فرن صناعي

في قسم الإشعاع، تتلقى الأنابيب معظم حرارتها عن طريق الإشعاع من اللهب. في الفرن الأسطواني الرأسي، تكون الأنابيب عمودية. يمكن أن تكون الأنابيب عمودية أو أفقية، موضوعة على طول الجدار الحراري ، أو في المنتصف، أو مرتبة في خلايا. تُستخدم المسامير لتثبيت العازل معًا وعلى جدار الفرن. في هذه الصورة لداخل الفرن، تفصل بينها مسافة  300 ملم تقريبًا. 

الأنابيب الموضحة أدناه، ذات اللون البني المحمر نتيجة التآكل ، مصنوعة من الفولاذ الكربوني وتمتد على طول الجزء المشع. تقع هذه الأنابيب على مسافة من العازل بحيث ينعكس الإشعاع إلى الجزء الخلفي منها للحفاظ على درجة حرارة موحدة لجدار الأنبوب. وتُثبّت الأنابيب في مكانها بواسطة موجهات في الأعلى والوسط والأسفل.

يقع قسم الحمل الحراري فوق قسم الإشعاع حيث يكون الجو أبرد لاستعادة المزيد من الحرارة. يتم نقل الحرارة هنا عن طريق الحمل الحراري ، وتُزود الأنابيب بزعانف لزيادة كفاءة نقل الحرارة. أما الصفوف الثلاثة الأولى من الأنابيب في أسفل قسم الحمل الحراري وأعلى قسم الإشعاع فهي عبارة عن أنابيب مكشوفة (بدون زعانف) وتُعرف باسم قسم الحماية ("أنابيب الصدمة")، وذلك لأنها لا تزال معرضة لكمية كبيرة من الإشعاع الصادر من غرفة الاحتراق، كما أنها تعمل على حماية أنابيب قسم الحمل الحراري، المصنوعة عادةً من مواد أقل مقاومة لدرجات الحرارة العالية في غرفة الاحتراق.

تُسمى منطقة قسم الإشعاع، الواقعة مباشرةً قبل دخول غازات الاحتراق إلى قسم الحماية ثم إلى قسم الحمل الحراري، بمنطقة الجسر. ويُعرف أنبوب التوصيل بأنه الأنبوب الذي يربط مخرج قسم الحمل الحراري بمدخل قسم الإشعاع. عادةً ما يكون أنبوب التوصيل موجودًا في الخارج ليتسنى مراقبة درجة الحرارة وحساب كفاءة قسم الحمل الحراري. تتيح نافذة المراقبة العلوية للعاملين رؤية شكل اللهب ونمطه من الأعلى، والتحقق بصريًا من حدوث اصطدام اللهب بالأنابيب. يحدث اصطدام اللهب عندما يلامس اللهب الأنابيب، مما يُسبب بقعًا صغيرة معزولة ذات درجة حرارة عالية جدًا.

هذا عبارة عن سلسلة من الأنابيب الأفقية/الرأسية من نوع "دبابيس الشعر" المتصلة عند أطرافها (بانحناءات بزاوية 180 درجة) أو ذات بنية حلزونية. يمتص الملف الإشعاعي الحرارة عن طريق الإشعاع. يمكن أن يكون أحادي المسار أو متعدد المسارات حسب انخفاض الضغط المسموح به في جانب العملية. توضع الملفات الإشعاعية والانحناءات داخل صندوق الإشعاع. تختلف مواد الملفات الإشعاعية من الفولاذ الكربوني للاستخدام في درجات الحرارة المنخفضة إلى الفولاذ عالي السبائك للاستخدام في درجات الحرارة العالية. تُثبّت هذه الملفات على الجدران الجانبية للصندوق الإشعاعي أو تُعلّق من سقفه. عادةً ما تكون مادة هذه الدعامات من الفولاذ عالي السبائك . عند تصميم الملف الإشعاعي، يُراعى توفير مساحة للتمدد (في الظروف الحارة).

يقع الموقد في الفرن الأسطواني العمودي المذكور أعلاه في الأرضية، ويُطلق اللهب للأعلى. تحتوي بعض الأفران على مواقد جانبية، كما هو الحال في قاطرات القطارات. تُصنع بلاطة الموقد من مادة حرارية مقاومة للحرارة العالية، وهي المكان الذي يُحصر فيه اللهب. أما فتحات تهوية الهواء، الموجودة أسفل الموقد وعند مخرج منفاخ الهواء، فهي أجهزة مزودة بألواح أو ريش متحركة تتحكم في شكل اللهب ونمطه، سواء كان ينتشر أو يدور. يجب ألا ينتشر اللهب بشكل مفرط، لأن ذلك سيؤدي إلى اصطدامه بالأرض. يمكن تصنيف فتحات تهوية الهواء إلى أساسية وثانوية، وثالثية إن وُجدت، وذلك حسب وقت إدخال الهواء إليها.

يُعدّ مُسجّل الهواء الأولي مسؤولاً عن تزويد الموقد بالهواء الأولي، وهو أول ما يدخل في عملية الاحتراق. هذا الهواء ضروري للاشتعال الأولي واحتراق الوقود. يُضاف الهواء الثانوي بعد الهواء الأولي لتكملة الاحتراق، مما يُساعد على تحقيق احتراق أكثر اكتمالاً وتحسين الكفاءة من خلال ضمان احتراق الوقود بالكامل. قد تحتوي المواقد أيضاً على مُخَلِّط مُسبق، يقوم بمزج الهواء والوقود قبل دخولهما إلى الموقد. هذا المزج ضروري لضمان خليط متجانس، مما يُحسّن كفاءة الاحتراق ويُقلّل الانبعاثات. تستخدم بعض المواقد المُتطورة البخار كخليط مُسبق لتسخين الهواء مُسبقاً ^{[ 3 ] [ 4 ]} وتحسين مزج الوقود والهواء الساخن. لا يُساعد البخار في المزج فحسب، بل يُساهم أيضاً في الحفاظ على استقرار اللهب، خاصةً في أنظمة الاحتراق عالية السعة.

في تصميم الأفران، تُصنع الأرضية عادةً من مادة مختلفة عن جدران الفرن. تُصنع الأرضية عادةً من مادة حرارية صلبة قابلة للصب، مصممة لتحمل درجات الحرارة العالية للفرن مع توفير المتانة. لا تتميز هذه المادة الحرارية بمقاومتها للحرارة فحسب، بل تسمح أيضًا للفنيين بالسير عليها بأمان أثناء أعمال الصيانة دون إتلاف سطحها. علاوة على ذلك، غالبًا ما تُختار المواد الحرارية لقدرتها على الحفاظ على سلامتها الهيكلية بمرور الوقت، حتى في ظل دورات التسخين والتبريد الشديدة والضغوط الكيميائية التي تُعدّ سمةً مميزةً لعمليات الاحتراق الصناعية.

يمكن إشعال الفرن بواسطة شعلة تجريبية صغيرة ، أو يدويًا في بعض الطرازات القديمة. تُشعل معظم الشعلات التجريبية الحديثة بواسطة محول إشعال (يشبه شمعات الإشعال في السيارة). بدورها، تُشعل الشعلة التجريبية الشعلة الرئيسية. تستخدم الشعلة التجريبية الغاز الطبيعي، بينما يمكن للشعلة الرئيسية استخدام كلٍ من الديزل والغاز الطبيعي. عند استخدام الوقود السائل، يُستخدم مرذاذ، وإلا سينسكب الوقود السائل على أرضية الفرن ويُشكل خطرًا. يُعزز استخدام الشعلة التجريبية لإشعال الفرن السلامة والسهولة مقارنةً باستخدام طريقة الإشعال اليدوي (مثل عود الثقاب).

توجد أجهزة تنظيف السخام في قسم الحمل الحراري. ولأن هذا القسم يقع فوق قسم الإشعاع، وحركة الهواء فيه أبطأ بسبب الزعانف، يميل السخام إلى التراكم فيه. يُجرى تنظيف السخام عادةً عندما تنخفض كفاءة قسم الحمل الحراري. ويمكن حساب ذلك من خلال النظر إلى تغير درجة الحرارة بين أنابيب التوصيل ومخرج قسم الحمل الحراري.

تستخدم نافخات السخام وسائط متدفقة كالماء أو الهواء أو البخار لإزالة الرواسب من الأنابيب. ويتم ذلك عادةً أثناء الصيانة مع تشغيل منفاخ الهواء. توجد أنواع مختلفة من نافخات السخام. تُركّب نافخات الجدران الدوارة على جدران الفرن، بارزةً بين أنابيب الحمل الحراري. وتُوصّل أنابيبها بمصدر بخار مثقوب على طوله. عند تشغيلها، تدور وتنفخ السخام من الأنابيب إلى الخارج عبر المدخنة.

مدخنة غازات الاحتراق عبارة عن هيكل أسطواني يقع أعلى جميع غرف نقل الحرارة. يقوم المخرج الموجود أسفلها مباشرةً بتجميع غازات الاحتراق ورفعها إلى أعلى في الغلاف الجوي حيث لا تشكل خطراً على الأفراد.

يعمل صمام التحكم في المدخنة الموجود داخل الفرن كصمام فراشة ، حيث ينظم فرق الضغط (فرق الضغط بين مدخل ومخرج الهواء) داخل الفرن، وهو ما يسحب غازات الاحتراق عبر قسم الحمل الحراري. كما ينظم هذا الصمام كمية الحرارة المفقودة عبر المدخنة. عند إغلاق الصمام، تقل كمية الحرارة المتسربة من الفرن عبر المدخنة، لكن يزداد الضغط أو فرق الضغط داخل الفرن، مما يشكل خطراً على العاملين في محيطه في حال حدوث تسرب للهواء، إذ قد تندلع النيران من غرفة الاحتراق أو حتى تنفجر إذا كان الضغط مرتفعاً للغاية.

يُعدّ العزل جزءًا أساسيًا من الفرن لأنه يُحسّن كفاءته بتقليل تسرب الحرارة من الحجرة المُسخّنة. تُستخدم مواد حرارية مثل الطوب الحراري ، والمواد الحرارية القابلة للصب، والألياف الخزفية للعزل. عادةً ما تكون أرضية الفرن مصنوعة من مواد حرارية قابلة للصب، بينما تُثبّت الجدران بالمسامير أو الغراء. تُستخدم الألياف الخزفية بشكل شائع لسقف وجدران الفرن، ويتم تصنيفها حسب كثافتها ثم حسب درجة حرارتها القصوى المُصنّفة. على سبيل المثال، 8# 2300  °F تعني كثافة 8  رطل/قدم ^مكعب مع درجة حرارة قصوى مُصنّفة تبلغ 2300  درجة فهرنهايت. درجة حرارة التشغيل الفعلية للألياف الخزفية أقل قليلاً من درجة الحرارة القصوى المُصنّفة (أي أن 2300  درجة فهرنهايت صالحة للاستخدام حتى 2145  درجة فهرنهايت فقط قبل حدوث انكماش خطي دائم).

تُشكّل الأعمدة الخرسانية أساسًا يُثبّت عليه السخان. يتراوح عددها بين أربعة للسخانات الصغيرة و24 للسخانات الكبيرة. يُصمّم الأعمدة والأساس بالكامل بناءً على قدرة تحمل التربة والظروف الزلزالية السائدة في المنطقة. تُثبّت مسامير الأساس في الأساس بعد تركيب السخان.

يحتوي جسم السخان على أبواب وصول في مواقع متعددة. تُستخدم هذه الأبواب فقط عند إيقاف تشغيل السخان. يبلغ الحجم القياسي لباب الوصول 600 × 400 مم، وهو حجم كافٍ لحركة الأشخاص/المواد داخل وخارج السخان. أثناء التشغيل، تُحكم إغلاق أبواب الوصول بمسامير باستخدام حشوات مانعة للتسرب تتحمل درجات الحرارة العالية.