کوره - furnace

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
کوره (furnace) وسیله‌ای است که از آن برای گرمایش استفاده می‌شود. کوره‌ها با هدف‌های مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در کاربردهای خانگی، کوره‌ها می‌توانند برای تامین نیازهای گرمایشی ساختمان مورد استفاده قرار گیرند. کوره‌های صنعتی دارای کاربردهای مختلفی همانند کیلن‌های (kiln) تولید سرامیک، استخراج فلزات از سنگ کانی و یا در پالایشگاه‌های نفت (oil refineries) و دیگر پلانت‌های شیمیایی همانند منبع حرارتی یک برج تقطیر جزء به جزء (fractional distillation columns) به کار می‌روند.


کوره همچنین می‌تواند به شکل یک هیتر شعله مستقیم باشد که در بویلرهای صنایع شیمیایی و یا برای تامین حرارت واکنش‌های شیمیایی برای فرآیندهایی کرکینگ به کار می‌رود.


انرژی حرارتی مورد نیاز یک کوره می‌تواند به طور مستقیم توسط احتراق سوخت، برق در کوره‌هایی مانند کوره قوس الکتریکی و یا از طریق گرمایش القایی (induction heating) در کوره‌های القایی (induction furnaces) تامین شود.

furnace_definition.jpg
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
کوره‌های خانگی
کوره خانگی یکی از تجهیزات اصلی تاسیساتی است که به طور دایمی در خانه نصب می‌شود و به وسیله حرکت یک سیال واسطه که می‌تواند هوا، بخار و یا آب گرم باشد، فضای داخلی را گرم می‌کند. رایج‌ترین منبع سوخت برای کوره‌های مدرن گاز طبیعی است. دیگر منابع معمول سوخت شامل LPG (گاز مایع)، نفت سفید، زغال سنگ و یا چوب می‌شوند. در برخی از موارد مقاومت الکتریکی به عنوان منبع حرارتی استفاده می‌شود.

کوره‌های احتراقی همیشه نیاز به داشتن دودکش به فضای باز دارند. به طور سنتی این کار به وسیله یک دودکش آجری یا مصالحی انجام می‌شود که حرارت را همراه با گازهای خروجی خارج می‌کند. کوره‌های جدیدتر (از حدود سال 1960 به بعد) برای حمل گازهای خروجی به پشت بام از دودکش‌های تیوبی فلزی استفاده می‌کنند. به این تیوب‌های فلزی، تیوب‌های دودکش دو جداره گفته می‌شد که در آن یک تیوب درونی توسط یک تیوب خارجی با یک فاصله هوایی غلاف می‌شود. هدف تیوب دو جداره، نگه داشتن حرارت در دودکش و حفاظت از سازه اطراف بود.

کوره‌های مدرن با راندمان بالا می‌توانند دارای راندمان 98 درصدی باشند و بدون دودکش کار کنند. مقدار کمی از گاز تلف شده و حرارت به صورت مکانیکی از تیوب‌های کوچکی همانند تیوب‌های آب PVC از کنار و یا سقف خانه تهویه می‌شود.

کوره‌های مسکونی را می‌توان بر اساس کارایی و طراحی به چهار دسته کلی تقسیم کرد.

دسته اول شامل تغذیه گرانشی و کوره با مشعل اتمسفری (atmospheric burner) می‌باشد. این کوره‌ها دارای مبدل حرارتی (heat exchanger) آهنی یا فولادی درون یک پوسته بیرونی آجری، مصالحی یا فولادی هستند. مبدل‌های حرارتی به وسیله دودکش های آجری یا بنایی ونت می‌شوند. گردش هوا به تیوب‌های بزرگ رو به بالای چوبی یا فلزی بستگی دارد. تیوب‌ها هوای گرم را به ونت‌های داخل کف یا دیوار هدایت می‌کنند. این روش گرمایش به این دلیل کار می‌کند که هوای گرم بالا می‌رود. این سیستم ساده بود، نیاز به کنترل کم و یک شیر کنترل اتوماتیک گاز دارد و نیاز به دمنده (blower) ندارد. با تنظیم مساحت مشعل می‌توان به سادگی این کوره را برای کار با هر نوع سوختی تطبیق داد. این کوره‌ها با چوب، کک، زغال سنگ، زباله، کاغذ، گاز طبیعی و نفت سوخت کار می‌کنند. کوره‌هایی که از سوخت جامد استفاده می‌کنند، نیاز به نگهداری روزانه دارند تا خاکستر و پس‌ماندهایی که در پایین مشعل انباشته می‌شوند را خارج کنند. در سال‌های بعد، این کوره‌ها به دمنده‌های برقی مجهز شدند تا به توزیع هوا و سرعت حرکت حرارت به داخل خانه کمک کنند. سیستم‌های گرانشی نفت یا گاز سوز معمولا توسط یک ترموستات در داخل خانه کنترل می‌شدند، در حالی که بیش‌تر کوره‌های چوب و زغال‌سنگ سوز به وسیله مقدار سوخت مشعل و موقعیت دمپر هوای تازه بر روی درب دسترسی مشعل کنترل می‌شدند.


دسته دوم از کوره‌های مسکونی شامل مشعل جریان اجباری اتمسفری با یک مبدل حرارتی چدنی یا فولادی بخش بخش است. این کوره سبک برای جایگزینی کوره‌های عظیم گرانشی مورد استفاده قرار گرفت و در برخی موارد بر روی کانال کشی گرانشی موجود نصب شد. دمنده‌ها برای رانش تسمه‌ای با بازه گسترده سرعت طراحی شده بودند. کوره‌های در مقایسه با کوره‌های مدرن بزرگ و سنگین بودند و دارای بدنه بیرونی با ورق سنگین فولادی با اتصال پیچی قابل جدا شدن بودند. راندمان از حدود 50 درصد تا بالای 65 متغیر بود. این کوره سبک هنوز هم از دودکش‌های بزرگ بنایی یا آجری استفاده می‌کردند.

دسته سوم از کوره‌ها، کوره‌های جریان اجباری با راندمان متوسط با مبدل حرارتی استیل و دمنده چند سرعته است. این کوره‌ها بسیار کوچک‌تر از مدل‌های قبلی هستند و مجهز به دمنده‌های هوای احتراق شدند که هوا را از میان مبدل حرارتی عبور می‌دهند که این کار راندمان را تا حد زیادی افزایش می‌دهند و باعث کوچک شدن اندازه مبدل‌های حرارتی می‌شوند. این کوره‌ها دارای دمنده چند سرعته هستند و برای کار با سیستم‌های تهویه مطبوع مرکزی (central air-conditioning systems) طراحی شده بودند.

دسته چهارم از کوره‌ها، کوره‌های راندمان بالا یا کوره‌های چگالشی هستند. کوره‌های راندمان بالا می‌توانند دارای راندمان 89 تا 95 درصد باشند. این نوع کوره شامل یک منطقه احتراق درز بندی شده، فن مکش اجباری احتراق و یک مبدل حرارتی ثانویه می‌شوند. کوره‌های چگالشی حرارت بیش‌تری را از فرآیند احتراق می‌گیرند و در واقع این کار را با چگالش بخار آب و دیگر مواد شیمیایی (که تشکیل یک اسید ملایم می‌دهند) انجام می‌دهند. حرارت دودکش آن قدر کم است که برای دودکش به طور معمول به جای تیوب‌های فلزی، تیوب‌های PVC اسکجول 40 به کار می‌رود. از آن‌جا که از دمنده احتراق استفاده می‌شود، تیوب‌کشی اگزوز PVC را می‌توان به صورت عمودی یا افقی به خارج از ساختمان هدایت کرد.
Condensing-Furnace-Diagram.jpg
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
کوره‌های متالورژی

در متالورژی، کوره‌های مخصوص مختلفی به کار می‌روند.

کوره‌های مورد استفاده در کارخانه های ذوب

- کوره دمشی (blast furnace) برای احیای سنگ آهن به آهن خام
- کوره‌های فولادسازی

  • کوره پودینگ (puddling furnace)
  • کوره بازتابی (reverberatory furnace)
  • مبدل بسمر (bessemer converter)
  • کوره باز (open hearth furnace)
  • کوره اکسیژن سوز (basic oxygen furnace)
  • کوره قوس الکتریکی (electric arc furnace)
  • کوره القایی الکتریکی (electric induction furnace)
  • کوره باز گرمایش (reheating furnace)

کوره‌های مورد استفاده برای باز ذوب فلز در ریخته‌گری

کوره‌های مورد استفاده برای بازگرم و عملیات حرارتی فلز
کوره‌های خلاء (vacuum furnaces)
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
کوره‌های فرآیندی صنعتی
یک کوره صنعتی (industrial furnace) یا هیتر شعله مستقیم (direct fired heater) دستگاهی است که برای تامین حرارت برای یک فرآیند به کار می‌رود و یا می‌تواند به عنوانرآکتور عمل کند که حرارت را برای یک واکنش تامین می‌کند. طراحی کوره‌ها بر حسب عمل‌کرد، وظیفه گرمایشی، نوع سوخت و روش تامین هوای احتراق متفاوت است. با این حال بیش‌تر کوره‌های فرآیندی دارای ویژگی‌های مشترکی هستند.

Industrial-Furnace-Diagram.jpg

سوخت به مشعل (burner) جریان می‌یابد و با هوای تامین شده از یک دمنده (blower) هوا می‌سوزد. این امکان وجود دارد که بیش از یک مشعل در یک کوره خاص وجود داشته باشد که می‌توانند در کنار یکدیگر به یک مجموعه تیوب حرارت بدهند. بر حسب طراحی، مشعل‌ها می‌توانند بر روی کف یا دیواره نصب شوند. در بخش اول از کوره که بخش تابشی (radiant section) یا جعبه آتش یا فایر باکس (fire box) نام دارد، شعله‌ها تیوب‌ها را گرم می‌کنند که باعث گرمایش مایع درونی می‌شود. در این محفظه که در آن احتراق صورت می‌گیرد، بیش‌تر حرارت به وسیله تابش به تیوب‌های اطراف آتش منتقل می‌شود. سیال گرم شونده از تیوب‌ها عبور می‌کند و به دمای مورد نظر گرم می‌شود. گازهای ناشی از احتراق به عنوان دود (flue gas) شناخته می‌شوند. پس از آن که گاز دودکش فایر باکس را ترک می‌کند، بسیاری از طرح‌های کوره شامل یک بخش همرفت (convection) هستند که در آن بیش‌تر حرارت قبل از تخلیه از راه دودکش به اتمسفر بازیافت می‌شود.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
بخش تابشی
بخش تابشی (radiant section) جایی است که در آن تیوب‌ها تقریبا تمام حرارت خود را از شعله توسط تابش دریافت می‌کند. در یک کوره عمودی استوانه‌ای، تیوب‌ها عمودی هستند. تیوب‌ها می‌تواند عمودی یا افقی باشند و در امتداد دیوار بازتابی در وسط قرار گیرند و یا این که در ستون‌هایی آرایش داده شوند. تیوب‌های چدنی نشان داده شده در زیر در اثر خوردگی به رنگ قهوه‌ای مایل به قرمز در آمده‌اند و در ارتفاع بخش تابشی حرکت می‌کنند. تیوب‌ها در فاصله‌ای دور از عایق قرار دارند و بنابراین تابش می‌تواند به پشت تیوب‌ها بازتاب کند تا دمای دیواره تیوب یکنواخت بماند.


Middle-Radiant-Section.jpg
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
بخش همرفت
بخش همرفت (convection section) در بالای بخش تابشی قرار دارد که برای بازیافت حرارت بیش‌تر، خنک‌تر می‌باشد. انتقال حرارت در این بخش با انتقال جابه‌جایی حرارتی صورت می‌گیرد و برای افزایش انتقال حرارت، تیوب‌ها فین‌دار شده‌اند. دو ردیف اول تیوب در پایین بخش همرفت و در بالای بخش تابشی، منطقه‌ای است که تیوب‌های بدون فین (fin) قرار گرفته اند و به عنوان بخش سپر (shield section) شناخته می‌شوند. نام‌گذاری آن‌ها به این دلیل است که این تیوب‌ها هنوز در معرض تابش زیادی از فایر باکس قرار دارند و به عنوان سپری برای تیوب‌های بخش همرفت عمل می‌کنند که معمولا از مواد با مقاومت دمایی پایین‌تری نسبت به دمای جعبه آتش ساخته می‌شوند. این منطقه از بخش تابشی که درست قبل از ورودی دود به بخش همرفت، منطقه پل (bridgezone) خوانده می‌شود.

Convection-Section.jpg
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
مشعل
مشعل در کوره‌های استوانه‌ای عمودی، در کف قرار گرفته و رو به بالا می‌سوزد. برخی از کوره‌ها دارای مشعل‌های جانبی هستند. کاشی‌کاری مشعل (furmane tile) از مواد نسوز دما بالا ساخته شده و جایی است که در آن شعله موجود است. دریچه‌های توری هوا در زیر مشعل و در خروجی دمنده هوا قرار دارند که با کمک زبانه‌ها و یا پره‌های متحرک شکل و طرح شعله را کنترل می‌کنند که آیا پخش شود و یا به صورت چرخشی باشد. شعله‌ها نباید بیش از حد پخش شوند زیرا باعث برخورد شعله (flame impingement) می‌شود. دریچه‌های هوا بر حسب زمانی که هوا را عرضه می‌کنند، می‌توانند به صورت اولیه، ثانویه و در صورت امکان سومی طبقه بندی شوند. دریچه‌های تامین هوای اولیه، اولین هوایی که به مشعل وارد می‌شود را تامین می‌کنند. هوای ثانویه به عنوان مکمل هوای اولیه وارد می‌شود. مشعل‌ها می‌توانند دارای یک پیش مخلوط‌کن داشته باشند تا هوا و سوخت را برای احتراق بهتر، قبل از ورود به مشعل مخلوط کند. برخی از مشعل‌ها حتی برای پیش گرم کردن هوا و اختلاط بهتر سوخت و هوای گرم از بخار استفاده می‌کنند.

Burner.jpg
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
سوت بلوئر
دمنده‌های دوده یا سوت بلوئرها (sootblowers) در بخش همرفت بویلر قرار می‌گیرد. از آن‌ جا که این بخش بالای بخش تابشی قرار دارد و حرکت هوا در آن به دلیل وجود فین‌ها (fins) کندتر است، دوده تمایل به جمع شدن در آن دارد. دمش دوده به طور معمول زمانی انجام می‌شود که راندمان بخش همرفت کاهش یابد. این کار را می‌توان با نگاه کردن به تغییر دمای تیوب‌های متقاطع در خروجی بخش همرفت محاسبه نمود.


Soot-Blower.jpg


سوت بلوئرها از سیالاتی مانند آب، هوا یا بخار برای خارج کردن رسوبات از روی تیوب‌ها استفاده می‌کنند. این کار معمولا در زمان تعمیرات و با روشن کردن دمنده هوا انجام می‌شود. انواع مختلفی از sootblower وجود دارد. دمنده‌های دیواری چرخشی بر روی دیواره‌های بخش همرفتی نصب شده و بین تیوب‌ها اغتشاش ایجاد می‌کنند.

Old-Industrial-Furnace.JPG
 
بالا