مشعل
یکی از شناخته شده ترین واکنش شیمیایی احتراق سوخت های هیدروکربنی است که در بسیاری از تجهیزات توان زا این فرایند مشاهده می شود. سوخت های هیدروکربنی به صورت مایع، جامد یا گاز وجود دارند. احتراق سوخت به معنای اکسید شدن آن در حضور اکسیژن است، به طوری که با نور و حرارت همراه باشد. بنابراین اکسید شدن فلزاتی نظیر آهن در حضور اکسیژن (زنگ زدن آهن) احتراق نمی باشد تجهیزاتی که با سوزاندن سوخت، شعله ایجاد کرده و یا سیستمی که برای مخلوط کردن و جهت دادن به جریان سوخت و هوا، در کوره و یا دیگ، بکار گرفته می شود مشعل نام دارد.
هر مشعل می بایست سوخت را با یک عامل اکسید کننده به نسبتی مخلوط کند که مخلوط حاصل در حدود شعله وری قرار بگیرد و احتراق یکنواخت ایجاد شود. برای تشکیل شعله به مثلث آتش (سوخت، هوا، حرارت) احتیاج است. اجماع این سه عنصر نام برده در مثلث آتش، سبب احتراق در دیگ شده و چنانچه هر یک از این عوامل از میان برود شعله خاموش می شود. در طول احتراق مقداری گاز نیز تولید شده که از راه دودکش خارج می شود. انرژی تولید شده در این فرایند توسط دو روش جابه جایی و تشعشع به محیط اطراف منتقل می شود. شکل (1) عوامل لازم جهت ایجاد احتراق را نشان می دهد. در واقع وظیفه مشعل برقراری هماهنگی بین این عامل هاست.
شکل 1: مثلث احتراق
طبقه بندی بر اساس نوع سوخت مصرفی:
کلی ترین روش طبقه بندی مشعل ها، بررسی آن ها بر اساس نوع سوخت مصرفی می باشد. می توان گفت که هر نوع مشعل در یکی از چهار گروه مشعل های زیر قرار می گیرد.
1. مشعل های سوخت جامد
2. مشعل های سوخت مایع
3. مشعل های گازی
4. مشعل های چند سوختی
از آن جا که در صنعت تاسیسات مشعل هایی با سوخت گازی، مایع و دوگانه سوز مورد استفاده قرار می گیرند در این بخش این نمونه مشعل ها مورد مطالعه قرار گرفته اند.
مشعل های سوخت مایع
مکانیزم عملکردی مشعل هایی که با سوخت مایع کار می کنند را می توان به صورت زیر بیان کرد:
• سوخت مایع می بایست به صورت پودر تبدیل شود تا احتراق امکان پذیر گردد.
• سوخت مایع پودر شده بایستی با هوا ترکیب شود.
• دمای ترکیب باید تا بالای دمای احتراق افزایش یابد.
• یک ورودی پیوسته از سوخت و هوا باید تأمین شود.
• محصولات احتراق باید از محفظه ی احتراق خارج شوند.
علت اتمیزه کردن سوخت مایع این است که بیشتر سوخت ها در حالت مایع به راحتی محترق نمی شوند. به عنوان مثال اگر یک کبریت روشن را درون یک محفظه ی حاوی نفت فرو کنیم، شعله ی آن به سرعت خاموش می شود. لذا برای محترق کردن این قبیل سوخت ها، نیاز است تا آنها را از حالت مایع به حالت پودر (اتمیزه) تبدیل کنیم. اتمیزه کردن سوخت، سطح تماس آن را با اکسیژن هوا بیشتر کرده و احتراق آن را آسان تر می کند.
به صورت کلی در انواع مشعل ها با سوخت مایع چهار روش برای اتمیزه کردن سوخت وجود دارد.
• جت فشاری
• گریز از مرکز
• اتومیزه کردن با جریان هوا یا بخار
• اتومیزه کردن با هوای فشار پایین
مشعل با جت فشاری
در این مشعل، سوخت فشرده شده از درون یک نازل عبور می کند. این نازل پس از پودر کردن سوخت، آن را به صورت تصفیه شده به محفظه احتراق می پاشد. در سوخت های نفتی سنگین، فشار اتمیزه کردن باید تا 30 بار بالا رود و در سوخت های نفتی سبک، این فشار تا 6 بار می رسد.
همان طور که ذکر شد، فرایند پودر کردن سوخت (اتمیزه کردن) به کمک نازل انجام می شود. علاوه بر این موضوع، نازل باید این قطرات را با الگوی خاصی ایجاد نماید. جریان سوخت پودر شده بایستی در محدوده ی زاویه ای خاصی از نازل خارج شده و توزیع قطرات سوخت در آن یکنواخت باشد. سوخت با توجه به شکل فضای حدفاصل نوک قطعه مخروطی نازل و پوسته، به صورت توخالی، توپر و نیمه پر پاشیده می شود. الگوهای پاشش سوخت در شکل (2) قابل مشاهده هستند.
شکل 2: الگوهای پاشش سوخت توسط نازل
فرایند پودر سازی سوخت به انرژی نیاز دارد. این انرژی در ابتدا به صورت انرژی فشاری وارد سیستم شده و پس از آن به انرژی سرعتی، تبدیل می شود. فرایند تبدیل فشار به سرعت، با وارد کردن سوخت پرفشار به مجموعه ای از شیارها انجام می پذیرد، به نحوی که سوخت در خروجی آن ها، سرعت بسیار بالایی خواهد داشت. یک نمونه ساده نازل در شکل (3) دیده می شود.
سوخت ابتدا از صافی مستقر در زیر نازل عبور کرده و ذرات و آشغال های موجود از آن جدا می شود. سپس از طریق پیچ انتهایی نازل و سوراخ جداری این پیچ از سطح خارجی مخروط وارد یک محفظه چرخشی با شیارهای هم مرکز می شود و درنتیجه سوخت در این شیارها به سمت مرکز حرکت می کند. این شیارها تنها راه ورود به محفظه کوچک گردابی در انتهای مخروط شیاردار هستند سرعت دورانی سیال با نزدیک شدن به مرکز افزایش می یابد. لذا اگر یک اوریفیس را در مرکز نازل قرار دهیم، ماکزیمم سرعت دورانی را در مرکز خواهیم داشت. سرعت دورانی در مرکز این ورتکس به حدی بالا بوده که یک هسته هوایی در مرکز آن شکل می گیرد. از آنجایی که این شیار ها بسیار نازک هستند بخشی از انرژی فشاری به انرژی سرعتی تبدیل می شود. قابل ذکر است که تمام انرژی سیال به سرعت تبدیل نمی شود و بخشی از آن به صورت انرژی فشاری باقی مانده و سیال را به سمت جلو و خارج از اوریفیس می-راند. این فشار موجب می شود که سوخت مایع به صورت یک جریان لوله ای دورانی از اوریفیس خارج شود. اما به دلیل نیروی گریز از مرکز، سریعاً گسترده شده و به شکل مخروطی تبدیل می شود. در نتیجه جریان سوخت گسسته شده و قطرات ریز تشکیل می شود. در فشارهای پایین، سرعت جریان چرخشی خروجی پایین بوده و مسافت زیادی را قبل از شکسته شدن جریان به ذرات، در جلوی نازل طی کرده و پس از آن به ذراتی با قطرهای بزرگ و نامنظم تبدیل می شود با افزایش فشار سایز ذرات نیز ریزتر می شود.
شکل 3: الف) نازل ب) شماتیک نازل گازوئیل
مشعل گریز از مرکز:
در مشعل های گریز از مرکز سوخت در فشار کمی حدود 2.5 بار وارد انتهای یک محفظه-ی در حال دوران شده و به سمت دیواره این محفظه پرتاب می شود و به صورت یک فیلم بسیار نازک از سیال، از لبه های محفظه خارج می گردد. محفظه دورانی این مشعل ها توسط یک موتور الکتریکی با سرعتی در حدود 5000 دور در دقیقه دوران می کند. یک فن اصلی هوا، به صورت هم مرکز با محفظه دورانی، دوران کرده و هوا را به اطراف بخش خارجی محفظه می دمد. این هوا با فیلم سیال برخورد کرده و آن را به قطرات کوچک تبدیل می کند.
مشعل با بخش پودر کننده با جریان هوا یا بخار
در این نوع از مشعل، سوخت در فشار کمتری نسبت به مشعل های جت فشاری معمولی یعنی در محدوده فشاری کمتر از 6 بار، به درون نازل تغذیه می شود. علاوه بر سوخت بخار یا هوای فشرده نیز به درون نازل فرستاده می شود. سوخت و هوا به خوبی درون نازل با یکدیگر مخلوط می شوند. پس از آن از نازل خارج شده، انبساط یافته و یک اسپری از سوخت پودر شده را ایجاد می کند.
مشعل با بخش پودر کننده با هوای فشار پایین
در این مشعل ها سوخت مایع در فشار بسیار کم (0.5-0.2 بار) وارد یک جریان هوای سرعت بالا می شود. هوای پر سرعت، سوخت را به قطرات ریز تبدیل کرده و آشفتگی های موجود در هوا، سوخت و هوا را با هم ترکیب کرده و آن را بیشتر اتمیزه می کند. منبع تأمین هوا، معمولاً یک دمنده فشار بالا است.
از مهمترین مشعل های با سوخت مایع که در بخش تاسیسات ساختمانی مورد استفاده قرار می گیرد مشعل های گازوئیلی هستند.
مشعل گازوئیل سوز از اجزای مختلفی تشکیل شده است که در شکل (4) قسمت های مهم آن آورده شده است.
شکل 4: اجزای مختلف یک مشعل گازوئیلی
از آن جا که در بسیاری از قسمت های ایران از گازوئیل به عنوان سوخت برای سیستم گرمایش استفاده می شود در این قسمت به بررسی طرز کار مشعل گازوئیلی پرداخته شده است.
طرز کار مشعل گازوئیلی:
با پایین آمدن دمای دیگ ترموستات اصلی دستگاه (آکوستات) عمل کرده و فرمان وصل برق مشعل را می دهد. در نتیجه موتور مشعل شروع به کار کرده و پمپ گازوئیل و پروانه دمنده توسط آن به چرخش در می آیند. جهت جلوگیری از انفجار ناخواسته در اثر نشت و یا باقی ماندن بخارات گازوئیل در داخل محفظه دیگ، حدود 20 ثانیه اول فقط فن کار می کند و هوای داخل محفظه دیگ را جاروب و از دودکش خارج می کند. توجه شود که در این مدت شیر برقی که در مسیر سوخت رسانی قرار دارد بسته است و اجازه عبور گازوئیل را نمی دهد. بعد از این مدت رله برق ترانس و شیر برقی را وصل کرده و الکترود شروع به جرقه زدن می کند و گازوئیل با فشار به صورت پودر شده به داخل محفظه احتراق پاشیده و مشتعل می شود. با مشتعل شدن گازوئیل و مشاهده شعله توسط چشم الکتریکی مشعل، فرمان قطع برق ترانس (قطع عمل جرقه زنی) توسط چشم الکتریکی به رله داده می شود.
منبع :
کارگشا، سامانه جامع صنعت ساختمان
مطالب مرتبط:
