سوختهای گازی
سوخت و احتراق
سوختهای گازی
سوختهای گازی که معمولا برای تامین انرژی حرارتی مورد استفاده قرار میگیرند، از هیدروکربنهای اشباع شده مانند متان (CH₄)، اتان (C2H6)، پروپان (C₃H8 و غیره تشکیل شدهاند. در ایران از گاز طبیعی و گاز مایع جهت تولید انرژی استفاده میشود.
سوختهای گازی در حالت عادی به صورت گاز هستند. از مزایای این سوختها میتوان به ارزان بودن آنها در ایران نسبت به دیگر سوختها، سهولت شعله ور شدن، کنترل و بهینهسازی آسان احتراق و آلودگی کمتر اشاره کرد. مهمترین مسئله در استفاده از پکیج دیواری میباشد و انتخاب تعمیرکار پکیج منصف
ایمنی کمتر، نبود امکان ذخیرهسازی در مقادیر بزرگ و حمل و نقل دشوار از معایب سوختهای گازی بهشمار میرود.
گاز طبیعی
گاز طبیعی مادهای بیرنگ و بیبو است که به صورت محلول در نفت خام و روی بستر آن، همچنین در معادن زغالسنگ و نیز معادن مستقل گازی وجود دارد.
بخش عمده گاز طبیعی را متان و مقدار کمی را اتان تشکیل میدهد. ارزش حرارتی گاز طبیعی mJ/m340چگالی آن حدود 0.6 چگالی هواست.
گاز هم مانند نفت خام دارای ناخالصیهایی است که باید در پالایشگاه گاز تصفیه شود. عمده ناخالصیهای گاز طبیعی، بخار آب و سولفید هیدروژن است.
گاز طبیعی به دو شکل به محل مصرف انتقال پیدا میکند:
1.گاز طبیعی فشرده Compressed Natural Gas (CNG)
2.گاز طبیعی مایع شده (Liquefied Natural Gas (LNG
استفاده از نوع گاز طبیعی LNG بسیار هزینهبر است. زیرا دمای تقطیر آن در فشار عادی حدود 160 -C°است با افزایش فشار دمای تقطیر حداکثر تا حدود -60 °C افزایش مییابد که همچنان پرهزینه خواهد بود. بنابراین معمولا برای انتقال و استفاده از گاز از روش گاز طبیعی فشرده بهره میبرند.
گاز نفت
این گاز عمدتا از پروپان و بوتان تشکیل شده است. گاز نفت با اندکی افزایش فشار در دمای عادی به مایع تبدیل میشود که محصول (LPG) Liquefied Petroleum Gasاز آن به دست میآید.
ارزش حرارتی گاز نفت mJ/m343 بوده و مزیت آن نسبت به گاز طبیعی سهولت ذخیره و حمل و نقل آن است. اما آلایندگی هوا در حین احتراق به دلیل کربن بیشتر و خطر نشت آن به علت سنگینتر از هوا بودن و نشت آن در سطح زمین را میتوان از معایب گاز نفت برشمرد.
سوختهای گازی مصنوعی
این نوع سوختها طی فعل و انفعالاتی روی سوختهای طبیعی بهدست میآیند. گاز مولد(Producer Gas) گاز آب (Water/Blue Gas)، گاز کوره بلند، گاز کوره ککسازی، گاز فاضلاب و بیوگاز را میتوان در ردیف گازهای مصنوعی احصا کرد.
احتراق
طی فرایند احتراق، از ترکیب سوخت با یک اکسیدکننده، محصولات احتراق تولید شده و انرژی زیادی به صورت حرارت آزاد میشوند.
حرارت + محصولات احتراق → اکسیدکننده +سوخت
اکسیدکننده
مهمترین اکسیدکننده در احتراق، اکسیژن است اما در شرایط عادی اکسیژن خالص وجود ندارد و از هوا به عنوان اکسیدکننده استفاده میشود.
ترکیب شیمیایی هوای خشک به شکل زیر است:
نیتروژن
اکسیژن
آرگون
سایر گازها
78/1 درصد
20/9 درصد
0/9 درصد
0/1 درصد
به طور معمول هوا را متشکل از 79 درصد نیتروژن و 21 درصد اکسیژن است.
به ازای هر مول اکسیژن موجود در هوا که در احتراق شرکت میکنند=3.76 0.790.79/0.210.21 مول نیتروژن نیز وارد میشود. پس برای هوا میتوان از نماد(O2+3.76N2) استفاده کرد.
برای مثال واکنش گاز متان با اکسیژن هوا به صورت زیر است:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
CH4 + 2(O2 + 3.76 N2) → CO2 + 2H2O + 7.52 N2
تحلیل استوکیومتری احتراق
محاسبات استوکومتریک واکنشهای شیمیایی در احتراق، در برگیرنده مقدار نسبت یا درصد مواد شرکتکننده در آنها به عنوان واکنشگر یا محصول است.
احتراق کامل
در احتراق کامل، کربن و هیدروژن موجود در سوخت به طور کامل به CO2 و H2O تبدیل و در نتیجه حداکثر حرارت ممکن تولید میشود. احتراق کامل صرفا یک حالت ایدهآل است و در عمل احتراق به صورت ناقص رخ میدهد.
احتراق ناقص
در احتراق ناقص معمولا تمام سوخت موجود نمیسوزد و در صورت اتمام سوخت نیز به جای رسیدن به محصولات نهایی H2O و CO2، ترکیبات واسطه دیگری نظیر OH تولید میشود.
دلایل عدم احتراق کامل عبارتند از:
1. کافی نبودن اکسید کننده
2.عدم اختلاط کامل سوخت و هوا
3.تجزیه محصولات احتراق در دماهای خیلی بالا
شرایط احتراق
برای نزدیک شدن به احتراق کامل که یک حالت ایدهآل است سه مولفه باید به طور همزمان وجود داشته باشد:
1. وجود سوخت و اکسید کننده به نسبت مناسب (نسبت هوا به سوخت)
2. اختلاط سوخت و اکسید کننده
3. رسیدن مخلوط فوق به دمای اشتعال
نسبت هوا به سوخت
نسبت جرم هوای موجود به جرم سوخت را نسبت هوا به سوخت مینامند و با AF نمایش میدهند:
Ma/Mf=AF
عکس نسبت قبلی را نسبت سوخت به هوا میگویند و با نماد FA نمایش داده میشود:
Mf/Ma=FA
نسبت هوا به سوخت نقش مهمی در کیفیت احتراق دارد چنانچه این نسبت خیلی بزرگ یا خیلی کوچک باشد احتراق رخ نخواهد داد. حالت بهینهای از نسبت فوق به احتراق با کیفیت بالا کمک میکند.
در نتیجه مقدار هوای تئوری یا استوکیومتری، عبارت است از حداقل هوای لازم برای ایجاد احتراق کامل.
اختلاط سوخت و اکسید کننده (هوا)
اختلاط سوخت و هوا در کیفیت احتراق از اهمیت زیادی برخوردار است. عوامل ایجاد کننده اختلاط بیشتر سوخت و هوا (اغتشاش بیشتر یا تلاطم)، شامل استفاده از همزن، پخشکننده، نازل، انژکتور هستند. در برنرهایی با سوخت گازی برای اختلاط بهتر سوخت با هوا از نازل (ژیگلور) استفاده میشود.
برای ایجاد اختلاط بهتر در دستگاههایی با سوخت مایع (مانند خودرو) سوخت را به واسطه انژکتور، تمیز میکنند و یا به صورت گاز در میآورند.
در سوختهای جامد نیز، برای اختلاط مناسب باید ابتدا سوخت به صورت پودر در بیاید و بعد در میان هوا پاشیده شود.
دمای اشتعال
حداقل دما برای اشتعال خود به خود مخلوط سوخت و هوا را دمای اشتعال مینامند.لازم به ذکر است که دمای اشتعال با دمای تبخیر است.
مقایسه دمای اشتعال نفت و بنزین نشان میدهد که دمای اشتعال بنزین از نفت بیشتر است. این در حالی است که اشتعال بنزین بسیار سریعتر از نفت صورت میپذیرد. علت اشتعال سریعتر بنزین دمای تقطیر یا تبخیر پایینتر آن نسبت به نفت است پس چون بنزین زودتر بخار میشود، در نتیجه در مجاورت شعله زودتر مشتعل میشود.
سوخت
بنزین معمولی
بنزین سوپر
نفت سفید
دمای اشتعال(درجه سانتی گراد)
299
404
255
نقطه شبنم محصولات احتراق
نقطه شبنم عبارت است از دمایی که در آن بخار آب موجود در محصولات احتراق شروع به میعان میکند.اگر در مسیر خروج گازها دما به حدی پایین بیاید که به نقطه شبنم برسد موجب تشکیل قطرات آب در این مجاری میگردد که با توجه به اسیدی بودن این قطرات احتمال خوردگی در مجاری دستگاه وجود دارد. به عبارت دیگر میتوان که نقطه شبنم دمایی است که در آن فشار اشباع آب با فشار جزئی بخار آب موجود در مخلوط گازهای خروجی برابر میشود. فشار جزئی بخار آب برابر است با نسبت مولی آب در محصولات احتراق ضرب در فشار این گاز ها.
O=(nH2 O)/(n total)*P (PH2 )
با داشتن این فشار، کافی است به جدول بخار آب اشباع مراجعه کرده و دمای اشباع را به دست آوریم. این دما همان نقطه شبنم است.
شعله مشعل میبایست به اندازه کافی تنظیم شود به طوری که تا 3/4 دیگ را پوشش دهد. ضمنا باید دقت کنید تعمیرات مشعل اخگر حتما میبایست توسط افراد با تجربه و متخصص صورت بگیرد در غیر این صورت شاهده مصرف بالای سوخت خواهید بود. نمایندگی مشعل اخگر در تهران با توجه به تخصصی که دارند مشعل را طوری تنظیم میکنند که مقدار شعله گاز زیاد وارد دیگ نشود و سوخت اضافی باعث احتراق کاذب نشده و مصرف گاز زیاد نباشه، این کاریهِ که فقط از سوی نمایندگی مجاز امکان پذیر است و افراد غیر متخصص توانایی انجام آن را ندارند. مشعل گازی اخگر به دلیل نداشتن فن دمنده نیازمند تنظیمات خاصی است که فقط توسط تعمیرکار مجاز مشعل اخگر صورت میگیرد. مشعل های شرکت اخگر در صورتی که به صورت صحیح تنظیم شوند دارای راندمان بسیار بالای میباشد با مصرف سوخت بهینه. پس در صورتی که از مشعل های اتمسفریک اخگر استفاده میکنید جهت تعمیر مشعل اخگر فقط با نمایندگی اخگر تماس بگیرید .
محدودهای از منطقه احتراق که توام با نور است شعله نام دارد. نور شعله در اثر آزاد شدن مقدار زیادی انرژی حاصل میشود.
انواع شعلهها
شعله پیشمخلوط: در آن ابتدا سوخت و هوا کاملا با هم مخلوط و بعد محترق میشوند، مانند احتراق در موتورهای بنزینی و پکیجهای چگالشی.
شعله غیر پیشمخلوط یا نفوذی: در این نوع شعله، جریان هوا و سوخت به طرز مجزا به محفظه احتراق وارد شده و احتراق در محل برخورد دو جریان رخ میدهد.
این شعله را از این لحاظ نفوذی یا پخشی مینامند که در آن دو جریان با نفوذ و پخش در یکدیگر شرایط احتراق را فراهم می آورند.
محفظه احتراق توربینهای گازی موتورهای دیزلی و پکیجهای معمول از نمونههای شعلههای نفوذی هستند.
یکی از مهمترین موارد در بحث سوخت و احتراق، نزدیک شدن به حالت ایدهآل (احتراق کامل) است زیرا عدم توجه به هریک از عوامل تعیینکننده در احتراق کامل، باعث ایجاد خسارتهای جبرانناپذیری خواهد شد.
ارزش حرارتی
ارزش حرارتی یک گاز، مقدار حرارتی است که در اثر سوختن یک مترمکعب گاز ایجاد میشود. ارزش حرارتی بر دو نوع است که در ادامه توضیح داده شده است.
ارزش حرارتی بالا (ارزش حرارتی ناخالص)
ارزش حرارتی ناخالص، مقدار گرمایی است که در اثر سوختن کامل یک مترمکعب گاز ایجاد میشود، زمانی که مواد حاصل از عمل احتراق را تا درجه حرارت اولیه سرد کنیم و بخار آب موجود در گازهای خروجی به طور کامل تقطیر شود.
ارزش حرارتی پایین (ارزش حرارتی خالص)
ارزش حرارتی خالص مقدار گرمایی است که در اثر سوختن کامل یک مترمکعب گاز آزاد میشود و این در حالی است که بخار آب ایجاد شده از عمل احتراق به همان صورت بخار باقی بماند. ظرفیت حرارتی هر دستگاه گازسوز را می توان با اندازه گیری میزان گاز ورودی بر حسب مترمکعب در ساعت به دست آورد و در ارزش حرارتی گاز مصرفی ضرب نمود تا ظرفیت حرارتی ورودی دستگاه به دست آید.
با
فصل چهارم
هوای مورد نیاز
برای احتراق
هوای تازه برای احتراق
با توجه به آنچه در قبل گفته شد برای نزدیک شدن به شرایط احتراق کامل که حالت ایدهآل است، اختلاط سوخت با هوا باید با نسبت مناسب صورت پذیرد. با توجه به درجه اهمیت بالای این موضوع در این فصل به صورت جداگانه و خاص به مبحث هوای تازه میپردازیم.
در این خصوص برای ادای حق مطلب، تعاریف و توضیحاتی عینا از مقررات ملی ساختمان مبحث 17 آورده شده است (حتی شمارههای کناری هر بخش همان شمارههای آن مبحث است(.
لازم به ذکر است که برای بیان مطالبی که از آن مبحث نمیباشد از****(مطلب مربوطه - استفاده شده است.)
6.14.1.17دستگاه گازسوز پر مصرف
دستگاهی که مقدار گاز مصرفی آن از 1.5 مترمکعب در ساعت بیشتر باشد.
****(پس تمامی پکیجهای گرمایشی در این دسته قرار میگیرند.)
10.14.1.17ساختمانهای عمومی
ساختمانهایی که مورد استفاده و مراجعه عموم مردم باشد.
1.2.17کلیات
ساختمانهای مشمول این مقررات به سه گروه اصلی تقسیم میشوند:
ساختمانهای مسکونی
ساختمانهای عمومی
ساختمانهای خاص
1.2.2.17مجتمعهای مسکونی
مجتمعهای مسکونی آپارتمانی که در آنها ده واحد مسکونی یا بیشتر وجود داشته باشد، از نظر رعایت مقررات لولهکشی گاز در گروه ساختمانهای عمومی قرار میگیرند.
2.3.17ممنوعیت نصب وسایل گازسوز گرمایشی
نصب وسایل گازسوز گرمایشی (انواع بخاری، آبگرمکن و پکیج)در فضاهای داخلی ساختمانهای عمومی و خاص ممنوع است. مگر آن که هوای مورد نیاز احتراق آنها از فضاهای خارج از ساختمان تامین شود.
3.5.7.17انواع فضا
انواع فضا در این بخش، با توجه به امکان و نحوه تامین هوای لازم و کافی برای دستگاههای گازسوز که در آنها نصب میگردند، تعیین میشود.
الف) فضا با درزبندی معمولی: فضایی که جدارههای خارجی آن از قبیل درز درها و پنجرهها بدون نوار درزبندی، ساخته شده باشد.
ب) فضا با درزهای هوابند: فضایی که جدارههای خارجی آن از قبیل درز درها و پنجرهها محل عبور لولهها و کابلها و غیره با نوارهای درزبندی یا وسایل دیگر حفاظت شده باشد.
7.5.7.17تامین هوا از داخل
الف)فضای با درزبندی معمولی
1.در ساختمانهای با درزبندی معمولی که حجم فضای نصب دستگاههای گازسوز، بیش از یک مترمکعب برای هر 177 کیلوکالری در ساعت باشد، تعویض هوای طبیعی با نفوذ هوا به داخل فضا، برای تامین هوای احتراق مورد نیاز دستگاههای آن، کافی است.
2.اگر حجم فضای نصب دستگاه کمتر از 1 مترمکعب برای هر 177 کیلوکالری در ساعت باشد و هوای احتراق از فضای مجاور آن تامین شود، در این صورت مجموع حجم فضای محل نصب دستگاه و فضای مجاور باید دستکم یک مترمکعب برای هر 177 کیلوکالری در ساعت باشد.
• برای جریان هوا بین محل نصب دستگاهها و فضای مجاور دستکم دو دهانه باز بدون مانع باید پیشبینی شود که یکی به فاصله 30 سانتی متر از کف و دیگری به فاصله 30 سانتی متر از سقف، روی در یا جدار بین این دو فضا نصب شوند.
• سطح آزاد هر یک از این دهانهها باید دست کم برابر یک سانتیمتر مربع برای هر 38 کیلوکالری در ساعت باشد. سطح آزاد هر یک از این دهانهها، به هرحال، نباید از 645 سانتیمترمربع کمتر باشد.
***(با توجه به اینکه 1kW=860kcal/hr، به عنوان مثال کارکرد یک دستگاه kW 24در یک ساختمان را در نظر بگیرید. ظرفیت این دستگاه برابر است با:
P=24kW=20640kcal/hr
با توجه به متن مبحث 17 مقررات ملی ساختمان که در بالا آمده است، حجم فضای کافی برای این که تعویض هوای طبیعی مناسب باشد برابر است با:
V=20640/177=116.61(m3)
اگر ارتفاع سقف، 2.7 متر باشد، مساحت زیر بنای لازم برابر خواهد بود:
(m2 )43.19 =116.61/2.7=A
با این حساب برای ساختمان مذکور اگر مساحت آشپزخانه برابر 44 مترمربع باشد یا مثلا آشپزخانه از نوع باز (Open) باشد به گونهای که مساحت آشپزخانه و فضای مجاورش به 44 مترمربع برسد، استفاده از پکیج 24 کیلووات کاملا بلامانع است.
3.محدودیت نصب وسایل گازسوز پرمصرف مانند آبگرمکن فوری و پکیج در واحدهای مسکونی یا غیر مسکونی که مساحت آنها کمتر از 60 مترمربع باشد ممنوع است، مگر آن که هوای مورد نیاز جهت احتراق گاز مصرف آنها از طریق دریچه دایمی که مستقیما به هوای آزاد راه دارد تامین گردد.در این صورت برای استفاده از هوای خارج از ساختمان، مساحت دریچه از جدول 2.7.17 به دست میآید.
نکته مهم
محل قرار گرفتن منفذ باید حداقل یک متر در هر یک از ترازهای افقی و عمودی از انتهای دودکش فاصله داشته باشد.
*** ملاحظه میشود که در این قانون پیشبینی در مورد پکیجهای ارائه شده توسط شرکت ایساتیس با ظرفیت کمتر از kW 35نشده است. به عبارت دیگر برای پکیجها به نظر میرسد سطح دریچه تامین هوا از مقادیر موجود در جدول نیز کوچکتر باشد و شاید به سادگی با تعبیه یک دریچه بسیار کوچک به توان مشکل قانونی این مورد را حل نمود.
جدول ۲.۷.۱۷ ابعاد دریچه دایمی که مستقیما به هوای آزاد راه دارد.
ردیف
حداکثر ظرفیت دستگاه (کیلوکالری در ساعت)
حداکثر ظرفیت دستگاه (kW)*
مساحت دریچه (سانتیمترمربع
ابعاد دریچه(سانتیمتر× سانتیمتر)
1
30000
34/9
150
10 × 15
20× 7/5
30 × 5
2
50000
58/1
210
15×14
20 × 10.5
30 × 7
3
70000
81/4
250
16×15
20× 12.5
20 × 8.5
*این ستون در متن مبحث 17 نیامده است و از تبدیل واحد ستون سمت راست آن به دست آمده است.
ب) فضای با درزهای هوابند
در ساختمانهای با درزهای هوابند، هوای مورد نیاز فضایی که در آن دستگاههای گاز سوز نصب میشود، چه حجم این فضا کافی باشد (بیش از یک مترمکعب برای هر 177 کیلوکالری بر ساعت) و چه حجم آن کافی نباشد، باید از خارج ساختمان تامین شود.
8.5.7.17تامین هوا از خارج
ب) نحوه دریافت هوا از خارج
برای تامین هوای احتراق دستگاه گاز سوز، نصب دهانه مستقیم از فضای محل نصب دستگاه به خارج از ساختمان، یا از طریق کانال افقی یا قائم، با در نظر گرفتن الزامات زیر کافی است:
• یک دهانه برای ورود هوا، به فاصله 30 سانتیمتر از سقف، نصب شود.
• سطح آزاد دهانه باید دستکم یک سانتیمترمربع برای هر 116 کیلوکالری در ساعت باشد.
• سطح مقطع کانال باید دستکم برابر سطح آزاد دهانه دریافت هوا باشد.
9.5.7.17تامین هم زمان هوا از داخل و خارج
ب) فضای با حجم کافی
در ساختمان با درزهای هوابند، در صورتی که حجم فضای محل نصب دستگاههای گازسوز کافی (بیش از یک مترمکعب برای هر 177 کیلوکالری بر ساعت) باشد، باید با نصب دهانههای دریافت هوا از خارج، هوای مورد نیاز احتراق را به طور هم زمان از داخل و خارج تامین کرد.
• دریافت هوا از خارج باید با نصب دهانههای باز و مستقیم روی جدارهای فضای محل نصب دستگاهها، نصب کانال افقی یا قائم، به ترتیبی که در «تامین هوا از خارج» آمده، صورت گیرد.
• علاوه بر آن لازم است یک دهانه هوای اضافی برای دریافت مستقیم هوا از خارج با سطح آزاد یک سانتیمترمربع برای هر 194 کیلوکالری در ساعت نیز پیشبینی شود.
10.5.7.17تامین مکانیکی هوا
2)سیستم تعویض هوای مکانیکی و مشعل هر یک از دستگاهها باید به هم وابسته و مرتبط باشد، به طوری که اگر سیستم تعویض هوای مکانیکی از کار بیفتد، مشعل دستگاهها هم به طور خودکار خاموش شود.
***(توضیح این که، این بخش مربوط به تامین مکانیکی هوا به عنوان جزئی از سیستم تعویض هوای مکانیکی ساختمان یا فضاهایی از آن میباشد ولی اگر پکیجهای فندار نیز به نوعی در این گروه به حساب آیند، این خواسته مبحث 17 نیز به خوبی در پکیجهای فندار برآورده میشود.)
ب)مقدار تعویض هوا
مقدار هوا که توسط سیستم تعویض هوای مکانیکی به داخل فضای نصب دستگاههای گازسوز فرستاده میشود، باید دستکم برابر یک مترمکعب در ساعت برای هر 355 کیلوکالری در ساعت باشد.
***(پس برای پکیجهای شرکت در بازه 36kw-24 یا به عبارتی 3096kcal/hr-2640 فن دستگاه باید بهتوان مقدار 87.2m1/hr-58.1هوا را وارد فرایند احتراق نماید.
3.7.17تعیین قطر دودکش مشترک و لوله رابط
شکل 3.8.17 دودکش فلزی یا فلزی سیمانی پیش ساخته برای دو یا چند دستگاه گازسوز که در یک طبقه نصب شده اند (شکل شماتیک است(.
1.3.8.17استفاده از دودکش مشترک برای وسایل گازسوزی که هوای مورد نیاز آن ها از بیرون تامین نمی شود، ممنوع است. استفاده از دودکش مشترک فقط برای وسایل گازسوزی که هوای مورد نیاز آن ها از هوای آزاد تامین می گردد مجاز است.
3.3.8.17اتصال دودکش (مستقل یا مشترک) وسایل گازسوز بدون فن به دودکش وسایل گازسوز فن دار و بالعکس مجاز نیست.
4.3.8.17وسایل گازسوز دارای مشعل تحت فشار (فن دار) که در طبقات مختلف نصب می-شود باید دارای دودکش مستقل باشند و استفاده از دودکش مشترک در این شرایط مجاز نیست.
فروش مشعل اخگر