بطور کلی طرز کار مشعل بدین شکل می‌باشد که با پاشش سوخت (گاز، گازوئیل، مازوت) از طریق ورودی و ایجاد جرقه حرارت مورد نیاز را به صورت شعله به داخل کوره هدایت می‌کند.
در مشعل و دیگ تعدادی کنترل‌کننده وجود دارد که میزان و زمان هر کدام از فرایندهای مشعل را کنترل می‌کنند. برای مثال ترموستات دیگ و کنترل دود که گاهی به جای آن از سلول فتوالکتریک استفاده می‌شود به‌طور خودکار باعث کار کردن و از کار افتادن مشعل می‌شود.
انواع مشعل
مشعل‌ها بر اساس معیارهای زیر تقسیم می‌شوند:
ـ نوع سوخت
ـ روش اشتعال
ـ ظرفیت کاری
ـ پروفیل شعله‌ی تولید شده
۱. مشعل گازسوز
این مشعل‌ها برای احتراق گاز طبیعی طراحی شده‌اند. دبی سوخت گازی لازم در این مشعل‌ها، توسط شیر برقی کنترل شده و هوای لازم برای احتراق آنها، توسط یک دمنده که بر روی محور موتور نصب شده‌است، تأمین می‌شود. دبی این هوا توسط دمپر هوایی که در ساختمان مشعل نصب شده‌است، کنترل می‌شود. به طور کلی این دستگاه‌ها از لحاظ نوع عملکرد به فن دار، بدون فن و دمنده‌ای تقسیم می‌شوند.
۲. مشعل گازوئیل سوز
در این نوع از مشعل‌ها با شروع کار موتور، فن هوادهی شروع به کار می‌کند. فن هوادهی در مشعلهای گازوئیلی از نوع سانتریفیوژ می‌باشد. در مشعلهای گازوئیلی، الکتروموتور علاوه بر به حرکت درآوردن فن هوادهی وظیفه چرخاندن پمپ گازوئیل را نیز بر عهده دارد. بنابراین با کارکرد این پمپ، گازوئیل و هوا با هم مخلوط شده و آماده احتراق می‌شوند.
مکانیزم عملکردی مشعل‌هایی که با سوخت مایع کار می‌کنند را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:
سوخت مایع می‌بایست به پودر تبدیل شود تا احتراق روی آن به خوبی انجام گیرد این سوخت پودر شده با هوا ترکیب می‌شود دمای ترکیب باید تا بالای دمای احتراق افزایش یابد. یک ورودی پیوسته از سوخت و هوا باید تأمین شود محصولات احتراق باید از محفظهٔ احتراق خارج شوند.
برای انتخاب صحیح نازل سوخت مشعل گازوئیل سوز باید سه عامل زیر مورد توجه قرار گیرند:
–مقدار دبی گازوئیل (عدد گالن تعیین شده روی هر نازل)
–زاویه پاشش گازوئیل (زاویه تعیین شده روی هر نازل)
–شکل پاشش گازوئیل (حروف B ، H ، S و … تعیین شده روی هر نازل)
اگر اتمیزه شدن ناقص صورت گیرد، سایز قطرات خیلی بزرگ خواهد بود و این ذرات به صورت ناقص محترق شده و به صورت نیم‌سوز از شعله خارج می‌شوند. این مسئله به صورت پرتاب شدن ذرات آتش در شعله دیده می‌شود و تنها باعث احتراق ناقص و پایین بودن راندمان شده و باعث تشکیل رسوب در محفظه‌ی احتراق نیز می‌شود.
۳. مشعل دوگانه سوز
این دستگاه قابلیت کارکرد با هر دو نوع سوخت گاز و گازوئیل را دارد.
۴-مشعل مازوت سوز
در این دستگاه، نازل فرآیند پودر کردن سوخت و پخش کردن آن را انجام می‌دهد. نازل‌ها باید سوخت پودر شده را به گونه‌ای خارج کنند که در هر زاویه‌ی خاصی از جریان خروجی تعداد قطرات سوخت یکنواخت باشد. نصب پیش گرمکن سوخت در مشعلهای مازوت سوخت نکته مهمی می‌باشد زیرا از منجمد شدن مازوت در فصل سرد جلوگیری می‌شود.
نکاتی که می‌بایست قبل از انتخاب مشعل مد نظر قرار داد
– سازندگان مشعل قدرت حرارتی هر مشعل را در جدول‌هایی ارائه می‌دهند. این اعداد شامل حداقل و حداکثر قدرت حرارتی یک مشعل است. از آنجاییکه قدرت حرارتی مشعل در فشار اتمسفر (سطح دریای آزاد) به حداکثر خود می‌رسد برای انتخاب مشعل مناسب می‌بایست به ازاء هر هزار متر ارتفاع از سطح دریا ۱۳٪ به قدرت مشعل انتخابی افزود؛ بنابراین در شهرهایی که از سطح دریا ارتفاع زیادی دارند به مشعلهای بزرگ‌تری نسبت به شهرهای پست احتیاج است.
–بطور کلی هنگام انتخاب مشعل، علاوه بر لزوم توجه به نوع سوخت مشعل، لازم است به دلایل مختلف ظرفیت مشعل حدود ۲۰% بیشتر از ظرفیت دیگ یا محفظه احتراق در نظر گرفته شود.
–هنگام انتخاب مشعل، به قطر لوله شعله پوش مشعل جهت امکان ورود لوله فوق در دیگ و امکان نصب مشعل در بدنه دیگ کاملا توجه فرمائید.
–از تقسیم حداکثر کیلو کالری قدرت گرمایش مشعل های گازوئیل سوز بر عدد ۸,۵۰۰ مقدار لیتر مصرف گازوئیل در ساعت بدست می‌آید.
–در مسیر سوخت گازوئیل تا مشعل، لازم است فیلتر گازوئیل و نازل یا نازل‌های گازوئیل براساس ظرفیت مشعل گازوئیلی نصب گردد.
– چنانچه فشار خط گاز تامین سوخت مشعل ۲ پوند باشد، استفاده از بالانسر (Balancer) جهت تنظیم و بالانس تغییرات اندک فشار گاز تغذیه مشعل گازی با سایز و دبی مورد نیاز گاز مشعل، در ابتدای خط گاز ضروری است.
– همچنین در صورتیکه فشار گاز تغذیه مشعل بالاتر از ۲ پوند (۱۵ یا ۳۰ تا حداکثر ۶۰ پوند) باشد نصب رگولاتور گاز با سایز فشار کار و دبی گاز مناسب نیز در ابتدای خط گاز مشعل ضروری است.
–ارزش حرارتی هر متر مکعب گاز طبیعی تقریبا معادل ۹۲۰۰ کیلوکالری می‌باشد.
–ارزش حرارتی هر لیتر گازوئیل تقریبا معادل ۸۵۰۰ کیلوکالری می‌باشد.
–ارزش حرارتی هر کیلوگرم گازوئیل تقریبا معادل ۱۰۵۰۰ کیلوکالری می‌باشد.
عملکرد کلی مشعل‌ها
در مشعلهای فن دار شروع عملکرد بر اساس فرمان ترموستات دیگ یا هیتر و طبق برنامه زمانبندی رله مشعل می‌باشد، به این ترتیب که ابتدا طبق فرمان رله فن هوادهی مشعل به مدت حدود ۳۰ تا ۶۰ ثانیه روشن شده و بعد ترانس جرقه زن مشعل شروع به ایجاد جرقه نموده و سپس شیر برقی سوخت مشعل (گاز ، گازوئیل یا مازوت) باز شده و سوخت از شیر برقی عبور کرده و وارد محفظه احتراق دیگ یا هیتر می‌شود. اکنون با وجود جرقه ترانس، شعله در جلوی شعله پخش کن مشعل تشکیل می‌گردد.
پس از تشکیل شعله، دیگر نیازی به جرقه یا قوس الکتریکی نیست و با فرمان فتوسل یا یون، عملکرد ترانس جرقه زن متوقف گردیده و مشعل به عمل احتراق خود تا زمان رسیدن فرمان خاموش شدن از طریق ترموستات ادامه می‌دهد.
تنظیم سوخت و هوای مشعل
احتراق کامل سوخت تنیجه تنظیم دقیق نسبت سوخت و هوا است. هرچه این نسبت، با دقت بیشتری تنظیم شود راندمان احتراق بالاتر رفته و در نتیجه به سوخت کمتری احتیاج است. در مشعلهای کوچک تنظیم هوای مورد نیاز احتراق مشعل توسط دمپر دستی انجام می‌شود ولی در مشعلهای بزرگ این تنظیم به کمک دمپر اتوماتیک هوای مورد نیاز احتراق تامین می‌شود. البته با توجه به آنکه دمای هوای دیگ موتور‌خانه و رطوبت آن در طول سال متغیر است، در مشعلهای بزرگ، باید در هر فصل دمپر هوا مورد تنظیم مجدد قرار گیرند. امروزه مشعلهای مدرن مجهز به یک سیستم کنترل هوشمند PLC هستند که به صورت اتوماتیک نسبت بین سوخت و هوا را در تمام طول شبانه روز و تمام فصول سال تنظیم می‌نمایند.
تعیین مقدار دبی گازوئیل (عدد گالن تعیین شده روی هر نازل)
بطور معمول اگر ارزش حرارتی هر لیتر گازوئیل معادل ۸۵۰۰ کیلو کالری در نظر گرفته شود و حجم هر گالن معادل ۳.۷۸۵ لیتر باشد، بنابراین ارزش حرارتی یک گالن گازوئیل معادل است با:Kcal 8500*3.785=32000 Kcal است.
مطابق مطلب فوق عدد نازل مورد نیاز برای مشعلهای گازوئیل سوز ۲۲۰۰۰۰kcalمعادل: ۲۲۰۰۰۰/۳۲۰۰۰:۶.۸Us Galمی‌باشد در حالی که این عدد معمولا برای مشعل فوق ۳.۵Us Gal اعلام می‌شود. همچنین مثلا برای مشعل ۶۰۰۰۰۰kcal(دو نازله) آیا مجموع عدد نازل‌ها باید ۶۰۰۰۰۰/۳۲۰۰۰:۱۸.۷۵G.P.H باشد؟ در حالی که هیچ شرکت تولید کننده مشعل چنین عددی را برای نازل مشعل فوق پیشنهاد نمی‌کند و عدد درست معمولا حدود ۱۰ گالن می‌باشد، چرا ؟
برای یافتن پاسخ سئوال فوق باید به دو نکته توجه شود:
الف) کاهش %۴ از راندمان احتراق به ازاء هر ۳۰۰ متر افزایش ارتفاع از سطح دریا
ب) فشار نرمال ۷ بار تئوریک و فشار ایجادی واقعی پمپ گازوئیل هر مشعل
در مورد ردیف الف متناسب با افزایش ارتفاع از سطح دریا بدلیل کاهش چگالی (غلظت) هوا و طبیعتا کاهش اکسیژن موجود در آن نسبت به شرایط هوا در سطح دریا ، راندمان احتراق کاهش یافته و نتیجتا باید سوخت کمتری برای مشعل تدارک دیده شود زیرا در غیر اینصورت بدلیل کمبود اکسیژن مورد نیاز، احتراق مشعل همراه با خام سوزی و یا دود زدن انجام خواهد پذیرفت . بر این اساس برای شهر تهران که حدود ۱۵۰۰ متر بالاتر از سطح دریا می باشد ، راندمان احتراق حدود %۲۰ کاهش می یابد و این به معنی لزوم کاهش %۲۰ از میزان سوخت مصرفی و نیز گرمای تولید شده می‌باشد.
در مورد ردیف ب ذکر این توضیح ضروری است که عدد گالن نوشته شده روی هر نازل بر مبنای فشار نرمال ۷ بار می باشد یعنی “اوریفیس” آن نازل در فشار گازوئیل ۷ بار به همان مقدار نوشته شده سوخت عبور می دهد ولی از آنجا که فشار ایجادی پمپ گازوئیل مشعل ها بیشتر از ۷ بار می باشد ( طبق نمودار پمپها) و در این فشار بیشتر ، طبعا اوریفیس نازل حجم گازوئیل بیشتری را از خود عبور می‌دهد.
مثلا در مورد مشعلهای ۲۲۰۰۰۰kcal مثال اول معمولا فشار ایجادی پمپ گازوئیل حدود ۱۲ تا ۱۴ بار می‌باشد که لازم است عدد نازل کوچکتری انتخاب گردد.
بر این اساس برای انتخاب عدد گالن نازل گازوئیل هر مشعل ابتدا:
–ظرفیت گرما دهی مشعل گازوئیل سوز را بر عدد ۳۲۰۰۰ تقسیم می‌کنیم.
–عدد بدست آمده فوق را با توجه به میزان ارتفاع محل نصب مشعل از سطح دریا تعدیل می‌کنیم.
مثلا در مورد مشعل ۲۲۰۰۰۰kcalمثال اول اگر فرض شود مشعل مذکور در نقطه‌ای از کشور نصب می‌شود که از سطح دریا ۱۲۰۰ متر بالا تر باشد ابتدا مقدار سوخت مصرفی را در شرایط سطح دریا محاسبه می‌کنیم:
۲۲۰۰۰۰/۳۲۰۰۰=۶.۸۸
سپس با در نظر گرفتن اینکه هر ۳۰۰ متر ارتفاع از سطح دریا ۴% از راندمان احتراق مشعل را کاهش می‌دهد:
۱۲۰۰/۳۰۰=۴*۴٪=۱۶٪
۶.۸۸-۱۶٪=۶.۵
اینک با استفاده از نمودار زیر و در فشار ایجادی پمپ گازوئیل ۱۴ بار عدد صحیح نازل مورد نیاز مشعل ۲۲۰۰۰۰Kcal در ساعت برای نصب در شرایط ۱۲۰۰ متر بالاتر از سطح دریا معادل خواهد بود با عدد نازل ۳.۵ یا نازل ۴.
