دستگاه بهینه ساز مغناطیسی سوخت
توجه به مساله کاهش مصرف انرژی و صرفه‌جویی در استفاده از سوختهای فسیلی یکی از مهمترین دغدغه های جوامع امروزی به شمار میرود. کاهش منابع طبیعی از یک سو و مساله مهم افزایش دمای کره زمین از سوی دیگر، متخصصین امر را بر آن داشته تا نسبت به پیدا کردن روشهایی در جهت استفاده کمتر از این منابع (خصوصا سوختهای فسیلی) اقدام عاجل به عمل آورند.
یکی از مهمترین مصارف سوختهای فسیلی، سوزاندن آنها جهت به‌دست آوردن انرژی حرارتی مورد نیاز در فرآیندهای گوناگون صنعتی میباشد که از جمله تجهیزات مورد استفاده در این خصوص می‌توان به مشعل‌ها، انواع کوره‌ها و... اشاره کرد. از این رو تحلیل و بررسی راهکارهایی که منجر به افزایش راندمان و کارآیی در سیستم‌ها و در نتیجه به کاهش مصرف سوخت منتهی میشوند، از جایگاه ویژه و مهمی برخوردار است. به همین منظور مطالب زیر با هدف آشنایی با دستگاه‌های بهینه‌ساز مغناطیسی سوخت و روش عملکرد آن تهیه شده است.
اصول عملکرد دستگاه بهینه‌ساز مغناطیسی سوخت
دستگاه بهینه ساز مغناطیسی سوخت با ایجاد یک میدان مغناطیسی قوی بر روی جریان سوخت و تاثیرگذاری مستقیم بر مولکولهای هیدروکربن (به شرحی که در ادامه به آن پرداخته شده است)، موجب میشود تا فرآیند احتراق به صورت کامل‌تر انجام پذیرد. در واقع تحقیقات انجام گرفته در دهه 1950 میلادی توسط دانشمند سازمان هوافضای امریکا به نام سایمون راسکین در خصوص تاثیر میدانهای مغناطیسی بر روی سوخت هیدروژن موشک نشان داد که می‌توان با میدان مغناطیسی و تاثیر آن بر روی الکترون هیدروژن و تغییر جهت چرخش آن، هیدروژن را از حالت پایدار پارا به حالت برانگیخته اُرتو تغییر حالت داد.
ماهیت هیدروژن پارا و اُرتو و تفاوت آنها در احتراق
هیدروژن دو حالت ایزومری دارد که به پارا و اُرتو معروفن هستند. تفاوت این دو در چرخش الکترون نسبت به چرخش هسته اتم هیدروژن است. در واقع در حالت پارا، چرخش الکترون در جهت مخالف چرخش پروتون است و در حالت اُرتو چرخش الکترون هم جهت با چرخش پروتون است. از این رو حالت اُرتو، حالت برانگیخته، پر انرژی و به تبع آن ناپایدار محسوب میشود. در شرایط دما و فشار متعارف 75% از اتمهای هیدروژن به صورت اُرتو و 25% آن به صورت پارا وجود دارند. مقدار مولکولهای اُرتو با کاهش دما، بیشتر شده و در دمای °C 235- تا 99% از هیدروژن به حالت اُرتو ظاهر میشوند. هیدروژن اُرتو نسبت به هیدروژن پارا قدرت واکنش پذیری بیشتری دارد. شکل 1 تفاوت هیدروژن پارا و اُرتو را نشان میدهد.
شکل 1 - هیدروژن پارا و هیدروژن اُرتو
مشابه همین موضوع بر روی هیدروژن موجود در هیدروکربن‌ها اتفاق افتاده و با توجه به حالت پارا یا اُرتو، فرم مولکولی هیدروکربن از این موضوع تاثیر پذیرفته و باعث تغییر شکل آن میشود. در هیدروکربن‌ها، اتم کربن در مرکز مولکول قرار گرفته و توسط هیدروژن‌ها احاطه شده است و همین مساله باعث میشود تا فرآیند احتراق که ناشی از اکسید شدن اتمهای کربن و هیدروژن است، دچار اختلال شود. بنابراین اگر آرایش قرارگیری هیدروژن به گونه‌ای باشد که دسترسی به اتم کربن ساده‌تر باشد، احتراق بهتر صورت گرفته و کارآیی بهتری مشاهده میگردد.
در فرآیند احتراق کامل در حالت تئوری، محصول احتراق تنها مولکولهای CO2، H2O (به صورت بخار آب) و انرژی حرارتی خواهند بود. هر گونه هیدروکربن نسوخته HC و گاز مونوکسید کربن CO مبین آن است که احتراق به صورت ناقص انجام شده است.
برای روشن شدن این موضوع، به مثال مولکول متان (CH4) می‌پردازیم که بیش از 90% گاز طبیعی را تشکیل میدهد و یکی از مهمترین منابع انرژی مورد استفاده در کشور ما نیز به شمار میرود.
فرآیند سوختن گاز متان به صورت زیر است:
شکل 2 نشان دهنده دو ایزومر مولکول متان با اتمهای هیدروژن از نوع پارا و اُرتو در زمان احتراق است.
شکل 2– مولکول متان در دو حالت ایزومری با اتم هیدروژن پارا و اُرتو
در شکل 2 مشاهده می شود که تعداد اتمهای اکسیژن که مولکول متان را با اتمهای هیدروژن اُرتو احاطه کرده‌اند به واسطه تغییر مکان هیدروژن‌های مولکول متان، بیشتر از حالت پارا بوده و همین امر سبب احتراق با راندمان بالاتر میشود.
مقایسه نتایج احتراق کامل و ناقص در عمل نشان میدهد، زمانی که فرآیند احتراق به صورت ناقص انجام شود گاز مونوکسید کربن (CO) و هیدروکربن‌های نسوخته (HC) در گازهای خروجی احتراق مشاهده شده و همین امر علاوه بر آلوده کردن محیط زیست، موجب هدر رفتن سوخت (سرمایه) از طریق خروج هیدروکربن‌های نسوخته از دودکش میشود. در عین حال قسمتی از کربن موجود در سوخت به‌صورت دوده روی دیواره های کوره و سطوح داخلی محفظه احتراق ته‌نشین میشود که تبعات منفی و هزینه‌بری خواهد داشت.
نمودار شکل 3، رابطه بین هیدروکربن‌های نسوخته (HC) و مونوکسید کربن (CO) با راندمان احتراق را توضیح میدهد. بررسی نمودار نشان میدهد با کاهش میزان مونوکسیدکربن (CO) و هیدروکربن‌های نسوخته (HC)، بر راندمان احتراق افزوده میشود.
مرجع : کتابچه راهنمای مهندسی Mark’s Standards Handbook for Mechanical Engineers
نتایج نهایی تحقیق
نتایج نهایی تحقیق بر روی استفاده از دستگاه بهینه ساز مغناطیسی سوخت نشان میدهد که تاثیر میدان مغناطیسی بر روی شکل اتم هیدروژن و تشکیل حالت دیگر ایزومری آن (از پارا به اُرتو) به دستاورد قابل توجهی در خصوص احتراق منجر میشود. در عین حال باید توجه داشت که میدان مغناطیسی اعمال شده بر روی سوخت هیدروکربنی، سبب میشود تا کشش سطحی مولکولهای سوخت کاهش یافته و در زمان پاشش از مشعل به محفظه احتراق، دچار گسیختگی بیشتری شوند و بدینوسیله سطح تماس بیشتری با اکسیژن موجود در هوا ایجاد کنند.
مهم ترین مزایای استفاده از این فن‌آوری را می‌توان به شرح زیر خلاصه کرد:
-کاهش مصرف سوختهای فسیلی
-بهبود وضعیت گازهای خروجی از دودکش (ناشی از احتراق ناقص) و کاهش گاز CO و به تبع آن کاهش تولید گازهای گلخانه‌ای
-کاهش میزان تولید گازهای گلخانه‌های CO2
-کاهش و جلوگیری از تجمع کربن و ایجاد دوده در محفظه احتراق و دودکش
-افزایش طول عمر و کاهش هزینه‌های نگهداری سامانه احتراق
-بهبود وضعیت هوای محیط و افزایش ضریب شاخص سلامت تنفسی هوا
شرکت نواندیش آب کاسپین، افتخار دارد در صورت تمایل کارفرما، از سایت تاسیسات پروژه مورد نظر بازدید نموده و نسبت به ارائه پیشنهاد فنی – مالی اقدام نماید.