ENERGIATERMELÉS, -ÁTALAKÍTÁS, -SZÁLLÍTÁS ÉS -SZOLGÁLTATÁS 2.6
A fűtési rendszer kiválasztása – a hőközlő közeg gőz vagy folyadék legyen? Tárgyszavak: gőzfűtés; kondenzátumfelhalmozódás; hőteljesítmény; szabályozás; folyadékos fűtés.
Gőzfűtés Vegyi és ipari berendezéseknél a leggyakrabban alkalmazott hőközlő közeg a vízgőz, mivel a gőznek a folyadék hőközlő közeggel összehasonlítva a következő előnyei vannak: – Az egész fűtőfelületen egyenletes a hőmérséklet. – Nagyon jó a hőátadási tényező (>6000 W/m2K). – Egyszerű és gyors a fűtés szabályozása a gőzvezeték zárásával. Gőzzel fűtött berendezés hőteljesítménye az alábbi egyenlet szerint számolható: Q = k·A·∆t. ∆t = tkond.–tprod. (tkond a fűtőgáz kondenzációs hőmérséklete, tprod a termék forráspontja). A berendezés hőteljesítményét kétféleképpen lehet befolyásolni: – gőzoldali szabályozással; csökkentve a kondenzációs nyomást, amivel a ∆t hőmérséklet-különbséget csökkentjük, – kondenzációs oldali szabályozással; a rendelkezésre álló fűtőfelületet (A) változtatjuk. Az 1. ábrán szemléltetett gőzoldali szabályozás terjedt el leginkább. A fűtőteljesítményt a fojtószeleppel csökkentve a gőz áramlási keresztmetszetét szabályozzák, és így a berendezésbe kisnyomású gőz lép be. Kisebb vízgőznyomás alacsonyabb kondenzációs hőmérsékletet jelent, és így az uralkodó hőmérséklet-különbség (∆t = tkond.–tprod.) is kisebb lesz. A következő számszerű példában követhetjük, hogy miként csökken a hőteljesítmény 58%-kal, ha a gőz nyomását 5 barról 3 barra csökkentjük. Gőzfűtésű lepárló: Termék forráspontja tprod. = 120 °C Gőznyomás 5 bar tkond. = 151,8 °C ∆t = 31,8 °C Q = 100%
Gőznyomás = 3 bar ∆t = 13,5 °C
tkond. = 133,5 °C Q = 42%
a) T 2
b)
T2 TK
TK
FK
FK
gőz
gőz
LK
T1
kondenzátum
T1
kondenzátum
1. ábra Gőzfűtésű berendezés gőzszabályozása Az 1. ábrán szereplő gőzszabályozás gyors, és közvetlenül befolyásolja a hőteljesítményt. A fűtés a minimálisan szükséges falhőmérsékleten működik, így kevésbé szennyez, és kisebbek a hőfeszültségek. Hátrány, hogy a fellépő túlfűtés a termék károsodását okozhatja. A gőzfűtés szelepfojtása 5-ről 2 barra túlhevített gőzt eredményez, amelynek hőmérséklete 139,7 °C, szemben a telített gőz 120,3 °C hőmérsékletével. Ha ez a túlhevítés nem engedhető meg, akkor a rendszerbe egy gőzvisszahűtőt kel beszerelni.
A kondenzátumfelhalmozódás problémája A gyakorlatban leginkább a gőzbetáplálás szabályozását alkalmazzák, amelynél ha a kondenzációs nyomás lényegesen meghaladja a kondenzrendszer ellennyomását, vagyis elegendő a nyomáskülönbség (∆P), akkor a berendezés kondenzelvezetése megfelelően működik. Mikor a fűtési hőmérséklet 100 °C érték alá csökken, a fűtőtérben lévő kisnyomás mellett a nyomáskülönbség is oly csekély, hogy a kondenzátum nem tud lefolyni. A hőcserélőt a kondenzátum elárasztja, és így egy-egy fűtőfelületet blokkolva a hőteljesítményt csökkenti. Ha a hőmérséklet-szabályozás érdekében a gőzszelepet teljesen kinyitják, a gőz a kondenzátumot kilöki a berendezésből. Ek-
kor viszont a túlhevítés miatt ismét el kell zárni a gőzszelepet, aminek következtében a kondenzátum ismét felgyűlik. Egy ilyen váltakozó fűtés még elfogadható tartályok fűtésére, de desztillációs berendezéseknél katasztrófát okozhat. Ezért ilyen esetekben a kondenzátumot szivattyúval kell elvezetni, mint ezt az 1.b ábra szemlélteti, vagy a 2. ábrán látható kondenzlevezető szabályozást alkalmazni. a)
b)
T2
T2 TK
TK FK
gőz gőz
LK
T1
kondenzátum
T1
kondenzátum
2. ábra Gőzfűtésű berendezés kondenzlevezetés-szabályozással A kondenzátumfelhalmozódás problémája különösen akkor jelentkezik, ha a termék hőérzékenysége folytán a hőteljesítményt, ill. a gőz nyomását erősen csökkenteni kell. A 3. ábra szemléltetet egy olyan példát, amikor a hőteljesítményt szelepfojtással 50%-kal kell csökkenteni; a kondenznyomást 8 barról 1,5 barra. A következmény, hogy a hőcserélőben a kondenzátum felgyülemlik. A fűtőgőz nyomásesését, amely a csökkentett teljesítmény következtében adódik, számítani lehet az adott hőmérséklet-különbségből. A 2. ábrán bemutatott kondenzátumlevezetéses szabályozásnál a hőcserélő felületének egy részét a kondenzátum feltölti, és így nem képes fűteni. A kisebb fűtőfelület csökkenti a hőteljesítményt. Példának okáért, ha egy vertikális elpárologtatónál a 3 m hosszú kondenzelvezető cső 1 m hosszan megtelik kondenzátummal, a hőteljesítmény 10%-ról 66%-ra csökken! A kondenzelvezető szabályozás igen előnyös, ha a hőteljesítményt széles határok között kell szabályozni, vagy ha a hőátadás rossz – pl. az elpárologtató erős szenynyezettsége miatt. Újonnan üzembe állított elpárologtató nem tartalmaz szenynyezést, és ebben az esetben az adódó hőmérséklet-különbséget jelentősen csökkenteni kell.
9 fűtőgőz nyomása, bar
8 7 6 5 4 3 2 1 0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
hőteljesítmény (a maximálishoz viszonyítva) fűtőgőz nyomása
kondenzátumnyomás
60 °C
TK
gőz 8 bar 170,4 °C
termék 40 °C
kondenzátum 1,5 bar
3. ábra A fűtőgőz nyomásesése szelepfojtásos fűtőteljesítmény esetében A kondenzlevezetés-szabályozásnál a gőznyomás nem csökken, így elegendő nyomás áll rendelkezésre a kondenzátum elvezetéséhez. A szabályozó szelep kisebb, így kisebb volumenű kondenzátum nagyobb nyomáskülönbség mellett áramlik. A kondenzelvezető elmaradhat. A kondenzlevezető szabályozás legnagyobb hátránya, hogy a hőteljesítményt nem közvetlenül, hanem közvetett módon szabályozza a hőcserélőben, egy lassú kondenzátumszintváltozás útján. Fontos, hogy a kondenzelvezetés konstrukciója lehetőleg vízlökésmentes megoldást biztosítson, ezzel is csökkentve a feltöltődés veszé-
lyét, továbbá a szabályozó szelepek elrendezése lehetővé tegye a gőz kiengedését. A lecsapódó gőz és a keletkező forró víz révén kialakuló egyenlőtlen fűtés bizonyos hátrányokat jelent: – A különböző fűtőzónák eltérő hőmérséklete miatt a termék hevítése nem egyenletes. – Termoszifon-elpárologtatóknál a folyamat még inkább egyenlőtlen fűtőteljesítményt eredményez. – Járulékos hőfeszültségek. A hőcserélőt a kondenzátum az irányváltó lemezházig eláraszthatja, aminek következtében az egyenletes szabályozás nehezebbé válik, és vízlökések léphetnek fel. A szabályozó szelep nem képes egyidejűleg szabályozni és kondenzelvezetőként működni, ezért kell időnként a kondenzátumot friss gőz bevezetésével eltávolítani. A
P
állandó előremenő hőmérséklet + túlfolyószelep
A
háromutas szeleppel csatlakozó fogyasztó hátrány: magas előremenő hőmérséklet minden felhasználónál
4. ábra Primer fűtőkörös folyadékos fűtés
Folyadékkal való fűtés Fűtőközegként a víz 150 °C hőmérsékletig (5 bar) jöhet számításba, szerves hőközlő közegek nagyobb hőmérsékletig; egészen 320 °C-ig. A szerves hőközlő közegek előnye, hogy a fűtőrendszer és a berendezés még magas hőmérséklet esetén is kisnyomáson üzemel. Figyelembe kell azonban venni, hogy a szerves hőközlő közegek a rosszabb hővezetésük révén lényegesen rosszabb hőátadási tényezővel rendelkeznek, mint a gőz és a víz. A folyadék hőközlő közeg hátránya, hogy nem állandó hőmérsékletű a fűtés. A
P
szekunder kör pontos hőmérséklet-beállításhoz
A H2O
P
szekunder kör fűtéssel és hűtéssel előnye, hogy minden felhasználó a szükséges előremenő hőmérsékletet kapja, kíméletes fűtés
5. ábra Szekunder fűtőkörös folyadékos fűtés A lehetséges fűtési rendszereket a 4. és 5. ábrák szemléltetik. A 4. ábrán ún. primer fűtőkörös rendszer szerepel, ahol minden hőcserélő a hevítőből
kilépő magas hőmérsékletű közegre kapcsolódik. Ez a termék hőkárosodását okozhatja. A hevítő hőteljesítménye az összes felhasználó hőigényétől függően változik. A berendezésbe belépő hőközlő közeg áramlását fojtószeleppel lehet szabályozni, amivel együtt a hőátadási tényező is változik, a Reynoldsszámnak megfelelően.
T1
t2
t2
E
VF VF - E
tE
Q t1
E T2
a Q hőteljesítményhez szükséges tárolt közeg mennyisége: E E=
Q (kg / h ) CF × (tE − t 2 )
(1)
a Q hőteljesítményhez szükséges áramló közeg térfogata: VF VF =
Q (kg / h ) CF × (t1 − t 2 )
(2)
az előremenő hőmérséklet: t1 t1 =
(VF − E ) × t2 + E × tE (°C ) VF
(3)
Az alkalmazott jelölések: A = a hőcserélő felülete (m2) CF = a hőközlő fajhője (Wh/kg·K) E = a szekunder körben tárolt közeg mennyisége (kg/h) K = a hőátadási tényező (W/m2·K) Q = hőteljesítmény (W) T1 = a fűtőközeg belépési hőmérséklete (°C) T2 = a fűtőközeg kilépési hőmérséklete (°C) TE = a tárolt közeg hőmérséklete (°C) VF = a körfolyamatban áramló közeg mennyisége (kg/h)
6. ábra Egy szekunder fűtőkör elrendezése
Lényegesen kedvezőbb az 5. ábrán bemutatott szekunder fűtőkör, amellyel messzemenően egyenletes fűtés biztosítható. Különleges előnye a szekunder kör rendkívül rugalmas alkalmazkodása a fűtőfolyadék hőmérsékletéhez és a hőigényhez. Adott hőigény mellett beállítható a fűtőközeg és a termék közötti legkisebb hőmérséklet-különbség. A szekunder kör áramlási sebessége, valamint a hőátadási tényező állandó. A szekunder körös folyadék hőközlő közeges fűtési rendszer legfontosabb képletét (3) szemlélteti a 6. ábra, amely szerint a hőközlő közeg előremenő hőmérséklete (t1) nagymértékben függ a szekunder körben tárolt hőközlő közeg mennyiségétől (E), és ennek hőmérsékletétől (tE). A hőközlő közeg előremenő hőmérsékletének állandósága a következő intézkedésekkel javítható: – Nagy átáramló térfogat VF, kis hőmérséklet-különbség ∆t = t1–t2. – Nagyobb tárolt hőközlő közeg mennyiség E, kis hőmérséklet-különbséggel ∆t = tE–t2. – A tárolt mennyiség (E) pontos szabályozása. – A tárolt hőközlő közeg hőmérsékletének állandó értéken tartása; tE = konst.
A minimális nyomáskülönbség tartása A hőközlő körfolyamat tervezésénél ügyelni kell arra, hogy az előremenő vezeték és a visszatérő vezeték között fenn kell tartani egy minimális nyomáskülönbséget, hogy a felhasználás okozta legnagyobb nyomásveszteség mellett is megfelelő mennyiségű közeg áramolhasson. Ehhez mind a szivattyúk, mind a hőcserélő, valamint a szabályozó- és túlfolyószelepek vonatkozásában az adott nyomásértékek tartása szükséges, amint a következő példa mutatja: ∆P szabályozószelep ∆P berendezés ∆P teljes rendszer
1. felhasználó 1,0 bar 0,5 bar 1,5 bar
2. felhasználó 1,1 bar 0,9 bar 2,0 bar
A túlfolyószelepnél szükséges minimális nyomáskülönbség P = 2 bar. A túlfolyószelepnél a nyomást nagyobb értéken kell tartani, mint egyes felhasználók legnagyobb nyomásvesztesége. (Szentpály Tibor) Nitsche, M.: Dampfförmig oder flüssig; Auswahl von Beheizungssystem. = Verfahrens Technik, 36. k. 7/8. sz. 2002. p. 24–27. Gambert, R.: Modellregelung für Heiz-/Kühlkreislauf. Temperaturkaskaden Batchreaktoren. = Verfahrens Technik, 36. k. 7/8. sz. 2002. p. 28–30.
an
