از : مهندس عادلی - شرکت شعله صنعت
مشعلهاي هواي اضافه به مشعلهايي گفته ميشود كه علاوه بر قابليت احتراق در شرايط عادي و تشكيل شعله اي با درجه حرارت بالا امكان كار با هواي بسيار زياد (حدود 3000درصد) را دارند. بدليل اينكه احتراق با هواي اضافه زيادي صورت ميگيرد، محصول احتراق از حجم بسيار زياد ولي درجه حرارت كم برخودار است . از آنجا که هر سوختی ميدان قابليت اشتعال مشخصي دارد ، يعني اگر در صد حجم سوخت در هوا از حد معيني كم تر و يا زياد تر باشد ، مخلوط حاصله قابليت اشتعال خود را از دست ميدهد و یا به عبارتي ديگر اگر حجم هواي شركت داده شده دراحتراق ، از حد معيني تجاوز كند ، شعله تشكيل نخواهد شد. شعله مشعلهاي هواي اضافه بايد وضعيت مشخصي داشته و در طراحي اين مشعل دقت فوق العاده ای صورت گيرد تا شعله تشکیل شود.
براي توضیح مسئله ميدان، قابليت اشتعال گاز طبيعي را مورد بررسي قرار ميدهيم . گاز طبيعي با چگالي حدود 56 درصد ميدان قابليت اشتعالي بين 5 تا 15 درصد دارد. چنانچه مخلوطي از گازطبيعي با هوا داشته باشيم تنها در صورتي اين مخلوط مشتعل مي شود كه در صد حجمي گاز در هوا بين 5 تا 15 درصد باشد. اگر در مخلوط كمتر از 5درصد و يا بيشتر از 15 درصد گاز وجود داشته باشد، ترکیب قابليت اشتعال خود را از دست ميدهد و یا به عبارتي عاميانه شعله مي پرد و يا خفه مي شود.
مشخصات دو نمونه گاز طبيعي استخراج شده از دو ميدان مختلف به قرار زير ميباشد :
گاز طبيعي جهت احتراق كامل نيازمند حدود 10 برابر حجم هوا است، (احتراق در شرايط استويكيومتري ) و در صد هاي اضافه به مفهوم نسبت هواي اضافه به هواي تئوری جهت احتراق كامل است ، ميتوان به اين نتيجه رسيد كه در مشعلهاي با3000 درصد هواي اضافه كه با گاز طبيعي كار ميكنند، نسبت حجم گاز به هوا است، يعني هر متر مكعب گاز با 310 متر مكعب هوا در مشعل فوق تركيب ميگردد.
چون حداقل نسبت براي تشکیل شعله برای گاز طبیعی و هوا 5 به 95 يا 1 به 19است، بطور معمول با توجه به نسبت 1 به 310 ترکیب بايد بيش از حد رقيق باشد و امكان تشكيل شعله به هيچوجه وجود نداشته باشد، در حاليكه عملاً مشعلهاي هواي اضافه داراي شعله كاملاً پايدار بوده و مسئله تشكيل شعله در اين مشعلها نيز ناقض اصل محدوديت قابليت اشتعال سوختها نیست. زيرا شعله تشكيل شده در منطقه غني از گازطبيعي ( نسبت به شرايط هواي اضافي ) تشكيل ميگرددو هوا در سرمشعل طوري جهت داده مي شود كه پيوسته در ناحيه اي كه قرار است شعله داشته باشيم ، نسبت گاز به هوا از محدوده قابل اشتعال خارج نشود.
براي اينكه بتوان هواي خيلي زيادي را درمشعلهاي هواي اضافه بكار گرفت و در عين حال شعله اي پايدار و ايمني تشكيل داد ،بايد هواي مشعل به صورت مرحله اي وارد سوخت گرددتا در هرمرحله از احتراق عملاً مقدار هوايي كه در واكنش شركت ميكند ، مخلوط را از حد قابليت اشتعال خارج ننمايد.
بدليل اهميت اين نوع از مشعلها و ناشناخته ماندن آن بهتر است كه در اين مورد توضيح بيشتري داده شود.
همانطوريكه در شكل 1 مشاهده ميشود، در حداقل شعله ( يابه عبارتي با حداكثر هواي اضافه ) اگر چه مقدار گاز كم است ولي حجم هوايي كه عملاً با اين گاز تركيب ميشود كم بوده و گاز را از ميدان قابليت اشتعال خارج نمي کند. در چنين وضعيتي مشعل داراي حجم محصولات خروجي بسيار زياد ولي درجه حرارت بسيار كم است(حدود 90 درجه سانتيگراد).
(شكل 1 )
حال اگر مقدار گاز مطابق شكل 2 بيشتر شود ، با هواي بيشتري برخورد نموده وضمن تشكيل محصولات احتراق كامل ، كماكان تركيب در ناحيه شعله در ميدان قابليت اشتعال حفظ ميگرددو درجه حرارت سيالات خروجي از دهانه مشعل نسبت به حالت اول بيشتر خواهد شد.
(شكل 2 )
اگر حجم گاز رابه حداكثر مقدار مجاز در مشعل برسانيم (شكل 3 ) سوخت باتمام هواي تركيب شده (تركيب نزديك به شرايط استويكيومتري) و شعله اي با درجه حرارت بالا تشكيل ميگردد.
(شكل 3)
مشعلهاي هواي اضافه ، علاوه بر داشتن كليه ويژگيهاي مربوط به مشعلهاي معمولي ( احتراق كامل و تشكيل شعله اي با درجه حرارت زياد و پايدار با حداكثر ظرفيت حرارتي مشخص ) امكان توليد سيالات داغ كه بطور عمده از هوا تشكيل ميگردد (Hot-Air) را دارد .
براي درك بهتر كاربرد اين مشعل بايد امكان ثابت نگهداشتن هواي مشعل و تنظيم دريچه هواي آن در حداكثر هوايي كه ممكن است به مشعل داده شود اشاره نمود . با ثابت نگهداشتن هواي مشعل و تغيير حجم سوخت ميتوان درجه حرارت سيالات خروجي از دهانه مشعل را تغيير داد.
در حاليكه عملاً حجم سيال خروجي از دهانه مشعل در حداكثر حجم خود باقي مي ماند (برخلاف مشعلهاي معمولي كه با كم كردن سوخت حتماً بايد هواي آن كم شده و درنتيجه حجم سيال هم كم مي شود.)
ويژگي بيان شده عملاً دو كاربرد وسيع مشعلهاي هواي اضافه را موجب می شود:
1 – به عنوان مشعل توليد هواي گرم
2 – به عنوان مشعلي كه ميتواند براي گرم كردن كوره هاي نو ساز بكار رود.
( از موارد وسيع كاربرد اين مشعلها ، پيشگرم کردن(زینتر) كوره هاي ذوب شيشه و کوره های ذوب است.)
کاربرد مشعلهاي هواي اضافه جهت توليد هواي گرم براي خشك كنها و يا دستگاههايي كه نياز به درجه حرارت هايي كم ولي گردش سيال زياد در محفظه ميباشد بكار ميروند و درچنين گرماسازهايي ، نيازي به دمنده هواي رقيق كننده نبوده و دمنده توليد كننده هواي احتراق ، ميتواند به عنوان دمنده توليد كننده هواي رقيق كننده نيز بكار رود.
در ایران مهمترین و ناشناخته ترین کاربرد مشعلهاي توليد هواي اضافه بخصوص مشعلهاي هواي اضافه سرعت بالا (High velocity excess-air) كه قادر به پخت دادن كوره هاي جديد بخصوص كوره هاي ذوب شيشه بطور يكنواخت ميباشدتاحد زيادي ناشناخته مانده و اين عمل يا بوسيله شركتهاي خارجي و باهزينه كلان ارزي صورت ميگيرد و يا بصورت تجربي و بدور از اصول علمي ، با استفاده از مشعلهاي معمولي كه عملاً امكان گرم كردن يكنواخت را ندارند، صورت ميگيرد.
بااستفاده از نوع سرعت بالاي اين مشعل (High Velocity) امكان بهره برداري از سيالات خروجي كه داراي سرعت بسيار زيادي است بوجود مي آيد.با نصب اين مشعل در دو طرف كوره ( مطابق شكل 4 ) و به تعداد مورد نياز ، بدليل سرعت زياد سيال خروجي از دهانه مشعل ، گردش سيال با درجه حرارت كم ولي حجم و سرعت زياد شكل ميگيردكه موجب يكنواختي درجه حرارت در كوره ميگردد.
(شكل 4)
بااستفاده از مشعلهاي ( (High velocity excess-air و انتخاب مناسب تعدا د و محل نصب ميتوان كوره اي را با منحني بسيار دقيق از 50 تا 1000 درجه سانتيگراد گرم نموده و براي اين كار بايد كنترل سيستم هر ناحيه مطابق شكل 5 باشد.
همانطور كه در شكل ديده ميشود، در تمام مراحل پيشگرم، حجم هواي مشعلها ثابت است و مقدار سوخت بنا به حرارت مورد نياز سيستم كه بوسيله يك برنامه ريزكنترل ميشود.
براساس سيستم فوق گرم كردن كوره ، با هرشيب حرارتي امكان پذير خواهد بود و در مدت گرم كردن ، حجم هوا ثابت خواهد بود و فقط مقدار گاز براساس فرمان برنامه ريز بوسيله يك شيركنترل جريان گاز كه بسيار دقيق عمل ميكند ، تغيير مي يابد.
بدليل ججم ثابت هوا ، عملاً سيال بسيار زيادي جهت چرخش در كوره و ايجاد محیط يكنواخت جريان خواهد داشت .