التحقيق التجريبي في اللهب الانتشاري مع فتحات هواء ذات أقطار مختلفة في لوحة الحاجز

لماذا تهم الثقوب الصغيرة في المواقد

من سخانات المنازل إلى محطات الطاقة ومحركات السفن، تَحرق العديد من الأجهزة الغاز لتوليد الحرارة. تبحث هذه الدراسة في تفصيل بسيط إلى حد ما لكنه يمكن أن يؤثر بشدة على مدى نظافة وفعالية هذا الاحتراق: حجم فتحات الهواء الصغيرة في لوحة معدنية داخل الموقد تُسمى لوحة الحاجز. من خلال تغيير أقطار هذه الفتحات فقط مع إبقاء إمداد الوقود دون تغيير، يوضح الباحثون كيف تتغير شكل اللهب ودرجة الحرارة والتلوث والكفاءة — رؤى يمكن أن تساعد في تصميم أجهزة غازية أكثر أمانًا وكفاءة.

نظرة أقرب على لهب غازي شائع

ركّز الفريق على «اللهب الانتشاري»، وهو نوع اللهب الذي يلتقي فيه الوقود والهواء ويختلطان أثناء الاحتراق، بدلاً من أن يكونا مخلوطين بالكامل مسبقًا. تحظى اللهب الانتشارية بشعبية في الصناعة لأنها تكون عادةً مستقرة وموثوقة، لكنها غالبًا ما تهدر وقودًا أكثر وتصدر ملوثات أكثر من اللهب المختلط جيدًا. في هذه الدراسة كان الوقود غاز البترول المسال (LPG)، خليط شائع من البيوتان والبروبان. بنى الباحثون حجرة اختبار معدنية — محرّق أسطواني بسيط — ووضعوا لوحة حاجز مسطحة بها ثمانية فتحات هواء دائرية مباشرة قبل نقطة حقن الغاز. من خلال اختبار خمسة أقطار مختلفة للفتحات تتراوح من 8 إلى 15 مليمترًا، وأربع نسب هواء إلى وقود، تمكنوا من رؤية بطريقة محكمة كيف يغير هذا العنصر الهندسي الواحد السلوك الكلي للهيب.

كيف أُجري التجربة

دفع منفاخ الهواء إلى الحجرة وتمت معايرته بعناية؛ وتم تزويد غاز البترول المسال من أسطوانة مضغوطة عبر فوهة مركزية. ظل معدل تدفق الوقود الكلي ثابتًا بحيث بقي مدخل الحرارة عند 32 كيلوواط، وهو ما يعادل تقريبا موقدًا صناعيًا متوسط الحجم، بينما تم ضبط تدفق الهواء للوصول إلى نسب هواء-وقود مختلفة. قاس الفريق استقرار اللهب — مدى سهولة إشعال اللهب واندفاعه — وكذلك خرائط درجات الحرارة داخل المحرّق، ودرجات حرارة الذروة للهلب، وطول اللهب، وكميات الأكسجين وثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون وأكسيد النيتريك في العادم. كما تتبعوا إلى أين ذهبت الحرارة: إلى مياه التبريد، أو مع الغازات الساخنة، أو ضائعة عبر الجدران المعدنية، حتى يتمكنوا من حساب الكفاءة الكلية للاحتراق.

ما الذي يفعله تغيير حجم الفتحة للهب

ثبت أن حجم الفتحة يعد مقبض تحكم قويًا. أدت الفتحات الأكبر إلى خفض سرعة نفاثات الهواء الداخلة وتوسيع نطاق الظروف التي يمكن الحفاظ فيها على لهب ثابت، مما منح «نافذة استقرار» أوسع. ومع ذلك، فقد نقلت هذه الفتحات الأكبر أيضًا المنطقة الأكثر سخونة بالقرب من لوحة الحاجز وخفضت كلًا من درجات حرارة الذروة وطول اللهب المرئي. أنتجت الفتحات الصغيرة نفاثات هواء أسرع تمازجت بقوة أكبر مع الوقود في مركز الحجرة، ما رفع درجات حرارة اللهب القصوى ومدد اللهب أبعد إلى أسفل مجرى الاحتراق، لكن ذلك جاء على حساب ضيق نطاق التشغيل الآمن. التقط الباحثون هذه الاتجاهات في معادلة بسيطة تتنبأ بطول اللهب من خلال نسبة الهواء إلى الوقود وقطر الفتحة فقط، متطابقة مع قياساتهم ضمن حوالي 2.5 بالمئة.

مقايضات التلوث والكفاءة

روت غازات العادم قصة مماثلة من المقايضات. مالت الفتحات الأكبر، التي برّدت اللهب، إلى خفض أكسيد النيتريك (NO)، وهو ملوث حساس لدرجة الحرارة ويساهم في الضباب الدخاني، لكنها زادت مستويات ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون على طول مسار اللهب. أما الفتحات الصغيرة، بلهبها الأكثر حرارة وحركة، فقد أنتجت مزيدًا من أكسيد النيتريك لكنها سمحت باحتراق أول أكسيد الكربون بالكامل إلى حد أكبر. عند جمع الفريق لكل تدفقات الحرارة في قيمة واحدة لكفاءة الاحتراق، وجدوا أن الكفاءة انخفضت بشكل ملحوظ مع زيادة قطر الفتحة. على سبيل المثال، أدى زيادة قطر الفتحة من 10 إلى 15 مليمترًا إلى خفض الكفاءة بنحو 10 إلى 11 بالمئة تحت بعض ظروف الهواء-الوقود، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى أن مزيدًا من الحرارة حملت بعيدًا أو فقدت إلى الجدران بدلاً من أن تُستغل بشكل مفيد.

ما معنى ذلك للمواقد الحقيقية

بالنسبة لغير المتخصص، الرسالة الرئيسية هي أن اختيارات تصميم صغيرة داخل المواقد — مثل قطر فتحات الهواء في لوحة معدنية بسيطة — يمكن أن تغير التوازن بين الاستقرار والكفاءة والتلوث. يمكن للفتحات الصغيرة استخلاص حرارة مفيدة أكثر من نفس كمية غاز البترول المسال لكنها تتطلب تحكمًا أدق لتجنب مشاكل اللهب وقد تزيد بعض الملوثات؛ أما الفتحات الأكبر فتجعل اللهب أكثر تساهلاً لكنها تهدر مزيدًا من الوقود والحرارة. توفر القياسات التفصيلية وقاعدة التصميم البسيطة المطورة في هذا العمل دليلاً عمليًا للمهندسين لضبط معدات المواقد لأهداف محددة، سواء كانت أقصى كفاءة أو انبعاثات أقل أو تشغيل موثوق في أنظمة التدفئة والطاقة المدمجة.

الاستشهاد: Mohammed, E.S., Gad, H.M., Ibrahim, I.A. et al. Experimental investigation of diffusion flames with different baffle-plate air-hole diameters. Sci Rep 16, 7479 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38141-2

الكلمات المفتاحية: احتراق غاز البترول المسال, اللهب الانتشاري, لوحة الحاجز, كفاءة الموقد, استقرار اللهب