بخش هشتم :
جهت کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه، بخش قبلی و بعدی را مطالعه کنید.
مقدمه
مشعل‌های گازی و گازوئیلی به عنوان یکی از مهم‌ترین تجهیزات در سیستم‌های گرمایشی و تهویه مطبوع، نقش کلیدی در تأمین انرژی حرارتی و افزایش راندمان کلی این سامانه‌ها ایفا می‌کنند. با توجه به اهمیت عملکرد صحیح و ایمن این دستگاه‌ها، طراحی و به‌کارگیری سیستم‌های کنترل دقیق و پیشرفته برای تنظیم میزان سوخت و هوای ورودی به مشعل، امری حیاتی است. سیستم‌های کنترلی مشعل علاوه بر هدایت فرآیند احتراق، نقش مهمی در حفظ ایمنی دستگاه دارند و از وقوع خطرات ناشی از احتراق ناقص یا خاموشی ناگهانی شعله جلوگیری می‌کنند. امروزه با پیشرفت فناوری، استفاده از حسگرهای پیشرفته، ترانس جرقه‌های با ولتاژ بالا، شیرهای خودکار کنترل سوخت و روش‌های متنوع تشخیص شعله، به بهبود عملکرد و افزایش بهره‌وری مشعل‌ها کمک شایانی کرده است. این مقاله به بررسی اجزای مختلف سیستم کنترل مشعل‌های گازی و گازوئیلی، نحوه عملکرد آن‌ها و اهمیت هر بخش در تضمین عملکرد بهینه و ایمن پرداخته است.
سیستم کنترل و تنظیم مشعل‌های گازی و گازوئیلی
مشعل‌های گازسوز و گازوئیل‌سوز از اساسی‌ترین تجهیزات مصرف‌کننده سوخت در سامانه‌های گرمایش و تهویه مطبوع به شمار می‌آیند و بخش عمده‌ای از فرآیند تولید گرما را بر عهده دارند. این دستگاه‌ها معمولاً به عنوان بخشی از سیستم‌های تولید بخار، آب گرم یا هوای گرم عمل می‌کنند و نقش محوری در راندمان کلی تجهیزات گرمایشی دارند. به همین دلیل، ارتباطی مستقیم و جدانشدنی میان مشعل و واحدهای کنترلی آن با دیگ‌ها، کوره‌های هوای گرم و سایر تجهیزاتی که به مشعل مجهز هستند وجود دارد.
برای نمونه، در یک دیگ آب گرم، ترموستات با اندازه‌گیری دمای آب، فرمان روشن یا خاموش شدن مشعل را صادر می‌کند. در دیگ بخار نیز ممکن است طول شعله به‌طور تدریجی و متناسب با فشار کاری سیستم تغییر یابد. همچنین در برخی چیلرهای جذبی شعله‌مستقیم، عملکرد مشعل با دمای آب سرد برگشتی از ساختمان هماهنگ می‌شود. به بیان دیگر، حتی اگر مشعل دارای کنترل‌کننده اختصاصی باشد، باز هم تحت تأثیر واحدهای کنترلی اصلی سیستم قرار می‌گیرد که هدایت کلی تجهیزات مولد را بر عهده دارند.
کنترل‌کننده‌های مشعل به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند: واحدهای راهبری که وظیفه هدایت عملکرد را بر عهده دارند، و واحدهای حفاظتی که با هدف تأمین ایمنی سیستم عمل می‌کنند. این دو بخش در عین استقلال، کاملاً مکمل یکدیگر هستند.
فرآیند احتراق در سیستم‌های گرمایشی مجهز به مشعل معمولاً طی مراحل زیر انجام می‌شود :
1. روشن شدن فن و مشعل و تخلیه محفظه احتراق از گازهای قابل اشتعال احتمالی.
2. ایجاد جرقه توسط ترانس جرقه در زمان و مدت‌زمان مشخص.
3. باز شدن شیر سوخت.
4. ترکیب سوخت و هوا در مجاورت جرقه، شکل‌گیری شعله و توقف عملکرد ترانس جرقه.
5. تشخیص شعله توسط حسگرهای نوری، حرارتی یا یونی.
6. ادامه کار مشعل تحت فرمان کنترل‌کننده‌های اصلی.
در صورتی که مشعل به سیستم‌های کنترل پیشرفته مجهز باشد، تنظیم نسبت هوا و سوخت به صورت خودکار و متناسب با ظرفیت مورد نیاز انجام می‌گیرد. این قابلیت باعث افزایش راندمان و کاهش مصرف سوخت می‌شود و از نظر ایمنی نیز شرایط بهتری را فراهم می‌آورد.
ترانس جرقه در مشعل‌ها
در مشعل‌های تفنگی، دو الکترود که به یک ترانسفورمر افزاینده متصل هستند، در نزدیکی محل ورود سوخت قرار گرفته و در زمان و مدت‌زمان مشخص، قوس الکتریکی یا همان جرقه لازم برای آغاز احتراق را ایجاد می‌کنند. از آنجا که فاصله بین این دو الکترود معمولاً دست‌کم ۶ میلی‌متر است، برای عبور جریان و ایجاد قوس، ولتاژ بالایی مورد نیاز است. به همین دلیل، خروجی ثانویه ترانس جرقه معمولاً در محدوده ۱۰٬۰۰۰ تا ۱۵٬۰۰۰ ولت قرار دارد.
در مشعل‌های گازسوز، معمولاً به جای دو الکترود مجزا، تنها از یک الکترود برای جرقه‌زنی استفاده می‌شود و بخش فلزی موسوم به شعله‌پوش نقش الکترود دوم را ایفا می‌کند. این طراحی باعث سادگی ساخت و نگهداری می‌شود. فرایند جرقه‌زنی در این نوع مشعل‌ها معمولاً با گذشت حدود ۳۰ ثانیه از شروع عملیات، آغاز شده و شرایط لازم برای شکل‌گیری شعله را فراهم می‌سازد.
افزودن ترانس جرقه با توان و ولتاژ مناسب، نه‌تنها به افزایش اطمینان از روشن شدن مشعل کمک می‌کند، بلکه باعث می‌شود جرقه پایدارتر و یکنواخت‌تری ایجاد شود که در نتیجه، عمر مفید سیستم احتراقی افزایش می‌یابد.
حسگر شعله و نقش آن در ایمنی مشعل‌ها
یکی از مهم‌ترین اجزای حفاظتی در سیستم‌های احتراقی، حسگر شعله است که وظیفه آن تشخیص وجود یا خاموش شدن شعله در مشعل می‌باشد. این حسگرها به محض خاموش شدن ناگهانی شعله، فرمان قطع عملیات مشعل را صادر می‌کنند تا از تجمع گاز یا سوخت نسوخته و وقوع خطرات احتمالی جلوگیری شود. سه نوع رایج حسگر شعله شامل نوری، یونی (میله یونیزاسیون) و حرارتی (ترموکوپل) هستند.
در مشعل‌های گازوئیل‌سوز، اغلب از حسگرهای نوری مانند سلول‌های کادمیوم سولفید استفاده می‌شود. این سلول‌ها در محیط تاریک مقاومت الکتریکی بسیار بالایی دارند که می‌تواند به چند صد هزار اهم برسد، اما زمانی که در معرض نور شعله قرار می‌گیرند، مقاومت آن‌ها به حدود ۵۰ اهم کاهش می‌یابد. این تغییر مقاومت به سیستم کنترل امکان می‌دهد وجود شعله را تشخیص دهد.
برای مشعل‌های پرظرفیت، حسگرهای نوری فرابنفش کاربرد گسترده‌ای دارند. این نوع حسگر از یک لوله شیشه‌ای حاوی گاز تشکیل شده است که در حالت عادی، مقاومت الکتریکی بالایی دارد و مانع عبور جریان می‌شود. اما تحت تابش نور فرابنفش حاصل از شعله، گاز یونیزه شده و مقاومت آن کاهش می‌یابد، در نتیجه جریان عبور کرده و وجود شعله تأیید می‌گردد.
در مشعل‌های گازسوز، استفاده از میله یونیزاسیون بسیار رایج است. این روش بر پایه خاصیت یونیزه‌شدن هوا و محصولات احتراق در مجاورت شعله عمل می‌کند. با قرار دادن یک میله فلزی در ناحیه شعله، جریان الکتریکی بسیار ضعیفی بین آن و شعله‌پخش‌کن فلزی ایجاد می‌شود. همین جریان کوچک برای حفظ فعال بودن رله اصلی مشعل کافی است و از خاموش شدن ناخواسته جلوگیری می‌کند.
ترموکوپل نیز نوعی حسگر حرارتی است که در برخی مشعل‌های گازسوز اتمسفریک مورد استفاده قرار می‌گیرد. این قطعه بر اثر گرمای شعله، ولتاژ بسیار کمی تولید می‌کند که برای باز نگه داشتن شیر برقی گاز ضروری است. در صورتی که شعله خاموش شود و ترموکوپل سرد گردد، ولتاژ قطع شده و شیر برقی بسته می‌شود، بنابراین جریان گاز به مشعل متوقف می‌گردد.
شیرهای خودکار کنترل سوخت در مشعل‌ها
در مشعل‌های گازوئیل‌سوز و گازسوز، برای ایمنی و تنظیم دقیق جریان سوخت، از شیرهای خودکار استفاده می‌شود. این شیرها وظیفه دارند عبور یا قطع سوخت را بر اساس فرمان سیستم کنترل انجام دهند. در مشعل‌های کم‌ظرفیت، معمولاً از شیرهای برقی سلونوئیدی با عملکرد قطع و وصل سریع استفاده می‌شود. اما در مشعل‌های با ظرفیت بالا، علاوه بر این نوع شیر، از شیرهای موتوری تدریجی یا تناسبی نیز بهره می‌برند تا امکان تنظیم دقیق حجم سوخت و طول شعله فراهم شود. در برخی از شیرهای خودکار مخصوص مشعل‌های گازسوز پرظرفیت، تنظیم‌کننده داخلی فشار گاز نیز تعبیه شده است تا فشار ورودی به مشعل همواره در محدوده بهینه باقی بماند.
ساختار داخلی این شیرها معمولاً شامل سه مسیر عبور گاز است :
1. مسیر شعله شمعک: این مسیر به وسیله ترموکوپل کنترل می‌شود. زمانی که شمعک روشن باشد، گرمای آن ترموکوپل را فعال نگه می‌دارد و اجازه عبور گاز را می‌دهد. در صورت خاموش شدن شمعک و سرد شدن ترموکوپل، مسیر بسته می‌شود تا از نشت گاز جلوگیری گردد.
2. مسیر تنظیم فشار: این بخش وظیفه ثابت نگه داشتن فشار گاز ورودی را بر عهده دارد تا عملکرد مشعل تحت تغییرات فشار شبکه دچار نوسان نشود.
3. مسیر اصلی سوخت: این مسیر به وسیله ترموستات یا سایر واحدهای کنترلی باز و بسته می‌شود و وظیفه تأمین گاز برای مشعل اصلی را بر عهده دارد.
استفاده از این شیرهای خودکار علاوه بر افزایش ایمنی، امکان کنترل بهینه شعله و مصرف سوخت را فراهم می‌کند و یکی از بخش‌های کلیدی در طراحی و بهره‌برداری مطمئن مشعل‌ها محسوب می‌شود.
شمعک و نقش آن در راه‌اندازی مشعل‌ها
یکی از روش‌های سنتی برای روشن کردن مشعل‌ها، استفاده از شمعک یا همان شعله کوچک دائمی است. این شعله کم‌قدرت به طور پیوسته روشن می‌ماند و به محض باز شدن شیر اصلی گاز و دمپر هوا، منبع حرارت لازم برای شکل‌گیری شعله اصلی را فراهم می‌کند.
وجود شمعک علاوه بر سادگی در راه‌اندازی، نقش مهمی در ایمنی سیستم ایفا می‌کند. در مشعل‌هایی که از شمعک استفاده می‌کنند، یک ترموکوپل یا حسگر شعله در کنار آن نصب شده است. این حسگر با تشخیص گرمای شمعک، فرمان باز ماندن شیر اصلی گاز را صادر می‌کند. در صورتی که به هر دلیل شمعک خاموش شود، حسگر به سرعت کاهش دما را تشخیص داده و شیر اصلی گاز را می‌بندد. به این ترتیب، از ورود گاز بدون احتراق به محفظه جلوگیری می‌شود و احتمال بروز خطرات جدی از بین می‌رود.
گرچه امروزه در بسیاری از مشعل‌های مدرن از سیستم‌های جرقه‌زنی الکترونیکی به جای شمعک استفاده می‌شود، اما این روش سنتی همچنان در برخی تجهیزات کوچک یا خانگی به دلیل سادگی، قابلیت اطمینان و هزینه کم، کاربرد دارد.
نتیجه‌گیری
در نهایت، می‌توان تأکید کرد که بهره‌گیری از سیستم‌های کنترل و تنظیم پیشرفته در مشعل‌های گازی و گازوئیلی، نه تنها به افزایش راندمان حرارتی و کاهش مصرف سوخت منجر می‌شود، بلکه نقش اساسی در تضمین ایمنی و جلوگیری از خطرات ناشی از اشتعال نامناسب دارد. اجزای کلیدی این سیستم‌ها، از جمله ترانس جرقه، حسگرهای تشخیص شعله، شیرهای خودکار کنترل سوخت و شمعک، به صورت هماهنگ و مکمل یکدیگر عمل می‌کنند تا فرآیند احتراق را به بهترین شکل ممکن مدیریت نمایند. پیشرفت‌های فناورانه در این حوزه، امکان تنظیم دقیق نسبت هوا و سوخت، افزایش عمر مفید تجهیزات و کاهش هزینه‌های نگهداری را فراهم ساخته است. بنابراین، در طراحی و بهره‌برداری از مشعل‌ها توجه ویژه به سیستم‌های کنترل و ایمنی، ضامن کارکرد پایدار، اقتصادی و مطمئن تجهیزات گرمایشی خواهد بود.