کوره

كوره چيست‌؟
كوره داراي تجهيزاتي است كه توسط آنها، درون يك محفظه عايق، حرارت ناشي از احتراق سوخت به سيال فرآيند منتقل مي گردد. سيال فرآيند در لوله هايي جريان دارد كه عموماً در امتداد جداره ها و سقف محفظه احتراق نصب شده اند. عامل اصلي انتقال حرارت، مكانيزم تشعشع مي باشد. در صورت توجيه

اقتصادي درون يك بخش مجزا، حرارت گازهاي خروجي حاصل از احتراق به صورت جابجايي به لوله ها منتقل مي گردد. وظيفه اصلي كوره، تأمين حرارت معيني به سيال فرآيند تحت درجه حرارتهاي بالا مي باشد. اين عمل بايستي بدون افزايش بيش از حد حرارت (Over heating) ، در نقطه معيني از سيال و يا اجزا بدنه كوره انجام شود. به عبارت ديگر حرارت بايد حتي الامكان به صورت يكنواخت توزيع گردد. در كوره هاي هواي گرم، سيال فرآيند هواست. در واقع جهت برخي امور از قبيل خشك كنها بايستي هواي داخل محفظه اي را گرم كرده و سپس از اين گرما جهت انجام كار خود استفاده كرد.

تنوع طراحي و ساخت:
طراحي و جزئيات ساخت كوره ها بسيار متنوع است. به سبب اين انعطاف پذيري، هر كوره جهت كاربرد خاص خود طراحي مي شود.
ساده ترين نوع كوره شامل يك محفظه احتراق بوده كه در آن كويل لوله ها در امتداد ديواره محفظه چيده شده است و حرارت فقط از طريق تابش به اين لوله ها منتقل مي گردد. بازده حرارتي كم و سرمايه گذاري اوليه اندك جهت بار حرارتي معين از خصوصيات اين نوع طراحي مي باشد. در محفظه احتراق به واسطه حركت گازهاي داغ بخشي از حرارت توسط جابجايي به لوله ها منتقل مي شود. بسياري از كوره هاي جديد، علاوه بر بخش تابشي، داراي يك بخش جابجايي

مجزا هستند. باقيمانده حرارتي كه در گازهاي خروجي از بخش تشعشع وجود دارد، در اين بخش توسط مكانيزم جابجايي كسب مي شود. استفاده از اين حرارت جهت پيش گرم كردن سيال فرآيند، بازده حرارتي را افزايش مي دهد (همگام با پيشرفت تكنولوژي در طراحي كوره ها يك بخش تابشي منظور گرديد كه در آن لوله هاي حاوي سيال فرآيند در معرض مستقيم تشعشع گازهاي داغ قرار مي گرفتند).

تأمين هوا و انتقال گازهاي داغ خروجي:
كوره ها را مي توان بر حسب روشهاي تأمين هواي احتراق و انتقال گازهاي خروجي تقسيم بندي نمود. گازهاي حاصل از احتراق داراي دانسيته كمتري نسبت به هواي محيط خارج است بدين سبب امكان القاء هواي احتراق به درون كوره عملي مي گردد. نيروي بايونسي گازهاي داغ (Buoyant forces) ، ايجاد مكش درون كوره مي نمايد زيرا فشار داخل كوره از فشار محيط خارج كمتر است. ايجاد مكش خود باعث القاء هوا به درون محفظه احتراق مي گردد. چون مكش به واسطه اثر دودكشي به صورت طبيعي ايجاد مي شود به آن مكش طبيعي (Natural draft) اطلاق مي گردد. اكثر كوره ها از نوع مكش طبيعي بوده كه در آنها دودكش باعث ورود هوا به محفظه احتراق و خروج گازهاي داغ مي شود.

اگر در مقابل جريان گازهاي داغ مانعي وجود داشته باشد، فشار درون كوره از فشار اتمسفر بالاتر خواهد رفت (فشار مثبت). وظيفه دودكش در كوره با مكش طبيعي ايجاد مكان كافي جهت غلبه بر موانع در مقابل جريان گازهاست به طوري كه در سراسر كوره يك فشار منفي برقرار گردد. در كوره با جريان القايي (Induced draft) مي توان از يك هواكش القايي به جاي دودكش استفاده نمود تا فشار منفي ايجاد شده و هواي احتراق وارد كوره و گازهاي داغ از هواكش خارج گردند.

در كوره هايي با مكش اجباري (Forced draft) فشار مثبتي توسط هواكش اجباري ايجاد مي شود. بايستي متذكر شد حتي هنگامي كه هوا با فشار مثبت تأمين مي شود،‌ محفظه احتراق و همه قسمتهاي ديگر كوره تحت فشار منفي عمل كرده و گازهاي داغ توسط دودكش خارج مي گردد.
در كوره هايي با مكش اجباري – القايي (Forced-Induced draft) يك هواكش جهت تأمين هواي تحت فشار مثبت و يك هواكش ديگر جهت تأمين فشار منفي در محفظه احتراق و بخشهاي ديگر كوره و انتقال گازهاي داغ به كار برده مي شود. اكثر كوره هايي كه مجهز به پيش گرم كن (Air preheater) هستند از نوع مكش اجباري – القايي مي باشند.

موارد مهم در انتخاب كوره
در شكل ۱ انواعي از كوره هاي مرسوم را مي بينيم. به طور كلي، اسامي كوره ها استاندارد نبوده ولي كوره هاي نشان داده شده را مي توان با اسامي زير اطلاق نمود:

۱-Large box-type
2-Separate-convection
3-Down-convection
4-Straight-up
5-A-frame
6-Circular

۷-Large isoflow
8-Small isoflow
9-Equiflux
10-Double-up fired
11-radiant wall

در انتخاب كوره هاي فوق بايستي به مواردي كه در زير شرح داده مي شوند توجه نمود:
۱- برخورد شعله: در كليه كوره ها شعله بلند با لوله ها برخورد كرده و در محل برخورد حرارت بيش از حد توليد مي گردد. به طور كلي لوله هاي بالاي ديوار حائل در كوره ۳ و لوله پاييني در كوره هاي ۴ و ۱۰ آسيب پذيرند. البته اگر ظرفيت كوره هاي ۴ و ۱۰ زياد باشد اين مسأله برطرف خواهد شد. لوله هاي آسيب پذير در شكل با نقاط توپر مشخص شده اند.

۲- لوله هاي داغ: ميزان جذب حرارت در لوله هاي ابتدايي بخش جابجايي (Shield or Shock tubes) بسيار زياد است، زيرا حرارت از طريق هر دو مكانيزم تشعشع و جابجايي به آنها منتقل مي گردد (مانند لوله هاي توپر در كوره هاي ۵، ۴، ۳، ۱). اغلب سيال فرآيند بدليل سرد بودن ابتدا وارد اين لوله ها مي شود.
۳- اشتعال سوختهاي نفتي: به سبب وجود مشعلهاي بزرگ سوختهاي نفتي داراي شعله بزرگتري هستند. كوره هاي ۵، ۳، ۲، ۱ بدليل ظرفيت زيادشان جهت سوختهاي نفتي مناسبترند.

۴- توزيع حرارت: يك مورد توزيع نامناسب حرارت در بند ۲ تحت عنوان «لوله هاي داغ»‌ بيان گرديد. علاوه بر اين مورد، ميزان حرارت در گوشه ها و فرورفتگيهاي كوره هايي مانند ۱ و ۳ به شدت تغيير مي كند. البته در كوره هاي عمودي توزيع حرارت نسبتاً يكنواخت تر است.

۵- حرارت از طريق دو كويل: اگر دو شاخه مجزاي جريان جهت گرمايش موجود باشد، كوره ۳ زياد مناسب نمي باشد. اگر دو شاخه جريان به طور مساوي حرارت جذب نمايند، كوره هاي متقارن مناسب ترند. در غير اين صورت كوره هايي كه توسط يك ديوار حائل به دو قسمت تقسيم شده اند به كار برده مي شوند.
۶- تنظيم ميزان حرارت: كوره هاي ۹ و ۱ جهت تنظيم دقيق حرارت در دماهاي زياد (۱۰۰۰ تا ۱۵۰۰ فارنهايت) مناسبترند. كوره هاي استوانه هاي ۶ و ۷ و ۸ جهت دستيابي به فلاكس حرارتي كم به كار برده مي شود.

۷- ظرفيت: كوره هاي ۱۱، ۹، ۸، ۴، ۳ جهت ظرفيتهاي كم و كوره هاي ۱۰، ۵، ۲، ۱ جهت ظرفيتهاي زياد طراحي مي گردد.
۸- دودكش: كوره هاي ۹، ۳، ۲، ۱ به دودكش بلند احتياج داشته در صورتي كه كوره هاي ديگر به سبب ايجاد مكش كافي به دودكش مرتفع نيازي ندارند.
۹- هزينه: ساختمان سقف انواع ۳، ۲، ۱ متحمل مخارج زياد است. جداره هايي كه توسط لوله ها پوشيده نشده اند (مانند جداره هاي جانبي ۵، ۳، ۲، ۱) در معرض حرارت بيش از حد بوده و بايد از مصالح مقاومتر ساخته شوند. هزينه ساخت بدنه بزرگ كوره ۹ زياد بوده و در كوره ۱۱ تعداد زياد مشعل بر مخارج مي

افزايد. از نقطه نظر مصالح ساخت، در كوره ۵ صرفه جويي شده است. كوره هاي ۷ و ۸ داراي لوله هاي پره دار (Finned tubes) در بخش جابجايي هستند. اين امر باعث كاهش طول لوله ها و افزايش انتقال حرارت در بخش جابجايي مي گردد. در كوره ۸ ، قسمت انتهايي لوله ها، پره دار بوده و هيچگونه بخش جابجايي مجزا وجود ندارد.

شكل ۱
گازهاي داغ در اثر تماس با پشت لوله هاي مجاور جداره سرد مي شوند. اين امر باعث جريان اين گازها به طرف پايين در پشت لوله ها مي گردد. سرعت اين گازها تا ۱۰ فوت در ثانيه گزارش شده است. بنابراين در بخش تابشي، حرارت توسط مكانيزم جابجايي نيز منتقل مي گردد. فاصله مطلوب جداره تا لوله ها به اندازه قطر لوله است. در كوره هاي ۷ و ۸ حدود ۱۳% حرارت توسط جريانهاي چرخشي جابجايي گازهاي داغ به لوله ها منتقل مي گردد.

كوره ۶ داراي پيش گرمكن هوا مي باشد. هوا قبل از ورود به كوره توسط گازهاي داغي كه از دودكش عبور مي كند، گرم مي شود. در كليه كوره ها مي توان از پيش گرمكن هوا استفاده نمود. پيش گرمكن هوا باعث افزايش دماي شعله و افزايش انتقال حرارت تابشي مي گردد. شكل ۲ گردش گازهاي داغ در محفظه احتراق توسط يك هواكش را نشان مي دهد. توسط چرخش گازها، درجه حرارت و ميزان تشعشع شعله كمتر مي شود. از طرفي به واسطه افزايش ميزان جرمي گازها در بخش جابجايي، بار حرارتي اين بخش افزايش مي يابد. لذا ابعاد اين بخش بايد بزرگتر اختيار شود.

با توجه به گفته هاي فوق مشاهده مي شود كه عمل چرخش گازهاي داغ عكس عمل پيش گرمكن هواست. در كوره هاي قديمي كه اساساً از نوع جابجايي بودند، گردش گازهاي احتراق انجام مي شده است. البته هنگامي كه ميزان جذب حرارت معيني لازم باشد، اين روش نسبت به روشهاي پرخرجي نظير كاربرد هواي اضافي زياد، كاهش ظرفيت و يا استفاده از سوختهايي با ميزان تشعشع كمتر، مناسبتر است. امروزه هر كوره جهت بار حرارتي معيني طراحي مي شود لذا چرخش گازهاي داغ ديگر مطرح نيست. سوختهاي گازي از سوختهاي نفتي مناسبترند زيرا تشعشع شعله سوخت نفتي شديد بوده و باعث سوختن (burn-out) بعضي از لوله ها مي شود. به علاوه مشعلهاي گازي ارزان تر بوده لذا جهت توزيع يكنواخت حرارت از تعداد زيادي مشعل گازي مي توان استفاده كرد.

مصالح ساخت و جنبه هاي طراحي مكانيكي
عوامل متعددي ناشي از فرآيند، ساختار و محيط بر انتخاب مصالح و جنبه هاي طراحي مكانيكي كوره ها تأثير مي گذارد. از عوامل محيطي مي توان قوانين محيط زيست را نام برد كه بر ايجاد دودكشهاي بلند تأكيد دارد و يا فضاي طراحي موجود كه ابعاد كوره را محدود مي نمايد. از عوامل ناشي از فرآيند، استفاده از سوختهاي نامرغوب (حاوي تركيبات فلزي و خاكستر بيش از اندازه) و يا درجه حرارتهاي زياد را مي توان ذكر نمود كه انتخاب لياژهاي مقاوم و گران را ايجاب مي نمايد. امروزه يكي از مسايل اقتصادي مورد توجه، استفاده از تجهيزات پيش ساخته جهت كاهش زمان و هزينه ساخت كوره مي باشد. از اينرو حمل تجهيزات از

كارخانه سازنده تا محل نصب از معيارهاي مهم طراحي تلقي مي گردد. يك كوره نمونه در شكل ۳ نشانگر اجزاي اصلي يك كوره است كه شامل موارد زير است:
۱- بدنه (Casing or Structural framework)

۲- سطوح بازتابنده (Refractories)
3- كويل لوله ها (Tube coil)
4- سطوح توسعه يافته (Extended surfaces)
5- نگهدارنده لوله ها (Tube supports)

۱- بدنه: جداره خارجي يا بدنه كوره معمولاً از ورقه هاي فولادي به ضخامت ساخته مي شوند. اين ورقه ها معمولاً در مقابل تنشهاي مكانيكي و خمش (warping) مقاوم هستند. ضخامت بدنه كوره استوانه اي غالباً حدود انتخاب مي شود زيرا بدنه به منزله حامل بار تلقي مي گردد. ضخامت ورقه هاي كف كوره نيز حدود در نظر گرفته مي شود. توسط جوشكاري، ورقه هاي فولادي بدنه كاملاً آب بندي مي شود به طوري كه هوا و آب امكان نفوذ به داخل كوره را نداشته باشد. تمام اجزا كوره بر روي بدنه فولادي نصب مي گردد. از اينرو بدنه بايد انبساط و انقباض جانبي و عمودي اين اجزا را ممكن سازد. لوله ها نيز مستقل از ديوار بازتابنده توسط بدنه نگهداشته مي شوند. عرف طراحي ايجاب مي كند كه ستونهاي اصلي بدنه و تيرهاي كف كوره تا حد بالايي نسبت به اشتعال مقاوم باشند. در صورتي كه تجهيزات اضافي مانند نردبان يا سكو پيش بيني شود، بدنه بايد طوري طراحي گردد كه اين بارهاي اضافي را تحمل نمايد.

۲- سطوح بازتابنده: سطح داخلي بدنه كوره تاب تحمل دماهاي زياد را نداشته و با مواد عايقي پوشيده مي شود. اين مواد نه تنها از حرارت بيش از حد ساختمان فولادي جلوگيري مي كنند بلكه توسط بازتابش روي لوله ها، دماي داخل محفظه كوره را بالا نگه مي دارد. به علاوه مانند سدي در مقابل ذرات جامد موجود در گازهاي داغ عمل كرده و از نشت آنها روي بدنه جلوگيري مي نمايد. مواد عايق، افت حرارتي از جداره كوره را كاهش مي دهد. سيستمهاي عايق در كوره هاي جديد به سه بخش تقسيم بندي مي شوند:

الف- آجر نسوز عايق (Insulating firebrick (IFB)) : آجر نسوز به صورت متخلخل بوده و از مخلوط خاك اره، كك و خاك رس با تركيبات آلومينيومي زياد تشكيل شده است. خصوصيات عايق بندي آن بسيار خوب و درجه حرارتي بين ۱۶۰۰ تا ۲۸۰۰ فارنهايت را مي تواند تحمل نمايد. جهت افزايش كارآيي عايق بندي ديوارهاي آجر نسوز مي توان از يك لايه پشم (Mineral wool) به عنوان مكمل استفاده نمود. مجموعه آجر نسوز – پشم شيشه در تأسيسات بي شماري يافت مي شود. با تأكيد روزافزون بر كاربرد كوره هاي پيش ساخته و به واسطه مشكلات متعدد ناشي از نصب مدولهاي آجري، استفاده از آجر نسوز محدود شده است. امروز شايع ترين نوع عايق در كوره ها، كاربرد ديوارهاي بازتابنده قالبي است.

ب- بازتابنده هاي قالبي (Castable refractory) : اين نوع عايق در بسياري از كوره ها متداول بوده و توسط هوا با فشار زياد به طريق gunning در محل نصب مي شود. براي مدولهاي پيش ساخته اين روش از نظر اقتصادي كاملاً مقرون به صرفه است. با اين وجود قرار دادن بازتابنده توسط جريان هوا (Pneumatic placement) امري بسيار دقيق بوده و نياز به مهارت زياد دارد.

يكي از بازتابنده هاي قالبي لومنيت – هيديت – ورميكوليت به نسبت حجمي ۴:۲:۱ بوده كه ماده ارزان و عايق بسيار خوبي است. به دليل كمي ضريب انبساط، كاربرد آن روي جداره هاي وسيع متداول است. زيرا جداره به هيچگونه اتصالات انبساطي احتياج ندارد. بازتابنده قالبي بر روي ديوارهاي بدون حفاظ و در مجاورت مستقيم شعله، حداكثر دمايي بين ۱۸۰۰ تا ۱۹۰۰ فارنهايت را مي تواند تحمل كند. در دماهاي بالا، نسبت تركيبات بازتابنده بايد به طور دقيق انتخاب

شود. هنگامي كه درجه حرارت يا دانسيته بازتابنده افزايش يابد، از كارآيي عايق بندي آن كاسته مي شود. لذا جهت رسيدن به درجه حرارت معين سطح، بايد به ضخامت بازتابنده اضافه شود. در برخي موارد، ساختار دو لايه اي به كار برده مي شود. لايه اول داراي دما و دانسيته زياد بوده و در معرض مستقيم شعله مي باشد. لايه دوم به عنوان حامي، پشت لايه اول قرار گرفته و از خواص عايق بندي بهتري برخوردار است. ضخامت بازتابنده در بخشهاي جابجايي و تشعشع جابجايي و تشعشع براي ديواره هايي كه لوله ها در مقابل آنها نصب شده اند، برابر ۵ اينچ و براي كف و سقف بخش تشعشع و ديواره هايي كه در معرض مستقيم شعله بوده، حدود ۶ تا ۱۸ اينچ اختيار مي شود.