دانلود بررسی کوره و نحوه کارکرد آن در فایل ورد (word)

دانلود بررسی کوره و نحوه کارکرد آن در فایل ورد (word) دارای 122 صفحه می باشد و دارای تنظیمات و فهرست کامل در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد دانلود بررسی کوره و نحوه کارکرد آن در فایل ورد (word) کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه و مراکز دولتی می باشد.

این پروژه توسط مرکز مرکز پروژه های دانشجویی آماده و تنظیم شده است

کوره چیست‌؟
کوره دارای تجهیزاتی است که توسط آنها، درون یک محفظه عایق، حرارت ناشی از احتراق سوخت به سیال فرآیند منتقل می گردد. سیال فرآیند در لوله هایی جریان دارد که عموماً در امتداد جداره ها و سقف محفظه احتراق نصب شده اند. عامل اصلی انتقال حرارت، مکانیزم تشعشع می باشد. در صورت توجیه اقتصادی درون یک بخش مجزا، حرارت گازهای خروجی حاصل از احتراق به صورت جابجایی به لوله ها منتقل می گردد. وظیفه اصلی کوره، تأمین حرارت معینی به سیال فرآیند تحت درجه حرارتهای بالا می باشد. این عمل بایستی بدون افزایش بیش از حد حرارت (Over heating) ، در نقطه معینی از سیال و یا اجزا بدنه کوره انجام شود. به عبارت دیگر حرارت باید حتی الامکان به صورت یکنواخت توزیع گردد. در کوره های هوای گرم، سیال فرآیند هواست. در واقع جهت برخی امور از قبیل خشک کنها بایستی هوای داخل محفظه ای را گرم کرده و سپس از این گرما جهت انجام کار خود استفاده کرد.
تنوع طراحی و ساخت:
طراحی و جزئیات ساخت کوره ها بسیار متنوع است. به سبب این انعطاف پذیری، هر کوره جهت کاربرد خاص خود طراحی می شود.
ساده ترین نوع کوره شامل یک محفظه احتراق بوده که در آن کویل لوله ها در امتداد دیواره محفظه چیده شده است و حرارت فقط از طریق تابش به این لوله ها منتقل می گردد. بازده حرارتی کم و سرمایه گذاری اولیه اندک جهت بار حرارتی معین از خصوصیات این نوع طراحی می باشد. در محفظه احتراق به واسطه حرکت گازهای داغ بخشی از حرارت توسط جابجایی به لوله ها منتقل می شود. بسیاری از کوره های جدید، علاوه بر بخش تابشی، دارای یک بخش جابجایی مجزا هستند. باقیمانده حرارتی که در گازهای خروجی از بخش تشعشع وجود دارد، در این بخش توسط مکانیزم جابجایی کسب می شود. استفاده از این حرارت جهت پیش گرم کردن سیال فرآیند، بازده حرارتی را افزایش می دهد (همگام با پیشرفت تکنولوژی در طراحی کوره ها یک بخش تابشی منظور گردید که در آن لوله های حاوی سیال فرآیند در معرض مستقیم تشعشع گازهای داغ قرار می گرفتند).
تأمین هوا و انتقال گازهای داغ خروجی:
کوره ها را می توان بر حسب روشهای تأمین هوای احتراق و انتقال گازهای خروجی تقسیم بندی نمود. گازهای حاصل از احتراق دارای دانسیته کمتری نسبت به هوای محیط خارج است بدین سبب امکان القاء هوای احتراق به درون کوره عملی می گردد. نیروی بایونسی گازهای داغ (Buoyant forces) ، ایجاد مکش درون کوره می نماید زیرا فشار داخل کوره از فشار محیط خارج کمتر است. ایجاد مکش خود باعث القاء هوا به درون محفظه احتراق می گردد. چون مکش به واسطه اثر دودکشی به صورت طبیعی ایجاد می شود به آن مکش طبیعی (Natural draft) اطلاق می گردد. اکثر کوره ها از نوع مکش طبیعی بوده که در آنها دودکش باعث ورود هوا به محفظه احتراق و خروج گازهای داغ می شود.
اگر در مقابل جریان گازهای داغ مانعی وجود داشته باشد، فشار درون کوره از فشار اتمسفر بالاتر خواهد رفت (فشار مثبت). وظیفه دودکش در کوره با مکش طبیعی ایجاد مکان کافی جهت غلبه بر موانع در مقابل جریان گازهاست به طوری که در سراسر کوره یک فشار منفی برقرار گردد. در کوره با جریان القایی (Induced draft) می توان از یک هواکش القایی به جای دودکش استفاده نمود تا فشار منفی ایجاد شده و هوای احتراق وارد کوره و گازهای داغ از هواکش خارج گردند.
در کوره هایی با مکش اجباری (Forced draft) فشار مثبتی توسط هواکش اجباری ایجاد می شود. بایستی متذکر شد حتی هنگامی که هوا با فشار مثبت تأمین می شود،‌ محفظه احتراق و همه قسمتهای دیگر کوره تحت فشار منفی عمل کرده و گازهای داغ توسط دودکش خارج می گردد.
در کوره هایی با مکش اجباری – القایی (Forced-Induced draft) یک هواکش جهت تأمین هوای تحت فشار مثبت و یک هواکش دیگر جهت تأمین فشار منفی در محفظه احتراق و بخشهای دیگر کوره و انتقال گازهای داغ به کار برده می شود. اکثر کوره هایی که مجهز به پیش گرم کن (Air preheater) هستند از نوع مکش اجباری – القایی می باشند.
موارد مهم در انتخاب کوره
در شکل 1 انواعی از کوره های مرسوم را می بینیم. به طور کلی، اسامی کوره ها استاندارد نبوده ولی کوره های نشان داده شده را می توان با اسامی زیر اطلاق نمود:
1-Large box-type
2-Separate-convection
3-Down-convection
4-Straight-up
5-A-frame
6-Circular
7-Large isoflow
8-Small isoflow
9-Equiflux
10-Double-up fired
11-radiant wall
در انتخاب کوره های فوق بایستی به مواردی که در زیر شرح داده می شوند توجه نمود:
1- برخورد شعله: در کلیه کوره ها شعله بلند با لوله ها برخورد کرده و در محل برخورد حرارت بیش از حد تولید می گردد. به طور کلی لوله های بالای دیوار حائل در کوره 3 و لوله پایینی در کوره های 4 و 10 آسیب پذیرند. البته اگر ظرفیت کوره های 4 و 10 زیاد باشد این مسأله برطرف خواهد شد. لوله های آسیب پذیر در شکل با نقاط توپر مشخص شده اند.
2- لوله های داغ: میزان جذب حرارت در لوله های ابتدایی بخش جابجایی (Shield or Shock tubes) بسیار زیاد است، زیرا حرارت از طریق هر دو مکانیزم تشعشع و جابجایی به آنها منتقل می گردد (مانند لوله های توپر در کوره های 5، 4، 3، 1). اغلب سیال فرآیند بدلیل سرد بودن ابتدا وارد این لوله ها می شود.
3- اشتعال سوختهای نفتی: به سبب وجود مشعلهای بزرگ سوختهای نفتی دارای شعله بزرگتری هستند. کوره های 5، 3، 2، 1 بدلیل ظرفیت زیادشان جهت سوختهای نفتی مناسبترند.
4- توزیع حرارت: یک مورد توزیع نامناسب حرارت در بند 2 تحت عنوان «لوله های داغ»‌ بیان گردید. علاوه بر این مورد، میزان حرارت در گوشه ها و فرورفتگیهای کوره هایی مانند 1 و 3 به شدت تغییر می کند. البته در کوره های عمودی توزیع حرارت نسبتاً یکنواخت تر است.
5- حرارت از طریق دو کویل: اگر دو شاخه مجزای جریان جهت گرمایش موجود باشد، کوره 3 زیاد مناسب نمی باشد. اگر دو شاخه جریان به طور مساوی حرارت جذب نمایند، کوره های متقارن مناسب ترند. در غیر این صورت کوره هایی که توسط یک دیوار حائل به دو قسمت تقسیم شده اند به کار برده می شوند.
6- تنظیم میزان حرارت: کوره های 9 و 1 جهت تنظیم دقیق حرارت در دماهای زیاد (1000 تا 1500 فارنهایت) مناسبترند. کوره های استوانه های 6 و 7 و 8 جهت دستیابی به فلاکس حرارتی کم به کار برده می شود.
7- ظرفیت: کوره های 11، 9، 8، 4، 3 جهت ظرفیتهای کم و کوره های 10، 5، 2، 1 جهت ظرفیتهای زیاد طراحی می گردد.
8- دودکش: کوره های 9، 3، 2، 1 به دودکش بلند احتیاج داشته در صورتی که کوره های دیگر به سبب ایجاد مکش کافی به دودکش مرتفع نیازی ندارند.
9- هزینه: ساختمان سقف انواع 3، 2، 1 متحمل مخارج زیاد است. جداره هایی که توسط لوله ها پوشیده نشده اند (مانند جداره های جانبی 5، 3، 2، 1) در معرض حرارت بیش از حد بوده و باید از مصالح مقاومتر ساخته شوند. هزینه ساخت بدنه بزرگ کوره 9 زیاد بوده و در کوره 11 تعداد زیاد مشعل بر مخارج می افزاید. از نقطه نظر مصالح ساخت، در کوره 5 صرفه جویی شده است. کوره های 7 و 8 دارای لوله های پره دار (Finned tubes) در بخش جابجایی هستند. این امر باعث کاهش طول لوله ها و افزایش انتقال حرارت در بخش جابجایی می گردد. در کوره 8 ، قسمت انتهایی لوله ها، پره دار بوده و هیچگونه بخش جابجایی مجزا وجود ند
شکل 1
گازهای داغ در اثر تماس با پشت لوله های مجاور جداره سرد می شوند. این امر باعث جریان این گازها به طرف پایین در پشت لوله ها می گردد. سرعت این گازها تا 10 فوت در ثانیه گزارش شده است. بنابراین در بخش تابشی، حرارت توسط مکانیزم جابجایی نیز منتقل می گردد. فاصله مطلوب جداره تا لوله ها به اندازه قطر لوله است. در کوره های 7 و 8 حدود 13% حرارت توسط جریانهای چرخشی جابجایی گازهای داغ به لوله ها منتقل می گردد.
کوره 6 دارای پیش گرمکن هوا می باشد. هوا قبل از ورود به کوره توسط گازهای داغی که از دودکش عبور می کند، گرم می شود. در کلیه کوره ها می توان از پیش گرمکن هوا استفاده نمود. پیش گرمکن هوا باعث افزایش دمای شعله و افزایش انتقال حرارت تابشی می گردد. شکل 2 گردش گازهای داغ در محفظه احتراق توسط یک هواکش را نشان می دهد. توسط چرخش گازها، درجه حرارت و میزان تشعشع شعله کمتر می شود. از طرفی به واسطه افزایش میزان جرمی گازها در بخش جابجایی، بار حرارتی این بخش افزایش می یابد. لذا ابعاد این بخش باید بزرگتر اختیار شود.
با توجه به گفته های فوق مشاهده می شود که عمل چرخش گازهای داغ عکس عمل پیش گرمکن هواست. در کوره های قدیمی که اساساً از نوع جابجایی بودند، گردش گازهای احتراق انجام می شده است. البته هنگامی که میزان جذب حرارت معینی لازم باشد، این روش نسبت به روشهای پرخرجی نظیر کاربرد هوای اضافی زیاد، کاهش ظرفیت و یا استفاده از سوختهایی با میزان تشعشع کمتر، مناسبتر است. امروزه هر کوره جهت بار حرارتی معینی طراحی می شود لذا چرخش گازهای داغ دیگر مطرح نیست. سوختهای گازی از سوختهای نفتی مناسبترند زیرا تشعشع شعله سوخت نفتی شدید بوده و باعث سوختن (burn-out) بعضی از لوله ها می شود. به علاوه مشعلهای گازی ارزان تر بوده لذا جهت توزیع یکنواخت حرارت از تعداد زیادی مشعل گازی می توان استفاده کرد.

مصالح ساخت و جنبه های طراحی مکانیکی
عوامل متعددی ناشی از فرآیند، ساختار و محیط بر انتخاب مصالح و جنبه های طراحی مکانیکی کوره ها تأثیر می گذارد. از عوامل محیطی می توان قوانین محیط زیست را نام برد که بر ایجاد دودکشهای بلند تأکید دارد و یا فضای طراحی موجود که ابعاد کوره را محدود می نماید. از عوامل ناشی از فرآیند، استفاده از سوختهای نامرغوب (حاوی ترکیبات فلزی و خاکستر بیش از اندازه) و یا درجه حرارتهای زیاد را می توان ذکر نمود که انتخاب لیاژهای مقاوم و گران را ایجاب می نماید. امروزه یکی از مسایل اقتصادی مورد توجه، استفاده از تجهیزات پیش ساخته جهت کاهش زمان و هزینه ساخت کوره می باشد. از اینرو حمل تجهیزات از کارخانه سازنده تا محل نصب از معیارهای مهم طراحی تلقی می گردد. یک کوره نمونه در شکل 3 نشانگر اجزای اصلی یک کوره است که شامل موارد زیر است:
1- بدنه (Casing or Structural framework)
2- سطوح بازتابنده (Refractories)
3- کویل لوله ها (Tube coil)
4- سطوح توسعه یافته (Extended surfaces)
5- نگهدارنده لوله ها (Tube supports)

1- بدنه: جداره خارجی یا بدنه کوره معمولاً از ورقه های فولادی به ضخامت ساخته می شوند. این ورقه ها معمولاً در مقابل تنشهای مکانیکی و خمش (warping) مقاوم هستند. ضخامت بدنه کوره استوانه ای غالباً حدود انتخاب می شود زیرا بدنه به منزله حامل بار تلقی می گردد. ضخامت ورقه های کف کوره نیز حدود در نظر گرفته می شود. توسط جوشکاری، ورقه های فولادی بدنه کاملاً آب بندی می شود به طوری که هوا و آب امکان نفوذ به داخل کوره را نداشته باشد. تمام اجزا کوره بر روی بدنه فولادی نصب می گردد. از اینرو بدنه باید انبساط و انقباض جانبی و عمودی این اجزا را ممکن سازد. لوله ها نیز مستقل از دیوار بازتابنده توسط بدنه نگهداشته می شوند. عرف طراحی ایجاب می کند که ستونهای اصلی بدنه و تیرهای کف کوره تا حد بالایی نسبت به اشتعال مقاوم باشند. در صورتی که تجهیزات اضافی مانند نردبان یا سکو پیش بینی شود، بدنه باید طوری طراحی گردد که این بارهای اضافی را تحمل نماید.
2- سطوح بازتابنده: سطح داخلی بدنه کوره تاب تحمل دماهای زیاد را نداشته و با مواد عایقی پوشیده می شود. این مواد نه تنها از حرارت بیش از حد ساختمان فولادی جلوگیری می کنند بلکه توسط بازتابش روی لوله ها، دمای داخل محفظه کوره را بالا نگه می دارد. به علاوه مانند سدی در مقابل ذرات جامد موجود در گازهای داغ عمل کرده و از نشت آنها روی بدنه جلوگیری می نماید. مواد عایق، افت حرارتی از جداره کوره را کاهش می دهد. سیستمهای عایق در کوره های جدید به سه بخش تقسیم بندی می شوند:
الف- آجر نسوز عایق (Insulating firebrick (IFB)) : آجر نسوز به صورت متخلخل بوده و از مخلوط خاک اره، کک و خاک رس با ترکیبات آلومینیومی زیاد تشکیل شده است. خصوصیات عایق بندی آن بسیار خوب و درجه حرارتی بین 1600 تا 2800 فارنهایت را می تواند تحمل نماید. جهت افزایش کارآیی عایق بندی دیوارهای آجر نسوز می توان از یک لایه پشم (Mineral wool) به عنوان مکمل استفاده نمود. مجموعه آجر نسوز – پشم شیشه در تأسیسات بی شماری یافت می شود. با تأکید روزافزون بر کاربرد کوره های پیش ساخته و به واسطه مشکلات متعدد ناشی از نصب مدولهای آجری، استفاده از آجر نسوز محدود شده است. امروز شایع ترین نوع عایق در کوره ها، کاربرد دیوارهای بازتابنده قالبی است.
ب- بازتابنده های قالبی (Castable refractory) : این نوع عایق در بسیاری از کوره ها متداول بوده و توسط هوا با فشار زیاد به طریق gunning در محل نصب می شود. برای مدولهای پیش ساخته این روش از نظر اقتصادی کاملاً مقرون به صرفه است. با این وجود قرار دادن بازتابنده توسط جریان هوا (Pneumatic placement) امری بسیار دقیق بوده و نیاز به مهارت زیاد دارد.
یکی از بازتابنده های قالبی لومنیت – هیدیت – ورمیکولیت به نسبت حجمی 4:2:1 بوده که ماده ارزان و عایق بسیار خوبی است. به دلیل کمی ضریب انبساط، کاربرد آن روی جداره های وسیع متداول است. زیرا جداره به هیچگونه اتصالات انبساطی احتیاج ندارد. بازتابنده قالبی بر روی دیوارهای بدون حفاظ و در مجاورت مستقیم شعله، حداکثر دمایی بین 1800 تا 1900 فارنهایت را می تواند تحمل کند. در دماهای بالا، نسبت ترکیبات بازتابنده باید به طور دقیق انتخاب شود. هنگامی که درجه حرارت یا دانسیته بازتابنده افزایش یابد، از کارآیی عایق بندی آن کاسته می شود. لذا جهت رسیدن به درجه حرارت معین سطح، باید به ضخامت بازتابنده اضافه شود. در برخی موارد، ساختار دو لایه ای به کار برده می شود. لایه اول دارای دما و دانسیته زیاد بوده و در معرض مستقیم شعله می باشد. لایه دوم به عنوان حامی، پشت لایه اول قرار گرفته و از خواص عایق بندی بهتری برخوردار است. ضخامت بازتابنده در بخشهای جابجایی و تشعشع جابجایی و تشعشع برای دیواره هایی که لوله ها در مقابل آنها نصب شده اند، برابر 5 اینچ و برای کف و سقف بخش تشعشع و دیواره هایی که در معرض مستقیم شعله بوده، حدود 6 تا 18 اینچ اختیار می شود.
روش نگهداری دیوار بازتابنده قالبی بر روی بدنه کوره به اندازه انتخاب جنس آن اهمیت دارد. شایع ترین روش، کاربرد گیره های V شکل بوده که به بدنه فولادی جوش داده می شوند. قطر این گیره ها تا و ارتفاع آنها بیش از 70% ضخامت بازتابنده است. جنس آنها از فولاد ضد زنگ اختیار می شود. فواصل آنها از یکدیگر حداکثر دو برابر ضخامت پوشش بوده ولی این فواصل با ترتیب مربعی از 12 اینچ روی دیوارها و از 9 اینچ روی سقف کوره تجاوز نمی کند.
ج- الیاف سرامیکی (Ceramic fiber) : کاربرد الیاف سرامیکی جدیدترین گام در طراحی کوره هاست. این پوشش شامل یک لایه سطح گرم و چند لایه سطوح حامی می باشد. دانسیته لایه سطح گرم حداقل 8 پوند بر فوت مکعب و ضخامت حداقل 1 اینچ است. ضخامت لایه های حامی نیز حداقل 1 اینچ و دانسیته آنها 4 پوند بر فوت مکعب است. اگر میزان گوگرد موجود در سوخت مایع کمتر از 1% وزنی و یا میزان H2S موجود در سوخت گازی کمتر از 5/1% حجمی باشد، می توان از پشم شیشه به عنوان لایه حامی استفاده نمود. یکی از مزایای الیاف سرامیکی، وزن کم آن بوده که باعث کاهش بار بر روی بدنه می شود، لذا ورقه های فولادی نازکتری جهت ساخت بدنه می توان بکار برد. هنگام راه اندازی کوره، چون بازتابنده سرد است باید احتیاط لازم را نمود تا در اثر انبساط، پوشش بازتابنده از بین نرود. مزیت الیاف سرامیکی، راه اندازی ساده کوره می باشد.
3- کویل لوله ها: مهمترین قسمت یک کوره، کویل حرارتی آن است که ضمناً مخارج آن یکی از بزرگترین ارقام در هزینه های اولیه کوره می باشد. در تأسیسات قدیمی و در کوره هایی که در معرض درجه حرارتهای زیاد هستند، لوله ها توسط هدرهایی از نوع پلاگ (Plug-type headers) به یکدیگر متصلند. لوله ها معمولاً به هدر، جوش یا پیچ می شوند به طوری که امکان بازرسی داخل آنها میسر باشد.
- طراحی لوله ها: عوامل مهم در انتخاب جنس لوله در دماهای زیاد، عمر مفید، هزینه و شرایط محیطی است که لوله در معرض آن قرار دارد.
عمر مفید لوله های کوره بستگی به کاربردهای کوره داشته و حتی در شرایط کاربرد یکسان، عمر لوله های سازندگان مختلف کوره متفاوت است. به عنوان مثال، ممکن است یک شرکت سازنده جهت تأسیسات معین از لوله هی فولاد ضدزنگ نوع 304 با عمر مفید 8تا 11 سال استفاده نماید. در حالی که شرکت سازنده دیگر لوله های فولادی کرم – مولیبدن را اختیار نموده و پیش بینی نماید که بعد از حدود 5 سال بعضی از آنها و بعد از 7 سال کلیه آنها تعویض گردد.
درجه حرارت و تنشهایی که لوله ها در معرض آنها واقعند به اندازه محیط حرارتی از اهمیت یکسانی برخوردارند. در کلیه نقاط لوله، دمای جداره فلزی همواره بیش از دمای سیال فرآیند درون لوله است. انتخاب جنس لوله نه تنها به دمای اولیه بلکه به حداکثر دمای جداره لوله در انتهای مسیر بستگی دارد.
نوع تنش نیز از نظر ثابت یا تناوبی بودن، از اهمیت ویژه ای برخوردار است. تنشهای حرارتی ناشی از راهخ اندازی و یا توقف های مکرر کوره، باعث تخریب اجزا فولادی آن می شود. میزان چنین تنشهایی تحت شرایط معین بیشتر از میزان آنها در عملیات پایدار خواهد بود. محیطی که لوله ها در معرض آن واقعند، رفتار اکسیداسیون و خوردگی فولاد لوله ها را تحت الشعاع قرار می دهد. اگر میزان اکسیداسیون شدید باشد، جنس لوله ها باید طوری انتخاب شود که در مقابل پوسته ای شدن (scaling) مقاومت زیادی نشان دهد. تا حد امکان باید این انتخاب با توجه به اطلاعات قبلی در مورد واحدهای مشابه صورت پذیرد.
شاید مهمترین عامل در انتخاب جنس لوله، هزینه آن است. فولاد بسیار مقاوم در دماهای زیاد به واسطه هزینه گزاف، کاربرد محدودی دارد. بر حسب نوع کوره، انتخاب جنس لوله محدوده وسیعی را در بر می گیرد. البته ممکن است بنابر ضرورت اقتصادی، از دو یا چند آلیاژ مختلف جهت لوله هایی کویل حرارتی یک کوره معین استفاده شود. فولاد در درجه حرارتهای زیاد دچار تغییر شکل یا گسیختگی می گردد. این امر حتی زمانی اتفاق می افتد که میزان تنش وارده بر آن کمتر از تنش تسلیم آلیاژ مورد نظر است. البته در این شرایط، مکانیزم خوردگی و اکسیداسیون عامل اصلی گسیختگی نخواهد بود. در دماهای پایین، آثار گسیختگی قابل اغماض بوده و فقط مکانیزمهای خوردگی و اکسیداسیون مؤثر هستند. البته اگر خوردگی شدیدی وجود نداشته باشد، لوله هیچگاه دچار وضعیت بحرانی نخواهد شد. بنابراین در طراحی لوله های کوره دو نقطه نظر موجود است. تحت درجه حرارتهای کمتر «محدوده الاستیک» تنش طراحی بر اساس تنش تسلیم بوده و تحت درجه حرارتهای بالاتر در «محدوده گسیختگی» تنش طراحی بر اساس تنش گسیختگی می باشد. در درجه حرارتهای متوسط باید ضخامت جداره لوله طوری اختیار شود که ویژگیهای هر دو وضعیت فوق صادق باشند.
جنس لوله ها: در شرایط خوردگی و اکسیداسیون داریم، فولاد کربن دار (carbon steel) ، یکی از متداولترین مواد در ساخت لوله هاست. علت این امر، هزینه نسبتاً کم، کارآیی خوب و قابلیت جوشکاری این ماده است. آلیاژهای فولاد در دماهای زیاد مطابق جدول 1 معمولاً شامل مولیبدن، کرم یا سیلیس هستند. مولیبدن به منظور افزایش مقاومت در مقابل تنشهای حرارتی، کرم جهت جلوگیری از تشکیل گرافیت بین مولکولهای فولاد و افزایش مقاومت در مقابل اکسیداسیون و سیلیس نیز برای جلوگیری از اکسیداسیون بکار برده می شود.
حداکثر دمای طراحی جداره
فلزی (فارنهایت) نوع یا درجه جنس
1000 B Carbon steel
1100 T1 or P1 Cr-1/2Mo
1100 T11 or P11 11/4Cr-1/2Mo
1200 T22 or P22 21/4Cr-1Mo
1200 T5or P5 5Cr-1/2Mo
1300 T7 or P7 7Cr-1/2Mo
1300 T9 or P9 9Cr-1Mo
1500 304 or 304H 18Cr-8Ni
1500 316 or 316H 16Cr-12Ni-2Mo
1500 321 or 321H 18Cr-10Ni-Ti
1500 347 or 347H 18Cr-10Ni-Cb
1800 800H Ni-Fe-Cr
1850 HK-40 25Cr-20Ni
جدول 1- انتخاب جنس لوله بر حسب دمای جداره فلزی
فولادهای ضدزنگ اساساً آلیاژهایی از آهن و کرم و نیکل بوده و در مقابل خوردگی یا اکسیداسیون شدید، مقاوم هستند. نوع 304 که از همه شایع تر است، از نظر خوردگی و اکسیداسیون مقاوم بوده و دارای تنش گسیختگی زیاد می باشد. انواع 321 و 347 مشابه نوع 304 بوده با این تفاوت که به آنها به ترتیب تیتانیوم و کلومبیوم اضافه شده است. این اجزا با کربن ترکیب شده و خوردگی بین ملکولی را به حداقل می رساند. خوردگی بین ملکولی معمولاً از محیطها بعد از جوشکاری به وجود می آید. نوع 316 حاوی مولیبدن و تحت تنشهای حرارتی زیاد تا 1500 فارنهایت بکار برده می شود. این نوع در مقابل اکسیداسیون تا 1650 فارنهایت مقاوم است. در دمای بیش از 1650 فارنهایت از انواع 309 و 310 استفاده می شود که به ترتیب حاوی 12 و 20 درصد نیکل و 25 درصد کرم هستند. این آلیاژها در دماهای زیاد مقاومت تنشی زیادی داشته و به واسطه وجود کرم می توانند در شرایط خوردگی یا اکسیداسیون شدید بکار روند. آلیاژ 800H (20 درصد کرم و 32 درصد نیکل) تا 1800 فارنهایت مقاومت زیادی در مقابل تنشهای حرارتی، اکسیداسیون و کربوریزاسیون دارد. آلیاژ HK-40 (25 درصد کرم و 20 درصد نیکل) به طور چرخشی قالب ریزی می شود.
- زانویی ها: کم خرج ترین روش جهت اتصال لوله ها، استفاده از زانویی های 180 درجه می باشد. در اکثر کوره های جدید، زانویی ها در انتهای لوله ها جوش داده می شوند. زانویی ها می توانند در مسیر جریان گازهای حاصل از احتراق به عنوان سطوح جاذب حرارت و یا در داخل جعبه های هدر در خارج محفظه احتراق قرار گیرد. جنس آنها نیز معمولاً از چدن اختیار می شود.
- هدرهایی از نوع پلاگ: هدرهای پلاگ در مقایسه با زانویی های 180 درجه گرانتر بوده و در کوره های جدید کاربرد کمتری دارند. این پلاگها را نمی توان درون محفظه احتراق در مسیر گازهای داغ قرار داد. لذا در خارج از محفظه احتراق، درون جعبه هدر نصب می شوند. هدرهای پلاگ چون خارج از منطقه انتقال حرارت قرار دارند نسبت به لوله های جاذب حرارت از شرایط ملایم تری برخوردارند و برای درجه حرارتهای کم طراحی می شوند. جنس آنها نیز معمولاً چدنی است.
4- سطوح توسعه یافته: مقاومت فیلمی طرف گازهای داغ، عامل تعیین کننده سطح لوله های بخش جابجایی می باشد. جهت افزایش میزان انتفال حرارت جابجایی به ازای هر فوت طول لوله، می توان از سطوح توسعه یافته استفاده نمود. امروزه لوله های برهنه را فقط در کوره هایی بکار می برند که کیفیت سوخت آنها نامرغوب بوده و احتمال نشت خاکستر بر روی لوله های بخش جابجایی زیاد باشد. در اینجا وسایل شایع جهت افزایش سطح بخش جابجایی معرفی می گردد. لازم به تذکر است که در بخش تابشی هرگز از سطوح توسعه یافته استفاده نمی شود.
الف- پره های دندانه دار (Serrated fins) : پره های دندانه دار مطابق شکل 4 الف به صورت شکاف V شکل و یا به صورت مارپیچ حول لوله جوش داده می شود. این پره ها دارای ضخامت، ارتفاع و تراکم (تعداد پره به ازای واحد طول لوله) متفاوت هستند. ضخامت آنها بین 035/0 تا 188/0 اینچ، ارتفاعشان بین 5/1 تا 25/0 اینچ و تراکم آنها بین 2 تا 7 پره در هر اینچ طول لوله می باشد.
ب- پره های یکپارچه (Solid fins) : پره های یکپارچه مطابق شکل 4ب به صورت مارپیچ غیر منقطع دور لوله جوش شده اند. حدود ضخامت، ارتفاع و تراکم آنها شبیه پره های دندانه دار است. پره های یکپارچه از نظر مکانیکی، مقاومتر از پره های دندانه دار بوده ولی معمولاً میزان انتقال حرارتشان کمتر است.
ج- زوائد میخی (Studs) : زوائد میخی مطابق شکل 4ج به صورت استوانه هایی بر روی جداره لوله جوش شده اند. قطر استاندارد این زوائد میخی 5/0 اینچ است. در برخی موارد زوائد 375/0 اینچی هم مشاهده شده اند. ارتفاع بین آنها 2 تا 5/2 اینچ است. زوائد میخی تنها سطوح توسعه یافته ای هستند که می توان آنها را عمود یا موازی مسیر گازهای داغ قرار داد. هزینه ساخت آنها معمولاً بیشتر از پره هاست.
ابعاد توسعه یافته در کوره هایی با سوخت گازی تا اندازه ای کمتر از ابعاد آنها در کوره هایی با سوخت نفتی مایع است. ترجیحاً حداکثر ارتفاع پره ها 75/0 اینچ و حداکثر تراکم آنها 3 پره به ازای هر اینچ طول لوله اختیار می شود. جدول 2 حداکثر دمای نوک سطوح توسعه یافته را نشان می دهد.

شکل 4
دمای نوک (فارنهایت) جنس سطوح توسعه یافته
پره ها زوائد میخی
850 Carbon steel __
1100 5Cr __
1200 11-13Cr __
1500 18Cr-8Ni __
950 __ Carbon steel
1100 __ 5Cr
1200 __ 11-13Cr
1500 __ 18Cr-8Ni
جدول 2- حداکثر دمای نوک سطوح توسعه یافته برحسب جنس آنها
5- نگهدارنده لوله ها: لوله ها معمولاً توسط آویزها (مطابق شکل 5) و صفحات فلزی (Tubesheet) در محل خود نگهداشته می شوند. آویزها و صفحات فلزی مستقل از پوشش بازتابنده به بدنه فولادی کوره متصل می گردند. به عبارت دیگر هیچگونه بار مکانیکی بر بازتابنده اعمال نمی شود. نوع نگهدارنده ها به افقی یا عمودی بودن لوله ها بستگی دارد.
لف- لوله های افقی: لوله های افقی که دارای زانویی های داخلی هستند در بخش تابشی توسط آویزو در بخش جابجایی توسط صفحات فولادی نگهداشته می شوند. اگر زانویی ها در خارج کوره نصب شده باشند، از صفحات و نگهدارنده های واسطه ای استفاده می شود. معمولاً توزیع سیال در بخش جابجایی توسط زانویی خارجی و در بخش تابشی توسط زانویی داخلی صورت می گیرد. در بخش تابشی، نگهدارنده های واسطه ای باید طوری طراحی شوند که در صورت انتقال اضطراری آنها، لوله ها در محل خود ثابت باقی مانده و حداقل مقدار دیوار بازتابنده برداشته شود. در ضمن این نگهدارنده ها باید به وسایلی مجهز باشند تا لوله ها هنگام عملیات به طرف بالا حرکت نکنند. در بخش جابجایی نیز باید صفحات نگهدارنده به قسمتهای مختلف تقسیم شده تا در موقع تعویض آنها لوله های کمتری برداشته شود. حداکثر طول بدون نگهدارنده لوله های افقی نباید از 35 برابر قطر خارجی آن یا 20 فوت تجاوز کند.
ب- لوله های عمودی: لوله های عمودی از بالا یا پایین نگهداری می شوند. لوله هایی که از بالا نگهداشته شده اند در پایین دارای هادیهایی بوده و بالعکس لوله هایی که از پایین نگهداشته شوند در بالا دارای هادیهایی هستند. معمولاً هیچگونه نگهدارنده واسطه ای به کار برده نمی شود. در صورت نیاز از هادیهای واسطه ای جهت جلوگیری از خمش داخلی لوله به طرف شعله و یا خمش جانبی آن به طرف لوله های مجاور استفاده می شود.
جنس نگهدارنده های لوله: صفحات نگهدارنده لوله هایی با زانویی خارجی، از ورقه فولاد کربن دار به ضخامت اینچ ساخته می شود. اگر دمای این صفحات بیش از 800 درجه فارنهایت باشد، باید جنس آنها از آلیاژهای مقاوم تری انتخاب گردد. طرف داغ این صفحات معمولاً با بازتابنده قالبی به ضخامت 3 اینچ در بخش جابجایی و 5 اینچ در بخش تابشی پوشیده می شود.
در بخش تابشی، نگهدارنده های واسطه ای لوله های افقی و نگهدارنده های بالایی لوله های عمودی اغلب دارای 25% کروم و 12% نیکل هستند. با این وجود، برخی از طراحان 25% کروم و 20% نیکل را ترجیح می دهند. از همین مواد در ساخت هادیهای واسطه ای و پایینی لوله های عمودی استفاده می شود. البته کاربرد آلیاژ 18% کروم با 8% نیکل نیز برای هادیهای پایینی شایع است. نگهدارنده های پایینی لوله های عمودی از چدن ساخته شده و توسط بازتابنده کف کوره از تشعشع شعله مصون می ماند.
صفحات واسطه ای که در معرض گازهای داغ تری در بخش جابجایی هستند، عموماً از جنس نگهدارنده های بخش تابشی ساخته می شوند. در مناطق سردتر این بخش، کاربرد چدن شایع است. جدول 3، جنس و حدود دمای طراحی مواد مختلف جهت نگهداری لوله ها را نشان می دهد.
دمای نوک (F0) جنس سطح توسعه یافته
850
1100
1200
1500 پره ها
فولاد کربن دار
Cr 5
Cr 13-11
Ni 8 – Cr 18
950
1100
1200
1500 زوائد میخی
فولاد کربن دار
Cr 5
Cr 13-11
Ni 8 – Cr 18
جدول 2-2 حداکثر دمای نوک سطوح توسعه یافته برحسب جنس آنها
دمای طراحی (فارنهایت) نوع یا درجه جنس
800 A-283 Grc Carbon steel
1150 Gr C5 5Cr-1/2Mo
1200 A-319 third grade-Ctype Cast-iron Alloy
1400 Gr CF8 18Cr-8Ni
1800 Second grade 25Cr-12Ni
1800 Second grade 50Cr-50Ni
1800 IN 657 50Cr-50Ni-Cb
1900 IN 657 60Cr-40Ni
2000 Gr HK-40 25Cr-20Ni
جدول 3- حدود دمای طراحی نگهدارنده های لوله
دریچه خروج گازها (دمپر): وظیفه دمپر دودکش، کنترل مکش کوره و ایجاد فشار منفی حدود 0.05 اینچ آب در قسمت پایینی بخش جابجایی می باشد. دودکش کوره های کوچک دارای دمپر یک لایه ای و دودکش کوره های بزرگ دارای دمپر چند لایه ای است. اگر گازهای داغ توسط مجاری با مقطع مستطیلی از کوره به دودکش مجزایی حمل شوند، از دمپر کرکره ای (Louvce-type Damper) استفاده می شود. باز و بستن دمپر دودکش عموماً توسط کابل به طریق دستی از سکویی مجاور دودکش انجام می شود. در مورد دمپرهای بزرگ این عمل عموماً به طریق وسایل بادی (Pheumatic) صورت می گیرد.
کنترل کارکرد کوره
همواره در کوره ها، دو هدف اصلی مدنظر است. هدف اول کارکرد درست کوره و بی خطر بودن آن و هدف دوم افزایش بازه حرارتی کوره تا حدّ امکان جهت کاهش مصرف سوخت. جهت نیل به این اهداف باید متغیرهای اصلی در بخش سیال فرآیند و بخش احتراق دقیقاً کنترل و تنظیم شوند. در عملیات مداوم، چون کنترل دستی، سرعت کافی ندارد، عموماً از سیستمهای کنترل خودکار (بسته به نوع کوره) استفاده می شود. این کنترلرها عموماً از نوع PI یا PID می باشند. توسط تنظیم متغیرهای زیر می توان در زمینه چگونگی احتراق، میزان هوای اضافی، بازده حرارتی و میزان جذب حرارتی، اطلاعاتی کسب نمود:
الف- میزان جریان سیال فرآیند: غالباً میزان جریان سیال فرآیند در هر یک از گذرهای کوره توسط اریفیس اندازه گیری می شود. اگر مقدار جریان در یکی از گذرها کم باشد، میزان افت فشار در آن گذر افزایش یافته و به حرارت بیش از حد و گسیختگی لوله منجر می گردد.
ب- میزان جریان سوخت: مقدار سوخت معمولاً توسط دمای خروجی سیال فرآیند کنترل می شود. با اندازه گیری میزان سوخت معدنی توسط اریفیس و با داشتن ارزش حرارتی آن، مستقیماً حرارت آزاد شده قابل محاسبه است.
ج- دمای سیال فرآیند: اگر قرار باشد جریان در هر یک از گذرها کنترل شود، بهتر است دماهای خروجی هر گذر تعیین گردد. این دماها شاخصی جهت تنظیم جریان هر گذر بوده و تعیین کننده کل حرارت جذب شده توسط سیال فرآیند می باشد. با اندازه گیری درجه حرارتهای خروجی سیال در هر گذر از بخشهای تابشی و جابجایی، می توان تقسیم بار حرارتی در دو بخش مذکور را تعیین نمود.
د- دمای گازهای داغ: دمای گازهای داغ خروجی از بخش تابشی به عنوان شاخص موازنه حرارتی حول محفظه احتراق و نشان دهنده شرایط اشتعال بیش از حد است. اندازه گیری دمای گازهای داغ باید در فواصل 50 فوتی در طول محفظه احتراق صورت گیرد. دانستن این درجه حرارتها در تعیین حداکثر میزان اشتعال مفید است. دمای گازهای داغ را همچنین در ورودی و خروجی بخش جابجایی باید تعیین نمود. دماهای اخیر در محاسبه بازده کوره و تعیین میزان رسوبات بر روی لوله های بخش جابجایی از اهمیت زیاد برخوردار است.
هـ- توزیع مکش گازهای داغ: مکش درون محفظه احتراق در مجاورت مشعلها، در ورودی و خروجی بخش جابجایی و در قسمت پایینی دمپر دودکش باید اندازه گیری شود. از مقادیر مکش اندازه گیری شده، می توان اطلاعاتی در زمینه افت فشار هوای احتراق و گازهای داغ کسب نمود. این اطلاعات جهت تنظیم دریچه مشعلها و دمپر دودکش به کار می رود. مقادیر مکش همچنین شاخص عملکرد کوره می باشد.
و- نمونه برداری از گازهای داغ: از گازهای داغ در خروجی بخشهای تابشی و جابجایی باید نمونه برداری شود. توسط نمونه گازهای داغ خروجی از بخش تابشی می توان مقدار اکسیژن را اندازه گیری کرد و به کیفیت احتراق پی برد. بهتر است، مقدار مواد سوختی موجود در گازهای این قسمت را نیز تعیین نمود. تعیین مقدار اکسیژن در گازهای خروجی از بخش جابجایی در محاسبه بازده حرارتی ضروری است. اگر مقدار اکسیژن موجود در گازهای خروجی از بخش تابشی مشخص باشد، میزان نشت هوا به داخل بخش جابجایی را می توان محاسبه نمود.
جهت کنترل احتراق با استفاده از تجزیه دود و اندازه گیری اکسیژن و یا دی اکسید کربن موجود در آن می توان از دستگاههایی که در زیر سه نمونه از آنها تشریح می شوند، استفاده کرد.
1- تجزیه کننده اورسات (orsat) : این دستگاه که قابلیت اندازه گیری میزان منو اکسیدکربن، دیاکسید کربن و اکسیژن را دارد یکی از متداولترین دستگاههای مورد استفاده می باشد. دستگاه شامل سه محفظه است: محفظه B محتوی محلول آب و پتاس برای جذب دی اکسیدکربن موجود در دود به نسبت 2:1 (2 قسمت آب و یک قسمت پتاس).
محفظه C محتوی محلول پتاس، آب و اسید پیراگرالیک که تولید پیراگزالات دو پتاسیم (C6H5O3K) می نماید. برای جذب اکسیژن موجود در دود به نسبت 3 قسمت پتاس و محلول آب و اسید به نسبت 3 قسمت آب و یک قسمت اسید.
محفظه D محتوی محلول پیراگزالات دوسدیم (C6H5O3Na) می باشد که 33 گرم سود و 36 گرم پیروگالول که هر یک در 100cm3 آب حل شده اند، می باشد و برای جذب منو اکسیدکربن به کار می رود.
روش کار به این صورت است که گاز از فیلتر گذشته وارد قسمت A می شود. در این حالت شیرهای C , B و D بسته است و در آنجا بخار آب موجود در گاز تقطیر شده و گاز خشک خواهیم داشت. شیر B را باز می کنیم و 4 تا 5 بار گاز با مایع داخل محفظه B در تماس بوده که مقدار Co2 را تعیین می کند. این عمل را برای محفظه های D , C نیز عمل کرده تا مقدار O2 و Co نیز تعیین شود. نمونه ای از دستگاه اورسات را در شکل 6 مشاهده می کنید.
شکل 6
2- تجزیه کننده فیرایت (Fyrite) : این تجزیه کننده تنها برای تعیین دی اکسیدکربن در دود بکار می رود (شکل 7)
شکل 7
دستگاه از محفظه ای که در آن سیال جذب کننده دی اکسیدکربن قرار گرفته، تشکیل شده و قسمت خارجی آن مدرّج است و بایستی دود را وارد آن نموده و سپس آن را با حرکت دادن دستگاه طوری مخلوط کنیم که Co2 جذب سیال شود. غشاء تحتانی دستگاه در اثر تغییر فشار سیال که جذب دی اکسیدکربن نموده است، تغییر شکل داده و سطح سیال در ستون مدرّج بالا می رود. درجه بندی آن طوری است که از صفر تا 20 درصد مقدار اکسیژن مدرّج شده است.
3- دستگاه آنالیزور اکسیژن: این دستگاه مطابق شکل 8 شامل یک المان حساس از جنس سرامیک اکسیدزیرکونیوم (Zirconium-oxide ceramic) می باشد. از محسّنات آن نیاز به مراقبت کم و نمونه گازی اندک می باشد. به علاوه قابلیت کار با گازهای آلوده محتوای اکسیژن کم (حدود یک درصد) را دارا می باشد.

شکل 8
دستگاه مزبور به طور خودکار عمل کرده و سرعت پاسخ آن حدود 5 ثانیه است. نمونه گازی با فشار حدود 2 psi وارد محفظه ای می شود که دمای آن ثابت است و پس از تماس با المان حساس دوباره درون کوره تخلیه می گردد. محتوای اکسیژن نمونه گازی توسط المان حساس با محتوای اکسیژن یک گاز مایع (مانند هوا) مقایسه می گردد. نیروی الکتروموتیو E که توسط سلول تولید می گردد با رابطه زیر بیان می شود:
اکسیژن موجود در گاز مرجع اکسیژن موجود در نمونه گازی
که در آن اکسیژن موجود در گاز مرجع میزان غلظت اکسیژن می باشد (مثلاً برای هوا 0.209) و به همین ترتیب اکسیژن موجود در نمونه گازی، غلظت اکسیژن در نمونه گازی مدّ نظر است و دما به صورت مطلق می باشد.
به علت وابستگی نیروی الکتروموتیو به دما، سلول در دمای ثابت نگهداشته می شود. از طرفی چون پاسخ سیستم به طور معکوس متناسب با لگاریتم غلظت اکسیژن نمونه گازی است، شدت آن در غلظتهای کم اکسیژن، بیشتر خواهد بود. بنابراین در محدوه هوای اضافی کم، دقت دستگاه بیشتر است.
ز- دمای جداره لوله: جهت این کار از ترموکوپل استفاده می کنیم. در شکل 9 یک نمونه ترموکوپل را مشاهده می کنیم. محل اتصال ترموکوپل به لوله به صورت شکافی است که قبلاً روی لوله تعبیه شده است. ترموکوپل معمولاً توسط پوشش عایقی محافظت می شود،‌ به طوری که دمای گازهای داغ تأثیری بر آن نگذاشته و فقط از دمای جداره لوله متأثر باشد. ترموکوپلهای متداول در کوره ها از جنس کرومل – آلومل(Chromel-Alumel) بوده که در دماهای کم و متوسط مناسبند.

شکل 9
خ- تنظیم شعله: اگر از مشعل های با مکش اجباری استفاده شود، باید شعله آنها تنظیم شود. اسکنر ماوراء بنفش شعله (Ultraviclet flame scanner) ، راه حل مناسبی جهت تنظیم شعله کوره هایی با مشعلهای متعدد است. عموماً سلول UV از یک جفت الکترود کاملاً صیقلی از جنس مولیبدن (یا تنگستن) به فاصله معین از یکدیگر درون حباب شیشه ای محتوای گاز هلیوم تشکل شده است. گاز بین الکترودها در اثر برخورد فتونهای UV یونیزه شده و فرکانس پالس منتجه، معیار مستقیمی جهت اندازه گیری شدت تشعشع دریافتی خواهد بود. چنین دستگاهی شدت هر شعله را به طور متمایز نسبت به شعله های مجاور اندازه گیری می کند.
سوختها
به طور کلی تمام اجسامی که در اثر ترکیب با اکسیژن تولید حرارت می کنند، سوخت می باشند. سوختهایی که در صنعت به کار می روند به صورت جامد، مایع و گاز می باشند که از عناصری مانند کربن، هیدروژن، گوگرد، اکسیژن و … تشکیل شده اند. سوختهای جامد مانند کک، آنتراسیت، لینیت، تورب، چوب و ذغال و … با عوامل زیر مشخص می شوند:
1- درصد ترکیب سوختها که مقدار کربن، هیدروژن، اکسیژن و ازت را نشان می دهد.
2- قدرت حرارتی سوخت یعنی مقدار حرارتی که در اثر احتراق کامل یک کیلوگرم سوخت ایجاد می شود.
3- مقدار خاکستر
4- مقدار آب
5- مقدار گوگرد
سوختهای مایع از تقطیر نفت خام بدست می آیند که برحسب غلظت و ویسکوزیته به انواع مختلف تقسیم می شود و قدرت حرارتی و سایر مشخصات آنها با یکدیگر متفاوت است. اغلب این سوختها در درجه حرارت معمولی مشتعل نشده و برای اشتعال، آنان را به صورت پودر درآورده و یا در درجه حرارت بالا مشتعل می کنند. سوختهای مایع با مشخصات زیر تعریف می شوند:
1- قدرت حرارتی
2- غلظت
3- نقطه اشتعال و نقطه احتراق
4- مواد زائد مانند آب، خاکستر، قیر و …
سوختهای گازی شامل هیدروکربورهای طبیعی و گازهایی که از تقطیر نفت خام به دست می آید و گازهای کوره کک و کوره بلند و همچنین گاز سایر دستگاههای مولد گاز می باشند.
ترکیب شیمیایی عناصر در احتراق:
می دانیم به طور کلی سوختها از ازت، آب، اکسیژن، گوگرد، هیدروژن، کربن، هیدروکربورها و سایر مواد دیگر تشکیل یافته و ترکیب شیمیایی آنان و مقدار حرارتی که در اثر این ترکیب ایجاد می شود به صورت زیر است (گرمای آزاد شده بر حسب کیلوکالری آمده است):
- احتراق کربن
- احتراق گوگرد
- احتراق هیدروژن
- احتراق اکسید کربن
- احتراق متان
- احتراق اتان
- احتراق پروپان
- احتراق بوتان
احتراق عناصر در هوا:
معمولاً اکسیژن لازم برای احتراق از هوا تأمین می شود. اگر ترکیب حجمی هوای خشک را به صورت ازت %03/78، اکسیژن %99/20، آرگون %94/0، گاز کربنیک و هیدروژن و گازهای کمیاب دیگر %64/0 در نظر بگیریم، مشاهده می شود که به ازای یک متر مکعب اکسیژن تقریباً 76/3 مترمکعب ازت و سایر گازهایی که در احتراق وارد نمی شوند خواهیم داشت که جمعاً 76/4 مترمکعب هوا را ملزوم می دارد. از احتراق یک کیلوگرم کربنی که ممکن است تولید CO2 و یا CO نماید، مقدار اکسیژن و هوای لازم را به صورت زیر به دست می آوریم:
اکسیژن لازم برای هر کیلوگرم کربن:
با توجه به جرم مخصوص اکسیژن که 429/1 کیلوگرم بر متر مکعب است، حجم 33/1 کیلوگرم اکسیژن می شود:
از طرفی با توجه به نسبت وزنی ازت و اکسیژن هوا خواهیم داشت:
جرم ازت
حجم ازت
بنابراین میزان هوای لازم برابر است با:
در یک احتراق کامل بدلیل اینکه دی اکسیدکربن تولید می شود مراحل قبل به شکل زیر درمی آید:
پس هوای لازم در احتراق کامل عبارتست از:
قدرت حرارتی سوخت (ارزش حرارتی):
اگر یک کیلوگرم از سوختی را تا درجه حرارت بالاتر از 100 درجه سلسیوس خشک کرده و در محفظه ای که محتوای اکسیژن حرارتی بالای سوخت (Pcs) نامیده که در آن فرض می شود آب تولیدی از هیدروژن سوخت تبخیر نمی گردد و در مورد سوختهایی که رطوبت دارند مانند ذغال سنگ به ازای هر کیلوگرم آب داخل آن که تبخیر می شود تقریباً 600 کیلوکالری حرارت گرفته و در عمل این مقدار حرارت با بخار آب از دودکش خارج می شود. از طرف دیگر هیدروژن که داخل سوخت می باشد سوخته و تولید بخار آب می نماید، با در نظر گرفتن این دو اتلاف حرارتی، قدرت حرارتی دیگری را که قدرت حرارتی پایین سوخت (Pci) می باشد، تعریف می کنیم و آن مقدار حرارت ایجاد شده در اثر احتراق کامل یک کیلوگرم از سوخت می باشد در صورتی که آب موجود در سوخت کم شود. معمولاً وقتی از قدرت حرارتی یک سوخت صحبت می شود منظور قدرت حرارتی بالاست.
محاسبه قدرت حرارتی سوخت:
می دانیم که هر کیلوگرم اکسیژن بایستی با یک هشتم هیدروژن ترکیب شده و تولید آب نماید، بنابراین مقدار اکسیژن که باید به طور جداگانه سوخته شود می باشد. به طور مثال قدرت حرارتی بالا برای سوختی که از کربن، هیدروژن و گوگرد تشکیل شده از رابطه زیر بدست می آید:
چون یک کیلوگرم هیدروژن، 9 کیلوگرم آب می دهد و حرارت میعان آب 600 کیلوکالری بر کیلوگرم است، بنابراین قدرت حرارتی پایین این سوخت عبارتست از:
که E مقدار آب می باشد و ضرایب کربن، هیدروژن و گوگرد از آنچه که در ترکیب شیمیایی عناصر گفته شد بدست می آید. مثلاً در مورد کربن، 12 گرم کربن، 6/97 کیلوکالری حرارت تولید می کند و برای هر کیلوگرم کربن، حرارت تولید شده برابر است با:
با توجه به مطالب فوق و با معلوم بودن ترکیب هر سوخت می توان ارزش حرارتی آن را محاسبه نمود.