بخشی از مقاله
بررسی و بهبود عملکرد بخاری گازسوز با محفظه احتراق بسته
چکیده
در بخاری گازسوز معمولی، هوای داخل اتاق بطور مستقیم برای انجام احتراق استفاده میشود . در این تحقیق بر روی نوع خاصی از بخاری گازسوز ، که هوای لازم را از بیرو ن فضای مورد گرمایش دریافت می کند بررسی هایی صورت گرفته است . بخاری مذکور به دو صورت تک جداره و دو جداره ساخته شده است که در حالت دو جداره از دو لوله هم محور برای تأمین هوای لازم برای احتراق و خروج محصولات احتراق استفاده می شود. بخاری های تک جداره و دو جداره در شرایط مختلفی از کارکرد قرار داده شده و در هر حالت با اندازه گیری توزیع سرعت و دما در مقاطع ورودی و خروجی و همچنین اندازه گیری دبی گاز مصرفی، مشخصه های جریان از درون بخاری و نیز راندمان حرارتی بخاری مورد بررسی، محاسبه شده است . بر اساس نتایج بدست آمده می توان با انجام تغییراتی در ساختمان یک دستگاه بخاری معمولی، نوع دیگری از آن را ایجاد نمود که هوای لازم برای احتراق را از بیرون فضای مورد گرمایش دریافت کند که دراین صورت میزان هوای اضافی به دلخواه و با حداقل خطرات می تواند کاهش داده شود. با کاهش میزان هوای ا ضافی، دمای محصولات احتراق به مقدار قابل توجهی اضافه شده و به تبع آن میزان انتقال حرارت به محیط افزایش خواهد یافت. در صورت استفاده از لوله های هم محور مقداری از حرارت محصولات احتراق بازیابی شده اما جریان هوای مصرفی به سمت بخاری به دلیل مخالفت نیروی شناوری هوای گرم با اختلال مواجه خواهد شد . در صورت استفاده از لوله های مجزا اشکال مذکور برطرف شده و مکش کافی به سمت بخاری صورت می گیرد که در این حالت در صورت لزوم با استفاده از یک دمپر هوا، می توان شدت جریان هوای ورودی به
بخاری را کنترل نمود.
کلمات کلیدی: بخاری گازسوز، راندمان حرارتی بخاری ، بخاری دو جداره.
مقدمه
در کشور ما از بخاری گازسوزبـه دلایلـی ماننـد سـادگی نصـب وکـاربرد و هزینه پایین، در سطح وسیعی برای گرمایش منازل و سایر فضـاها اسـتفاده می شود. هنگام استفاده از این وسیله گرمایشی، اکسـیژن لازم بـرایانجـام احتراق، از داخل فضای مورد گرمایش تأمین می شـود . درزهـا و منفـذهای موجود در روی در و پنجره و سایر بازشو ها میتوانند در تأمین هـوای تـازه مورد نیاز ساکنین و بخـاری هـا نقـش حیـاتی ایفـا کننـد . در هـوای سـرد زمستان اگر راههای نفوذ اکسیژن به داخل اتاق بسته شـود و اکسـیژن لازم برای احتراق کامل تأمین نشود ممکن است حوادث خطرناکی به وجود آید. این وسیله گرمایشی علاوه بر دارا بـودن رانـدمان حرارتـی پـایین از لحـاظ
پاکی هوای فضای مورد گرمـایش نیـز دارای اشـکالاتی مـیباشـد مصـرف. اکسیژن قابل توجه از داخل فضا، امکان راهیابی محصولات احتراق به داخل این فضا و جریان هوای سرد از منافذ به سمت بخاری از جمله اشـکالات در بکارگیری این وسیله گرمایشی میباشد.
علی رغم استفاده گسترده از بخاریهای گازسوز، مطالعـات زیـادی در مـورد اصلاح و بهبود این سیستم ها انجام نشـده اسـت . در تحقیقـی کـه توسـط رحیمی و عبدی اقدم [3] تحـت عنـوان مطالعـه تجربـی تـأمین مسـتقیم هوای مصرفی برای بخاریهای گازسوز خانگی انجام شده، سعی گردیـده تـا به روش تجربی و با ایجاد تغییرات جزیی در ساختمان یک دستگاه بخـاری، هوای لازم بـرای احتـراق بـه همـراه هـوای اضـافی لازم بـرای اخـتلاط بـا محصولات احتراق به منظور خنک کردن آن، از بیرون و از طریق لولهای بـه موازات لوله دودکش تـأمین شـود . بخـاری آزمایشـی تحـت شـرایط پایـدار بکارگیری شده و نتایج رضایت بخشی از کارکرد را داشته است . کیانی فر و همکاران[4] مقاله ای را تحت عنوان شـبیه سـازی احتـراق در یـک بخـاری گازسوز خانگی و بررسی پارامترها ی مؤثر در آن منتشر کرده اند کـه در آن شبیه سازی عددی فرایند احتراق در بخاری های گازسـوز خـانگی بـا فـرض جریان آشفته سه بعدی با انتقال حرارت جابجـایی آزاد و تشعشـی بررسـی شده است. اثر پارامترهایی همچون شرایط محیط، ارتفـاع و قطـر دودکـش، سهم انتقال حرارت تشعشی و نصـب فـن روی بخـاری بـه منظـور افـزایش راندمان بررسی شده است. جهت بررسی شرایط محیط یک مدل سه بعـدی از بخاری تولید و در محیطهایی با شرایط مختلف قرار گرفتـه اسـت . نتـایج این تحقیق نشان می دهد نصب بخاری در محیط های وسیع و سقف بلند به دلیل سهم زیاد انتقال حرارت جابجایی آزادو توزیع حـرارت اصـلاً مناسـب نیست. همچنین با افزایش سهم انتقال حرارت تشعشعی یا اسـتفاده از فـن می توان راندمان بخاری را تا %85 افزایش داد در مقاله هـایی کـه توسـط بیــدآبادی و همکــاران [2], [ 1 ] تحــت عنــوان بهینــهســازی بخاریهــای گازسوزوبهینه سازی احتراق در بخاری های گازسـوز منتشـر گردیـده اسـت سعی شده روشهایی برای احتراق بهتر همراه با تولید آلاینـده هـای کمتـر و بازدهی بالاتر برای بخاری های گازسوز با دودکش ارائه گردد. در یک بخاری گازسوز دودکش دار میزان هوایی که وارد بخاری می شود و نیـز اینکـه چـه مقدار از این هوا به صورت هوای اولیه و چه مقدار بـه صـورت هـوای ثانویـه وارد می شود بر بازدهی بخاری و میزان آلاینده ها بسیار مؤثر است. در ابتـدا سعی شده که میزان هوا برای کمترین آلودگی و بیشترین بازدهی محاسـبه شود. در این مقاله اثر تغییر هوای اضافه از %50تـا %400 و هـوای اولیـه از %25 تا %65 مورد بررسی قرار گرفته است . نتایج نشان داده است که هـوای اضافه در محدوده %70 تا %160 و هـوای اولیـه در محـدوده %45تـا %55 بهترین نتایج را ایجاد می کند.
به منظور بررسی و بهبود کارایی یک دستگاه بخاری که هوای لازم را بطور مستقیم از بیرون دریافت می کند این مطالعه انجام شده است. با توجه به اینکه مقدار قابل توجهی حرارت به همراه محصولات احتراق به بیرون از فضای مورد گرمایش هدایت می شود در این مطالعه سعی شده است تا با استفاده از لوله های هم مرکز برای تأمین هوا و خروج محصولات احتراق راندمان بخاری اصلاح شود. عملکرد این وسیله گرمایشی در تحقیق حاضر
بطور کمی مورد ارزیابی قرار گرفته است.
-1 -1 تجهیزات آزمایش و وسایل اندازهگیری
-1 -1 -1 مشخصات بخاری مورد آزمایش بخاری مورد استفاده در ایـن تحقیـقبـهشـکل یـک مکعـب مسـتطیل بـا
ابعاداسمی 500 mm × 250 mm × 600 mm (ارتفاع × عرض × طـول) از ورق فولادی به ضخامت یک میلیمتر ساخته شد. در سـاخت بدنـه بـرای عدم نفوذ ناخواسته هوا از اطراف از روش خمکاری ورق اسـتفاده شـده و در اتصال ورق ها به همدیگر از جوش نقطهای با فواصل نزدیک به هم اسـتفاده گردید. برای کند کردن سرعت حرکت محصولات احتـراق دو عـدد صـفحه افقی در داخل بدنه نصب گردید. به منظور مشاهده شـعله، در وجـه مقابـل بخاری یک دریچه مستطیلی شکل به ابعاد 150 mm × 40 mm تعبیـه شد که این دریچه با طلق نسوز و با نشیمنگاه کاملا درزبندی شـده پوشـش داده شد. در داخل بدنه بخاری مورد آزمایش از دو مشعل گازسوز هر کـدام به ظرفیت اسمی 6000 Kcal/h استفاده شده و سایرتجهیزا ت جنبـی از قبیل ترموکوپل و پیلوت و فندک در روی پایـه بخـارینصـب شـدند یـک. محفظـه دیگـر بـه ابعـاد 450 mm × 220 mm × 540 mm (ارتفـاع × عرض × طول) از جنس ورق فولادی به ضخامت یک میلیمتر سـاخته شـده و در داخـل بدنــه اصــلی بخـاری آزمایشــی قــرار دادهشـد . در ضــمن کــار، محصولات احتراق توسط لوله ای به قطر 10سانتیمتر که در قسمت فوقـانی محفظه داخلی قرار داشت خارج می گردید و هوای ورودی توسـط لولـه ای هم محور با لوله محصولات احتراق و به قطر15سانتیمتر ، از قسـمت بـالای بدنه خارجی بخاری وارد شـده و پـس از گـذر از اطـراف بدنـه داخلـی وارد محفظه احتراق میگردید.( لوله ها عایق بندی نشده اند).
-2 -1 -1 وسایل اندازه گیری
برای اندازه گیری درجه حرارت از سیم هـای ترموکوپـل نـوع K کـه قـبلا کالیبره شده بودند استفاده گردید. چهار عـدد ترموکوپـل نـوع K درداخـل یک رابط لوله به قطر 10 سانتی متر و طول 15 سانتی متر درچهار نقطـه و با فاصله های مساوی از هم روی قطر رابط در جهت شـعاعی نصـب شـدند. این ترموکوپل ها به یک دیتالاگر متصل بودند. برای تعیـین دمـای متوسـط جریان در موقعیت هر ترموکوپل، از یک متوسط زمانی از مقادیر ثبت شـده توسط دیتالاگر از لحظه رسیدن به حالت پایدار تا انتهای آزمـایش اسـتفاده گردید. یک ترموکوپل کمکی دیگر از نوع K علاوه بر ترموکوپل های قبلی داخل لوله رابط قرار داده شد بطوری که انتهای ترموکوپل با جداره داخلـی لوله دودکش در همان مقطع اندازه گیری در تماس باشد.
لوله های ورود هوا و محصولات احتراق، لوله هایی از جـنس ورق گـالوانیزه براق به قطرهای 15 سانتیمتر و10 سانتیمتر بودند . با توجه بـه اینکـه گـاز مصرفی بخاری، در دمای محیط وارد بخاری شده و دبـی جریـان آن مقـدار زیادی نبود، برای اندازه گیری میزان مصرف گاز از یک دستگاه کنتـور گـاز G4 استفاده گردید. برای اندازه گیری سرعت نقطه ای هوا و نیز محصولات احتراق از یک دستگاه لوله پیتوت متصل به یک ترانسدیوسر حساس فشـار استفاده شد.
ICHVAC3-116
-2-1 شرح انجام آزمایشات وبیان نتایج
-1 -2-1 بخاری تک جداره با تأمین هوا از داخل ساختمان به منظور بررسی تغییرات به وجود آمده در عملکرد بخاری در اثر تغییرات
طول لوله دودکش، لوله تأمین هوای لازم برای احتراق در موقعیت ثابت قرار داده شد. در این حالت هوای لازم از طریق یک لوله افقی به طول 0/ 6 متر و یک لوله قائم به طول 1 متر و قطر 0/1 متر تأمین گردید، برای خروج محصولات احتراق ترکیب ی از یک لوله قائم به طول 0/3 متر با لوله افقی به طول 0/6 متر و سپس یک لوله قائم که طول های 1 و 2 و 3 متر
برای آن مورد تست قرار گرفت، استفاده گردید، این لوله ها همگی دارای قطر 0/1 متر بوده و به وسیله زانویی های 90° مطابق شکل (1) به هم متصل شده بودند.
درجه حرارت محصولات احتراق خروجی از انتهای لوله دودکش به ارتفاع 1 متر در دو جهت عمود بر هم شعاعی اندازه گیری شده و نتایج درشـکل (2) نشان داده شده است. در این شکل سری ( ( L=1m و سری( عمودبـر قطر در ( L=1m نشان دهنده دو سری اندازه گیری در دو جهت عمود بـر هم می باشند، با توجه به نمودار ملاحظه می شود که توزیع درجـه حـرارت
در جهت شعاعی نسبتاً متقارن بوده و درجه حرارت درناحیـه مرکـزی لولـه نسبت به کناره ها ی آن بیشتر است. همچنین در هرمقطع لولـه دودکـش، تغییرات درجه حرارت در نزدیکی جداره بیشتر بوده در حالیکه توزیع نسبتا یکنواختی در ناحیه مرکزی مشاهده می شود. برای حالت هـای طـول لولـه دودکش برابر 2 و3 متر نیز اندازه گیری در دو جهت عمود بر هم انجام شده و نتایج مشابه با قسمت قبلی بدست آمده است. درجه حرارت هوای ورودی به بخاری نیز با قرار دادن مجموعه ترموکوپل هـا در روی لولـه ورودی هـوا اندازه گیری شد. درجـه حـرارت هـوا درون لولـه ورودی تـا حـدود زیـادی
یکنواخت بوده بطوریکه اختلاف نشان داده شده توسط ترموکوپـل هـا تنهـا در حدود 1°C بود و این دماها با اختلاف جزیی برابر با دمای هوای محـیط بود. متوسط دمای هوای ورودی در سه حالت مذکور 13.6 c بود.
شکل (2) توزیع درجه حرارت محصولات احتراق خروجی روی دو قطر عمود بر هم برای طول لوله دودکش یک متری
برای اندازه گیری سرعت جریان محصولات احتراق در همان موقعیت هـایی که در اندازه گیری دما ذکر شد، با اسـتفاده از لولـه پیتـوت اخـتلاف فشـار سکون و استاتیکی اندازه گرفتـه شـده و از روی آن مقـدار سـرعت جریـان محاسبه گردید این مقـادیر در شـکل (3) نشـان داده شـده اسـت . در ایـن نمودار مقادیر محاسبه شده از رابطه تجربی توزیع سرعت درجریـان آشـفته درون یک لوله (قانون توان (1/7 نیز نشان داده شـده اسـت . ملاحظـه مـی شود که پروفیل سرعت جریان محصـولات احتـراق مشـابه پروفیـل جریـان آشفته در ناحیه مرکـزی نسـبتاً همـوار بـوده و نسـبت بـه خـط مرکزی تقارن نسبی دارد.
شکل ( 3) پروفیل سرعت محصولات احتراق خروجی درجهت قطر، برای طول لوله دودکش یک متری
ICHVAC3-116
اندازه گیری سرعت جریان محصولات احتراق برای لوله هـای دودکـش 2 و 3 متری نیز صورت گرفت و نتـایج مشـابهی بـه دسـت آورده شـد . سـرعت جریان هوای لازم به داخل بخاری نیز با همـان دسـتگاه پیتوتیـوب تعیـین گردید. توزیع سرعت در مقطع ورودی لوله هوا تا حـدود زیـادی یکنواخـت بود و ماکزیمم اختلاف در چهار نقطه اندازه گیری شده تنهـا در حـدود 7٪ بــرای لولــه دودکــش 1متــری حاصل گردید در حالیکه بـرای لولـه هـــای دودکـــش 2 و 3 متـــری ماکزیمم اخـتلاف سـرعت در چهـار نقطه تست شده به حدود %11 افزایش یافت.
-2-2-1 بخاری تک جداره با تأمین هوا از بیرون ساختمان
د راین حالت با اضافه نمودن چند لوله دیگر به انتهای لوله تـا مـین هـوای ورودی و لوله خروج محصولات احتراق، هر دو مسیربـهبیـرون از محفظـه گرمایش متصل شدند. طول کلی لوله هـوای ورودی و خروجـی محصـولات احتراق به ترتیب برابر 5/5 متر و 4/8 متر بـود . درجـه حـرارت محصـولات احتراق درفاصله 1 متری از قسـمت افقـی لولـه دودکـش، یعنـی در همـان موقعیت قبلی در دو جهت عمود بر هم شعاعی اندازه گیری شده و نتـایج ی کاملا مشابه با نمودار (2) به دست آورده شد. در این حالـت درجـه حـرارت ناحیه مرکزی در حدود 10 °C کمتر از نتایج قبلی بود.
درجه حرارت هوای ورودی به بخاری نیز با قرار دادن مجموعه ترموکوپل ها در درون لوله ورودی هوا و در همان موقعیت قبلی اندازه گیری شد. اختلاف نشان داده شده توسط ترموکوپل ها تنها در حدود0/ 6 °C بود و این دماها با اختلاف حدود 3 °C با دمای محیط مقدار متوسطی برابر 16/5 °C داشت. سرعت جریان محصولات احتراق در همان موقعیت هایی
که در اندازه گیری دما ذکر شد، با استفاده از لوله پیتوت تعیین گردید. نمودار تغییرا ت سرعت مانند نمودار (3) بود با این تفاوت که مقدار سرعت در روی خط مرکزی اندکی بیشتر و برابر 3 m/s حاصل شده بود.
