ژنراتور گاز اندوترمیک (Endothermic Gas Generator) یکی از تجهیزات حیاتی در صنعت عملیات حرارتی فلزات است. این دستگاه وظیفه تولید گاز محافظ و کنترلکننده اتمسفر کوره را بر عهده دارد و نقش مهمی در جلوگیری از اکسیداسیون، دکربوریزه شدن و بهبود کیفیت سطحی قطعات ایفا میکند.
کاربرد ژنراتور گاز اندوترمیک در عملیات حرارتی
در فرآیندهایی مانند کربوره کردن(Carburizing) ، کربونیتریدینگ(Carbonitriding) و نرمالایزینگ، کیفیت اتمسفر کوره اهمیت زیادی دارد. ژنراتور گاز اندوترمیک با استفاده از واکنشهای شیمیایی بین گازهای هیدروکربنی (معمولاً متان از گاز طبیعی) و هوا، گازی با ترکیب تقریبی شامل CO، H₂ و N₂ تولید میکند که به عنوان اتمسفر محافظ یا فعالکننده در کورهها استفاده میشود.
مزایای استفاده از این گاز در کورهها:
- جلوگیری از اکسید شدن سطح قطعات
- امکان کنترل دقیق درصد کربن در سطح فلز
- افزایش کیفیت و یکنواختی عملیات حرارتی
- کاهش هزینه نسبت به استفاده از گازهای محافظ آماده
اجزای اصلی ژنراتور گاز اندوترمیک و عملکرد آنها
ژنراتور گاز اندوترمیک معمولاً از بخشهای زیر تشکیل شده است:
۱. میکسر هوا و گاز(Air-Gas Mixer)
این بخش هوا و گاز طبیعی را با نسبت دقیق ترکیب میکند. نسبت مناسب هوا به گاز معمولاً بین ۱:۲.۵ تا ۱:۳ است تا واکنش شیمیایی بهطور کامل انجام شود. استفاده از ولوهای کنترلی و فلومتر برای دقت بالا ضروری است.
۲. راکتور یا کوره واکنش (Retort / Reaction Chamber)
یک محفظه نسوز و مقاوم به حرارت بالا که در آن واکنش اندوترمیک بین هوا و گاز انجام میشود. دمای این بخش معمولاً در محدوده ۹۵۰–۱۰۵۰ درجه سانتیگراد است. درون این محفظه از کاتالیست نیکل بر پایه آلومینا استفاده میشود تا واکنش سریع و کامل صورت گیرد.
۳. المنتهای حرارتی یا مشعلها
برای تأمین گرمای لازم جهت شروع و ادامه واکنش اندوترمیک استفاده میشوند. بسته به طراحی دستگاه، ممکن است از المنتهای الکتریکی یا مشعلهای گازی استفاده شود.
۴. مبدل حرارتی (Heat Exchanger)
پس از تولید گاز، دمای آن باید سریعاً کاهش یابد تا از برگشت واکنش یا تشکیل دوده جلوگیری شود. مبدل حرارتی با خنککردن سریع گاز، ترکیب شیمیایی آن را تثبیت میکند.
۵. سیستم کنترل و مانیتورینگ
برای حفظ دمای واکنش، فشار و نسبت دقیق هوا به گاز، سیستم کنترل مجهز به سنسورها و ترموکوپلها ضروری است. کنترل خودکار، پایداری اتمسفر تولیدی را تضمین میکند.
۶. سیستم خروج و توزیع گاز
گاز تولید شده پس از خنکسازی و فیلتر شدن، از طریق لولهکشی به کورههای عملیات حرارتی منتقل میشود.
نحوه کار ژنراتور گاز اندوترمیک
فرآیند به طور خلاصه شامل مراحل زیر است:
۱. ورود هوا و گاز طبیعی به میکسر با نسبت مشخص
۲. انتقال مخلوط به محفظه واکنش
۳. گرم شدن مخلوط تا دمای حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد
۴. انجام واکنش شیمیایی در حضور کاتالیست:
۵. عبور گاز تولیدی از مبدل حرارتی برای خنک شدن سریع
۶. ارسال گاز اندوترمیک پایدار به کوره عملیات حرارتی
نکات مهم در استفاده از ژنراتور گاز اندوترمیک
کنترل دقیق نسبت هوا به گاز : کوچکترین خطا باعث تغییر در درصد CO و H₂ شده و کیفیت عملیات حرارتی را کاهش میدهد.
حفظ دمای مناسب راکتور : افت دما باعث ناقص شدن واکنش و تشکیل دوده میشود.
تعمیر و نگهداری منظم کاتالیست : کاتالیست آلوده یا فرسوده موجب افت راندمان و تغییر ترکیب گاز میشود.
خنککاری سریع گاز خروجی : جلوگیری از واکنش معکوس و رسوب کربن الزامی است.
چککردن نشتیها : هرگونه نشتی در سیستم لولهکشی یا راکتور میتواند باعث ورود اکسیژن و اکسید شدن قطعات شود.
کالیبراسیون دورهای ابزار اندازهگیری : دقت ابزارها تضمینکننده کیفیت گاز تولیدی است.
جمعبندی
ژنراتور گاز اندوترمیک قلب سیستم اتمسفرکنترل کورههای عملیات حرارتی محسوب میشود. آشنایی دقیق با اجزا، فرآیند تولید گاز و نکات نگهداری، نه تنها کیفیت محصولات را افزایش میدهد بلکه از هزینههای تعمیرات و ضایعات نیز جلوگیری میکند. استفاده صحیح و علمی از این تجهیزات، تضمینکننده طول عمر بیشتر کورهها و بهبود بهرهوری کارخانه خواهد بود.
نحوه محاسبه رابطه بین حجم کوره و ظرفیت خروجی ژنراتور
برای تعیین ظرفیت ژنراتور گاز اندوترمیک بر اساس حجم کوره، معمولاً از نرخ تعویض اتمسفر (Air Changes (per Hour استفاده میشود. ایده اصلی این است که اتمسفر کوره باید در هر ساعت چند بار بهطور کامل جایگزین شود تا کیفیت فرآیند (مثل کربوره یا کربونیتریدینگ) حفظ گردد.
عملیات کربوره : ۶ تا ۱۰ بار در ساعت
عملیات نرمالایزینگ با اتمسفر محافظ : ۴ تا ۶ بار در ساعت
عملیات حساس یا قطعات با سطح زیاد : حتی تا ۱۲ بار در ساعت
مثال محاسبه
فرض کنید کوره حجم مفید داخلی ۳ متر مکعب دارد و قصد انجام کربوره با نرخ تعویض ۸ بار در ساعت را دارید:
بنابراین ژنراتور باید حداقل ۲۴ متر مکعب بر ساعت گاز اندوترمیک تولید کند.
برای اطمینان از پایداری و در نظر گرفتن افت فشار و نوسانات بار، معمولاً ۲۰–۱۰٪ ظرفیت اضافه لحاظ میشود.
نکات مهم در انتخاب ظرفیت ژنراتور
۱.حجم مفید نه کل حجم کوره : محاسبه بر اساس فضای خالی واقعی که گاز در آن جریان دارد انجام میشود، نه حجم کل سازه.
۲.نوع عملیات حرارتی : فرآیندهای فعال (مانند کربوره) نرخ تعویض بیشتری نیاز دارند.
۳.بارگذاری قطعات : هرچه سطح کل قطعات بیشتر باشد، دبی گاز بیشتری نیاز است.
۴.طراحی لولهکشی : افت فشار زیاد میتواند باعث کاهش دبی واقعی تحویلی شود، پس باید لحاظ شود.
۵.طراحی لولهکشی : افت فشار زیاد میتواند باعث کاهش دبی واقعی تحویلی شود، پس باید لحاظ شود.
نکات مهم در کار با ژنراتور گاز اندوترمیک
۱. درک بهتر واکنش شیمیایی
ماهیّت اندوترمیک بودن : این واکنش گرماگیر است، یعنی انرژی گرمایی باید از بیرون تأمین شود. اگر تأمین گرما کافی نباشد، واکنش ناقص و کیفیت گاز پایین میآید.
کنترل نقطه شبنم (Dew Point): اندازهگیری نقطه شبنم گاز خروجی، شاخص مهمی برای تعیین کیفیت و مقدار رطوبت موجود در گاز است. نقطه شبنم بالا معمولاً نشانه نقص در نسبت هوا به گاز یا افت دما در راکتور است.
۲. اهمیت کاتالیست
عمر کاتالیست معمولاً بین ۳ تا ۵ سال است، اما آلودگیهای گوگردی، روغنهای تبخیرشده یا گردوغبار میتوانند عمر آن را کاهش دهند.
استفاده از فیلترهای مناسب برای ورودی گاز و هوا، و جلوگیری از ورود روغن از قطعاتی که در کوره هستند، به طول عمر کاتالیست کمک میکند.
۳. نکات ایمنی
ژنراتور با گازهای قابل اشتعال (مثل CH₄ وH₂) کار میکند، بنابراین نصب سنسور نشت گاز و سیستم قطع اضطراری الزامی است.
مسیر لولهکشی گاز باید طبق استاندارد API یا ASME طراحی و تست شود تا از خطرات احتمالی جلوگیری شود.
۴. نگهداری پیشگیرانه
بررسی هفتگی : کنترل نشتیها، بازبینی دما، و چک کردن فشار گاز
بررسی ماهانه : کالیبراسیون فلومترها و کنترل ولوها
بررسی سالانه : بازدید داخلی راکتور و ارزیابی وضعیت کاتالیست
۵. نکات بهرهبرداری
پیش از راهاندازی، راکتور باید به دمای کاری رسیده باشد تا واکنش کامل انجام شود.
در هنگام خاموش کردن دستگاه، ابتدا باید ورود گاز قطع شود و تنها با هوای گرم یا نیتروژن گردش انجام شود تا از باقی ماندن گازهای اشتعالپذیر جلوگیری شود.
برای فرآیندهایی که نیاز به تغییر سریع اتمسفر دارند، استفاده از بافر تانک (مخزن ذخیره گاز اندوترمیک) توصیه میشود.
۶. عوامل مؤثر بر کیفیت گاز
نسبت هوا به گاز → مهمترین پارامتر برای ترکیب درست CO و H₂
دمای یکنواخت در راکتور → اختلاف دما میتواند باعث ایجاد نقاطی با واکنش ناقص شود
سرعت عبور گاز → اگر خیلی کم باشد، دوده تشکیل میشود؛ اگر خیلی زیاد باشد، واکنش کامل نمیشود.
