ભઠ્ઠીઓ

ભઠ્ઠીઓ (furnaces) : ઘન કે પ્રવાહીસ્વરૂપ પદાર્થોને ગરમ કરી તેના ભૌતિક કે રાસાયણિક ફેરફાર કરવા માટેનું સાધન. ભઠ્ઠીમાં જરૂરી ગરમી કાર્બનિક પદાર્થો જેવા કે લાકડાં, કોલસા, પેટ્રોલિયમ-તેલ, ગૅસ વગેરેની દહનક્રિયા કે વીજ-ઊર્જા દ્વારા મેળવાય છે. હવે સૂર્યશક્તિ અને અણુશક્તિ પણ અમુક ખાસ સંજોગોમાં ભઠ્ઠીમાં ગરમીના સ્રોત તરીકે વપરાય છે. ઊર્જાના સ્રોત અને તે કઈ રીતે વાપરવામાં આવે તેને ધ્યાનમાં લઈ ભઠ્ઠીઓ દહન, વીજ, સૂર્યઊર્જા અને અણુભઠ્ઠી – એવા ચાર પ્રકારમાં મુકાય છે.

દહનભઠ્ઠીઓમાં જે તે પદાર્થને બે રીતે ગરમી આપવામાં આવે છે. સીધી સંસર્ગ-રીત, જેમાં ગરમ થતો પદાર્થ દહનોત્પન્ન વાયુઓના સીધા સંસર્ગમાં હોય છે; જ્યારે પરોક્ષ સંસર્ગ-રીત જેમાં દહનોત્પન્ન વાયુઓ ગરમ થતા પદાર્થના સીધા સંસર્ગમાં આવતા નથી. આ વાયુઓ નળીઓમાંથી પસાર થાય અને નળીઓ જે પદાર્થને ગરમ કરવાનો હોય તેને ગરમી આપે છે. બૉઇલરો બીજી રીતનું સારું ઉદાહરણ છે. તેલ-રિફાઇનરીઓમાં વપરાતી ભઠ્ઠીઓ તેમજ ધાતુરસ મેળવવા વપરાતી તલ-ભઠ્ઠીઓ (hearth furnaces) – એ સીધી સંસર્ગરીતનાં ઉદાહરણ છે.

પ્રવાહી પદાર્થો માટે વપરાતી ભઠ્ઠીઓ પ્રવાહી પદાર્થોને માત્ર ગરમ કરવા માટે જ હોય અથવા તો તેમને ગરમ કરી રાસાયણિક પ્રક્રિયા ઉત્પન્ન કરવા માટે પણ હોય. ઑઇલ રિફાઇનિંગના વિકાસમાં નળી-પ્રકારની (tubular type) ભઠ્ઠીઓએ મહત્વનો ભાગ ભજવ્યો છે. નળીઓની ગોઠવણ, બર્નરો(જ્વાલકો)ની સંખ્યા અને ગોઠવણ દહનવાયુની દિશા તેમજ ભઠ્ઠીના કવચ(shell)ના આકાર પ્રમાણે નળી-પ્રકારની અનેક પ્રકારની ભઠ્ઠીઓ બને છે.

આકૃતિ 2માં ત્રણ મુખ્ય આકારની નળી-ભઠ્ઠીઓ દર્શાવી છે. આ ભઠ્ઠીઓમાં ગરમ કરવાનો પદાર્થ (પ્રવાહી) નળીઓમાંથી પસાર થાય છે અને દહનોત્પન્ન વાયુઓ ભઠ્ઠીની રચના પ્રમાણે ઉપર અથવા તો નીચે ખેંચાઈને છેવટે ચીમની વડે બહાર નીકળે છે. ઊર્જાના સ્રોત તરીકે વપરાતા બળતણનું પૂરું દહન થાય તે માટે પૂરતા પ્રમાણમાં હવા મળી રહે તે જરૂરી છે. બળતણ-પદાર્થમાં રહેલ મુખ્યત્વે કાર્બન અને હાઇડ્રોજનનું પૂરું દહન થાય તે માટે ચોક્કસ (ન્યૂનતમ) માત્રામાં પ્રાણવાયુ જરૂરી છે. આ પ્રાણવાયુ હવામાંથી મળે છે. ન્યૂનતમથી વધુ હવા પૂરી પાડી પૂર્ણ દહન થાય તો દહનદક્ષતા (combustion efficiency) સારી મળે. સામાન્ય રીતે દહન-ભઠ્ઠીઓમાં વધારે હવા(excess air)નું પ્રમાણ 15 %થી 35 % સુધીનું હોય છે. ભઠ્ઠીની રચના પ્રમાણે ગરમ થતા પદાર્થને મળતી ગરમી/ઉષ્મા, ઉષ્મા-પ્રેષણ(heat transmission)ની ત્રણેય રીતો ઉષ્મા-વહન, ઉષ્મા-નયન અને ઉષ્મા-વિકિરણથી મળે છે. કઈ રીતથી કેટલા પ્રમાણમાં ઉષ્મા મળશે તે સમગ્રતયા ભઠ્ઠીની રચના પર આધાર રાખે છે.

ભઠ્ઠીઓમાં ઊર્જાના સ્રોત તરીકે વીજ-પ્રવાહ(electricity)નો ઉપયોગ વધતો ગયો છે. વીજપ્રવાહનું નિયમન કરવું સહેલું છે, કારણ કે તે સહેલાઈથી પ્રત્યાવર્તી વીજ-પ્રવાહમાંથી (from alternating current) સીધા વીજપ્રવાહમાં (to direct current) અને સીધામાંથી પ્રત્યાવર્તીમાં ફેરવી શકાય છે. વીજભાર (voltage) તેમજ વીજ-આવૃત્તિ(frequency)માં પણ સહેલાઈથી ફેરફાર કરી શકાય છે. વીજભઠ્ઠીઓ મુખ્યત્વે ત્રણ પ્રકારની હોય છે : (1) વીજપ્રતિરોધ ભઠ્ઠીઓ, જેમાં ઉચ્ચ પ્રતિરોધવાળા ધાતુના તારનાં ગૂંચળાં(coil)માંથી વીજપ્રવાહ વહેતાં, તારનાં ગૂંચળાં ગરમ થાય છે. આ ઉષ્મા જે તે પદાર્થને નરમ કરવામાં વપરાય છે. (2) પ્રેરણ-ભઠ્ઠીઓ (induction furnaces), જેમાં વીજ પ્રવાહના પ્રેરણથી ઉષ્મા ઉત્પન્ન થાય છે. આ રીતમાં જે પદાર્થને ગરમ કરવાનો હોય તે પદાર્થ ટ્રાન્સફૉર્મરની સેકન્ડરી કૉઇલ તરીકે કામ કરે છે. આ ભાગ ફરતી તાંબાની કૉઇલ હોય છે. આ કૉઇલ ટ્રાન્સફૉર્મરની પ્રાઇમરી કૉઇલ તરીકે કામ કરે છે.

જ્યારે પ્રાઇમરી કૉઇલમાં ઉચ્ચ આવૃત્તિવાળો વીજપ્રવાહ પસાર કરવામાં આવે ત્યારે સેકન્ડરી કૉઇલ(એટલે કે જે પદાર્થ ગરમ કરવાનો છે તે)માં પ્રવાહનું પ્રેરણ થાય છે અને તેને લીધે તે ગરમ થાય છે. વીજપ્રવાહની આવૃત્તિ (frequency of current) 2 કિલોસાઇકલથી માંડીને 500 કિલોસાઇકલ જેટલી હોય છે. ગરમ કરવાનો દાગીનો જેમ નાનો તેમ વીજ-પ્રવાહ-આવૃત્તિ વધુ રાખવી પડે. પદાર્થને ગરમ કરવા કે પિગાળવા માટે વીજ-પ્રેરણ-રીત સરળ અને ઝડપી છે. આકૃતિ 3માં પ્રેરણ-ભઠ્ઠીનું સાદું ચિત્ર આપેલ છે. (3) ચાપ-ભઠ્ઠીઓ (arc furnaces), જેમાં જરૂરી ગરમી વીજચાપ (electric arc) દ્વારા મળે છે. અહીં બે કે ત્રણ પ્રાવસ્થા-વીજ-પ્રવાહ (two or three phase altrernate current) વપરાય છે. બે પ્રાવસ્થા હોય તો બે અને ત્રણ પ્રાવસ્થા હોય તો ત્રણ ઇલેક્ટ્રૉડ વપરાય છે. આ ઇલેક્ટ્રૉડ કાર્બન ધાતુના હોય છે.  જે ધાતુને ગરમ કરવી કે પિગળાવવી હોય તેમાં જ્યારે કાર્બન ઇલેક્ટ્રૉડમાંથી વીજપ્રવાહ પસાર કરવામાં આવે ત્યારે ઇલેક્ટ્રિક આર્ક (વીજચાપ) ઉત્પન્ન થાય છે. તેને લીધે પદાર્થ ગરમ થાય છે. આકૃતિ 4માં ચાપ-ભઠ્ઠી દર્શાવેલ છે :

ગાયત્રીપ્રસાદ હીરાલાલ ભટ્ટ