بخش نهم :
جهت کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه، بخش قبلی را مطالعه کنید.
مقدمه
مشعل‌های گازی و گازوئیلی از اجزای حیاتی و کلیدی در سیستم‌های گرمایشی صنعتی و خانگی به شمار می‌آیند که با تبدیل انرژی سوخت به حرارت، فرآیندهای متعددی را در حوزه‌های مختلف تأمین می‌کنند. اما عملکرد بهینه و ایمن این مشعل‌ها مستقیماً وابسته به وجود سیستم‌های کنترلی دقیق و پیشرفته است که بتوانند در هر لحظه شرایط احتراق را تنظیم و نظارت کنند. در این میان، اجزایی مانند الکتروموتور، دمپر تنظیم هوا، کلیدهای کنترل فشار، رله مشعل و حسگرهای تشخیص شعله، هر یک نقش مهم و ویژه‌ای در ایجاد شرایط ایمن، پایدار و اقتصادی احتراق دارند. الکتروموتور مشعل وظیفه گردش فن و در مشعل‌های گازوئیلی، تأمین فشار مناسب برای پاشش سوخت را برعهده دارد و انتخاب درست آن از نظر نوع و ظرفیت، به بهبود راندمان و کاهش مصرف انرژی کمک می‌کند. دمپر هوا به عنوان قطعه‌ای کلیدی، میزان دقیق هوای ورودی به محفظه احتراق را تنظیم می‌نماید تا نسبت صحیح سوخت به هوا حفظ شود و راندمان حرارتی سیستم به حداکثر برسد. کلیدهای کنترل فشار، ضمن تضمین امنیت سیستم، از عملکرد صحیح جریان گاز و هوا اطمینان حاصل می‌کنند و در صورت بروز هرگونه نقص، با قطع فوری مشعل از وقوع حوادث احتمالی جلوگیری می‌نمایند. مهم‌ترین عضو کنترلی، رله مشعل یا کنترل‌کننده اصلی است که با هماهنگی اجزای مختلف، فرآیند روشن شدن، پایداری شعله و ایمنی کامل سیستم را مدیریت می‌کند. در این مقاله تلاش شده است تا با تشریح دقیق اجزا و عملکرد سیستم کنترل مشعل‌های گازی و گازوئیلی، به شناخت بهتر و بهینه‌سازی عملکرد این سیستم‌های حیاتی کمک شود. آشنایی عمیق با این مکانیزم‌ها، نه تنها موجب افزایش طول عمر تجهیزات می‌گردد بلکه از بروز خطرات ناشی از سوخت ناقص و انفجارهای احتمالی نیز جلوگیری می‌کند.
سیستم کنترل مشعل‌های گازی و گازوئیلی
مشعل‌های گازسوز و گازوئیل‌سوز از مهم‌ترین اجزای مصرف‌کننده سوخت در سامانه‌های گرمایش و تهویه مطبوع محسوب می‌شوند و وظیفه اصلی آن‌ها، تبدیل انرژی شیمیایی سوخت به انرژی حرارتی است. این فرآیند معمولاً به‌عنوان بخش حیاتی در تولید بخار، آب گرم یا هوای گرم انجام می‌شود و عملکرد صحیح آن‌ها نقش مستقیمی در بازدهی کلی سیستم گرمایشی دارد.
به دلیل این اهمیت، مشعل‌ها به‌طور کامل با تجهیزات جانبی و واحدهای کنترلی خود هماهنگ عمل می‌کنند. این هماهنگی برای اطمینان از احتراق بهینه، کاهش مصرف سوخت و افزایش ایمنی سیستم ضروری است. در واقع، رابطه بین مشعل و تجهیزات حرارتی همچون دیگ‌های بخار، کوره‌های هوای گرم و سایر مبدل‌های حرارتی یک ارتباط یکپارچه و جدانشدنی است. علاوه بر این، انتخاب نوع مشعل، ظرفیت آن و نحوه تنظیم شعله، تأثیر مستقیمی بر عمر مفید و راندمان کل مجموعه گرمایشی خواهد داشت؛ به همین دلیل طراحی، نصب و نگهداری صحیح مشعل‌ها از اولویت‌های اصلی در بهره‌برداری از سیستم‌های گرمایشی مدرن است.
الکتروموتور مشعل و وظایف آن
در مشعل‌های گازسوز، وظیفه اصلی الکتروموتور به گردش درآوردن فن و تأمین هوای مورد نیاز برای احتراق است. این هوا با سوخت ترکیب شده و شرایط مناسب برای تشکیل شعله پایدار را فراهم می‌کند. اما در مشعل‌های گازوئیل‌سوز، الکتروموتور نقش دوگانه‌ای دارد: علاوه بر چرخاندن فن، پمپ گازوئیل را نیز به حرکت درمی‌آورد تا سوخت با فشار مناسب به نازل برسد و پاشش یکنواختی ایجاد شود.
نوع و ظرفیت الکتروموتور با توجه به توان مشعل انتخاب می‌شود. در مشعل‌های کم‌ظرفیت، معمولاً از الکتروموتورهای تک‌فاز با سیم‌پیچ کمکی استفاده می‌گردد که برای راه‌اندازی اولیه نیاز به خازن یا سیم‌پیچ استارت دارند. در مقابل، مشعل‌های بزرگ و صنعتی به الکتروموتورهای سه‌فاز مجهز می‌شوند که توان بالاتر، راندمان بهتر و طول عمر بیشتری دارند. انتخاب صحیح الکتروموتور نه تنها بر عملکرد پایدار مشعل تأثیر مستقیم دارد، بلکه در کاهش مصرف انرژی و جلوگیری از فرسودگی زودهنگام قطعات نیز مؤثر است.
دمپر تنظیم هوا در مشعل‌ها
در بخش مکش فن مشعل، قطعه‌ای به نام دمپر تنظیم هوا تعبیه شده است که وظیفه کنترل میزان هوای ورودی به محفظه احتراق را بر عهده دارد. با تنظیم صحیح این دمپر، نسبت هوا به سوخت بهینه می‌شود و شعله‌ای پایدار و با راندمان مناسب شکل می‌گیرد.
در مشعل‌های کم‌ظرفیت، این تنظیم معمولاً به صورت دستی انجام می‌شود؛ یعنی اپراتور با تغییر موقعیت دمپر، میزان بازشدگی مسیر هوا را کنترل می‌کند. اما در مشعل‌های پرظرفیت و صنعتی، دمپر به یک موتور با عملکرد تدریجی مجهز است که فرمان خود را از کنترل‌کننده اصلی دریافت می‌کند. این سیستم هوشمند با توجه به مقدار سوخت تزریق‌شده و وضعیت شعله، به طور خودکار میزان هوای احتراق را تنظیم می‌کند. تنظیم دقیق دمپر علاوه بر بهبود بازده حرارتی، موجب کاهش مصرف سوخت، کاهش آلاینده‌های خروجی و افزایش طول عمر تجهیزات احتراقی می‌شود.
کلیدهای کنترل فشار گاز و هوا در مشعل‌ها
برای ایجاد ترکیب بهینه بین گاز و هوا و همچنین حفظ ایمنی در مشعل‌ها، از کلیدهای کنترل‌کننده فشار جداگانه یا ترکیبی استفاده می‌شود که فشار هر دو سیال ورودی به محفظه احتراق را به دقت پایش می‌کنند. این کلیدها اطمینان حاصل می‌کنند که فشار گاز و هوا در محدوده مناسب قرار دارد؛ چرا که فشار پایین‌تر از حد مورد نیاز می‌تواند منجر به احتراق ناقص، تولید دود و حتی خطرات انفجاری شود.
در صورتی که فشار گاز یا هوا از حد مجاز کمتر باشد، این کلیدهای کنترل‌کننده با ارسال فرمان قطع به رله اصلی، عملکرد مشعل را متوقف کرده یا از روشن شدن آن جلوگیری می‌کنند تا از بروز مشکلات احتمالی پیشگیری شود.
در برخی مشعل‌های کم‌ظرفیت، به جای استفاده از کلید کنترل فشار هوا، از کلید گریز از مرکز بهره گرفته می‌شود. این کلید به صورت مکانیکی و از طریق محور چرخان موتور فن عمل می‌کند؛ به این صورت که تنها وقتی فن به گردش درآمد و هوای کافی تأمین شد، کلید فعال شده و اجازه روشن شدن مشعل را می‌دهد. این روش ساده و کم‌هزینه فرض می‌کند که با روشن شدن موتور فن، فشار هوای مناسب ایجاد خواهد شد.
کنترل‌کننده اصلی مشعل (رله مشعل)
کنترل‌کننده اصلی که معمولاً به آن رله مشعل گفته می‌شود، نقش فرماندهی و هماهنگی تمامی عملکردهای مشعل را بر عهده دارد. این کنترل‌کننده عملیات مختلفی از جمله روشن کردن فن، تخلیه هوای احتراق برای جلوگیری از تجمع گازهای قابل انفجار، مدیریت زمان‌بندی جرقه‌زنی، باز و بسته کردن شیرهای سوخت و نظارت مداوم بر کیفیت شعله را انجام می‌دهد.
رله مشعل در تعامل مستقیم با سایر اجزای کنترلی مثل ترموستات، سیستم‌های ایمنی، شیرهای خودکار سوخت و حسگرهای تشخیص شعله قرار دارد تا فرآیند احتراق را به صورت ایمن و بهینه پیش ببرد. در مشعل‌های گازوئیلی، فرآیند راه‌اندازی معمولاً با روشن شدن همزمان الکتروموتور فن و ترانس جرقه‌زن آغاز می‌شود تا محفظه احتراق کاملاً از گازهای قابل انفجار پاک‌سازی شود. پس از حدود 15 ثانیه، شیر برقی نازل اول گازوئیل باز می‌شود تا سوخت وارد محفظه شده و شعله شکل بگیرد. در مشعل‌هایی که دو نازل دارند، عملکرد مرحله دوم به صورت تدریجی پس از تایید وجود شعله انجام می‌شود.
فرایند تشخیص شعله با استفاده از زمان‌بندی‌های مشخصی انجام می‌گیرد: ابتدا دو بازه زمانی 5 ثانیه‌ای برای شناسایی نور شعله (tf و ts) در نظر گرفته می‌شود. اگر شعله توسط حسگر نوری تأیید شود، رله مشعل به کار عادی خود ادامه می‌دهد. سپس پس از گذشت 7 ثانیه (tn) جرقه‌زن خاموش می‌شود و در ادامه پس از 20 ثانیه، شیر برقی نازل دوم باز شده و مشعل با حداکثر ظرفیت فعالیت می‌کند. کنترل‌کننده‌های مشعل‌های گازسوز نیز با کمی تفاوت‌های فنی، عملکردی مشابه با کنترل‌کننده‌های گازوئیلی دارند و تمامی مراحل راه‌اندازی، کنترل شعله و ایمنی را مدیریت می‌کنند.
1. کلید اصلی (Hs) روشن می‌شود و فرمان راه‌اندازی صادر می‌گردد.
۲. موتور مشعل (M) و ترانس جرقه (Z) فعال شده و شروع به کار می‌کنند.
۳. زمان تخلیه هوای اولیه (Tv1) آغاز می‌شود تا محفظه احتراق از گازهای قابل انفجار پاک شود.
۴. شیر برقی مرحله اول (V1) باز می‌شود و سوخت وارد محفظه احتراق می‌گردد.
۵. چشم نوری (F) نور شعله را پایش می‌کند؛ اگر شعله پایدار باشد، زمان تخلیه اولیه و پایش شعله (Tf) و زمان ایمنی (Ts) سپری می‌شود.
۶. جرقه زنی (tn) تا ایجاد شعله پایدار ادامه دارد.
۷. پس از اطمینان از شعله، شیر برقی مرحله دوم (V2) پس از زمان تأخیری (tv2) باز می‌شود تا مشعل با تمام ظرفیت فعالیت کند.
۸. در هر مرحله، ترموستات حد (St) و ترموستات راهبردی (Rt) دما را کنترل کرده و در صورت بروز مشکل، مشعل را خاموش می‌کنند.
۹. در صورت بروز اشکال، شستی راه‌اندازی مجدد (Ev) باید فعال شود تا فرآیند راه‌اندازی دوباره انجام شود.
۱۰. چراغ سیگنال راهنما (Sa) وضعیت عملکرد مشعل را نمایش می‌دهد.
شرح عملکرد مدار کنترل مشعل با علائم تعریف شده
با فعال شدن کلید اصلی (Hs)، به صورت همزمان موتور مشعل (M) و ترانس جرقه (Z) در مدار قرار می‌گیرند. این مرحله آغاز راه‌اندازی مشعل است که به دنبال آن شیر برقی مرحله اول گاز (V1) باز شده و سوخت‌رسانی آغاز می‌شود.
در این مرحله، مشعل وارد فاز تخلیه هوای کوره (Tv1) می‌شود که معمولاً بین 24 تا 40 ثانیه طول می‌کشد تا محفظه احتراق از گازهای قابل انفجار پاک شود. پس از پایان این زمان، زمان اولیه جرقه‌زنی (Tvz) آغاز می‌شود و ترانس جرقه به مدت کل زمان جرقه‌زنی (Tz) که حدود 5.5 ثانیه است، فعال می‌ماند تا شعله پایدار ایجاد شود.
همزمان با جرقه‌زنی، پایش نور شعله (Tf) به مدت 5 ثانیه انجام می‌گیرد که توسط حسگرهای مانند میله یونیزاسیون (Is) یا حسگر فرابنفش (Uv) صورت می‌پذیرد. اگر شعله به‌درستی شکل بگیرد، وارد مرحله زمان ایمنی (Ts) می‌شویم که حدود 3 ثانیه به طول می‌انجامد تا اطمینان کامل از پایدار بودن شعله حاصل شود.
در صورت تشخیص شعله پایدار، شیر برقی مرحله دوم (V2) پس از یک زمان تاخیری (Tv2) باز شده و مشعل با تمام ظرفیت خود به فعالیت ادامه می‌دهد. چراغ سیگنال راهنما (Sa) نیز وضعیت عملکرد عادی را نمایش می‌دهد.
در طول فرآیند راه‌اندازی و کارکرد، چندین کلید و ترموستات وظیفه نظارت ایمنی را بر عهده دارند :
• کلید کنترل فشار گاز (Gw) و کلید کنترل فشار هوا (Lw) به ترتیب فشار گاز و هوا را بررسی می‌کنند و باید در زمان مشخصی، مانند حداکثر 60 ثانیه برای کلید هوا (Tlw)، به مقدار مناسب برسند؛ در غیر این صورت مشعل خاموش می‌شود.
• ترموستات حد (St) و ترموستات راهبری (Rt)، دمای سیستم را کنترل کرده و در صورت بروز هرگونه اختلال یا افزایش دما، فرمان قطع مشعل را صادر می‌کنند. اگر شعله تشکیل نشود یا در هر مرحله‌ای اختلالی پیش بیاید، سیستم ایمنی فعال شده و مشعل متوقف می‌شود. در این وضعیت چراغ ریست (Ev) روشن شده و نیاز به راه‌اندازی مجدد دارد.
نتیجه‌گیری
در نهایت، می‌توان گفت که سیستم‌های کنترل مشعل‌های گازی و گازوئیلی، ستون فقرات عملکرد ایمن، بهینه و پایدار این تجهیزات حیاتی گرمایشی هستند. هر یک از اجزای کنترل‌کننده، از الکتروموتور تا دمپر تنظیم هوا، کلیدهای فشار، حسگرهای شعله و رله مشعل، نقش مکمل و تأثیرگذاری در تضمین کیفیت احتراق و امنیت کلی سیستم ایفا می‌کنند. انتخاب صحیح و نگهداری مناسب این اجزا به همراه تنظیم دقیق پارامترهای سیستم، به کاهش چشمگیر مصرف سوخت، افزایش راندمان حرارتی و کاهش آلاینده‌ها منجر می‌شود که از نظر اقتصادی و زیست‌محیطی بسیار حائز اهمیت است. عملکرد هماهنگ و دقیق کنترل‌کننده اصلی (رله مشعل) نیز، با نظارت پیوسته بر فرآیند جرقه‌زنی، تشخیص شعله و مدیریت سوخت‌رسانی، از بروز حوادثی مانند خاموش شدن ناگهانی شعله یا تجمع گازهای خطرناک جلوگیری می‌کند. به علاوه، به کارگیری کلیدهای ایمنی فشار هوا و گاز، ترموستات‌های محدودکننده دما و سایر قطعات حفاظتی، تضمین کننده سطح بالایی از ایمنی در محیط‌های صنعتی و خانگی می‌باشد. به طور کلی، ارتقاء سیستم‌های کنترلی و به‌روزرسانی فناوری‌های مربوط به کنترل مشعل، یکی از کلیدهای اصلی بهبود عملکرد سیستم‌های گرمایشی و کاهش هزینه‌های عملیاتی است. بنابراین، شناخت کامل این اجزا و فرآیندها، برای مهندسین، اپراتورها و تمامی افرادی که در زمینه نصب، راه‌اندازی و نگهداری مشعل‌ها فعالیت دارند، امری ضروری و حیاتی است که می‌تواند نقش مهمی در بهینه‌سازی مصرف انرژی و ارتقاء ایمنی تجهیزات داشته باشد.