VÝM NÍKY TEPLA A KOTLE
VÝM NÍKY TEPLA V ENERGETICE
Doc. Ing. Tomáš Dlouhý, CSc.
Funkce, rozd lení, typy slouží k pr b žnému nebo p erušovanému p edávání tepelné energie pomocí proudících teplonosných médií Podle pracovního pochodu existují t i základní typy
rekupera ní - ob tekutá média, oh ívající i oh ívané, jsou zde odd lena nepropustnou st nou o ur ité tlouš ce o výh evných plochách S1 a S2 na stranách obou médií regenera ní - oh ívané médium vtéká opakovan s ur itým asovým zpožd ním za médiem oh ívajícím do p esn vymezeného prostoru, vypln ného pevným teplo zprost edkujícím elementem a p ijímá z n ho teplo, d íve p ivedené oh ívajícím médiem, sm šovací - oh ívané a ochlazované médium se v tomto vým níku sm šují tak, že vytvo í sm s - teplosm nná plocha je dána nap . povrchem kapek vst ikované vody.
Zna ení vým ník v tepelných schématech
a-rekupera ní vým ník, b-regenera ní vým ník, c-sm šovací vým ník, m -hmotnostní pr tok, t -teploty pracovních látek
Typy vým ník Podle ú elu a použití rozeznáváme: oh
a,b,-rekupera ní vým ník obecn , c-chladi , d-odparka, e-parní kotel s p eh ívákem, f-kondenzátor, g-sm šovací vým ník, ichladicí v ž, j-p eh ívák páry, n v-napájecí voda, o -odluh (solemi zahušt ná voda), k -kondenzát, p -sytá pára, p -p eh átá pára, ch v -chladící voda, t p -topná pára
íváky - vyzna ují se tím, že oh ívané médium v nich zvyšuje svou teplotu, ale nedochází ke zm n fáze, chladi e - ochlazované médium snižuje v nich svou teplotu beze zm ny fáze, výparníky a odparky - oh ívané kapalné médium se m ní v páru, kondenzátory - teplejší médium v parní fázi se sráží v kapalnou fázi - kondenzát, p eh íváky a mezip eh iváky (p ih íváky) - slouží ke zvyšování teploty syté nebo p eh áté páry, sušárny - p ísunem tepla se dosahuje snížení vlhkosti látky v pevné fázi, termické odply ováky vody - parním oh evem vody k bodu varu dochází k vylu ování pohlcených plyn , topná t lesa úst edního vytáp ní - otopné médium oh ívá okolní vzduch.
1
Kotel
soustavu vým ník parního kotle sestává z oh
íváku napájecí vody,
výparníku, p
eh íváku a p ih íváku
nazýváme ji tlakový systém kotle
podle zp sobu p enosu tepla rozeznáváme v kotli vým níky:
D lení podle proud ní ve vým nících
souproudé - sm ry os proud oh ívajícího a oh ívaného média jsou rovnob žné a vektory rychlostí mají stejný smysl, protiproudé - sm ry proud jsou rovnob žné a mají opa ný smysl, k ížové - osy proud jsou mimob žné a v kolmém pr m tu spolu svírají úhel 90°, se šikmým vzájemným proudem - osy proud svírají v kolmém pr m tu spolu úhel v tší nebo menší než 90°, s kombinovaným proud ním a-souproud, b-protiproud, c-k ížový proud. d-šikmý proud, e až g-kombinované proud ní
konvek
ní - o p edaném teple rozhoduje hlavn proudící médium, sálavé (radia ní) - v tšina tepla se p edává sáláním, kombinované - dochází k p enosu tepla proud ním i sáláním
D lení podle konstruk ního ešení
Podle konstruk ního ešení výh evné plochy se vyvinuly nejr zn jší typy vým ník , z nichž nej ast jší jsou:
D lení podle kombinace teplonosných médií
Podle kombinace teplonosných médií se vyskytují v energetice nej ast ji tyto vým níky:
bubnové (kotlové), deskové, trubkové, svazkové, šroubové, hadové, žebrové, vlásenkové
Požadavky na vým ník
co nejmenší rozm ry, hmotnost a cena vým níku, co nejmenší tlakové ztráty ( erpací práce), co nejvyšší spolehlivost v provozu.
Používaná teplonosná média
Vým níky rekupera ní
plyny - spaliny, vzduch, p eh átá pára nevýhoda v nízké m rné tepelné kapacit i tepelné vodivosti a ve špatném sou initeli p estupu tepla
tekuté kovy – Na+K – pro vysoké teploty do 900 °C + vysoká tepelná kapacita, dobrá tepelná vodivost i p estupní sou initel – p i zchladnutí za ízení ztuhnou a musí se proto p i odstavování v as z okruhu vypoušt t
Pracovní látky jsou odd leny pevnou st nou, která tvo í výh evnou plochu vým níku. Podle tvaru a provedení této plochy jsou v energetice nej ast jší vým níky
ve vým níku kondenzuje – odvádí se kondenzát
Konstrukce vým ník tepla
voda sytá vodní pára
voda-voda, pára-voda, pára-vzduch, pára-olej, spaliny-voda, spaliny-pára, spaliny-vzduch atd.
trubkové, deskové vým níky s žebrovanými povrchy.
Používají se zde jako
vysokotlaké a nízkotlaké oh íváky napájecí vody v systémech regenerace, kondenzátory parních turbín, chladi e kondenzátu, chladi e oleje, spalinové vým níky, oh íváky vzduchu a jiné.
2
Vým níky rekupera ní trubkové
Z hlediska skupenství rozeznáváme vým níky:
Z hlediska zm n proud ní rozeznáváme:
bez zm ny skupenství teplonosných látek, se zm nou skupenství jedné teplonosné látky, se zm nou skupenství obou teplonosných látek. omývání p í né, tj. kolmo na výh evnou plochu trubek omývání podélné, tj. rovnob žn s osou trubek
Z hlediska uspo ádání trubek rozeznáváme:
trubky za sebou (v zákrytu) trubky p esazené (vyst ídané)
Pláš ový trubkový vým ník tepla s p ímými trubkami a p epážkami
Svazkový vým ník s vyst ídanými trubkami
a - segmentovými, b - koncentrickými
Pláš ový trubkový vým ník tepla s p ímými trubkami a segmentovými p epážkami
lánkový trubkový vým ník tepla
nevýhodou pláš ových vým ník jsou problémy s teplotní dilatací trubek mezi pevnými trubkovnicemi použití t chto typ je omezeno na nižší teplotní rozdíly obou pracovních médií a na nižší tlaky.
3
Vlásenkové vým níky s U-trubkami
K výhodám U-trubek pat í:
K nevýhodám pat í
nevznikají problémy s teplotními dilatacemi, nebo trubky se mohou voln roztahovat, používá se trubek velmi malých pr ez a tloušt k, vým níky mají nízkou hmotnost, svazek je kompaktní a dob e využívá prostoru plášt . nemožnost mechanického išt ní vnit ního povrchu trubek nemožnost vým ny poškozené trubky
P i použití vyšších tlak nar stá tlouš ka trubkovnice až do velikosti 500 mm a výroba trubkovnic již vyžaduje zvláštní tepelné postupy.
Vlásenkový vým ník s U-trubkami l-vstupní komora, 2-výstupní komora, 3-pláš , 4-výh evná plocha z vlásenkových trubek, 5-trubkovnice
Vertikální bojler - akumulátor l-pr lez, 2-promývací otvor, 3-litinový základový kruh, 4-vlásenkový vým ník, 5-akumula ní nádrž
Pláš ové vým níky pro vyšší parametry
Vlásenkový vým ník s U trubkami
Provádí se:
Vým níky se šroubovit vinutými trubkami Výhodami t chto vým ník jsou
jednoduchá výroba využití istého protiproudu p i zachování p í ného obtékání trubek média na vn jší stran .
kompenzace s ucpávkou, kompenzace pružným zvln ním plášt , kompenzace s plovoucí hlavou.
Vým níky se žebrovanými povrchy
Smyslem žebrování je zv tšení teplosm nného povrchu trubek.
Žebrování m že být uskute n no
na vn jším na vnit ním povrchu
Žebra mohou být p í ná, podélná šroubovit vinutá.
Na trubku mohou být navinuta ve form pásku, vyválcována z materiálu trubky, odlita nalisována
4
Pravidla pro použití žebrovaných trubek
Žebra lze s výhodou použít u vým ník , které mají výrazn rozdílný sou initel p estupu tepla u pracovních médií. Žebra se používají na stran menšího sou initele p estupu tepla. Je-li sou initel p estupu tepla p ibližn stejný na obou stranách, nemá žebrování smysl. Žebrováním dochází:
Rekupera ní vým níky deskové
teplosm nná plocha je vytvo ena z tenkých kovových desek, které jsou na sob pevn p itisknuty. desky mají prolisy, které po sesazení desek k sob tvo í kanálky ochlazované resp. oh ívané médium proudí v kanálcích z p ední resp. zadní strany desky v protiproudu
ke zv tšení teplosm nného povrchu, ke zv tšení tepelného toku trubkou, ke snížení tlakové ztráty média na stran žeber v d sledku menšího po tu ad trubek.
Výhodou deskových vým ník oproti trubkovým je:
kompaktnost ešení, istý protiproud velká turbulence proud pracovních látek malá tlouš kou st ny malé rozm ry a hmota, u vým ník lze velmi jednoduše zv tšovat výkon p i azováním dalších unifikovaných desek
Nevýhodu deskových vým níku jsou
omezení pracovní teploty do 270 °C (dáno použitým t sn ním mezi deskami) problémy s dosažením t snosti p i v tších tlacích
5
Vým níky regenera ní
Konstrukce oh íváku vzduchu typu Ljungström
P enos tepla se uskute uje prost ednictvím pohyblivé nebo nepohyblivé výpln , která funguje jako akumulátor tepla :
Akumula ní hmota je vytvo ena z velkého po tu tenkých profilovaných plech uložených ve 2 až 3 vrstvách v rotoru Síla plechu bývá 0,6 - 1,2 mm Rotor oh íváku je tuhé sva ované konstrukce kruhového tvaru a je rozd len do n kolika sektor , do kterých jsou vloženy akumula ní plochy Ut sn ní rotoru je provedeno pevnými kovovými ucpávkami upevn nými radiáln a axiáln na konstrukci mezi jednotlivými sektory.
1. fáze - teplejší látka p edává teplo výplni, která se nah ívá, 2. fáze - v následném ase je toto naakumulované teplo p edáváno látce oh ívané.
Nejrozší en jší aplikací tohoto typu vým níku v energetice je rota ní spalinový oh ívák vzduchu, ozna ovaný jako Ljungström
Vým níky sm šovací Sdílení tepla zde probíhá p ímým stykem obou pracovních látek. Teplosm nná plocha ve srovnání s ostatními typy vým ník zde neexistuje. V energetice se t chto vým ník používá nej ast ji pro:
vst oh
Vst ikový chladi páry
k regulaci teploty p eh áté páry u kotle se nej ast ji používá vst ik napájecí vody do páry. regulace je jednostranná (pouze snižuje teplotu p eh áté páry z kotle) množství vst ikované vody je automaticky regulováno
l-trubka s rozst ikovacími otvory, 2-základní parní potrubí, 3-vnit ní vestavba
ik vody do páry, ev napájecí vody.
6
Nízkotlaký odply ovák
Nízkotlaký odply ovák
je azen v systému regenera ního oh evu napájecí vody parních kotl oh evem vody na mez sytosti dojde k uvoln ní plyn rozpušt ných ve vod pro oh ev vody se používá nízkotlaká páry (nap . z odb ru turbíny), která se p ivádí p ímo do vodního prostoru odply ováku p i její kondenzaci se uvol uje skupenské teplo, které oh ívá vodu
Kotel teplovodní s p etlakovým ho ákem o výkonu 50 kW do 12 MW
Elektrárenská parní kotel
Trubkový svazek
Trubkový svazek
7
Deskový p eh ívák
Deskový p eh ívák
Provoz vým ník tepla
Provoz vým ník tepla
Základním problémem jsou net snosti pracovních látek, jejichž p í inami jsou: zanášení výh evných ploch, koroze výh evných ploch, abraze výh evných ploch.
Zanášení je usazování r zných materiál - solí, korozních produkt a pevných látek z teplonosných látek na výh evnou plochu vým níku. Tepelná vodivost nános bývá podle druhu nános malá v rozmezí 0,5 - 2 W/m2K – brání p estupu tepla Nánosy mohou být na obou stranách pracovních látek. Zanášení lze ovlivnit: úpravou vody, tj. snížením koncentrace solí, mechanickým išt ním trubek doporu enými chemikáliemi.
Koroze ze strany vody se vyskytují p edevším na stran teplé užitkové vody:
Rozsah napadení závisí:
Provoz vým ník tepla
Abrase (ot r) výh evných ploch je charakteristická pro proud ní spalin, obsahující pevné ástice. ástice zp sobují na stran spalin úbytek materiálu a v kone né fázi vedou k net snostem - typické u oh ívák vody v kotlích na tuhá paliva. Prevence je možná:
na složení spalovaného paliva na provozní teplot .
Povrchová teplota kovu trubky musí být nad rosným bodem spalin, jinak hrozí tzv. nízkoteplotní koroze Hlavními prost edky proti nízkoteplotním korozím jsou:
na chemickém složení vody, zejména koncentraci O2, CO2, Ca, Mg, HCO3, chlorid a síran . na použitých materiálech výh evných ploch a pláš vým níku.
Rozsah napadení na stran spalin u kotlových vým ník závisí
zp sobeny kyslíkem, p ípadn oxidem uhli itým. napadení je v tšinou d lkové intenzita se zna n zvyšuje p ítomností inkrustací a sediment .
optimalizace spalovacího režimu, udržení teploty povrchu trubek nad rosným bodem, používání odolných materiál , dávkování aditiv do spalovacích komor kotl .
Ochrana trubek svazku proti abrasi
snížením rychlosti spalin, nebo úbytek materiálu abrazí je p ibližn úm rný rychlosti spalin ws3, konstruk ními úpravami v podob pasivních ochran trubek.
Krom t chto uvedených hlavních p í in poruch vým ník tepla p icházejí ješt v úvahu: net snosti v zaválcování v trubkovnicích, vady svar a materiálu, eroze vodou v d sledku kondenza ní fáze, únavové porušení trubek v d sledku vibrací svazku trubek, kavita ní poškození, kvalita t sn ní u deskových vým ník tepla aj.
8
