آشنایی با مشعل های گازی اتمسفریک

گسترش روز افزون شبکه گاز طبیعی در شهرها و مناطق صنعتی از یک سو و مشکلات مترتب بر تهیه و مصرف سوخت‌های میان تقطیر نظیر نفت سفید و گازوئیل از سوی دیگر، تبدیل نوع سوخت مصرفی دستگاه های حرارتی به گاز طبیعی را به‌عنوان یکی از نیازهای اساسی جامعه، به‌ صورت امری اجتناب ناپذیر درآورده و اهتمام متخصصین فن را در سطح کشور به خود معطوف نموده است. در طیف وسیع دستگاههای حرارتی، مشعل های گازهای به لحاظ گستردگی کاربرد از اهمیت خاصی برخوردارند و در این میان مشعل های گازی آتمسفریک با مکانیزم و طرز کاری متفاوت، جایگاه ویژه‌ای را به خود اختصاص داده‌اند.

طرز کار مشعل های آتمسفریک

اصولاً جهت احتراق گاز طبیعی همچون سایر سوخت‌ها، به حجم قابل توجهی هوا احتیاج است. چندان که به ازای هر حجم معین گاز طبیعی، حدود ۱۰  برابر آن هوا مورد مصرف قرار می‌گیرد. در مشعل های معمولی با دمنده هوای مورد نیاز توسط دمنده که عامل محرکه آن جریان برق است تأمین می شود.

ولی در مشعل های گازی آتمسفریک بخشی و یا تمامی هوای مورد نیاز برای سوزاندن کامل گازی به وسیله مکش حاصله از حرکت سریع گازی که از نازل خارج می شود تأمین می گردد. این حجم از هوا به هوای اولیه موسوم است.

 بقیه هوای مورد لزوم که هوای ثانویه نامیده می شود، از طریق مکش طبیعی که در داخل دیگ صورت می‌گیرد تأمین می گردد که البته به همین دلیل، وضعیت دودکش در محل نصب مشعل آتمسفریک، به‌خصوص مشعل آتمسفریک تجاری، از اهمیت فوق العاده‌ای برخوردار است.

چنانچه نتوانیم هوای ثانویه لازم را به مشعل برسانیم در واقع سوخت مناسبی نخواهیم داشت و علاوه بر تأثیر منفی بر محیط زیست، بخشی از انرژی به‌ صورت محصولات احتراق ناقص به بیرون هدایت خواهد شد.

طرز کار مشعل گازی آتمسفریک

سرعت خروج گاز از نازل باعث ایجاد خلاء نسبی در مجاورت لوله ونتوری شده و نتیجتاً هوای اطراف به داخل این لوله مکیده می شود. این لوله وظیفه هدایت گاز و هوا به سر مشعل و تخليط هرچه بهتر آنها را به عهده دارد. در این ارتباط، ابعاد لوله ونتوری و زاویه مجاری ورودی واجد اهمیت فوق العاده هستند و چنانچه درست طراحی شده باشند، بعد از گلویی لوله، مخلوطی مناسب از گاز و هوا حاصل خواهد شد.

هرقدر سرعت گاز بیشتر باشد (یا به عبارتی فشار گاز در پشت نازل بیشتر باشد)، مقدار هوایی که به لوله اختلاط مکیده می شود بیشتر خواهد بود.

نازل مشعل های گازی آتمسفریک که از آن گاز به سرعت خارج می گردد، باید طوری طراحی و ساخته شود که تمام فشار پشت نازل را به سرعت تبدیل نماید تا بتواند هوای اولیه بیشتری را به لوله اختلاط و در نهایت سر مشعل بکشاند. بنابراین نازل باید خوب و صیقل تراشیده شده و زاویه مناسبی داشته باشد.

مشعل های اتمسفریک عمدتا به دو دسته تقسیم میشوند ا. مشعل های آتمسفریک فشار ضعیف ۲. مشعل های آتمسفریک فشار قوی

مشعل های آتمسفریک فشار ضعیف

مشعل های آتمسفریک فشار ضعیف که اصطلاحاً به‌عنوان مشعل های تجاری نیز خوانده می شوند، مشعل هایی هستند که حداکثر فشار پشت نازل آنها حدود ۵۰ میلی بار است. این مشعل‌ها معمولاً کاربرد تجاری و خانگی داشته و در موارد بسیار معدودی به‌عنوان مشعل صنعتی به کارگرفته می شوند.

یکی از ویژگی های مهم آنها این است که به ‌دلیل فشار پایین گاز و در نتیجه سرعت نسبتاً کم در سر نازل مشعل، امکان تأمین همه هوای مورد نیاز مشعل در ونتوری نبوده و نتیجتاً باید مقداری هوا در محفظه احتراق به‌ عنوان هوای ثانویه به مشعل داده شود و این هوا معمولاً در اثر وجود خلاء در محیط تشکیل شعله و از طریق مجاری ورودی تأمین می گردد.

مشعل های آتمسفریک فشار قوی

مشعل های آتمسفریک فشارقوی که اصطلاحاً به‌عنوان مشعل های آتمسفریک صنعتی نیز خوانده می شوند، به مشعل هایی اطلاق می گردد که فشار گاز پشت نازل آنها بالاتر از ۱ پوند بر اینچ مربع باشد. در این نوع مشعل‌ها به‌دلیل این که فشار پشت نازل بالا بوده و در نتیجه سرعت گاز خروجی از نازل زیاد است، تأمین هوای بیشتری در مشعل (حتی هوای اضافی به حد معقول) ممکن بوده و بدین طریق می توان مخلوطی کامل از سوخت و هوا به دست آورد که دارای سرعت نسبتاً مناسبی در سر مشعل‌ها بوده و قابل استفاده در کوره‌های با دمای زیاد می باشد.

اساس کار ترموکوپل

ترموکوپل و شیرهای ترموالکتریک

چنانچه در میله از دو فلز مختلف الجنس را انتخاب کرده و یک طرف آنها بهم متصل نموده محل اتصال را حرارت دهیم، خواهیم دید که در دو سر دیگر آنها ولتاژ ضعیفی ایجاد می شود. با انتخاب انواع مناسبی از دو فلز که تا حد امکان در برابر حرارت مقاومت بیشتری داشته باشند، می توان یک جریان الکتریکی ایجاد کرد که با گذر از یک سیم پیچ بتواند در صورت لزوم هسته ای را جذب نماید و این اساس ساختمان ترموکوپل می باشد.

شیر ترموالکتریک شیری است که ولتاژ بازکننده آن ولتاژی است که در ترموکوپل ایجاد می شود. معمولاً این نوع شیر دارای دو مجرا، یکی برای پیلوت (شمعک) و دیگری برای شعله اصلی می باشد.

معمولاً در شیرهای ترموالکتریک برای گاز پیلوت (شیک) و مشعل اصلی پیچ‌های تنظیم وجود دارد و حتی در مواردی این شیرها مجهز به تنظیم کننده سرعت باز شدن گاز اصلی می باشند.

طرز کار یک مشعل اتمسفریک خانگی

چنانکه ذکر شد، در مشعل های آتمسفریک بخشی و با تمام هوای اولیه، توسط مکشی که در اثر خروج سریع گاز از نازل ایجاد می شود، تأمین می گردد. در مشعل های اتمسفریک خانگی نیز از چنین خاصیتی استفاده شده و نیازی به دهنده الکتریکی نیست.

در این مشعل‌ها، گازی که با سرعت از نازل خارج می شود بخشی از هوای مورد نیاز برای احتراق را با خود به داخل لوله ونتوری خواهد کشید به ‌دلیل سرعت پایین گاز نمی توان همه مرا را به داخل مشعل هدایت کرد و در نتیجه مخلوطی مستعد برای سوختن در سر مشعل خواهیم داشت.

این مخلوط در سر مشعل پس از اختلاط با هوای ثانویه که از اطراف سر مشعل در نتیجه مکشی که توسط دودکش ایجاد شده به داخل دیگ کشیده می‌شود، سوخت کاملی را تشکیل خواهد داد. برای این که مشعل به طور ایمن روشن شده و به کار خود ادامه دهد، لازم است از شیر ترموالکتریک، ترموکوپل و شمعک (پیلوت) استفاده شود.

در این مجموعه کار بدین شکل است که برای روشن کردن شعله باید اول پیلوت روشن شود که دارای شعله‌ای بسیار کوچک بوده و به وسیله جرقه زن روشن می گردد. پس از روشن شدن پیلوت باید حرارت شعله آن به اندازه ای باشد که با برخورد به ترموکوپل، ولتاژی لازم برای نگه داشتن هسته باز نگهدارنده مسیر گاز پیلوت و مشعل را تولید نماید تا پیلوت روشن باقی بماند.

چنانچه شعله پیلوت تشکیل نگردد و با مقدار آن مناسب نباشد تا بتواند شعله اصلی را روشن نماید، نمی تواند ترموکوپل را به اندازه کافی گرم کند و نتیجتاً مشعل خاموش خواهد شد.

البته اندازه شعله پیلوت و طرز قرار گرفتن آن نسبت به ترموکوپل و سر مشعل در کیفیت کار مشعل از اهمیت فوق العاده برخوردارند و می باید تماس شعله با سر ترموکوپل (اتصال داغ) به نحو صحیحی صورت پذیرد تا نیروی الکتروموتور کافی برای ایجاد میدان مغناطیسی و جذب هسته باز نگهدارنده مسیر گاز پیلوت را تولید نماید.

مشعل های گازی اتمسفریک

با روشن شدن پیلوت و تأثیر آن بر روی ترموکوپل (حداکثر پس از ۳۰ ثانیه) امکان باز شدن مسیر گاز اصلی فراهم آمده و مشعل روشن خواهد شد. تا چنانچه به هر دلیل شعله پیلوت خاموش شود، ترموکوپل سرد شده (حداکثر در ۲۰ ثانیه) و شیر ترموالکتریک مسیر گاز را خواهد بست و در نتیجه از ورود گاز به محفظه اینکه شعله در آن وجود ندارد جلوگیری خواهد شد.

همانگونه که ذکر شد، در مشعل های گازی آتمسفریک در داخل لوله ونتوری مخلوطی از گاز و هوای آماده اشتغال وجود دارد که البته نباید در داخل این لوله مشتعل شود. برای جلوگیری از اشتغال این مخلوط در داخل لوله ونتوری و پایدار نگه داشتن شعله در سر مشعل، از یک شبکه مخصوص برنجی استفاده شده است.

ضمناً جهت هدایت شعله پیلوت به طرف مشعل اصلی از نوعی هدایت کننده شعله پیلوت استفاده می شود که سبب روشن شدن مشعل اصلی بلافاصله پس از باز شدن مسیر گاز گردیده از تجمع گازهای نسوخته جلوگیری می کند.

یکی دیگر از ابتکارات متخصصین ایرانی در مشعل های آتمسفریک خانگی، استفاده از مکانیزم پیلوت کمکی جهت افزودن به شعله پیلوت است. بدین ترتیب که با باز شدن مسیر گاز مشعل، بخشی از این گاز به شیر پیلوت هدایت می گردد که در نتیجه شعله پیلوت بزرگتر شده و ایجاد شعله اصلی را تسهیل و تسریع می نماید.

سیستم کنترل دمای بدنه

ابتکار دیگری از مهندسین ایرانی است که در بعضی از مدلهای مشعل آتمسفریک بکار رفته است. بدین ترتیب که هرگاه به دلایلی از قبیل گرفتگی دودکش، شعله پس بزند و برای مدتی حدود یک دقیقه دمای بدنه مشعل حدود ۸۰ تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد باقی بماند، یک کلید حرارتی، جریان الکتریکی بوبین ترموکوپل را قطع می کند.

 در نتیجه فقدان نیروی مغناطیسی، هسته مسدود کننده مسیر گاز پیلوت را می بندد. در این حالت مشعل تا زمان رفع عیب خاموش خواهد ماند.

بر مبنای آنچه ذکر شد، می توان به کارآیی و ایمنی مشعل های گازی آتمسفریک اطمینان حاصل نموده و هنگام طراحی سیستم‌های حرارتی، امتیازات بهره گیری از این نوع مشعل را در مد نظر قرار داد.