مشعل
دستگاهی است که با ترکیب مقدار معینی هوا و سوخت (به این عمل احتراق گفته
می‌شود) در یک فضای ایمن انرژی سوخت را به انرژی گرمایی تبدیل می‌کند که در
اثر این احتراق مقداری گاز نیز تولید شده که از راه دود کش خارج می‌شود.
این انرژی تولید شده توسط دو روش جابه‌جایی و تشعشع به محیط اطراف انتقال
داده می‌شود. مشعل‌ها بر اساس: پروفیل شعله تولید شده، نوع سوخت، طریقه
اشتعال، ظرفیت کاری و ... تقسیم‌بندی می‌شوند. کار اصلی مشعل ایجاد گرمایش
می‌باشد که با توجه به نیاز کار، مشعل مورد نظر را انتخاب می‌کنند. یکی از
بزرگترین استفاده‌های مشعل در صنعت گرمایش به عنوان موتور احتراق بویلرها
می‌باشد. در انواع دیگ‌ها مشعل‌هایی با ظرفیت کاری متفاوت استفاده می‌شود.
طرز کار مشعل بدین شکل می‌باشد که با پاشش سوخت (گاز، گازوییل، مازوت) از
طریق ورودی و ایجاد جرقه حرارت مورد نیاز را به صورت شعله به داخل کوره
هدایت می‌کند. در مشعل و دیگ تعدادی کنترل‌کننده وجود دارد که میزان و زمان
هر کدام از فرآیند‌های مشعل را کنترل می‌کنند. برای مثال ترموستات دیگ و
کنترل دود که گاهی به جای آن از سلول فتوالکتریک استفاده می‌شود به طور
خودکار باعث کار کردن و از کار افتادن مشعل می‌شود.
تعریف یک سیستم ایجاد آتش یا مشعل عبارتند از:
قراردادن آتش در سطوح مفید پخش گرما
وارد کردن و نگهداشتن جرقه
مخلوط کردن سوخت و هوا
تبخیر سوختهای مایع و جامد
متناسب کردن میزان سوخت و هوا
تامین سوخت و هوا با یک دبی و فشار مناسب برای تجهیزات با توجه به پنج موضوع قبلی و با ایمنی در هر سطح مورد نیاز در فرآیند.
مشعل گازسوز
این
مشعل‌ها برای احتراق گاز طبیعی طراحی شده‌اند. دبی سوخت گازی لازم در این
مشعل‌ها، توسط شیر برقی کنترل شده و هوای لازم برای احتراق آنها، توسط یک
دمنده که بر روی محور موتور نصب شده است، تأمین می‌شود. دبی این هوا توسط
دمپر هوایی که در ساختمان مشعل نصب شده است، کنترل می‌شود.
جریان گاز از
یک فیلتر عبور کرده، با هوای احتراق مخلوط شده و آمادهٔ احتراق می‌شود.
اگر فشار هوای احتراق از حدی کمتر شده و یا دبی سوخت از مقدار مورد نظر
بیشتر یا کمتر شود، این موضوع توسط سنسورهای فشارِ تعبیه‌شده در مشعل حس
شده و مشعل به وسیلهٔ یک رلهٔ کنترلی، خاموش می‌شود. در صورت مناسب بودن
تمام شرایط ذکر شده، در نهایت مخلوط سوخت گازی و هوا، توسط جرقه (که به
وسیلهٔ یک ترانس ولتاژ بالای نصب‌شده در ساختمان مشعل ایجاد می‌شود) و یا
به وسیلهٔ شعلهٔ یک شمعک که در مسیر خروجی جریان قرار می‌گیرد، محترق
می‌شود. همچنین به منظور یکنواخت کردن و پایدار سازی شعله، از یک
شعله‌پخش‌کن در جلوی نازل سوخت استفاده می‌شود. به منظور کنترل فرآیند
احتراق، از یک سنسور به نام میلهٔ یونیزاسیون، در مسیر شعله استفاده
می‌شود. در صورت برقرار شدن شعله و وجود حرارت، یک جریان الکتریکی در آن
برقرار شده و رلهٔ مشعل با دریافت این جریان به عملکرد خود ادامه می‌دهد.
اگر به هر علت، تغییری در وضعیت این جریان رخ دهد، مشعل توسط رله خاموش
می‌شود.
مشعل‌های دوگانه‌سوز
مکانیزم عملکردی مشعل‌هایی که با سوخت مایع کار می‌کنند را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:
سوخت
مایع می‌بایست به صورت پودر تبدیل شود تا احتراق روی آن به خوبی انجام
گیرد. سوخت مایع پودر شده می‌بایست 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 محفظهٔ احتراق خارج شوند. مشعل‌ها انواع
مختلفی دارند، اما در ساختمان تمامی آنها دو فصل مشترک وجود دارد:
نیاز به اتمیزه کردن سوخت مایع دارند.
نیاز به ترکیب سوخت با هوای احتراق دارند.
علت
اتمیزه کردن سوخت مایع این است که بیشتر سوخت‌ها در حالت مایع به راحتی
محترق نمی‌شوند. به عنوان مثال اگر یک کبریت روشن را درون یک محفظهٔ حاوی
نفت فرو کنیم، شعلهٔ آن به سرعت خاموش می‌شود. لذا برای محترق کردن این
قبیل سوخت‌ها، 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 آسان‌تر می‌کند. به عنوان یک مثال، می‌توان توسط یک نازل، دبی
۱ گالن بر ساعت سوخت نفتی در فشار عملکردی ۷ بار را به بیش از ۵۰ میلیارد
قطرهٔ روغن در ساعت تبدیل کرد. سایز این قطره‌ها از ۰٫۰۰۰۲ تا ۰٫۰۱ اینچ
متغیر است. به وسیلهٔ این فرایند سطح تماس سیال در حدود ۳۸۰۰ برابر افزایش
می‌یابد. اگر اتمیزه شدن ناقص صورت گیرد، سایز قطرات خیلی بزرگ خواهد بود و
این ذرات به صورت ناقص محترق شده و به صورت نیم سوز از شعله خارج می‌شوند.
این مسئله به صورت پرتاب شدن ذرات آتش در شعله دیده می‌شود و تنها باعث
احتراق ناقص و پایین بودن راندمان نشده و باعث تشکیل رسوب در محفظهٔ احتراق
نیز می‌شود.
به صورت کلی چهار گروه اصلی از مشعل‌های نفت‌سوز وجود دارند که هر کدام از آنها سوخت را به روش خاصی اتمیزه می‌کند:
جت فشاری Pressure jet
روتاری کاپ Rotary cup
Air/stem-atomized
Low pressure air atomizing
مشعل جت فشاری
در
این مشعل، سوخت فشرده شده و از درون یک نازل عبور داده می‌شود. این نازل
سوخت را پودر می‌کند، آن را با هوای احتراق مخلوط کرده و باعث احتراق
می‌شود. در سوختهای نفتی سنگین، فشاره اتمیزه کردن باید تا ۳۰ بار بالا
رود و در سوختهای نفتی سبک، این فشار تا ۶ بار می‌رسد. مزایای مشعل جت
فشاری عبارتند از:
- اتمیزه کردن خوب سوخت
- نازل‌های به کار رفته در آنها نسبتاً ارزانتر است.
- تعمیر و نگهداری آنها به راحتی انجام می‌شود.
- قابل اطمینان هستند.
و اما معایب مشعل‌های جت فشاری:
-
یک افت کوچک در فشار اتمیزه کردن یا افزایش جزئی در ویسکوزتهٔ سوخت، باعث
افزایش سایز قطرات شده و در نتیجه موجب کاهش راندمان احتراق می‌شود.
- به طور کلی برای مصارف بزرگ مناسب نیستند.
مشعل‌های Air/Steam-Atomized
در
این نوع از مشعل، سوخت در فشار کمتری نسبت به مشعل‌های جت فشاری معمولی،
به درون نازل تغذیه می‌شود (کمتر از ۶ بار). بخار یا هوای فشرده نیز به
درون نازل تغذیه می‌شود. سوخت و هوا به خوبی درون نازل با یکدیگر مخلوط
می‌شوند. پس از آن ترکیب مذکور از نازل خارج شده، انبساط یافته و یک اسپری
از سوخت اتمیزه شده را ایجاد می‌کند. نمای نازل به کار رفته در این مشعل‌ها
در شکل زیر نشان داده شده است. مزایای این مشعل‌ها:
- تا حدی تغییر در کیفیت سوخت را تحمل می‌کنند.
- نیازی به پمپ سوخت فشار بالا ندارند.
- ساده و پایا کار می‌کنند.
معایب این مشعل‌ها:
- به هزینهٔ اولیهٔ بالایی نیاز دارند.
- ممکن است احتراق آنها دشوار باشد.
- برای مصارف بالا مناسب هستند.
- نباز به منبع تأمین بخار یا حجم وسیعی از هوای فشرده دارند.
- نازل‌های آنها گران است.
مشعل‌های Rotary Cup
در
مشعل‌های روتاری کاپ سوخت در فشار کمی (۲٫۵ بار) وارد انتهای یک محفظهٔ در
حال دوران شده و به سمت دیوارهٔ این محفظه پرتاب شده و به صورت یک فیلم
بسیار نازک از سیال، از لبه‌های محفظه خارج می‌شود. محفظهٔ دورانی این
مشعل‌ها توسط بک موتور الکتریکی با سرعتی در حدود 5000RPM دوران می‌کند. یک
فن اصلی هوا، به صورت هم مرکز با محفظهٔ دورانی، دوران کرده و هوا را
اطراف بخش خارجی محفظه می‌دمد. این هوا با فیلم سیال برخورد کرده و آن را
به قطرات کوچک تبدیل می‌کند.
مزایای مشعل‌های Rotary cup:
- عملکردی پایدار دارند
- تغییر در ویسکوزیتهٔ سیال تأثیر آن چنانی بر روی آنها ندارد.
معایب این مشعل‌ها:
- قیمت بالا
- نیاز به تنظیمات هر روزه دارند
- عملکرد پیچیده‌ای دارند.
مشعل‌های Low pressure atomizing
در
این مشعل‌ها سوخت مایع در فشار بسیار کم (۰٫۵-۰٫۲ بار) وارد یک جریان هوای
سرعت بالا می‌شود. هوای پر سرعت، سوخت را به قطرات ریز تبدیل کرده و
آشفتگی‌های موجود در هوا، سوخت و هوا را با هم ترکیب کرده و آن را بیشتر
اتمیزه می‌کند. منبع تأمین هوا، معمولاً یک دمندهٔ فشار بالا است.
مزایای این مشعل:
- بسیار پایدار بوده و می‌تواند حجم زیادی از سوخت را مشتعل کند.
- هزینهٔ اولیهٔ نسبتاً کمی نیاز دارند.
- از آنجا که به هوا یا بخار فشرده نیاز ندارند، هزینهٔ عملکردی کمی دارند.
معایب این مشعل‌ها:
- اتمیزه کردن را به بهترین نحو انجام نمی‌دهند.
- معمولاً برای کوره‌های خیلی داغ یا خیلی بزرگ مناسبند.