مشعل و جزئیات آن و تاثیر پیش گرمایش هوای ورودی در راندمان آن

تکنولوژی های نو در مشعل های امروزی

با استفاده از  تکنولوژی های جدید در مشعل ضمن افزایش راندمان از طریق کاهش میزان هوای اضافی به میزان 5 درصد در عین کاهش آلاینده ها توانسته اند حرارت ساز را به میزان قابل ملاحظه کوچک نمود و در دیگ های خانگی با جذب حداکثر انرژی حرارتی محصولات احتراق دمای محصولات احتراق ورودی به دودکش را به 60 درجه سانتیگراد برسانند.

تکنولوژی های نو در در مشعل در چارچوب زیر ارزیابی می شوند:

1- کیفیت احتراق

2- بافت شعله برای انتقال حرارت بهتر

برای بحث در مورد تکنولوژی های نو در مشعل بهتر است آنها را در چارچوب گرماساز تقسیم نمایم. مثلاً مشعل های دیگ و مشعل های کوره(یا مشعل های فرآیندی)

کیفیت احتراق در مشعل های دیگ

برای مشعل های دیگ منظور از کیفیت احتراق احتراقی کامل با حداقل آلاینده ها است. برای مثال در این احتراق میزان CO باید زیر 100 ppm و میزان اکسیدهای نیتروژن زیر 90 ppm باشد. در عین حال حداکثر هوای اضافی برای گاز نباید بیش از 20 درصد برای سوخت های مایع بیشتر از 30 درصد و برای سوخت های جامد بیشتر از 50 درصد باشد. بر اساس محدوده بالا در تکنولوژی های روز دنیا در حال حاضر حداکثر هوای اضافه به زیر 5 درصد رسیده است. در مورد آلاینده اکسیدهای نیتروژن هم در تکنولوژیهای روز دنیا برای دیگ به زیر 10 ppm رسیده اند. در حالی که مشعل های تولید داخل در محدوده مناسبی برای هوای اضافی قرار ندارند و در بهترین حالت برای گاز زیر 30 درصد است.

بافت شعله برای انتقال حرارت بهتر

طراحی مشعل های تکنولوژیک برای دیگ به این سمت می رود که بتوان در محفظه احتراق حداکثر انتقال حرارت را داشت. در عین حال انتقال حرارت به محفظه احتراق باید بطور یکنواخت باشد و تمرکز حرارتی در محفظه احتراق دیگ بوجود نیاورد. در حال حاضر بهترین راه انتقال حرارت حداکثری و یکنواخت برای دیگ های کوچک انتقال حرارت بصورت تشعشعی تشخیص داده شده است. برای رسیدن به این نوع انتقال حرارت سطح شعله را افزایش می دهند. عمدتاً سطح شعله از طریق شاخه ای کردن شعله افزایش می یابد.

کیفیت احتراق در مشعل های کوره

در مشعل های کوره بحث کیفیت احتراق به دو شکل زیر مورد بررسی قرار می گیرد.

کیفیت احتراق به شکل طبیعی

در این صورت کیفیت احتراق دقیقاً در چارچوب کیفیت احتراق در دیگ مورد بحث قرار می گیرد و سعی در بدست آوردن احتراقی کامل با حداقل هوای اضافی و حداقل الاینده ها است.

کیفیت احتراق هماهنگ با فرآیند

در بسیاری از موارد داشتن کیفیت احتراق هماهنگ با برآیند نمی تواند بهترین و کاملترین احتراق باشد. مثلاً در کوره ای که نیاز به محیطی شدیداً احیایی است(مثلاً بخش پخت لعاب کوره های تونلی کاشی و سرامیک و …) باید واکنش احتراق با هوای کمتری صورت گیرد و محصولات احتراق شامل میزان قابل ملاحظه ای منوکسید کربن و هیدروژن باشد. البته برای کاهش آلاینده ها محصولات احتراق قبل از ورود به دودکش باید کاملاً سوخته شوند. مثلاً در کوره های شیشه برای حفاظت از آجرهای نسوز باید محفظه احتراق کاملا اکسیدی باشد و احتراق با هوای اضافی قابل ملاحظه ای صورت گیرد. در محیط های خنثی نیز سعی می شود که در محدوده واکنش استکیومتری عمل شود که تا حدی آلاینده ها بیشتر از حد استاندارد است.

مزایای مشعل های مدرن

1- یکنواختی در انتقال حرارت به دیگ

با حذف شعله رو به جلو و افزایش سطح شعله از طریق ایجاد هزاران شعله کوچک عملاً روش انتقال حرارت از جابجایی به تشعشعی بطور عمده تبدیل شده و ضمن کاهش فضای مورد نیاز شعله که خود موجب کاهش ابعاد محفظه احتراق می گردد با انتقال حرارت از طریق تشعشع یکنواختی مناسبی در انتقال حرارت بوجود می آید. با کوتاه شدن شعله خطر برخورد آن با دیگ کمتر شده و امکان نزدیکی سطح انتقال حرارت به شعله و بالا بردن سرعت انتقال حرارت از طریق کاهش فاصله بوجود می آید.

2- افزایش دامنه تنظیم

نسبت حداکثر ظرفیت مشعل پیشرفته به حداقل ظرفیت آن بسیار وسیعتر از مشعل های سنتی است. در مشعل های سنتی این نسبت در حد 3 به 1 است. در مشعل های گازوئیل سوز این محدوده کمتر هم می­باشد. ولی در مشعل های جدید این محدوده به حدود 20 به 1 رسیده است. نباید فراموش کرد که برخی اقدامات برای افزایش دامنه تنظیم در مشعل های سنتی نیز صورت گرفته که بالاترین مورد مدون مشعلی از شرکت north American آمریکا است که این را به 50 به 1  رسانده است. افزایش دامنه تنظیم موجب عدم نیاز به خاموش کردن مشعل حتی در فصل گرم می گردد چون می توان در صورت مثلاً آب و رسیدن آن به درجه حرارت مورد نیار حجم شعله را در حدی پایین آورد که افزایش درجه حرارت متوقف گردد. با عدم نیاز به خاموش کردن مشعل عملاً پیش پاکسازی و عوارض مربوطه به آن( شوک حرارتی و اتلاف انرژی حرارتی) از بین رفته ضمن اینکه دیگهایی که این نوع مشعل در آن بکار می رود عملاً تحت فشار جزیی طراحی می شوند تا جلوی نفوذ هوا از منافذگرفته شود.

3- کاهش هوای اضافی و آلاینده ای زیست محیطی

به دلیل اختلاط مناسب گاز و هوا قبل از رسیدن به سر مشعل نیاز چندانی به هوای اضافی زیاد برای احتراق کامل در این نوع از مشعل ها نبوده و میزان هوای اضافی در این مشعل حدود 5 درصد است. با کاهش هوای اضافی اتلاف انرژی حرارتی ناشی از آن نیز کم می شود. علی رغم اینکه هوای اضافی در این مشعل ها به میزان قابل ملاحظه ای کاهش یافته ولی موجب آن نگردیده که میزان منوکسید کربن بالا رود بلکه به دلیل اختلاط بسیار خوب گاز و هوای احتراق عملاً میزان مونوکسید کربن فوق العاده کاهش یافته و در محدوده مناسبی می باشد. به دلیل افزایش سطح شعله و بالا رفتن انتقال حرارت تشعشعی آن درجه حرارت شعله پایین آمده و موجب کاهش قابل ملاحظه اکسیدهای نیتروژن می گردد.

4- پایدار بودن تنظیم اولیه

وسیله کنترل گاز به هوا در این مشعل ها طوری ساخته شده اند که هر گونه تغییر در میزان هوا موجب تغییر یکسان در میزان گاز می گردد که در نهایت نسبت گاز به هوا در هر شرایطی حفظ می گردد. البته این قابلیت با توجه به نزدیکی فشار هوا و گاز در این مشعلها بوجود آمده است. بنابراین بر خلاف مشعل های سنتی که در موقع نصب و یا تعویض محل نصب تنظیم اولیه آن بهم می خورد. مشعل های جدید در نصب وضعیت اولیه خود را حفظ کرده و شرایط محفظه احتراق در کیفیت احتراق اثر چندانی ندارد.

5- کاهش ابعاد و وزن دیگ

با تغییر در بافت و ابعاد شعله، حذف شعله های رو به جلو، کاهش فضای مورد نیاز برای شعله، عمده شدن انتقال حرارت به روش تشعشعی، امکان کاهش قابل ملاحظه ابعاد دیگ را بوجود آورده است. حجم و وزن دیگ های کوچک جدید به کمتر از 25% دیگ های سنتی رسیده است.

6- ایجاد شعله با صدای خیلی کم

علی رغم ینکه شعله مشعل هایش مخلوط به دلیل ایجاد واکنش سریع می تواند پر صدا باشد به دلیل تقسیم شعله به شعله های بسیار کوچک و جدا از هم صدای شعله مشعل خیلی کم است.

صرفه جویی انرژی در مشعل های سنتی و مشعل های تکنولوژی هوای اضافه کم

1- احتراق و هوای اضافه

اصولاٌ احتراق به عنوان یک واکنش بین اکسیژن و هیدروکربن های سوخت می باشد که در اثر آن محصولات احتراق (اکسیدهای کربن، بخار آب و اکسیدهای نیتروژن) و گرما تولید می شود. به صورت تئوریک ثابت می شود که برای احتراق یک متر مکعب گاز طبیعی به حدود ³m10هوا نیاز خواهیم داشت.

2- میزان هوای لازم

با توجه به اینکه % 9/20 حجم هوا را اکسیژن تشکیل می دهد خواهیم داشت:

اما در عمل و به منظور اطمینان کامل از احتراق همواره مقداری هوا مازاد بر میزان هوای تئوریک مورد استفاده قرار می­گیرد. میزان نسبت هوای اضافی به هوای تئوریک را “هوای اضافی ” می نامند.

=λ

تعیین دقیق میزان هوای اضافی به عوامل گوناگونی وابسته است به نحوی که میزان هوای احتراق باید به گونه­ای تنظیم شود که ضمن به حداقل رساندن تلفات حرارتی ناشی از گازهای داغ خروجی از دودکش بالاترین میزان دی اکسید کربن و کمترین میزان منوکسید کربن را دارا باشد.

3- راندمان احتراق و تأثیر هوای اضافه بر آن

برای هر سیستم احتراق (شامل دیگ و مشعل) حداکثر راندمان احتراق هنگامی حاصل می شود که احتراق با کمترین حد ممکن هوای اضافه صورت گیرد.

4- اتلاف حرارتی

مهمترین جزء اتلافات حرارتی از دودکش می باشد. تلفات حرارتی دودکش خود به دو دسته تقسیم می گردد:

• اتلاف حرارتی ناشی از خروج حرارت توسط بخار آب
• اتلاف حرارت ناشی از خروج حرارت توسط محصولات احتراق خشک به صورت متوسط در بهترین شرایط عملکرد دیگ و مشعل حدود 19% انرژی حرارتی توسط گازهای دودکش تلف می شود که از این میان حدود 11% مربوط به تلفات خروج حرارت توسط بخار آب و حدود 8 % مربوط به تلفات خروج حرارت توسط محصولات احتراق خشک می باشد. لذا با توجه به عوامل توضیح داده شده واضح است که هر قدر میزان هوای اضافه برای احتراق کامل بتواند به حد تئوری نزدیک شود از میزان افت حرارتی دودکش کاسته شده و در نتیجه به میزان حرارت مفید مورد استفاده افزوده خواهد شد.

آنالیز احتراق در مشعل های سنتی و مشعل های با تکنولوژی هوای اضافه کم

با توجه به نتایج آنالیزهای احتراق در این نوع مشعل­ها احتراق کامل در بالاترین ظرفیت حرارتی معمولاً با هوای اضافه بین 14% الی 20%امکانپذیر می باشد. در این شرایط که معمولاً درجه حرارت دودکش حدود 200درجه سانتیگراد       می باشد به صورت متوسط حدود 20% انرژی حرارتی از طریق دودکش تلف می شود. در مشعل با تکنولوژی هوای اضافه کم عملاً با پیش مخلوط نسبی گاز و هوا از یک طرف نیاز به هوای اضافه کاهش می یابد به نحوی که عملاً ظرفیت حرارتی حداکثر در محدوده هوای اضافه بین 4% الی 8% محقق می گردد و از طرف  دیگر به دلیل تشکیل   شعله­های  شاخه ای و افزایش سطح تماس به دلیل جبهه های شعله مجزا میزان انتقال حرارت تشعشعی در محفظه احتراق افزایش یافته و در نتیجه محصولات احتراق در خروجی با دمای کمتری خارج خواهد شد. مجموع عوامل فوق باعث کاهش 1 الی3 درصدی در تلفات دودکش می گردد.

• به طور کلی مشعل ها در دو نوع اتمسفریک (بدون فن) و فنردار موجود هستند.
• به طور معمول در ایران ظرفیت مشعل ها اغلب بر حسب Kcal/hr اعلام می شود.
• مشعل های فن دار راندمان بالاتری نسبت به مشعل های اتمسفریک دارند و در ظرفیت های بالاتر از 80000 کیلوکالری بر ساعت اغلب مشعل ها از نوع فندار هستند.
• ظرفیت مشعل ها بر اساس ظرفیت دیگ تعیین می شود.

محاسبه ظرفیت مشعل

برای انتخاب مشعل از رابطه زیر استفاده می کنیم:

Q _burner=Q _boiler *SF

Q _burner : ظرفیت مشعل بر حسب کیلو کالری بر ساعت

Q _boiler : ظرفیت دیگ بر حسب کالری بر ساعت

SF: ضریب اطمینان یا ضریب استهلاک که بین 10 الی30 درصد در نظر گرفته می ­شود که ضریب 20 درصد معمولاً عدد مناسبی است. در نهایت بر مبنای ظرفیت به دست آمده برای مشعل مدل مورد نظر را از روی کاتالوگ انتخاب    می کنیم.

انواع مشعل­ها بر اساس نحوه اختلاط سوخت و هوا

مشعل ­ها بر اساس نحوه اختلاط سوخت و هوا به چهار دسته تقسیم می گردد:

1- مشعل های انتشاری و یا تشعشعی

به مشعل هایی گفته می شود که  در آنها سوخت مستقل وارد محفظه احتراق می گردد و در ناحیه احتراق با هوا ترکیب می­شود. (شعله شمع) مهمترین ویژگی این مشعلها شعله درخشان آنها می باشد. این تشعشع در اثر شکستن کربن داخل هیدروکربنهای سوخت می باشد که در حرارت های بالا دارای ضریب تشعشع قابل رویت می باشد.

مشعل های انتشاری به دو دسته تقسیم بندی می شوند:

الف- مشعل های انتشاری صنعتی

ب- مشعل های انتشاری تجاری

مشعل های تجاری مایع سوز، گاز طبیعی سوز و گاز شهر سوز

پنج خصوصیت عمده این مشعل ها

• مقدار حرارت فقط با شیر سوخت تنظیم می شود.
• درجه حرارت شعله تشکیل شده بسیار کمتر از سایر مشعل هاست.
• عدم وجود پس زدگی شعله
• طول شعله بسیار بلند
• صدای بسیار کم این مشعل ها

2- مشعل های اتمسفریک

در این مشعل ها سوخت به سرعت از نازل خارج می شود. در این هنگام با ایجاد خلاء در اطراف خود هوای مورد نیاز احتراق را فراهم می کند. این مشعل ها در انواع دستگاه های حرارتی تجاری قابل مشاهده است.

3- مشعل های دمشی

هوای مورد نیاز احتراق  این مشعل ها بوسیله دمنده تأمین می شود. انواع این مشعل ها را می توان در بویلر ها مشاهده کرد. این مشعل ها به دو دسته تقسیم می شوند.

الف- مشعل های پیش مخلوط دمشی:  Premix blast burners

در این مشعل ها هوا با سرعت از نازل خارج شده و گاز را از اطراف نازل خود که خلاء می باشد به داخل می کشد. خلاء موجود اطراف نازل را دستگاهی به نام zero-governer تأمین می کند. این مشعل ها از جهت کلی با مشعل های اتمسفریک قابل مقایسه بوده با این تفاوت که هوا به سرعت از نازل خارج می گردد.

مزایای این مشعل ها

• ورودی حرارت بوسیله یک شیر هوا قابل کنترل می باشد.
• کنترل نسبت گاز به هوا بسیار آسان و دقیق خواهد بود.
• به سادگی می توان مشعل را از سوختی به سوخت دیگر تبدیل کرد.
• بدلیل مخلوط خوب سوخت و هوا طول شعله کوتاه بوده و نیازی به محفظه احتراق بزرگ نمی باشد.
• بدلیل فشار بالای مخلوط امکان داشتن محصولات احتراق با سرعت زیاد که موجب یکنواختی حرارت در دستگاه می باشد وجود دارد.
• رسیدن به نقطه استوکیومتری در این مشعل ها آسان می باشد.
• کنترل نسبت گاز و هوا دقیق و آسان می باشد.
• چنانچه فشار گاز برابر فشار اتمسفر یا برابر فشار محفظه احتراق باشد نسبت هوا به سوخت خودبخود کنترل می شود.

ب- مشعل های مخلوط سر نازل:nozzle- mixing burner

در این مشعل ها مخلوط سوخت و هوای احتراق بطور همزمان در سر دهانه مشعل صورت می گیرد.چنانچه این مخلوط داخل تونلی که از آجر نسوز ساخته شده شکل بگیرد به آن مشعل مخلوط تونلی گفته می شود. نقاطی در سر این مشعل پیدا می شود که مخلوط آنها بیشترین سرعت سوختن را دارد و این عاملی است که موجب پایداری شعله می گردد. برای حصول احتراق کامل در این مشعل ها لازم است هوا و سوخت به سرعت و خوب مخلوط شوند و می بایستی سطوح تماس بین سوخت و هوا افزایش یابد. مشعل های پکیج که جهت دیگهای آبگرم یا بخار تولید می شوند از این نوع مشعل ها هستند.

مزایای این مشعل ها

• پایداری در مقابل پرش شعله افزایش یافته و مشعل می تواند با هوای اضافی هم کار کند.
• این مشعل ها قادر به کار با انواع سوختها می باشند.
• فشار هوای مشعل می تواند کم باشد.
• امکان استفاده از هوای پیشگرم با حرارتهای بالا وجود دارد.
• توکشیدگی شعله در این مشعل ها وجود ندارد.

4- مشعل های مخلوط تبخیری یا پاتیلی

این مشعل ها کاربرد زیادی در صنعت بعنوان استفاده در بویلرها و کوره ها را ندارند. طرز کار آنها عموماً بدین ترتیب است که گازوییل در پایین گرم و برای احتراق آماده می شود سوخت  تبخیر شده بالا آمده و روی پاتیل شعله ور می شود.

اهمیت تنظیم سوخت و هوای مشعل گاز سوز

احتراق کامل سوخت حاصل تنظیم دقیق نسبت سوخت و هوا است. هر چه این نسبت با دقت بیشتری تنظم شود راندمان احتراق بالاتر رفته و در نتیجه به سوخت کمتری احتیاج است. در مشعل های کوچک تنظیم هوای مورد نیاز احتراق مشعل توسط دمپر دستی انجام می شود ولی در مشعل های بزرگ این تنظیم به کمک دمپر اتوماتیک هوای مورد نیاز احتراق تأمین می شود. البته با توجه به آنکه دمای هوای دیگ موتور خانه و رطوبت آن در طول سال متغیر است، در مشعل های بزرگ، باید در هر فصل دمپر هوا مورد تنظیم مجدد قرار گیرد. امروزه مشعل های مدرن مجهز به یک سیستم کنترل هوشمندPLS هستند که یه صورت اتوماتیک نسبت بین سوخت و هوا را در تمام طول شبانه روز و تمام فصول سال تنظیم می نماید.

با توجه به کامل نبودن راندمان احتراق سوخت در مشعل ها و در نظر گرفتن برخی تلفات حرارتی، هنگام انتخاب مشعل، ظرفیت مشعل را حدود 20 درصد بیشتر از ظرفیت دیگ در نظر می گیریم.

• به ازاء هر 300 متر افزایش ارتفاع از سطح دریا بدلیل کاهش غلظت هوا، راندمان احتراق سوخت انواع مشعل ها حدود 4% کاهش می یابد.
• ارزش حرارتی هر متر مکعب گاز طبیعی تقریباً معادل 9200 Kcal می باشد.
• ارزش حرارتی هر لیتر گازوئیل تقریباً معادل 8500 Kcal می باشد.
• ارزش حرارتی هر کیلوگرم گازوئیل تقریباً معادل 10500 Kcal می باشد.

پیش گرمایش هوای ورودی در افزایش راندمان مشعل های خانگی

با پیش  گرمایش هوای ورودی به مشعل از 300 تا 350 درجه سانتیگراد دمای احتراق افزایش یافته و ناحیه گرم توسعه قابل توجهی می یابد. دمای احتراق خصوصاً در طول خط مرکز محفظه احتراق تأثیر دارد. پیش گرمایش اثر قابل توجهی بر سرعت احتراق، طول شعله، انتقال حرارت از شعله و راندمان آن می گذارد. بنابراین با پیش گرم کردن هوای ورودی به مشعل می توان راندمان آنرا  بسیار بالاتر برد که از این امر در مشعل های نوین و مدرن استفاده می شود.