سوخت و احتراق

در این مقاله، بصورت کوتاه و مختصر به بررسی انواع سوخت ها پرداخته و پس از بررسی عوامل  موثر بر احتراق، در مورد سوخت کامل و ناقص بحث خواهیم نمود.

هدف از این مقاله آشنایی با نسبت مناسب هوا و سوخت در سیستم های گرمایش خانگی است که با این مقدمه بتوان دلایل طراحی و تولید نسل های مختلف پکیج شوفاژ دیواری را فهمید.

وحید یغمائی

نویسنده مقاله

وحید یغمائی

پیش نیاز مقاله

بدون پیش نیاز

سوخت های گازی:

سوخت های گازی که معمولاً برای تأمین انرژی حرارتی مورد استفاده قرار میگیرند، از هیدروکربن های اشباع شده مانند متان (CH4) اتان (C2H6) پروپان (C3H8) و غیره تشکیل شده اند. در ایران از گاز طبیعی (گاز طبیعی در غلظت های پایین فاقد بوی مشخص است. از این رو برای تشخیص نشت گاز در ایستگاههای ورودی شهر به آن مواد بودار اضافه می کنند تا ایمنی مصرف کنندگان گاز طبیعی تأمین گردد) و گاز مایع جهت تولید انرژی استفاده می شود.

سوختهای گازی در حالت عادی به صورت گاز هستند. از مزایای این سوخت ها می توان به ارزان بودن آنها در ایران نسبت به دیگر سوخت ها، سهولت شعله ور شدن، کنترل و بهینه سازی آسان احتراق و آلودگی کمتر اشاره کرد.

ایمنی کمتر، نبود امکان ذخیره سازی در مقادیر بزرگ و حمل و نقل دشوار از معایب سوخت های گازی به شمار می رود.

۱. گاز طبیعی:

گاز طبیعی ماده ای بی رنگ و بی بو است که به صورت محلول در نفت خام و روی بستر آن، همچنین در معادن زغال سنگ و نیز معادن مستقل گازی وجود دارد.

بخش عمده گاز طبیعی را متان و مقدار کمی از آن را اتان تشکیل می دهد. ارزش حرارتی گاز طبیعی ۴۰ مگاژول بر متر مکعب و چگالی (جرم حجمی) آن ۰/۶ چگالی هواست.

گاز هم مانند نفت خام دارای ناخالصی هایی است که باید در پالایشگاه گاز تصفیه شود. عمده ناخالصی های گاز طبیعی، بخار آب و سولفید هیدروژن است.
گاز طبیعی به دو شکل به محل مصرف انتقال پیدا میکند:

گاز طبیعی فشرده CNG یا همان Compressed Natural Gas

گاز طبیعی مایع شده LNG یا همان Liquified Natural Gas.

استفاده از نوع LNG گاز طبیعی بسیار هزینه بر است زیرا دمای تقطیر آن در فشار عادی حدود ۱۶۰- درجه سانتیگراد است. با افزایش فشار دمای تقطیر حداکثر تا حدود ۶۰- درجه سانتیگراد افزایش می یابد که همچنان پرهزینه خواهد بود. بنابراین معمولاً برای انتقال و استفاده از گاز از روش گاز طبیعی فشرده بهره می برند.

۲. گاز نفت (Oil Gas)
این گاز عمدتاً از پروپان و بوتان تشکیل شده است. گاز نفت با اندکی افزایش فشار در دمای عادی به مایع تبدیل میشود که محصول LPG یا همان Liquified Petroleum Gas از آن به دست میآید. ارزش حرارتی گاز نفت، ۴۳ مگاژول بر متر مکعب بوده و مزیت آن نسبت به گاز طبیعی سهولت ذخیره و حمل و نقل آن است. اما آلایندگی هوا در حین احتراق به دلیل کربن بیشتر و خطر نشت آن به علت سنگین تر از هوا بودن و نشست آن در سطح زمین را می توان از معایب گاز نفت برشمرد.

۳. سوخت های گازی مصنوعی

این نوع سوختها طی فعل و انفعالاتی روی سوخت های طبیعی به دست می آیند. گاز مولد
(Producer Gas)، گاز آب (Water/Blue Gas)، گاز کوره بلند، گاز کوره ککسازی، گاز فاضلاب و بیوگاز را می توان در ردیف گازهای مصنوعی برشمرد.

احتراق:

طی فرایند احتراق، از ترکیب سوخت با یک اکسیدکننده، محصولات احتراق تولیدشده و انرژی زیادی به صورت حرارت آزاد میشوند.

 

۱- اکسید کننده:

مهمترین اکسیدکننده در احتراق، اکسیژن است اما در شرایط عادی اکسیژن خالص وجود ندارد و از هوا به عنوان اکسیدکننده استفاده میشود. ترکیب شیمیایی هوای خشک به شکل زیر است:

به طور معمول، هوا را متشکل از ۹۷ درصد نیتروژن و ۲۰ درصد اکسیژن لحاظ میکنند. به ازای هر مول اکسیژن موجود در هوا که در احتراق شرکت می کنند۳.۷۸= ۰.۷۹/۰.۲۱مول نیتروژن نیز وارد میشود، پس برای هوا میتوان از نماد ( O2+3.76 N2) استفاده کرد.

برای مثال واکنش گاز متان با اکسیژن هوا بصورت زیر است:

تحلیل استوکیومتری احتراق:

محاسبات استوکیومتریک واکنش های شیمیایی در احتراق، در برگیرنده مقدار، نسبت یا درصد مواد شرکت کننده در آن ها به عنوان واکنشگر یا محصول است.

احتراق کامل:

در احتراق کامل، کربن و هیدروژن موجود در سوخت به طور کامل به CO2 و H2O تبدیل و در نتیجه حداکثر حرارت ممکن تولید میشود. احتراق کامل، صرفاً یک حالت ایده آل است و در عمل احتراق به صورت ناقص رخ میدهد.

احتراق ناقص:

در احتراق ناقص معمولاً تمام سوخت موجود نمی سوزد و در صورت اتمام سوخت نیز به جای رسیدن به محصولات نهایی مثل H2O و CO2 ترکیبات واسطه دیگری نظیر CO یا OH تولید میشود.

دلایل عدم احتراق کامل عبارتند از:

۱- کافی نبودن اکسیدکننده؛

۲- عدم اختلاط کامل سوخت و هوا؛

۳- تجزیه محصولات احتراق در دماهای خیلی بالا.

شرایط احتراق:

برای نزدیک شدن به احتراق کامل که یک حالت ایده آل است سه مولفه باید بطور هم زمان وجود داشته باشد:

۱- وجود سوخت و اکسید کننده به نسبت مناسب (نسبت هوا به سوخت)؛

۲- اختلاط سوخت و اکسید کننده؛

۳- رسیدن مخلوط فوق به دمای اشتعال.

۱- نسبت هوا به سوخت:

نسبت جرم هوای موجود به جرم سوخت را نسبت هوا به سوخت (Air-Fuel ratio) می نامند و با AF نمایش می دهند. AF=ma/mf

عکس نسبت قبلی را نسبت سوخت به هوا می گویند و با نماد FA نمایش داده می شود. FA=mf/ma

نسبت هوا به سوخت نقش مهمی در کیفیت احتراق دارد. چنانچه این نسبت خیلی بزرگ یا خیلی کوچک باشد احتراق رخ نخواهد داد. حالت بهینه ای از نسبت فوق به احتراق با کیفیت بالا کمک می کند.

در نتیجه مقدار هوای تئوری یا استوکیومتری، عبارت است از حداقل هوای لازم برای ایجاد احتراق کامل.

نکته بسیار مهم: نسبت مناسب گاز شهری به هوا نسبت ۱۰ به ۱ می باشد، بدین معنی که به ازای یک مول سوخت، ۱۰ مول هوای تازه برای احتراق لازم است.

همانطور که در مقاله معرفی نسل های پکیج شوفاژ دیواری مطرح شد، در پکیج های نسل اول و دوم و حتی سوم، میزان گاز ورودی به محفظه احتراق تحت کنترل می باشد ولی میران اختلاط با هوای تازه تحت کنترل نبوده و تغییر در نسبت هوا و سوخت تحت کنترل نمی باشد. ولی در نسل چهارم یا پکیج های چگالشی با توجه به نوع اختلاط سوخت و هوا، ترکیب هوا و سوخت تحت کنترل پکیج شوفاژ دیواری می باشد. (برای مطالعه نسل های پکیج شوفاژ دیواری مقاله مربوطه را مطالعه فرمائید).

۲- اختلاط سوخت و اکسید کننده (هوا):

اختلاط سوخت و هوا در کیفیت احتراق از اهمیت زیادی برخوردار است. عوامل ایجادکننده اختلاط بیشتر سوخت و هوا (اغتشاش بیشتر یا تلاطم)، شامل استفاده از همزن، پخش کننده، نازل، انژکتور هستند. در برنرهای با سوخت گازی برای اختلاط بهتر سوخت با هوا از نازل (ژیگلور) استفاده می شود. برای ایجاد اختلاط بهتر در دستگاههای با سوخت مایع (مانند خودرو) سوخت را به واسطه انژکتور، اتمیزه میکنند و یا به صورت گاز در می آورند. در سوخت های جامد، نیز برای اختلاط مناسب باید ابتدا سوخت به صورت پودر در بیاید و بعد در میان هوا پاشیده شود.

۳- دمای اشتعال:

حداقل دما برای اشتعال خود به خود مخلوط سوخت و هوا را دمای اشتعال می نامند. لازم به ذکر است که دمای اشتغال با دمای تبخیر است.
مقایسه دمای اشتعال نفت و بنزین نشان می دهد که دمای اشتعال بنزین از نفت بیشتر است. این درحالی است که اشتعال بنزین بسیار سریعتر از نفت صورت می پذیرد. علت اشتعال سریعتر بنزین دمای تقطیر یا تبخیر پایین تر آن نسبت به نفت است پس چون بنزین زودتر بخار می شود در نتیجه در مجاورت شعله زودتر مشتعل می شود. با توجه به این تعاریف و جدول زیر، اگر به نفت و بنزین حرارت دهیم نفت پیش از بنزین مشتعل می گردد.

نقطه شبنم محصولات احتراق (Dew Point):

نقطه شبنم، عبارت است از دمایی که در آن بخار آب موجود در محصولات احتراق شروع به میعان می کند. اگر در مسیر خروج گازها، دما به حدی پایین بیاید که به نقطه شبنم برسد موجب تشکیل قطرات آب در این مجاری می گردد که با توجه به اسید بودن این قطرات احتمال خوردگی در مجاری دستگاه وجود دارد. به عبارت دیگر، می توان گفت که نقطه شبنم، دمایی است که در آن فشار اشباع آب با فشار جزئی بخار آب موجود در مخلوط گازهای خروجی برابر می شود. فشار جزئی بخار آب برابر است با نسبت مولی آب در محصولات احتراق ضربدر فشار این گازها.

 

 

با داشتن این فشار، کافی است به جدول بخار آب اشباع مراجعه کرده و دمای اشباع را به دست آوریم. این دما همان نقطه شبنم است.

 

تحلیل فیزیکی احتراق:

۱- شعله:

محدوده ای از منطقه احتراق که توأم با نور است شعله نام دارد. نور شعله در اثر آزاد شدن مقدار زیادی انرژی حاصل می شود.

انواع شعله ها

  1. شعله پیش مخلوط (Premixied Flame): در آن ابتدا سوخت و هوا کاملا با هم مخلوط و بعد محترق می شوند (آتش می گیرند). مانند احتراق در موتورهای بنزینی و پکیج های چگالشی.
  2. شعله غیر پیش مخلوط (Non-Premixed Flame) یا نفوذی (Diffusion Flame): در این نوع شعله، جریان هوا و سوخت به طرز مجزا به محفظه احتراق وارد شده و احتراق در محل برخورد دو جریان رخ می دهد.

این شعله را از این لحاظ نفوذی یا پخشی می نامند که در آن، دو جریان با نفوذ و پخش در یکدیگر شرایط احتراق را فراهم می آورند.

محفظه احتراق توربینهای گازی، موتورهای دیزلی و پکیج های شوفاژ دیواری معمول (نسل اول و دوم-مراجعه شود به مقاله نسل بندی پکیج های شوفاژ دیوارینسل اول و دوم-مراجعه شود به مقاله نسل بندی پکیج های شوفاژ دیواری) از نمونه های شعله های نفوذی هستند.
یکی از مهمترین موارد در بحث سوخت و احتراق، نزدیک شدن به حالت ایده آل (احتراق کامل) است زیرا عدم توجه به هر یک از عوامل تعیین کننده در احتراق کامل، باعث ایجاد خسارتهای جبران ناپذیری خواهد شد.

ارزش حرارتی:

ارزش حرارتی یک گاز، مقدار حرارتی است که در اثر سوختن یک مترمکعب گاز ایجاد می شود. ارزش حرارتی بر دو نوع است.

  1. ارزش حرارتی بالا (ارزش حرارتی ناخالص): ارزش حرارتی ناخالص، مقدار گرمایی است که در اثر سوختن کامل یک مترمکعب گاز آزاد می شود، زمانی که مواد حاصل از عمل احتراق را تا درجه حرارت اولیه سرد کنیم و بخار آب موجود در گازهای خروجی به طور کامل تقطیر شود.
  2. ارزش حرارتی پایین (ارزش حرارتی خالص): ارزش حرارتی خالص مقدار گرمایی است که در اثر سوختن کامل یک متر مکعب گاز آزاد میشود و این در حالی است که بخار آب ایجاد شده از عمل احتراق به همان صورت بخار باقی بماند. ظرفیت حرارتی هر دستگاه گازسوز (به طور مثال پکیج) را می توان با اندازه گیری میزان گاز ورودی بر حسب مترمکعب در ساعت به دست آورد و در ارزش حرارتی گاز مصرفی ضرب نمود تا ظرفیت حرارتی ورودی دستگاه به دست آید.

مقالات مرتبط

پکیج
مقاله

انواع پکیح شوفاژ دیواری

دراین مقاله چهار نسل از پکیج های شوفاژ دیواری، تاریخچه، علل پیدایش و مزایا و معایب هریک توصیف می گردد.چهار نسل پکیح شوفاژ دیواری از منظر سوخت و احتراق به

ادامه
مقاله

تمیز کردن سردوش حمام

در این مقاله دو روش موثر، سریع و بی ضرر برای تمیز کردن سردوش حمام و به خصوص گرفتگی نازل های ناشی از رسوب آهکی و املاح آب را ارائه

ادامه
مقاله

محاسبات سایز لوله شوفاژ

در این مقاله روش محاسبه و انتخاب دقیق سایز لوله مدار بسته (گرمایش و سرمایش) مورد بررسی قرار می گیرد. نحوه انتخاب سایز لوله رفت و برگشت از هر نوع

ادامه
شیرآلات
گرمایش

بهترین روش لوله کشی شوفاژ

در این مقاله سه روش صحیح لوله کشی مدار شوفاژ را به تفکیک بررسی خواهیم کرد و به تفکیک، مزایا، معایب و کاربرد هریک عنوان خواهد شد. این سه روش

ادامه

دیدگاه‌ خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *