دیگ بخار

اختراع دیگ بخار

US 65042
جورج بابکاک,استیون ویلکاکس

آیا تا به حال نام دیگ بخار (Boiler) به گوشتان خورده است؟ آیا می‌دانید که همین اختراع به ظاهر ناآشنا، تا چه حد در توسعه و تجاری‌سازی نیروی بخار و در نتیجه صنایع مختلف، به‌ویژه صنایع انرژی‌بر تأثیرگذار بوده است؟

بررسی‌ها نشان می‌دهد که اغلب مردم، هرگز یک نیروگاه را از نزدیک ندیده‌اند، چه برسد به این‌که درک صحیحی از تاریخچه نیروی بخار و چگونگی پیدایش آن داشته باشند. این در حالی است که موضوع انرژی، یک بحث جدی و پرچالش در دنیای امروز به حساب می‌آید. برای این‌که عمق این ناآگاهی را بهتر بدانید، کافی است از تعدادی از دوستان و اطرافیانتان در مورد اختراع خودرو و صنعت اتومبیل بپرسید. احتمالاً نام‌هایی مانند «هنری فورد» و «کارل بنز» را از زبان آن‌ها خواهید شنید. این در حالی است که افراد معدودی خواهید یافت که در مورد مخترع و پیشگام صنعت نیروی بخار بدانند. شاید در جواب بگویید که اتومبیل، نقشی کلیدی در شکل‌گیری جوامع مدرن و توسعه همه‌جانبه بشر داشته است، اما کمی بررسی نشان می‌دهد که نیروی بخار هم، به همین نسبت و شاید حتی بیشتر، اهمیت داشته است.

سرآغاز صنعت نیروی بخار، اختراع دیگ بخار بوده که توسط جورج بابکاک (George Babcock) و استیون ویلکاکس (Steven Wilcox) ارائه شده است. البته ریشه‌های استفاده از نیروی بخار، به اواخر قرن هجدهم میلادی باز می‌گردد. در آن زمان، از نوعی ظرف مخصوص و اولیه برای جوشاندن آب استفاده می‌شد تا این‌که در سال ۱۸۶۷ میلادی، دیگ بخار برای پیدایش یکی از صنایع بسیار کلیدی در توسعه و تکامل بشر، متولد شد.

جورج بابکاک و استیون ویلکاکس، به‌عنوان بنیان‌گذاران صنعت نیروی بخار، در سال‌های ابتدایی دهه ۱۸۶۰ میلادی، به همکاری با یکدیگر پرداختند. نتیجه این همکاری، عرضه یک دیگ بخاری کارآمد و بهینه به بازار بود که علاوه بر افزایش سطوح گرمایشی و تولید نیروی بیشتر، ایمنی کافی هم داشت. البته این ایده بر مبنای نوآوری قبلی ویلکاکس و فردی به نام استیلمن (O.M. Stillman) شکل گرفت که در سال ۱۸۶۵ میلادی، موفق به دریافت یک گواهی ثبت اختراع برای آن شده بودند. با این حال، تقریباً هیچ بحثی پیرامون این موضوع که ویلکاکس و بابکاک، مخترعین اولیه دیگ بخار هستند، بین مورخین وجود ندارد.

پرسش اینجا است که دیگ بخار چیست و چگونه کار می‌کند؟ دیگ بخار، جعبه‌ای متشکل از لوله‌های مختلفی است که از آتش درون جعبه، برای گرم کردن آب و تبدیل آن به بخار استفاده می‌شود. در اطراف لوله‌ها و همین‌طور محفظه آتش، از انواع آجر، مواد نسوز و عایق استفاده شده، تا از انتشار گرما به بیرون از سیستم جلوگیری شود. تعداد و اندازه لوله‌ها، نوع سوخت و ابعاد کلی دیگ بخار هم، بسته به نوع طراحی دیگ و صنعتی که مورد استفاده قرار می‌گیرد، متفاوت خواهد بود.

بابکاک و ویلکاکس، به‌عنوان مخترعین دیگ بخار، دو موضوع بسیار مهم را در دستور کار خود قرار دادند. آن‌ها در ابتدا، اقدام به ثبت اختراع ارزشمند خود در دفتر ثبت اختراعات و علائم تجاری آمریکا نمودند. در نتیجه این اقدام، در بیست و هشتم می سال ۱۸۶۷ میلادی، گواهی ثبت اختراعی به شماره «US 65042»، به آن‌ها اعطا گردید. آن‌ها در دومین اقدام هوشمندانه خود، تجاری‌سازی سریع فناوری را در دستور کار قرار داده و با همکاری فردی به نام جوزف مانتون (Joseph P. Manton)، شرکت «Babcock & Wilcox» را برای تولید و عرضه دیگ‌های بخار تأسیس نمودند. این شرکت که در سال ۱۸۶۷ میلادی و هم‌زمان با اخذ گواهی ثبت اختراع، فعالیت‌های خود را آغاز نمود، یک رهبر جهانی در حوزه انرژی و طراح و تولیدکننده نخستین دیگ بخار با لوله‌های آب در جهان محسوب می‌شود.

با ظهور این دیگ‌های بخار و استقبال از آن‌ها برای تأمین نیرو، به تدریج شرکت‌های متعددی برای تولید و توزیع نیرو، در بازارهای صنعتی و مسکونی شروع به کار نمودند. وضعیت به گونه‌ای شده بود که هر یک از این شرکت‌ها و در مقیاس کلان‌تر، هر شهری، تأسیسات مجزای خود را داشت. چالش بزرگ این بود که در شهرهای بزرگ، به دلیل فشار محدود بخار ناشی از هر دیگ مولد نیرو، (به‌طور متوسط ​​تقریباً ۵۰۰۰۰ پوند بخار در ساعت در هر دیگ بخار)، تعداد زیادی دیگ بخار و طبیعتاً تعداد زیادی شرکت متولی آن‌ها فعالیت داشتند که مدیریت آن‌ها را کمی دشوار می‌نمود. جالب این‌که حتی برخی شرکت‌ها و صنایع بزرگ که برای عرضه تولیدات خود به نیروی قابل‌توجهی نیاز داشتند، مانند ایستمن کوداک (Eastman Kodak) که در زمینه تولید فیلم و دوربین فعال بود و «The Box Board Company» که جعبه‌های مورد نیاز شرکت‌های تولید غلات را می‌ساخت، دیگ‌های بخار مخصوص به خود را داشتند.

این دیگ‌های بخار ساخته شده از آجر که بعضاً به آن‌ها دیگ‌های بخار آجری (Brick-Faced Boilers) نیز گفته می‌شد، نسل اولیه و نقطه آغازین چرخه تکامل و توسعه طراحی دیگ‌های بخار محسوب می‌شدند. محدودیت در اندازه و ظرفیت این دیگ‌ها، دشواری‌هایی برای تأمین نیروی مورد نیاز فراهم می‌آورد. مثلاً با افزایش اندازه دیگ بخار، گرمای ورودی کوره، فشار مخزن و درجه حرارت بخار نیز افزایش می‌یافت و در نتیجه، دمای آجرها به شدت بالا می‌رفت. این سه عامل (ورودی حرارت، فشار و دمای بخار)، تأثیر مستقیمی بر توسعه طرح‌های کوره دیگ بخار داشت و کم‌کم، به بلند و بلندتر شدن ارتفاع دیگ‌ها انجامید. به نظر می‌رسید که نوآوری جدیدی لازم است تا ایده کاملاً آجری دیگ‌ها را با راهکاری خلاقانه‌تر جایگزین نماید. نیاز بازار، دیگ بخاری بود که در عین کارآمدی حرارتی و تولید انرژی، نرخ تولید بخار را افزایش داده و هزینه ساخت آن هم کمتر گردد!

تلاش‌های مهندسین در این زمینه، در اوایل دهه ۱۹۲۰ میلادی، منجر به طراحی نوع جدیدی از دیگ‌های بخار تحت عنوان «Tube & Tile Boiler» شد. طراحی این دیگ‌ها، به گونه‌ای بود که دیواره‌های بزرگ و با فاصله زیاد لوله‌ها، برای خنک‌سازی دمای سطح آجری مورد استفاده قرار می‌گرفت. این یک طراحی جدید و کاملاً متفاوت بود و برخلاف طرح اصلی دیگ بخار که از دیواره‌های آجر نسوز با ضخامت ۲۲ اینچ استفاده می‌شد، از کاشی‌های نازک (ضخامت ۲/۵ اینچ) یا آجرهای نسوز (ضخامت ۴/۵ اینچ) برای نگه داشتن آتش در داخل مخزن استفاده می‌کردند. با این پیشرفت فنی، صنعت دیگ بخار شروع به رشد کرد و عملاً ظرفیت و اندازه دیگ‌های بخار، بنا به نیاز صنعت، کاملاً متنوع گردید.

در این دوران، شرکت‌های بزرگی به امر ساخت و عرضه دیگ‌های بخار مشغول بودند که بزرگ‌ترین آن‌ها، شرکت‌های «Babcock & Wilcox» و «Combustion Engineering» نام داشتند.

گفتنی است که یکی دیگر از نقاط عطف صنعت نیروی بخار، طراحی و تولید دیگ‌های بخار نیروگاهی توسط «Babcock & Wilcox» بود که در کنار دیگ‌های بخار سفارشی‌سازی شده برای صنایع نفت و گاز و کاربردهای صنعتی، نوعی استراتژی تمایز محصول با توجه به نوع کاربرد را در این صنعت رایج نمود. طی یک قرن اخیر، این صنعت با تغییر و تحولات فراوانی مواجه بوده و بنا به شرایط محیطی و نیازهای بازار، توسعه‌های نوآورانه مختلفی را به خود دیده است. شاید یکی از این نوآوری‌های منحصربه‌فرد را بتوان طراحی و ساخت دیگ‌های ضایعات و بازیافت در اوایل دهه ۱۹۸۰ میلادی دانست که با توجه به هزینه رو به رشد محل‌های دفن زباله و ضایعات کشاورزی و تصویب قانون سیاست‌های نظارتی در سال ۱۹۷۸ میلادی، در دستور کار قرار گرفت. دیگ‌های زباله، چوب و زیست‌توده، نوعی از دیگ‌های بخار با عملکرد مشابه دیگ‌های بخار صنعتی هستند که البته با توجه به نوع ماده و باقیمانده مواد غیربازیافتی که خوردگی دیواره‌های دیگ بخار را موجب می‌شوند، نیاز به انتخاب دقیق و هوشمندانه ماده نسوز برای دیواره‌های کوره دارند.