เครื่องอุ่นอากาศล่วงหน้าคืออุปกรณ์ใดๆ ที่ออกแบบมาเพื่ออุ่นอากาศก่อนกระบวนการอื่น (เช่น การเผาไหม้ในหม้อไอน้ำ) โดยมีวัตถุประสงค์หลักเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเชิงความร้อนของกระบวนการนั้น อาจใช้เพียงอย่างเดียว หรือใช้แทน ระบบความร้อน แบบดึงกลับหรือใช้แทนขดลวดไอน้ำก็ได้

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง บทความนี้อธิบายถึงเครื่องอุ่นอากาศก่อนการเผาไหม้ที่ใช้ในหม้อไอน้ำ ขนาดใหญ่ ที่พบในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่ผลิตกระแสไฟฟ้าจากเชื้อเพลิงฟอสซิล ชีวมวลหรือของเสีย [ ^{1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] ตัวอย่าง}เช่น เนื่องจากเครื่องอุ่นอากาศ Ljungströmได้รับการกล่าวขาน ว่า ช่วยประหยัดเชื้อเพลิง ทั่ว โลกได้ประมาณ 4,960,000,000 ตัน “ มีสิ่งประดิษฐ์เพียงไม่กี่อย่างที่ประสบความสำเร็จในการประหยัดเชื้อเพลิงได้มากเท่ากับเครื่องอุ่นอากาศ Ljungström” ซึ่งได้รับการยกย่องให้เป็นแลนด์มาร์คทางวิศวกรรมเครื่องกลระดับนานาชาติ ลำดับที่ 44 โดยสมาคมวิศวกรเครื่องกลแห่งอเมริกา^{[ 6 ]}

จุดประสงค์ของเครื่องอุ่นอากาศคือการดึงความร้อนจากก๊าซไอเสียของหม้อไอน้ำกลับมาใช้ ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพเชิงความร้อนของหม้อไอน้ำโดยลดความร้อนที่มีประโยชน์ที่สูญเสียไปในก๊าซไอเสีย ผลที่ตามมาคือ ก๊าซไอเสียจะถูกส่งไปยังปล่องควัน (หรือท่อระบายควัน ) ที่อุณหภูมิต่ำลง ทำให้การออกแบบระบบลำเลียงและปล่องควันง่ายขึ้น นอกจากนี้ยังช่วยควบคุมอุณหภูมิของก๊าซที่ออกจากปล่องควัน (เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านการปล่อยมลพิษ เป็นต้น) โดยจะติดตั้งอยู่ระหว่างเครื่องประหยัดพลังงานและปล่องควัน

มีเครื่องอุ่นอากาศสองประเภทที่ใช้ในเครื่องกำเนิดไอน้ำในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนได้แก่ แบบท่อที่ติดตั้งในท่อส่งก๊าซไอเสียของหม้อไอน้ำ และแบบเครื่องอุ่นอากาศแบบหมุนเวียน^{[ 1 ] [ 2 ] [ 7 ]}ซึ่งอาจจัดเรียงให้ก๊าซไหลในแนวนอนหรือแนวตั้งข้ามแกนหมุน

เครื่องอุ่นอากาศอีกประเภทหนึ่งคือเครื่องกำเนิดความร้อนที่ใช้ในการผลิตเหล็กหรือแก้ว

เครื่องอุ่นล่วงหน้าแบบท่อประกอบด้วย ชุด ท่อ ตรง ที่ลอดผ่านท่อทางออกของหม้อไอน้ำและเปิดออกที่ปลายแต่ละด้านภายนอกท่อ ภายในท่อ ก๊าซร้อนจากเตาเผาจะไหลผ่านรอบท่ออุ่นล่วงหน้า ถ่ายเทความร้อนจากก๊าซไอเสียไปยังอากาศภายในเครื่องอุ่นล่วงหน้า อากาศโดยรอบจะถูกเป่าด้วยพัดลมผ่านท่อที่ปลายด้านหนึ่งของท่ออุ่นล่วงหน้า และที่ปลายอีกด้านหนึ่ง อากาศร้อนจากภายในท่อจะออกมาสู่ท่ออีกชุดหนึ่ง ซึ่งจะนำอากาศนั้นไปยังเตาเผาของหม้อไอน้ำเพื่อการเผาไหม้

ท่อส่งอากาศอุ่นแบบทรงกระบอกสำหรับอากาศเย็นและอากาศร้อนต้องการพื้นที่และโครงสร้างรองรับมากกว่าการออกแบบท่อส่งอากาศอุ่นแบบหมุน นอกจากนี้ เนื่องจากก๊าซไอเสียที่มีฝุ่นละอองและมีฤทธิ์กัดกร่อน ท่อด้านนอกของท่อส่งอากาศจึงสึกหรอเร็วกว่าในด้านที่หันเข้าหาทิศทางการไหลของก๊าซ มีการพัฒนาหลายอย่างเพื่อแก้ไขปัญหานี้ เช่น การใช้เซรามิกและเหล็กกล้าชุบแข็ง

เครื่องกำเนิดไอน้ำ แบบฟลูอิไดซ์เบดหมุนเวียน (CFB) และแบบฟลูอิไดซ์เบดฟองอากาศ (BFB) รุ่นใหม่จำนวนมากในปัจจุบันได้รวมเอาเครื่องทำความร้อนอากาศแบบท่อเข้ามาใช้ ซึ่งมีข้อดีในแง่ของชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ได้เมื่อเทียบกับแบบหมุน

การกัดกร่อน จากจุดน้ำค้างเกิดขึ้นจากหลายสาเหตุ^{[ 8 ] [ 9 ]}ชนิดของเชื้อเพลิงที่ใช้ ปริมาณกำมะถัน และปริมาณความชื้นล้วนเป็นปัจจัยที่ก่อให้เกิดการกัดกร่อน อย่างไรก็ตาม ปัจจัยที่สำคัญที่สุดในการกัดกร่อนจากจุดน้ำค้างคืออุณหภูมิของโลหะภายในท่อ หากอุณหภูมิของโลหะภายในท่อลดลงต่ำกว่าอุณหภูมิอิ่มตัวของกรด ซึ่งโดยปกติจะอยู่ระหว่าง 190 °F (88 °C) ถึง 230 °F (110 °C) แต่บางครั้งอาจสูงถึง 260 °F (127 °C) ความเสี่ยงต่อความเสียหายจากการกัดกร่อนจากจุดน้ำค้างก็จะสูงขึ้นอย่างมาก

เครื่องอุ่นอากาศ แบบหมุนเวียนมีสองประเภทได้แก่ เครื่องอุ่นอากาศแบบหมุนเวียนแผ่นหมุน (RAPH) และเครื่องอุ่นอากาศแบบหมุนเวียนแผ่นคงที่ (Rothemuhle) ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 10 ]}

การออกแบบแผ่นหมุน (RAPH) ^{[ 2 ]}ประกอบด้วยองค์ประกอบแผ่นหมุนส่วนกลางที่ติดตั้งอยู่ภายในปลอกที่แบ่งออกเป็นสอง ( แบบ สองส่วน ) สาม ( แบบ สามส่วน ) หรือสี่ ( แบบ สี่ส่วน ) ส่วนที่มีซีลอยู่รอบองค์ประกอบ ซีลเหล่านี้ช่วยให้องค์ประกอบหมุนผ่านทุกส่วนได้ แต่ช่วยลดการรั่วไหลของก๊าซระหว่างส่วนต่างๆ ให้น้อยที่สุด พร้อมทั้งจัดให้มีทางเดินของก๊าซอากาศและก๊าซไอเสีย แยกกัน ผ่านแต่ละส่วน

แบบสามส่วนเป็นแบบที่พบได้บ่อยที่สุดในโรงไฟฟ้าสมัยใหม่^{[ 12 ]}ในการออกแบบแบบสามส่วน ส่วนที่ใหญ่ที่สุด (โดยปกติจะครอบคลุมประมาณครึ่งหนึ่งของหน้าตัดของตัวเรือน) จะเชื่อมต่อกับทางออกของก๊าซร้อนจากหม้อไอน้ำ ก๊าซไอเสียร้อนจะไหลผ่านองค์ประกอบตรงกลาง ถ่ายเทความร้อนบางส่วนไปยังองค์ประกอบ จากนั้นจะถูกส่งออกไปเพื่อการบำบัดเพิ่มเติมในเครื่องดักฝุ่นและอุปกรณ์อื่นๆ ก่อนที่จะถูกปล่อยออกจากปล่องควันส่วนที่สองซึ่งมีขนาดเล็กกว่า จะได้รับอากาศโดยรอบจากพัดลมซึ่งจะผ่านองค์ประกอบที่ร้อนขณะที่หมุนเข้าไปในส่วน และจะถูกทำให้ร้อนก่อนที่จะถูกส่งไปยังเตาเผาหม้อไอน้ำเพื่อการเผาไหม้ ส่วนที่สามเป็นส่วนที่เล็กที่สุดและจะทำให้อากาศร้อนซึ่งถูกส่งไปยังเครื่องบดและใช้ในการนำส่วนผสมถ่านหิน-อากาศไปยังหัวเผาหม้อไอน้ำ ดังนั้น อากาศทั้งหมดที่ถูกทำให้ร้อนในระบบ RAPH จึงประกอบด้วย: อากาศสำหรับให้ความร้อนเพื่อกำจัดความชื้นออกจากผงถ่านหิน อากาศพาหะสำหรับลำเลียงผงถ่านหินไปยังหัวเผาหม้อไอน้ำ และอากาศหลักสำหรับการเผาไหม้

ตัวโรเตอร์เองเป็นตัวกลางในการถ่ายเทความร้อนในระบบนี้ และโดยทั่วไปจะประกอบด้วยโครงสร้างเหล็กและ/หรือเซรามิกมันหมุนค่อนข้างช้า (ประมาณ 1-2 รอบต่อนาที ) เพื่อให้เกิดการถ่ายเทความร้อนอย่างเหมาะสม โดยเริ่มจากก๊าซไอเสียร้อนไปยังตัวทำความร้อน จากนั้นเมื่อมันหมุนไปเรื่อยๆ ความร้อนก็จะถ่ายเทจากตัวทำความร้อนไปยังอากาศที่เย็นกว่าในส่วนอื่นๆ

ในการออกแบบนี้ ตัวเรือนเครื่องอุ่นอากาศทั้งหมดจะถูกรองรับอยู่บนโครงสร้างรองรับของหม้อไอน้ำเอง โดยมีข้อต่อขยายตัว ที่จำเป็น ในท่อส่งอากาศ

โรเตอร์แนวตั้งได้รับการรองรับด้วยแบริ่งรับแรงผลักที่ปลายด้านล่าง และใช้ระบบหล่อลื่นด้วยน้ำมัน โดยมีน้ำไหลเวียนในขดลวดภายในอ่างน้ำมันเป็นตัวระบายความร้อน การจัดเรียงเช่นนี้มีไว้เพื่อระบายความร้อนที่ปลายด้านล่างของเพลา เนื่องจากปลายด้านนี้ของโรเตอร์แนวตั้งอยู่ทางด้านที่ร้อนของท่อส่งอากาศ ส่วนปลายด้านบนของโรเตอร์มีแบริ่งลูกกลิ้งแบบธรรมดาเพื่อยึดเพลาให้อยู่ในตำแหน่งแนวตั้ง

โรเตอร์ถูกประกอบขึ้นบนเพลาแนวตั้งโดยมีส่วนรองรับในแนวรัศมีและโครงสำหรับยึดตะกร้าให้อยู่ในตำแหน่ง นอกจากนี้ยังมีแผ่นซีลในแนวรัศมีและแนวเส้นรอบวงเพื่อป้องกันการรั่วไหลของก๊าซหรืออากาศระหว่างส่วนต่างๆ หรือระหว่างท่อและตัวเรือนขณะหมุน

สำหรับการทำความสะอาดคราบสะสมจากตะกร้าแบบออนไลน์ จะมีการติดตั้งหัวฉีดไอน้ำเพื่อให้ฝุ่นและเถ้าที่ถูกพัดออกมาไปรวมกันที่ถังเก็บเถ้าด้านล่างของเครื่องอุ่นอากาศ ถังเก็บฝุ่นนี้เชื่อมต่อเพื่อทำการระบายออกพร้อมกับถังเก็บฝุ่นหลักของเครื่องดักฝุ่น

ใบพัดหมุนด้วยมอเตอร์ลมและระบบเฟือง และจำเป็นต้องเริ่มหมุนก่อนสตาร์ทหม้อไอน้ำ และต้องหมุนต่อไปอีกระยะหนึ่งหลังจากหยุดหม้อไอน้ำแล้ว เพื่อป้องกันการขยายตัวและหดตัวที่ไม่สม่ำเสมอซึ่งอาจทำให้ใบพัดบิดเบี้ยวหรือแตกได้ โดยทั่วไปแล้วอากาศในสถานีจะแห้งสนิท (อากาศแห้งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับอุปกรณ์วัด) ดังนั้นอากาศที่ใช้ในการขับเคลื่อนใบพัดจึงถูกฉีดด้วยน้ำมันเพื่อหล่อลื่นมอเตอร์ลม

มีช่องตรวจสอบที่ได้รับการป้องกันเพื่อความปลอดภัย เพื่อให้สามารถมองเห็นการทำงานภายในของเครื่องอุ่นล่วงหน้าได้ในทุกสภาวะการทำงาน

ตะกร้าเหล่านี้ติดตั้งอยู่ในช่องที่จัดไว้ให้บนใบพัด และสามารถเปลี่ยนใหม่ได้ อายุการใช้งานของตะกร้าขึ้นอยู่กับความรุนแรงของการกัดกร่อนของเถ้าและก๊าซที่ออกจากหม้อไอน้ำ

ก๊าซไอเสียจากหม้อไอน้ำมีอนุภาคฝุ่นละอองจำนวนมาก (เนื่องจากมีปริมาณเถ้าสูง) ที่ไม่ช่วยในการเผาไหม้ เช่น ซิลิกา ซึ่งทำให้เกิดการสึกหรอของตะแกรง และอาจมีก๊าซกัดกร่อนขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของเชื้อเพลิง ตัวอย่างเช่น ถ่านหิน จากอินเดียโดยทั่วไปจะมีปริมาณเถ้าและซิลิกาในก๊าซไอเสียสูง ดังนั้นการสึกหรอของตะแกรงจึงมักมากกว่าเชื้อเพลิงชนิดอื่นที่เผาไหม้สะอาดกว่า

ในระบบ RAPH นี้ ก๊าซจากหม้อไอน้ำที่มีฝุ่นละอองและมีฤทธิ์กัดกร่อนจะต้องไหลผ่านระหว่างแผ่นทำความร้อนในตะกร้า แผ่นทำความร้อนเหล่านี้ทำจากแผ่นเหล็กดัดเป็นลอนซิกแซกอัดเข้าไปในตะกร้าเหล็ก โดยมีช่องว่างวงแหวนเพียงพอให้ก๊าซไหลผ่านได้ แผ่นเหล็กดัดเป็นลอนเพื่อให้มีพื้นที่ผิวมากขึ้นสำหรับการดูดซับความร้อน และยังเพื่อให้มีความแข็งแรงสำหรับการเรียงซ้อนกันในตะกร้า ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเปลี่ยนแผ่นทำความร้อนบ่อยครั้ง และต้องเตรียมตะกร้าใหม่ไว้เสมอ ในยุคแรกๆ มีการใช้เหล็ก คอร์เทนสำหรับทำแผ่นทำความร้อน แต่ในปัจจุบัน ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี ผู้ผลิตหลายรายจึงใช้สิทธิบัตรของตนเอง บางรายใช้วัสดุที่แตกต่างกันสำหรับทำแผ่นทำความร้อนเพื่อยืดอายุการใช้งานของตะกร้า

ในบางกรณี อาจเกิดคราบเขม่าที่เผาไหม้ไม่หมดบนชิ้นส่วนทำความร้อนอากาศก่อนการเผาไหม้ ทำให้เกิดไฟไหม้ระหว่างการทำงานปกติของหม้อไอน้ำ ส่งผลให้เกิดการระเบิดภายในเครื่องทำความร้อนอากาศก่อนการเผาไหม้ บางครั้งอาจตรวจพบการระเบิดเล็กน้อยได้ในห้องควบคุมโดยการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอากาศขาเข้าและขาออกของอากาศสำหรับการเผาไหม้

องค์ประกอบแผ่นทำความร้อนในเครื่องอุ่นอากาศแบบหมุนเวียนประเภทนี้ก็ติดตั้งอยู่ในตัวเรือนเช่นกัน แต่องค์ประกอบแผ่นทำความร้อนจะอยู่กับที่แทนที่จะหมุน แทนที่จะหมุน ท่ออากาศในเครื่องอุ่นจะหมุนเพื่อสลับกันให้ส่วนต่างๆ ขององค์ประกอบแผ่นทำความร้อนสัมผัสกับอากาศเย็นที่ไหลขึ้น^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

ตามที่แสดงในภาพวาดด้านข้าง มีท่ออากาศขาเข้าแบบหมุนได้ที่ด้านล่างของแผ่นคงที่คล้ายกับท่ออากาศขาออกแบบหมุนได้ที่ด้านบนของแผ่นคงที่^{[ 13 ]}

เครื่องอุ่นอากาศแบบแผ่นคงที่แบบหมุนเวียน หรือที่รู้จักกันในชื่อเครื่องอุ่นอากาศ Rothemuhle นั้น ผลิตมานานกว่า 25 ปีโดยบริษัท Balke-Dürr GmbH แห่งเมือง Ratingenประเทศเยอรมนี

เครื่องกำเนิดความร้อนประกอบด้วยโครงสร้างอิฐแบบตาราง: อิฐวางเรียงโดยเว้นช่องว่างเท่ากับความกว้างของอิฐแต่ละก้อน เพื่อให้อากาศสามารถไหลผ่านได้ค่อนข้างง่าย แนวคิดคือ เมื่อก๊าซไอเสียร้อนไหลผ่านโครงสร้างอิฐ มันจะถ่ายเทความร้อนให้กับอิฐ จากนั้นกระแสลมจะกลับทิศทาง เพื่อให้อิฐร้อนทำให้อากาศและเชื้อเพลิงที่เข้ามามีอุณหภูมิสูงขึ้น สำหรับเตาหลอมแก้ว เครื่องกำเนิดความร้อนจะวางอยู่ด้านใดด้านหนึ่งของเตาหลอม โดยมักจะประกอบเป็นชิ้นเดียวกัน สำหรับเตาหลอมเหล็กเครื่องกำเนิดความร้อน (โดยทั่วไปเรียกว่าเตา Cowper ) จะวางแยกจากเตาหลอม เตาหลอมหนึ่งเตาต้องการเตาอย่างน้อยสองเตา แต่อาจมีสามเตา เตาหนึ่งเป็นแบบ "ใช้แก๊ส" รับก๊าซร้อนจากด้านบนของเตาหลอมและทำให้โครงสร้างอิฐภายในร้อนขึ้น ในขณะที่อีกเตาหนึ่งเป็นแบบ "ใช้ลม" รับอากาศเย็นจากพัดลม ทำให้ร้อนขึ้นแล้วส่งไปยังเตาหลอมเหล็ก

• เครื่องฟื้นฟู
• เครื่องประหยัด
• เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบสร้างใหม่
• ล้อความร้อน

• ประวัติของเครื่องอุ่นอากาศ Ljungström