، مانند کلوخه (in 5 ) که در احتراق دستی و مصارف خانگی به کار می‌رود، تخم‌مرغ (in 2 × ۵ ) ، گردو (in × ۲ ) ، سوخت انداز ( ) ، و ریزه ( ، به معنای یا کمتر) . زغال آنتراسیت هم مطابق ۳۱۰ ASTM D دارای انواع مشابهی است که عبارت‌اند از: شکسته ( ) ،

گندم سیاه ( ) و برنج ( ) زغال سنگ معمولاً قبل از حمل به محل نیروگاه، به اندازه مناسبی که مورد نیاز آسیاب پودر کننده با کوره سیکلون است تبدیل می‌شود. اگر زغال سنگ بیش از اندازه بزرگ باشد، باید از خرد‌کننده‌ها بگذرد که بخشی از سیستم انتقال زغال را تشکیل می‌دهند و معمولاً در نقطه مناسبی در سیستم انتقال دهنده زغال قرار داده می‌شوند. اندازه زغالی که به آسیاب پودر کننده تغذیه می‌شود برابر ، و اندازه زغال لازم برای کوره‌های سیکلونی برابر است.

ماشینهای خرد کن
ماشینهای خرد کن زغال سنگ دارای انواع تجارتی متعددی هستند که برخی از آنها در موارد ویژه‌ای به کار گرفته می‌شوند. ماشین خرد کن حلقوی، یا سنگ شکن و آسیاب چکشی دو نوع از آنها هستند که برای آماده ساختن زغال جهت پودر شدن بیشتر به کار برده می‌شوند. زغال از بالا تغذیه می‌شود و در نتیجه عمل حلقه‌ها که به کمک چرخانه‌ای به طور خارج از مرکز می‌گردند یا به وسیله ضربات چکشها که به چرخانه متصل هستند خرد می‌شود. میله‌های قابل تنظیمی که مانند یک سرند عمل می‌کنند اندازه بیشینه زغال تخلیه شده را تعیین می‌کنند.

چوب و مواد خارجی دیگر نیز خرد می‌شود، ولی معمولاً برای جمع‌آوری تکه‌های آهن زاید (فلزات و سایر موادی که قابل خرد شدن نیستند) تله‌ای تعبیه می‌شود. از ماشینهای خرد کن حلقوی و آسیابهای چکشی می‌توان در داخل یا خارج نیروگاه استفاده کرد این ماشینها اندازه زغال معدنی را به اندازه تقلیل می‌دهند. بدین ترتیب، در آنها مقدار زیادی خاکه زغال که برای پودر شدن بعدی مناسب است تهیه می‌شود، ولی این خاکه برای احتراق در کوره سیکلونی مناسب نیست.

چرخ گردان زغال به اختلاط سوخت با هوای اولیه کمک می‌کند و درهای مماسی که در داخل محفظه بادگیر ساخته می‌شوند هوای اولیه احتراق و هوای ثانویه را متلاطم می‌سازند که این کار موجب اختلاط بهتر هوای ثانویه با مخلوط سوخت و هوای اولیه خارج شده از چرخ گردان می‌شود. نسبت کل هوا به سوخت بیشتر از نسبت استوکیومتری (نسبت لازم برای احتراق کامل به لحاظ شیمیایی) و در عین حال به اندازه‌ای است که از احتراق کامل سوخت اطمینان حاصل شود بدون اینکه انرژی به هدر رود، یعنی بدون اینکه گرمای محسوس هوا بیش از اندازه افزایش پیدا کند.

جدول ۱ – هوای اضافی لازم جهت سیستم احتراق برخی از سوختها
سوخت سیستم هوای‌اضافی، درصد
زغال: پودر، کوره کاملا خانک شونده با آب ۱۵ – ۲۰
پودر، کوره نسبتاً خنک شونده با آب ۱۵ – ۴۰
سوخت انداز پخش کننده ۳۰ – ۶۰
آتشدان زنجیری و سوخت انداز متحرک ۱۵ – ۵۰

خرد شده، کوره سیکلونی ۱۰ – ۱۵
سوخت نفتی: مشعلهای نفتی ۵ – ۱۰
مشعلهای سوخت چندگانه ۱۰ – ۲۰
گاز: مشعلهای گاز ۵ – ۱۰
مشعلهای سوخت چندگانه ۷ – ۱۲

جدول ۱ محدوده هوای اضافی لازم برای احتراق مطلوب برخی سوختها را به صورت درصدی از هوای نظری نشان می‌دهد.
اشتعال اولیه مشعلها به روشهای گوناگون، از جمله با پاشیدن سوخت سبک نفتی که آن هم در اثر جرقه مشتعل می‌شود، انجام می‌گیرد. برای حصول اطمینان از خود پایداری شعله، فندک معمولاً برای مدت کافی به صورت فعال باقی می‌ماند. کنترل ممکن است با دست و یا از راه دور عملی شود. فندکها در مورد سوختهای نفتی و گازی فقط برای چندثانیه روشن نگهداشته می‌شوند. ولی در مورد با پودر زغال، فندکها معمولاً برای مدتی طولانی که گاهی به چند ساعت هم می‌رسد روشن باقی می‌مانند تا دمای ناحیه احتراق به اندازه کافی افزایش یابد و از خود پایداری شعله اطمینان حاصل شود. همچنین ممکن است این ضرورت پیش آید

که فندک در بارهای بسیار کم، به ویژه هنگامی که ماده فرار زغال مصرفی کم باشد، فعال شود. چرخه گردان بخشی از مشعل را تشکیل می‌دهد که مسائل تعمیراتی حادی دارد و معمولاً سالی یکبار و یا بیشتر باید تعویض شود.

کوره‌های سیکلونی
احتراق در کوره سیکلونی که در سالهای دهه ۱۹۴۰ تحقق یافت، مهمترین گام در احتراق زغال سنگ پس از عملی شدن احتراق پودر زغال در سالهای دهه ۱۹۲۰ به شمار می‌رود. اکنون از این نوع احتراق به طور گسترد‌ه‌ای برای سوزاندن زغالهای مرتبه پایینتر که محتوی درصد بالایی خاکستر، بین ۶ تا ۲۵ درصد، و ماده فرار زیاد که معمولاً بیش از ۱۵ درصد است، استفاده می‌شود. در چنین شرایطی است که می‌توان به آهنگهای بالای احتراق که مورد نیاز است دست یافت.

از زغالهایی که درصد رطوبت زیادی دارند نیز می‌توان به شرط پیش گرم کردن استفاده کرد. تنها محدودیتی که وجود دارد این است که خاکستر نباید محتوی درصد بالایی از گوگرد یا نسبت بالای باشد. با استفاده از این نوع زغال، ممکن است موادی با دمای ذوب بالا مانند آهن و آهن سولفید در سرباره تشکیل شوند که در این صورت مزیت اصلی احتراق سیکلونی خنثی می‌شود.

مزیت اصلی این نوع احتراق، انتقال مقدار زیادی از خاکستر، در حدود ۶۰ درصد، به صورت سربار÷ مذاب است که در دیوارهای سیکلون در اثر نیروی مرکز گریز جمع می‌شود و به مخزن مجزای سرباره که در زیر قرار دارد تخلیه می‌شود. از این رو، فقط ۴۰ درصد خاکستر همراه گازهای دودکش بیرون می‌رود و این در حالی است که در احتراق پودر زغال مقدار آن به حدود ۸۰ درصد می‌رسد. این امر موجب می‌شود که سایش و کثیف شدن سطوح مولد بخار به طور چشمگیری کاهش بیابد و نیز اندازه صافیهای گردگیر با محفظه صافیها در قسمت خروجی مولد بخار کوچک شود.

مزیت دیگر کوره سیکلونی این است که فقط زغال مورد استفاده قرار می‌گیرد و از این رو دیگر به وسایل پودر کردن زغال نیازی نیست، و اندازه دیگ نیز کاهش می‌یابد. در کوره سیکلونی زغالهایی با چنان اندازه‌هایی مصرف می‌شوند که به طور متوسط ۹۵ درصد آنها می‌توانند از الک با توری شماره ۴ بگذرند.

معایب این نوع کوره عبارت‌اند از فشار بالا در دمنده با جریان اجباری و بنابراین نیاز به توان مصرفی بیشتر، عدم امکان مصرف زغالهای مذکور در بالا تشکیل اکسیدهای نیتروژن بیشتر در فرایند احتراق (Nox) که آلودگی هوا را افزایش می‌دهد.

سیکلون اساساً عبارت است از یک استوانه افقی خنک شونده با آب که در خارج از کوره دیگ اصلی قرار می‌گیرد، زغال خرد شده به آن تغذیه می‌شود و در آن با آهنگ گرمای بسیار بالا می‌سوزد. احتراق زغال، پیش از آنکه گازهای گرم تولید شده وارد کوره دیگ شوند، کامل می‌شود. زغال خرد شده در قسمت چپ و همراه با هوای اولیه که تقریباً ۲۰ درصد هوای احتراق یا هوای ثانویه را تشکیل می‌دهد، وارد مشعل سیکلون می‌شود. هوای اولیه به طور مماسی وارد مشعل می‌شود و در نتیجه یک حرکت مرکز گریز به زغال می‌دهد.

هوای ثانویه نیز با سرعت زیاد به طور مماسی از بالای سیکلون وارد می‌شود و حرکت مرکز گریز دیگری را به زغال اعمال می‌کند. مقدار کمی هوا به نام هوای سوم نیز از مرکز وارد سیکلون می‌شود.

حرکت چرخشی هوا و زغال، چگالی حجمی آهنگ گرمای آزاد شده را به حدود ۴۷۰۰ تا ۸۳۰۰ افزایش می‌دهد و دمای احتراق را به بیش از ۱۶۵۰ می‌رساند. این دماهای بالا موجب ذوب خاکستر به صورت سرباره مایع که سطح سیکلون را می‌پوشاند می‌شود.

بالاخره، سرباره از طریق شیر سرباره به مخزن سرباره که در ته کوره دیگ قرار دارد تخلیه و در آنجا منجمد می‌شود و پس از قطعه قطعه شدن انتقال می‌یابد. لایه‌ای از سرباره که بر روی دیوارهای سیکلون تشکیل می‌شود، مثل یک عایق عمل می‌کند و از اتلاف بیش از اندازه گرما از طریق این دیوارها جلوگیری می‌کند و از این رهگذر به بهبود بازده احتراق سیکلونی یاری می‌رساند.

در این دماهای بالا Nox بیشتری در گازهای حاصلی از احتراق تشکیل می‌شود. این گازها سیکلون را از طریق دهانه‌ای که در سمت راست قرار دارد ترک می‌کنند و وارد کوره اصلی دیگ می‌شوند. بنابراین احتراق در یک سیکلون نسبتاً کوچک انجام می‌گیرد و تنها وظیفه کوره اصلی دیگ، انتقال گرما از گازها به لوله‌های آبی است. کوره‌های سیکلونی برای احتراق سوختهای نفتی و گازی نیز مناسب هستند.

اشتعال اولیه به وسیله مشعلهای کوچک و نسوز گازی یا نفتی که در دریچه‌های هوای ثانویه قرار می‌گیرند عملی می‌شود.
سیستمهای احتراق سیکلونی مانند سیستمهای پودر زغال ممکن است از نوع جازغالی یا ذخیره‌ای، یا از نوع احتراق مستقیم باشند. سیستم نوع جا زغالی، به ویژه برای زغالهای قیری در احتراق سیکلون، در مقایسه با سیستم پودر زغال، بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. در سیستم سیکلونی هم احتراق در یک دیواره و هم احتراق در یک دیواره ‌های متقابل متداول است. ولی روش دوم در مولدهای بخار بزرگ ترجیح داده می‌شود.

اندازه و تعداد سیلکونها برای هر دیگ بستگی به اندازه دیگ و جواب‌دهی مطلوب به بار دارد، زیرا محدوده متداول تغییر بار برای هر سیکلون با عملکرد خوب، از ۵۰ تا ۱۰۰ درصد ظرفیت اسمی آن است . اندازه قطر سیکلونها از ۲ تا ۳ متر و آهنگ گرمای آزاد شده در آنها به ترتیب از ۴۷۰۰۰ تا kW 125000 متغیر است.

فصل ۳ :
توربینهــا

مقدمه :
اندیشه استفاده از بخار برای تولید کار مکانیکی احتمالا برای اولین بار در رابطه با پمپ کردن آب از معادن زغال سنگ مطرح شد . اولین کار موفق در این مورد یک ‹‹ موتور پمپ ›› بود که توسط توماس ساوری ( ۱۶۵۰ – ۱۷۱۵ ) در انگلستان ساخته شد . در موتور ساوری بخار مستقیماً با فشاری بین ۵/۴ تا ۸ بار بر سطح آب واقع در محفظه ای اعمال می شد و آن را در لوله ای بالا می برد . در این موتور یک شیر یکطرفه مانع از جریان معکوس آب می شد .

پس از خالی شدن آب از محفظه، جریان بخار به طور دستی قطع و آب خنک وارد محفظه می شد تا با چگالش بخار داخل و ایجاد خلاء در محفظه، آب بیشتری وارد آن شود . در این موتور در نتیجه تماس مستقیم بین آب و بخار، اتلاف بخار در نتیجه چگالش زیاد بود، و فقدان شیرهای اطمینان انفجارهای زیادی را موجب می شد .

تقریباً همزمان با ساوری، دنیس پاپین ( ۱۶۴۷-۱۷۱۲ ) که مخترع شیر اطمینان نیز بود ، فکر جداسازی بخار و آب را به وسیله یک پیستون مطرح کرد، و توماس نیوکامن ( ۱۶۶۳-۱۷۲۹ ) چنین موتور پیستون داری را طراحی کرد و سپس ساخت . در این موتور ، بخار با فشار کم به سیلندری قائم وارد و در آنجا موجب حرکت یک پیستون به طرف بالا می شد .

آنگاه بخاری که در سیلندر باقی می ماند از خارج به وسیله جهت آب خنک به صورت مایع در می آمد و از این رو خلائی در سیلندر ایجاد می شد . فشار جو بیرونی ، پیستون را در مرحله کار به عقب می راند ، به این دلیل آن را ‹‹ موتور جوی ›› می نامیدند . پیستون به یک انتهای میله ای که در وسط تکیه گاهی داشت متصل بود . پیستونی نیز در سیلندر جداگانه پمپ به انتهای دیگر آن متصل می شد .

قطر این پیستون پمپ کوچکتر از پیستون بخار بود و در نتیجه فشار آب بیشتر از فشار بخار می شد . شیرهای متعددی که در موتور نیوکامن وجود داشتند در ابتدا به طور دستی کار می کردند . فکر خودکار کردن شیرها ، در ابتدا توسط یک نوجوان که برای تنظیم شیرها استخدام شده بود ارائه شد . این نوجوان ، طبق روایت ، با وجود که این که نسبت به دیگران کوچکتر و تنبل تر بود، متوجه الگوی منظم کارکرد میله و شیر شد و یک مکانیسم ریسمانی ابداع کرد که به میله امکان می داد شیرها را تنظیم کند . موتور نیوکامن یک سوم کمتر از موتور ساوری زغال مصرف می کرد .

پس از گذشت ۶۰ سال ، جیمزوات فکر موتور رفت و برگشتی ‹‹ مدرن ›› را مطرح کرد . او به عنوان تعمیرکار وسایل ، روزی در سال ۱۷۶۴ جهت تعمیر موتور نیوکامن فرا خوانده شد و به این ترتیب او به اتلاف بخار مایع شده در سیلندر پی برد . او در سال ۱۷۶۵ به فکر یک چگالنده جداگانه افتاد ، و سپس در مورد مرحله کار ناشی از انبساط بخار ،

سیلندر دو کاره ، تنظیم کننده خفانشی به وزنه های آویزان،تبدیل حرکت رفت و برگشتی به حرکت دورانی(در سال ۱۷۸۱ )، و ایده های مهم دیگر نظرات بدیعی ابراز کرد . امروزه موتور معروف او به عنوان اختراعی که سهم برجسته ای در انقلاب صنعتی داشت تلقی می شود . موتور وات از موتور نیوکامن ۶۰% و از موتور ساوری ۷۵ درصد کمتر زغال مصرف می کرد .

پیشرفت مهم دیگر به وسیله کورلیس ( ۱۸۱۷ – ۱۸۸۸ ) به عمل آمد . او شیرهای ورودی را که سریعاً بسته می شدند ساخت . این شیرها که به نام خود او نامیده شدند ، خفانش را در ضمن بسته شدن کاهش می دادند . موتور کورلیس به اندازه نصف موتور وات زغال مصرف می کرد که به وجود این ، همین مقدار مصرف هم چهار یا پنج برابر مصرف زغال در نیروگاههای مدرن توربین بخار بود . گام بعدی را استامف ( ۱۸۶۳ – ؟ ) برداشت و هم ویود که ‹‹ موتور تک جریانی ›› را ساخت . در طرح این موتور کاهش اتلاف چگالشی باز هم بیشتری مورد توجه قرار گرفت .

بزرگترین موتور رفت و برگشتی بخار در اوایل قرن بیستم جهت راه اندازی یک مولد برق ۵ مگاواتی که در مقیاس آن زمان خیلی بزرگ بود ساخته شد . پس از آن هرگز موتور بزرگتر دیگری ساخته نشد، هرچند که بهبود عملکرد آن به ویژه با موتور تک جریانی ادامه یافت . البته در همان ایام نیاز به وجود مولدهای برق بزرگتری احساس می شد بدون اینکه موتورهای رفت و برگشتی به قدر کافی بزرگ جهت راه اندازی شان موجود باشد .

وارد شدن توربین بخار به صحنه ابداً یک فکر تازه نبود ، بلکه نیاز به آن به وسیله مخترعین زیادی در اواخر دهه اول ۱۸۰۰ پیش بینی شده بود . توربین بخار نیز مانند بسیاری از اختراعات مهم هنگامی ساخته شد که دنیا به آن نیاز پیدا کرد .

در واقع ، اولین توربین بخار ثبت شده در تاریخ، توربین بخاری است که توسط هرواسکندرانی در حدود قرن اول میلادی ساخته شد . این توربین از یک کره توخالی تشکیل می شد که قادر بود حول یک محور افقی ، در فاصله بین دو لوله ثابت کرد که کره را به یک دیگ بخار مربوط می کردند بچرخد . بخار تولید شده در دیگ وارد کره می شد و به طور مماسی از طریق دو عدد شیپوره در هوای جو تخلیه می شد . شیپوره ها در صفحه عمود بر محور دوران و در دو جهت مخالف هم قرار داشتند . بخار خروجی از شیپوره ها ، مانند خروج آب از یک آبپاش دوار چمن زارها ، موجب دوران کره میشد.

از این رو ، توربین هرو بر اساس اصل عکس العمل کار می کرد. پس از گذشت مدت زمانی مدیدی ، در حدود سال ۱۶۲۹ ، توربین بخاری ساخته شد که در آن از جت بخار که به پره های یک چرخ برخورد می کرد و موجب دوران آن میشد استفاده شد. این توربین بر اساس اصل ضربه کار می کرد . پس از آن ، در سال ۱۸۳۱ ، ویلیام آوری آمریکایی اولین توربین بخاری را که به طور تجارتی در کارگاههای چوب بری مورد استفاده قرار گرفت ساخت. حداقل در یک مورد سعی شد که از آن در لوکوموتیو نیز استفاده شود.

توربین اوری همانندیهایی با تقریباً ۰۷۵ متر استفاده میشد، بازوها تحت زاویه قائم به محور متصل بودند و در انتهای هر کدام روزنه کوچکی وجود داشت که بخار در جهت مخالف از آنها خارج می شد . بخاری که وارد محور توخالی می شد از طریق روزنه ها خارج و موجب دوران محور میشد . بخاری که وارد محور توخالی می شد از طریق روزنه ها خارج و موجب دوران محور می شد .

از این رو ، توربین آوری نیز مانند توربین هرو یک توربین عکس العملی بود . هر چند ادعا می شد که بازده این توربینها شبیه به بازده موتورهای بخار رفت و برگشتی معاصرشان است ، ولی به دلیل بالا بودن سروصدا در آنها ، مشکل بودن کنترل ، و خراب شدنهای مکررشان ، از آنها استفاده نشد .

به هر حال ، توربین بخاری که جایگزین موتور بخار رفت و برگشتی شد ، در نتیجه کوششهای افرادی چند در اواخر قرن نوزدهم پا به عرصه وجود گذاشت . پیشتاز این افراد گوستاودولاوال سوئدی و چارلز پارسون انگلیسی بودند . دولاوال در ابتدا یک توربین کوچک عکس العملی با سرعت بالا ( ) طرح کرد ولی چون آنرا یک طرح عملی نمی دانست ، توجه خود را به طراحی یک توربین ضربه ای تک طبقه معطوف کرد ، این نوع توربین امروزه نیز به نام او نامیده می شود .

همچنین استفاده از شیپوره همگرا – واگرا را در توربین برای نخستین بار به او نسبت می دهند . این نوع توربین امروزه نیز به نام او نامیده می دهند . این نوع توربین برای اولین بار در سال ۱۸۹۰ مورد آزمایش قرار گرفت ، و در سال ۱۸۹۱ توربینی با قدرت ۱۵ اسب بخار که دارای دو چرخ بود ، جهت استفاده در کشتیها ساخت . یکی از چرخها جهت حرکت کشتی به جلو و دیگری برای حرکت آن به عقب بود . پارستونز یک توربین پارسونز در سال ۱۸۸۴ ساخته شد .

اولین کشتی که از توربین به عنوان موتور محرک استفاده می کرد ، در سال ۱۸۹۵ به آب انداخته شد و طبیعی بود که آن را ‹‹ توربینییا ›› بنامند . در این کشتی نیز از دو چرخ توربین یکی برای حرکت به جلو و دیگری برای حرکت به عقب استفاده می شد . بعداً از توربینهای بخار متعدد ، چه در کتیها و چه در نیروگاهها ، استفاده شد .

علاوه بر دولاوال و پارسونز ، راتو فرانسوی توربین چند طبقه ای ضربه ای ( با ترکیب طبقات فشار )، چارلزکورتیس امریکایی توربین ضربه ای با ترکیب طبقات سرعت را ابداع کردند ، و جورج وستینگهاوس امریکایی نیز اولین توربین پارسونز را در آمریکا با ظرفیت ۴۰۰kw در کارخانه وستینگهاوس در پنسیوانیا ساخت .

اندکی پس از آغاز این قرن ، استفاده از توربینهای بخار به جای موتورهای رفت و برگشت بخار در نیروگاههای برق شروع شد . پیشرفت سریعی که در این زمینه به عمل آمد ، ساخت یک واحد ۱۲MW و نصب آن در نیروگاه فیسک در شیکاگو بود . عملکرد و بازده توربین بخار نیز از موتور رفت و برگشتی فراتر رفت و در توربینها از بخار فوق گرم به طور گسترده ای استفاده شد که لازمه آن استفاده از فولاد به جای چدن در توربینها بود . ظرفیت توربینها به طور پیوسته افزایش می یافت . در سال ۱۹۲۹ یک واحد ۲۰۸MW در نیویورک ساخته شد .

در سال ۱۹۳۷ از مولدهای برق که با هیدروژن خنک می شدند استفاده شد . در اواخر دهه ۱۹۵۰ ظرفیت توربینهای بخار به ۴۵۰MW رسید . در دوران پس از جنگ جهانی دوم ظرفیت توربین بخار از ۱۰۰۰MW نیز فراتر رفت و واحدهای فشار بالا با سرعت در آمریکا که فرکانس برق استاندارد در آنجا ۶۰Hz است متداول شد ( در بسیاری از کشورهای دیگر از واحدهای که با فرکانس ۵۰Hz کار می کنند استفاده شد ) .

واحدهای فشار پایین نیز با سرعت در نیروگاههای هسته ای خنک شوده با آب در آمریکا ( و واحدهای در کشورهای دیگر ) مورد استفاده قرار گرفتند . امروزه توربین بخار نقش اصلی را در تولید انرژی الکتریکی به عهده دارد و پیش بینی می شود که این نقش را در آینده قابل پیش بینی نیز حفظ کند .

توربینهای گازی همان قدمت آسیابهای بادی را دارند زیرا آسیاب بادی را اساساً می توان به عنوان یک توربین گاز ( هوا ) تلقی کرد . اولین دستگاه گازی که طراحی این دستگاه توسط لئوناردو داوینچی انجام شده باشد و بعداً جان ویل کینز که یک روحانی انگلیسی بود ، آن را در سال ۱۶۴۸ در کتاب خود به نام جادوی ریاضی توصیف کرده است . کوششهای دیگری به عمل آمد که از جمله آنها کار جان بار بر انگلیسی بود که او دستگاه اختراعی خود را در سال ۱۸۷۱ به ثبت رساند .

دردستگاه او هوای فشرده و گاز تولید شده در یک سیلندر سوخته می شد و مخلوط از طریق شیپوره ها به چرخ توربین هدایت می شد. اولین گام مهم در زمینه ساخت توربین گازی به وسیله استولتس آلمانی برداشته شد . توربین او از قسمتهایی مشابه توربینهای گازی امروزی ، یعنی از یک اتاق احتراق جداگانه و یک کمپرسور چند طبقه با جریان محوری که مستقیما با یک توربین چند طبقه ای عکس العملی ارتباط داشت ، تشکیل می شد . با وجود این ،

بازده کمپرسور و توربین و دمای گازها به اندازه ی پایین بودند که دستگاه او با موفقیت رو به رو نشد . اولین توربین گازی موفق در سال ۱۹۰۳ در فرانسه ساخته شد . این توربین شامل یک کمپرسور رفت و برگشتی چند مرحله ای ، اتاق احتراق ، و توربین ضربه ای دو ردیفی بود . بازده گرمایی این توربین در حدود ۳% بود . پیشرفتهای بعدی با کندی صورت می گرفتند .

در دوران جدید و طی جنگ جهانی دوم ، سازندگان سوئیسی که کشورشان بر اثر جنگ منزوی شده بود ، تکنولوژی تولید قدرت با توربینهای گازی را تکامل بخشیدند . سرفرانک ویتل انگلیسی از جمله افرادی بود که امکان استفاده از توربینهای گازی را برای رانش هواپیما تشخیص داد . چنین کوششهایی بالاخره ، منجر به ساخت هواپیمانی جت جنگنده و بعدا هواپیمای جت مسافربری در کشورهای مختلف شد .

اکنون از توربین گازی در نیروگاهها عمدتاً برای تامین بار قله ای ( تامین قدرت اضافی به هنگام افزایش تقاضا ) ، برای تامین انرژی الکتریکی مناطق دورافتاده و خطوط انتقال نفت ، و اخیرا در نیروگاههای چرخه ترکیبی گاز و بخار استفاده می شود .

اصل ضربه :
قبل از ورود به بحث توربین ضربه ای ، بد نیست که اصل ضربه را مورد بررسی قرار دهیم . جت شاره ای را در نظر بگیرید که به طور افقی در جهت +x به یک صفحه قائم ثابتی برخورد می کند . شاره روی صفحه پخش خواهد شد و سرعت آن در جهت جت به صفر کاهش خواهد یافت و در نتیجه یک نیروی افقی در جهت +x به صفحه وارد خواهد کرد . این نیرو را ضربه می نامند و مقدار آن برابر است با تغییر اندازه حرکت جت در جهت +x .

که در آن
F = نیرو یا ضربه ، N
= آهنگ جرمی جریان جت ،
= سرعت در جهت افقی ،

اصطکاک شاره
اصطکاک شاره مهمترین عامل اتلافها در توربین به شمار می رود . اصطکاک در سراسر توربین ، از جمله در شیپوره ها و پره های متحرک وجود دارد . به طوری که قبلا توضیح داده شد ، با کاهش سرعتهای بخار به وسیله روش ‹‹ ترکیب ›› و غیره می توان مقدار اصطکاک را کاهش داد . همچنین هنگامی که پره ها در بارهایی غیر از بار طراحی عمل می کنند و زاویه ورود مناسب نیست نیز هنگامی که پره ها در بارهایی غیر از بار طراحی عمل می کنند و زاویه ورود مناسب نیست نیز تلاطمهایی در پره ها به وجود می آید . بین بخار و قرصهای چرخانه که پره ها روی آن قرار دارند نیز اصطکاک وجود دارد ، و طراحی چرخانه نیز به همین دلیل حائز اهیمت است .

به علاوه ، دوران اصطکاک وجود دارد و طراحی چرخانه نیز به همین دلیل حائز اهمیت است . به علاوه ، دوران چرخانه و پره نیروی مرکز گریزی بر بخار اعمال می کند که موجب می شود بخشی از آن به طور شعاعی جریان یابد و در طول پره های متحرک کشیده شود . هنگامی که پذیرش بخار به پره های متحرک کمتر از پذیرش کامل است ، مانند طبقه ضربه ای ، در پره های متحرک وضعیتی چرخشی پدید می آید که اتلاف ناشی از آن را اتلاف پروانه ای می نامند .

تلفات ناشی از اصطکاک شاره می تواند از ۱۰ درصد انرژی داده شده به توربین فراتر رود .

نشت
نشت بخار در داخل و خارج توربین اتفاق می افتد . در داخل توربین بخار می تواند از فاصله بین نوک پره های متحرک و پوسته ، در صورتی که مانند پره عکس العملی افت فشار در پره وجود داشته باشد ، نشت کند . هر چقدر افت فشار و نسبت فاصله نوک پره به ارتفاع پره بیشتر باشد نشت بخار نیز بیشتر است ، که نمونه ای از آن مورد طبقات فشار بالاست . بخاری که نشت می کدن به علت خفانش موجب اتلاف قابلیت انجام کار می شود . در توربین ضربه ای فشاری مرکب ، نشت بخار بین پایه دیافراگمهای ثابت که شیپوره ها روی آن قرار دارند و محور صورت می گیرد .

نشت بخار در خارج توربین نیز در محل یاتاقانهای مختلف محور صورت می گیرد . این نوع نشت را می توان با استفاده از آب بندی مناسب ، مانند پوشش پیچ در پیچ ، به حداقل رساند .
اتلاف ناشی از نشت ، بالغ بر حدود ۱ درصد انرژی کل داده شده به توربین است .

اتلاف ناشی از رطوبت بخار
افزون بر تلفاتی که در نتیجه پدیده فوق اشباع در منطقه دو فازه روی می دهدحضور ذرات مایع نیز موجب اتلاف بیشتر انرژی می شود . توزیع اندازه و توزیع سرعت این ذرات بی شباهت به توزیع افشانه مایع از یک شیپوره نیست . ذراتی که دارای سرعت کم هستند روی پره های متحرک ریخته می شوند ، یعنی تحت زوایایی غیر از زوایای طراحی شده با پره ها برخورد می کند

و موجب کاهش کار مکانیکی چرخانه می شوند . سرعت ذرات دیگر نیز به وسیله بخار افزایش می یابد و در نتیجه تبادل اندازه حرکت ، مقداری از انرژی بخار گرفته می شود . در نتیجه آن قسمت از توربین که در منطقه دو فازه کار می کند اساساً ، نسبت به قسمتی که در منطقه فوق گرم کار می کند ، بازده کمتری دارد .

معمولاً توربینها طوری طراحی می شوند که مقدار رطوبت بخار خروجی بیشتر از تقریباً ۱۲ درصد نباشد ( حداقل کیفیت ۸۸% ) . رطوبت بالا ( که غالباً توام با درصد بالای اکسیژن در رآکتورهای آب جوشان است ) در نتیجه برخورد ذرات مایع با پره ها ، موجب سایش پره ها
می شود .

رطوبت زیاد همچنین باعث تر شدن سطوح و ایجاد باریکه های بسیار طویلی از جریان آب می شود که به سرعت در حرکت اند . علاوه بر آن اکسیژن نیز باعث خوردگی می شود . اگر انبساط بخار منجر به مقدار رطوبتی بیشتر از ۱۲ درصد شود ، استخراج رطوبت از برخی طبقات توربین برای نگهداشتن مقدار رطوبت درحد معمول ضرورت پیدا می کند . این همان کاری است که برای نمونه در توربینهای نیروگاههای هسته ای با رآکتور آب جوشان انجام می شود . استخراج رطوبت به معنی کاهش آهنگ جرمی جریان از توربین و از این رو اتلاف کار توربین است،

هر چند که این اثر را می‌توان با ادغام آن با بخار زیرکش شده از توربین جهت گرمایش آب تغذیه به حداقل رساند. استخراج رطوبت با تعبیه شیارهایی در پشت پره‌های متحرک که محل تجمع قطرات آب است امکان پذیر می‌شود. در این صورت، قطرات آب در نتیجه نیروی مرکز گریز پره‌های متحرک به طور شعاعی به پایین سرازیر می‌شوند و در محفظه‌ای که در پوسته برای جمع‌آوری آنها وجود دارد جمع می‌شوند و سپس آب جمع شده وارد گرمکن آب تغذیه یا چگالنده می‌شود.

از نقطه نظر عملی، آلاینده‌های غیراکسیژن موجود در بخار آب، مانند مواد معلق و مواد شیمیایی مثل سدیم و کلر که طی عملیات تصفیه آب وارد سیستم می‌شوند موجب ترک خوردگی ناشی از تنش و خوردگی می‌شوند. این مسائل، کنترل شیمیایی دقیقتر، نظارت مستمرتر و نگهداری بهتر آب را طلب می‌کند.

اتلاف ناشی از خروج بخار
قبلاً به سرعت بخار در خروج از طبقات توربین اعم از ضربه‌ای و عکس‌العملی اشاره شد. انرژی جنبشی بخار خروجی معمولاً در طبقات بعدی مورد استفاده قرار می‌گیرد مگر انرژی جنبشی بخار به هنگام خروج از آخرین طبقه توربین. سرعت خروج از این طبقه ،

به دلیل پایین بودن فشار بخار و حداکثر بودن حجم ویژه بخار و با توجه به انرژی جنبشی بخار، نوعی اتلاف انرژی محسوب می‌شود. این سرعت، تقریباً عمود بر صفحه دوران در بار اسمی ولی دارای مولفه افقی بزرگی در بارهای سبکتر است. طراح می‌تواند مقدار سرعت بخار خروجی را با انتخاب ترکیب مناسبی از ارتفاع پره‌های ردیف آخر، سرعت، و مساحت کانالهای خروجی بخار به طرف چگالنده، تغییر دهد.

هر چند که سرعتهای خروجی بزرگ موجب اتلاف انرژی می‌شوند، استفاده از سرعتهای بسیار کم نیز سبب افزایش نامتعارف ارتفاع پره‌ها، کانالهای خروجی بزرگ، و افزایش هزینه‌های سرمایه‌گذاری می‌شود. سرعتهای خروجی متداول بین ۲۷۰ تا ۳۰۰ است که اتلافهایی در حدود ۲ تا ۳ درصد را موجب می‌شود.

سطح مقطع کانالهای خروجی که بخار را به طرف چگالنده می‌برد تدریجاً مانند یک پخش کننده افزایش می‌یابد و در نتیجه سرعت بخار به هنگام ورود به چگالنده کاهش و فشار آن افزایش پیدا می‌کند. این کانالها باعث می‌شوند که فشار خروجی توربین اندکی کمتر از فشار چگالنده باشد ( فشار چگالنده توسط دمای آب خنک‌کنی که در دسترس است تعیین می‌شود) و از این رو کار توربین زیاد می‌شود این کار در مورد توربینهای ۳۰۰۰ و ۳۶۰۰ دور در دقیقه در مقایسه با توربینهای ۱۵۰۰ و ۱۸۰۰ دور در دقیقه بیشتر متداول است. زیرا توربینهای اخیر دارای پره‌های بلندتر و کانالهای خروجی بزرگتری هستند.

اتلاف بر اثر انتقال گرما
اتلاف انرژی ناشی از انتقال گرما طبق معمول به سه صورت، رسانش، همرفت و تابش صورت می‌گیرد. رسانش در داخل توربین و بین طبقات آن انجام می‌گیرد و به وسیله همرفت که عمدتاً ناشی از سرعتهای بالای بخار است تقویت می‌شود. رسانش همچنین بین پوسته توربین و پایه آن نیز صورت می‌گیرد. اتلاف ناشی از همرفت و تابش که از طریق پوسته توربین به محیط پیرامونی یا سالن استقرار توربین می‌رسد،

در مورد توربینهای فشار بالا محسوستر است چرا که دمای بخار در آنا زیادتر است. توربینهای فشار بالا قطر کوچکتری دارند و معمولاً به خوبی عایق‌بندی می‌شوند. توربینهای فشار پایین که دمای بخار در آنها چندان بالاتر از دمای محیط نیست، معمولاً عایق بندی نمی‌شوند.

هر چند که سالن توربین گرم به نظر می‌رسد، ولی کل اتلاف گرما به ازای هر واحد جرم جریانی که از توربینهای بزرگ می‌گذرد بسیار کوچک است و می‌توان از آنها چشم‌پوشی کرد. با وجود این، در مورد توربینهای کوچک مکانیکی، اتلاف ناشی از انتقال گرما معمولاً چند درصد انرژی توربین را به خود اختصاص می‌دهد.

اتلاف مکانیکی و الکتریکی
توربین کار تولیدی را به یک مولد برق تحویل می‌دهد. در جریان این کار، با اتلافهای اصطکاکی در یاتاقانها، مکانیسم کنترل کننده، جعبه دنده کاهنده ( در صورتی که وجود داشته باشد) مواجه می‌شویم. همچنین مقداری از کار توربین نیز صرف تامین کار مکانیکی اجزای فرعی مانند پمپهای روغن و غیره می‌شود.

تلفات مکانیکی عملاً ثابت و مستقل از بار است، و از این رو درصد آن با کاهش بار افزایش می‌یابد. از سوی دیگر، درصد آن برای توربینهای بزرگتر کمتر است. به طور کلی، مقدار تلفات مکانیکی نسبتاً کوچک است و یک درصد انرژی توربین یا کمتر از آن را به خود اختصاص می‌دهد.

چون معمولاً جهت معرفی توان توربین از توان خروجی مولد برق استفاده می‌شود، لذا اطلاع از مقدار تلفات مولد برق ضروری است. مولدهای برق مدرن و بزرگ که به وسیله هیدروژن خنک می‌شوند و به خوبی طراحی شده‌اند، بازده بسیار خوبی دارند. بازدههایی در حدود ۹۸ تا ۹۹ درصد برای آنها متداول است. بازده آنها با افزایش بار اندکی افزایش می‌یابد و بازده مولدهای ۱۵۰۰ و ۱۸۰۰ دور در دقیقه کمی بیشتر از مولدهای ۳۰۰۰ و ۳۶۰۰ دور در دقیقه است.

بازده توربین
به طوری که قبلاً تذکر دادیم، خطوط تک فشار روی نمودار مویر واگرا هستند (در مورد گازها نیز این مطلب صحیح است)، لذا مجموع افتهای آنتالپی آیزونتروپیکی برای طبقات یک توربین از افت آنتالپی آیزونتروپیکی کل توربین بیشتر است. در نتیجه، بازده طبقه کوچکتر از بازده توربین است.
نسبت مجموع افتهای آنتالپی آیزونتروپیکی طبقات یک توربین به افت آنتالپی آیزونتروپیکی یک قسمت توربین یا کل توربین را ضریب بازگرمایش Rh می‌نامند. واضح است که Rh بزرگتر از یک است و مقدار آن، بسته به محدوده فشار، از کمی بیشتر از یک تا شاید ۰۶۵/۱ تغییر می‌کند.

در صورتی که طراح بخواهد کار طبقات با هم مساوی باشد، این کار با تقسیم افت آنتالپی آیزوتروپیکی کل توربین به قسمتهای مساوی امکان‌پذیر نمی‌شود. چون به خاطر واگرایی خطوط فشار، کار واقعی در طبقات با هم مساوی نخواهند شد. برای اینکه کار واقعی بین طبقات مساوی یکدیگر باشند، طراح باید واگرایی خطوط تک فشار را در نظر بگیرد.

قبلاً اشاره کردیم که طبقاتی از توربین که در ناحیه فوق گرم عمل می‌کنند نسبت به طبقاتی که در ناحیه دو فازه کار می‌کنند، بازده بیشتری دارند. بدون شک، عمکرد و بازده طبقات و یا کل توربین بخار تابعی از متغیرهای متعدد است. به عنوان مثال، در تجزیه و تحلیل چرخه بخار که دارای توربین بازگرمایشی یا توربین با زیرکش بخار است، باید منحنی شرایط توربین را که بیشتر تحت تاثیر بازده تک‌تک طبقات است تا بازده کل توربین، در دست داشت.

روشهایی که برای پیش‌بینی عملکرد و بازده انواع توربینهای بخار مورد استفاده قرار می‌‌گیرند، غالباً در اختیار سازندگان توربین قرار دارند، هر چند که برخی از آنها را می‌توان در مراجع یافت . با استفاده از یکی از این روشها می‌توان عملکرد توربینهای بزرگی را که در نیروگاههای مدرن هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند و با بخار فوق گرم پایین یا بخار اشباع کار می‌کنند پیش بینی کرد.