A munkaközeg melegítési igényének kielégítése kazán alkalmazásával

BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék D.épület 301. T/F:4632613

I. KAZÁNOK

Kalorikus gépek gyakorlat/kazánok

A kazán tüzelõberendezésbõl és a füstgázzal (égéstermékkel)

munkaközeget (vízet) melegít9 hõcserélõbõl áll. A tüzelési folyamatot jelenleg csak az anyag és energiamérleg meghatározása céljából vizsgáljuk, a témakör részletesebb tanulmányozására az Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Tüzeléstechnika illetve Tüzelõ és kazánszerkezetek tárgyainak keretében a következõ félévekben van lehetõség.

A munkaközeg melegítési igényének kielégítése kazán alkalmazásával. Az igény lehet: •

Helyiség f?tés: melegvíz kazán:(Tvízki<115°C, p>ps(Tvízki)) a legolcsóbb, nem veszélyes és a legjobb hatásfokú: Tvízki alacsony és T=Tfgki-Tvízki 25-50°C . Forróvíz kazán: (Tvízki>115°C) távf?tés esetén használatos. p>ps(Tvízki)

•

Technológiai folyamat f?tése: Melegvíz, forróvíz és telített g9zt termel9 kazán. A h9mérséklet pontos tartására a telített g9z különösen alkalmas. p=ps(Tg9z)

•

Villamosenergia termelése: Nagy nyomású és jelent9sen túlhevített g9z (Ez ad jó körfolyamat hatásfokot, lásd a Carnot körfolyamatot: h9bevezetés és h9elvonás közepes h9mérséklete.) Kombinált h9- és villamosenergia termelés is lehetséges.

Számítási feladatok: 1./ Határozza meg a oktán égéséhez szükséges levegõ-, valamint a keletkezõ égéstermék fajlagos (1kg tüzelõanyagra vonatkozó) mennyiségét elméleti =1 és valóságos pl. =1.2 esetben! Elméleti az égés, ha az teljes és tökéletes: összes: C CO2 valamint az összes H H2O lesz. (A harmadik éghet9 elem a kén, ami most S=0 ) Az égési (sztöchiometriai) egyenlet: C8 H18 + 12 12 O2 = 8CO2 + 9 H 2O

Molszámokkal:

1kmol +12.5kmol 8kmol+9kmol

Reagensek = (Az égés során

13.5 kmol

=3.5 kmol

17kmol = Termékek

térfogat növekedés állandó h9mérséklet mellett!)

Az égés tömegekkel(MC=12kg/kmol, MH=1kg/kmol, MO=16kg/kmol, MN=14kg/kmol) 114kg + 400kg = 352kg + 162kg 514kg = 514kg

(Tömeg nem változik!)

Az energetikai tüzelés nem oxigénnel hanem levegõvel történik. A levegõ összetétele: térfogat %:

21 % oxigén 79% nitrogén (atmoszférikus…)

tömeg%:

23.2% "

76.8%

"

A levegõt ilyen módon leírva: 76.8 1 * O2 + 79 21 * N 2 térfogat, és 1 * O2 + 23.2 * N 2

figyelembe. D:\Konczol\Oktatás\kalorgep\kggy01_.doc

1

tömeg szerinte összetétellel vehetõ



A sztöchiometriai (kémiai) egyenlet levegõvel tüzelve az oktánt: 1 79 Molszámokkal: C8 H18 + 12 12 * (O2 + 79 21 N 2 ) = 8 * CO2 + 9 * H 2O + 12 2 * 21 * N 2

1kmolC8H18 +12.5kmolO2 +47.02kmol N2 8kmolCO2 + 9kmolH2O + 47.02kmol N2 Összesen:

60.52 kmol

64.02 kmol

(növekmény 3.5kmol változatlan!)

Tömeggel: 114kgC8H18 + 400kgO2 + 1316.67kg N2

352kgCO2 + 162kgH2O + 1316.67kg N2

Összesen:

1830.67 kg

1830.67 kg

=

(Nem változik!)

Mindkét oldalt elosztva az oktán moltömegével (114 kg/kmol): 1kgC8H18 + 15.06kg levegõ = 3.09kgCO2 + 1.42kgH2O +11.55kgN2 Összesen:

16.06kg

=

=16.06kg

Az 1kg oktán tüzelõanyag égéséhez fajlagosan szükséges elméleti levegõ mennyisége: µLo=15.06kg,

szokásos jelölés még: L0

a keletkezõ elméleti fajlagos égéstermék alkotók mennyisége pedig: µCO2= 3.09 kg/kg

szokásos jelölés még: VCO2

µH2O= 1.42 kg/kg

szokásos jelölés még: VH2O

µN2= 11.55 kg/kg

szokásos jelölés még: VN2

Az elméleti fajlagos égéstermék mennyisége:

µfgo= µCO2+ µH2O+µN2= 16.06kg. Szokásos jelölés még: Vfg0

Az energetikai tüzelés az elméletileg szükségesnél több leveg9vel eredményez tökéletes és teljes elégést. A többlet leveg9 mennyiségét jellemzi a >1 légfelesleg tényez/: = µ L / µ Lo

vagy

=L/L0

Az 1kg oktán tüzelõanyag égéséhez fajlagosan bevezetett tényleges levegõ mennyiség µL: µL= µLo A keletkez9 fajlagos égéstermék tényleges mennyisége : µfg= µfgo+ ( -1) µLo Például az oktánra =1.2 érték esetén: µL= µLo=15.06*1.2=18.07 kg/kg és:

µfg= µfgo+ (µL - µLo) =µfgo+ ( -1) µLo= 16.06+(1.2-1) 15.06=19.07 kg/kg

A kazán h9mérlege: A kazánba bevezetett h9teljesítmény:

Qbe=Qhasznos+Qveszteségek

A kazán veszteségei:

Qveszteségek = Qfüstgázh9v+Qelégetlenv+Qfalv

A tüzelésbe bevezetett h9teljesítmény:

Qtüzbe=B F+Qtüza. el9melegítés+Qlev.küls9 el9melegítés 2

D:\Konczol\Oktatás\kalorgep\kggy01_.doc



2./ Határozza meg egy háztartási melegvízkazánra a jellemzõ tömeg- és energiaáramokat! (Tüzel/anyag: oktán) A kazánba belépõ víz hõmérséklete:

t3=55 °C

A kazánból kilépõ víz hõmérséklete:

t4=70 °C

A kazánba belépõ víz tömegárama:

G3=18 kg/perc

A kazánt elhagyó füstgáz hõmérséklete:

t2=145 °C

A tüzelõanyag oktán, légfeleslegtényezõ:

=1.2

Az oktán fûtõértéke kalorimetrálás szerint: F1=44630kJ/kg A környezõ levegõ hõmérséklete:

t1=20 °C

A kazán külsõ felülete:

Ak=1 m²

A kazán külsõ felületének hõmérséklete:

twk=50 °C

és ott az átlagos hõátadási tényezõ:

k=15 W/m²°C t4

t2 Füstgáz ki

tw t1

Fûtõfelület

Égõ B1, F1

Tûztér Pvill

Qfal

Víz be G3

t3

Megoldás: A kazán állandósult üzemállapotában a be- és kilépõ tömeg- és entalpia áramok megegyeznek (tömeg és energia megmaradás): G3=G4

és

B1 + B1* *µLo = B1*[µfgo+ ( -1) µLo]

valamint:

Qtüza+Qlevbe+Qvízbe+Pvill = Qvizki+Q2fgki+Qfalv+Qéghet9v Átrendezés után a vízáram felmelegítésével a kazán hasznos h/teljesítménye: Qhasznos = Qvízki - Qvízbe = G3*(hv4-hv3) ahol: hv=cvíz*tvíz

és

cvíz = 4.2 kJ/kg°C, amivel:

Qhasznos=G3*cvíz*(t4 – t3)=(18/60)*4.2*15=18.9kW A tüzel9anyag f?t9értékével bevezetett (Fizetünk érte!) h9teljesítmény: Qtüza=B1*F1=B1*44630kJ/kg A kazánban eltüzelt B1 tüzel9anyag tömegáramot még nem ismerjük! D:\Konczol\Oktatás\kalorgep\kggy01_.doc

3



Tüzel9anyag tömegáram meghatározása a kazán energia mérlegéb9l: A Hlevo(t)=µLo cplev t és Hfg(t)=[µfgo cpfg+ ( -1) µLo cplev] t további jelölésekkel valamint Pvill 0, cplev = 1.01kJ/kg°C, cpfg = 1.08kJ/kg°C felvételével:

Belép/ = Kilép/

B1*F1 + B1* *Hlevo(t1) + G3*hv3 = B1*Hfg(t2)+ G3*hv4 + k*Ak*(twk-t1) A fenti entalpia mérlegben egyedül a B1 tüzelõanyagáram ismeretlen, így az kiszámítható. B1= [G3*(hv4 - hv3)+ k*Ak*(twk-t1) ]/[F1 + *Hlevo(t1) - Hfg(t2)] B1=0.00046kg/s = 1.657 kg/h A még hiányzó entalpiaáramok: Q1=B1*F1 =

20.54 kW

tüzelési teljesítmény vagy h/terhelés

Qlevbe=B1* *Hlevo(t1) = 0.167 kW Q2fgki=B1*Hfg(t2) =

1.359 kW

Qfgv=Q2fgki - Qlevbe=B1*[Hfg(t2) - *Hlevo(t1)] =1.192 kW füstgázveszteség Qfalv= k*Ak*(twk-t2)=0.015*1*(50-20)=0.45 kW

fal-hõveszteség:

A tömegáramok közül a még ismeretlen égési levegõ és égéstermék tömegáram: Glev= B1* µL = 0.008317 kg/s =29.94 kg/h Gfg = B1[µfgo + ( -1)* µLo] = 0.008778kg/s= 31.6 kg/h Égéslevegõ térfogatárama:

Vlev=Glev/

lev

Égéstermék térfogatárama:

Vfg=Gfg/

= 24.89 m³/h

fg

= 23.16 m³/h

A kazán hatásfoka az entalpiaáramokkal (direkt meghatározási módszer, ha a számítást mérési adatok alapján végezzük el): = Qhasznos/ Qtüza= 18.9/20.54= 0.92 azaz 92%. A mért mennyiségek: t3, t4, B1, G3, F1. és = Qhasznos/Qbe = G3*cvíz*(t4 – t3)/B1*F1 Mind az öt mennyiség relatív mérési hibáját ±1%-ra becsülve, a kazán hatásfok értéke a becsült hibakorláttal: =92% ±4.5%. (!) Meghatározás módszeréb/l adódik ekkora hiba. A kazán hatásfok indirekt meghatározása a veszteségek alapján: = [Qtüza - Qfgv - Qfalv]/ Qtüza =1 – (Qfgv - Qfalv)/ Qtüza =1-[Hfg(t2)- *Hlevo(t1)]/F1 - Qfalv/B1*F1 A veszteségtényez9k összege a kazánhatásfok szokásos értéktartományában kereken 0.08 azaz 8%. A mért mennyiségek: t1, t2, , F1, falveszteség, melyek mérési hibáját egyenként ±5%-ra (összesen 25%) becsülve, a kazán hatásfok értéke a hibakorláttal: =92% ±2%. Az indirekt kazánhatásfok meghatározási módszer hibája kisebb! D:\Konczol\Oktatás\kalorgep\kggy01_.doc

4



Nagyvízter? lángcsöves-füstcsöves g9zkazán „robbantott” képe:

Nagyvízter? g9zkazán vázlata:

Füstgáz forduló kamra

vízszint 2. füstcsõ huzam 1. füstcsõ huzam

lángcsõ

Víz tükör

tápszelep

2. füstcsõ huzam

tápszivattyú

p

füstgáz kilépés

nyomás mérõ

biztonsági szelep

pgõz vízállásmutató

fõgõz G gõz tolózár

gõz kilépés

1. füstcsõ huzam

lángcsõ

kazándob

iszapoló

lúgozó

Lángcsöves kazán „kiterített” vázlata a h9technikai és áramlástechnikai számításokhoz: Tfal Tvíz Qlcs

víz

LÁNGCSÕ

II. FORDULÓKAMRA

Ptûztér LEVEGÕ

QIIfk

fg

Ttüki

víz

Q1fcs

1 1

T3

T4

p3

p4

QIfk I.FORDULÓKAMRA


ÉGÉSTERMÉK

Tlev T2

T1

p2

p1 d1, L1, n1 1. FÜSTCSÕHUZAM

5

d2, L2, n2 2. FÜSTCSÕHUZAM

Tfgki, pfgki

LÁNG

ÉGÕ

GYÛJTÕKAMRA

Q2fcs

TÁVOZÓ ÉGÉSTERMÉK

TÜZELÕANYAG F [kJ/kg]

HÕSUGÁRZÁS



.3. Példa: Ipari technológia f?tés igénye: pg=12bar nyomású ts=188°C h9mérséklet? száraz telített g9z Gg9z=5t/h tömegáramban. A g9zt termel9 kazán a gáztalanítóból 105°C h9mérséklet? tápvizet kap. A kazánvíz sótartalmának csökkentésére lelúgozott tömegáram a termelt g9z 3%-a. A kazán lángcsöves-füstcsöves kialakítású. A tárolt víz tömege mvíz=9000kg. A tüzel9anyag f?t9értéke: F=41000kJ/kg,

légfeleslegtényez9: =1.16

µLo=14.31 kg/kg

µfgo= 15.31 kg/kg

cplev=1.04 kJ/kg.K

cpfg=1.1 kJ/kg.K

A távozó füstgáz h9mérséklete:

tfgki=230 °C

Környezeti h9mérséklet:

tk= 20°C

A víz jellemz9i: hsf =h’=798 kJ/kg

v’=0.001137 m3/kg

hsg =h”=2783 kJ/kg

v”=0.166m3/kg

htv=440 kj/kg

r=1985 kJ/kg

Kazándob átmér9je: Dd=2500 mm Kazándob hossza:

Ld=3445 mm

A kazán küls9 felületén a h9veszteség:

Qfalv=32.4 kW

(A tüzelési teljesítmény 1%-a)

Kérdések: Mekkora az igényelt g9zárammal képviselt h9teljesítmény? Mekkora a lelúgozással okozott h9veszteség? Mekkora a kazánban a füstgázból a víznek átadott h9teljesítmény? Mekkora a kazán tüzelési teljesítménye (terhelése)? Mekkora a kazán hatásfoka? Mekkora kazán tárolóképessége? Megoldás: A g9zkazán h9teljesítményei állandósult üzem esetén A hasznos h9teljesítmény: Qhasznos

Qgõz Qtápv

(

Ggõz hsg

5000 ( 2783 3600

)

htv

440)

A lelúgozás h9teljesítménye: .

Qlúgv

(

P Ggõz hsf


)

htv

0.03

5000 ( 798 3600

6

440)

14.9kW

3255kW



A h9mérleg állandósult üzemben:

Belépõ = Kilépõ Qtüz.a + Qlev + Qtápv

Qgõz + Qfgki + Qfalv + Qlúgv

Átrendezve a hõleadó és hõfelvevõ közeg szerint: Tüzelés oldali hõleadás = Vízoldali hõfelvétel Qtüz.a. + Qlev

Qfgki

Qgõz Qtápv + Qfalv + Qlúgv

A kazánban a füstgáz-víz közötti h9csere teljesítmény: .

Qhasznos + Qlúgv + Qfalv

Qhõcsere

3300kW

A szükséges tüzel9anyag tömegáram a kazán h9mérlegéb9l számítható: µLo cplev tk + F amib9l kifejezve: .

µfgo +

B

(

1) µLo cpfg tfgki

Qhõcsere

B=322 kg/h A füstgáz h9vesztesége: .

Qfgv

Qfgki Qlevbe

B

Qfgv=369 kW

µfgo +

(

1) µLo cpfg tfgki

Ez a legnagyobb vesztesége a kazánnak!

A kazán tüzelési teljesítménye: .

Qtüz

BF

3667kW

A kazán hatásfoka: Qfgv Qtüz

.

k

1

Qfalv Qtüz

0.9

azaz: 90% A kazándob szükséges falvastagsága ha .

so

(

Dd pd

)

pk

2

meg=450N/m2,

k=2.6:

3.06mm

meg A „k” biztonsági tényez9vel és a feltételezett korrózió pótlásával: .

s

so k + ckorr

A választott falvastagság: s=10 mm.


7

9.5mm

µLo cplev tk .



Vízcsöves g/zkazán elvi sémája:

A vízcsöves g9zkazánban lejátszódó állapotváltozást a T-s diagramban a 2-3 pontok közötti szakasz mutatja:

A g9zkazánban lejátszódó 2 3 pontok közötti állapotváltozás három tartományra bontható: vízhevítés: s2-s’, elg9zölögtetés: s’-s” és túlhevítés: s”-s3 Az álapotváltozások elméleti határpontjai: vízhevítés telített folyadék állapotig, (2 s’) elg9zölögtetés száraz telített g9z állapotig (s’ s”). Így lehet meghatározni az egyes szakaszok elméleti h9szükségletét az igényelt túlhevített g9z tömegáramhoz (Gthg) és állapotjelz9khöz (htv, p, hthg). A vízhevítés elméleti h9szükséglete: Qvh0= Gthg (h’-htv) Az elg9zölögtetés elméleti h9szükséglete: Qelg0=Gthg (h”-h’) A túlhevítés elméleti h9szükséglete: Qth0=Gthg (hthg-h”) A vízcsöves kazánban lejátszódó állapotváltozásokat (vízhevítés, elg9zölögtetés, túlhevítés) általában szerkezetileg és kapcsolásilag is elkülönül9 f?t9felületekben célszer? léterehozni. Ennek oka egyrészt a szerkezeti anyagokban kialakuló legmagasabb h9mérsékletek korlátozása, másrészt a kazán hatásfokának javítása a szabályozhatóság mellett. A vízcsöves g9zkazán f?t9felületei a munkaközeg melegítésében betöltött szerepük szerint két csoportba sorolhatóak: g9ztermelést és D:\Konczol\Oktatás\kalorgep\kggy01_.doc

8



túlhevítést eredményez9k. A két f?t9felület csoportot a kazándob mint „fix” pont választja el egymástól. A dodos kazán m?ködésének az a kötöttsége, hogy a dobot csak (telített) g9z fázis hagyhatja el, és abban a folyadék szint közel állandó kell legyen. Ez annyit jelent, hogy a kazándobba annyi tápvizet lehet csak bevezetni, amennyi g9z onnan kilép, vagyis amennyit megtermeltünk. A g9ztermelést eredményez9 h9teljesítmények: Qg9zterm.=Qvh+Qelg. Az ezzel megtermelt és a kazándobból kilép9 g9záram id9ben változatlan folyamatnál: Gg9zt=(Qvh+Qelg)/(h”-htv) Az egyes f?t9felületek h9teljesítményének aránya egy m?köd9 berendezésnél nem marad változatlan (állandó), mert a kazán f?t9felület tisztasága, terhelése és a tüzel9anyag min9sége, vagy a belép9 közegek állapotjelz9i különböznek a tervezési (névleges) értékt9l. A h9felvétel arányának üzem közbeni megváltozása beavatkozási lehet9ség nélkül azt eredményezné, hogy a kazán nem az igényelt állapotú (h9mérséklet?) munkaközeget állítaná el9, ami technológiai kárt illetve hatásfok csökkenést okozhat. Annak érdekében, hogy a vízcsöves kazánból a megkívánt állapotú f?tött közeg lépjen ki, szabályozási beavatkozásra van szükség. A szabályozást tervezéskor úgy lehet figyelembe venni, hogy pozitív és negatív (+/-) irányban egyaránt biztosítson beavatkozási lehet9séget. Pl: a befecskendezéses g9zh?t9 névleges üzemállapotban 4-5% tápvizet kap, mert ennek csökkentésére (zérusig) és növelésére (szelep max. áteresztéséig) is van lehet9ség. A szabályozás megoldásánál figyelembe kell venni, hogy a f?t9felületek h9felvételi arányának sajátos karakterisztikája van a terhelés függvényében. Ez a f?t9felületek füstgáz

áramút menti elhelyezkedésével függ össze. A vízhevít9 célszer?en az alacsonyabb h9mérséklet? füstgázázáramba kerül, mert a tápvíz tömegárama 0 Gtvmax között változhat, ami a cs9fal h9mérsékletét csak alacsony füstgázh9mérséklet mellett garantálhatja. Továbbá a vízhevít9 a kazán hatásfokának javításában is jelent9s hatású, mivel a leghidegebb f?tött munkaközegr9l van szó, ami a füstgáz leh?tésének mértékét is meghatározza. (Innen az ECO vagy EKO: Ekonomiser elnevezés.)


9



Az elg9zölögtet9 f?t9felületet a legnagyobb h9árams?r?ség? helyre, a t?ztérbe szokták elhelyezni, mert a cs9 falának h9mérsékletét a víz nagy érték? forrásos h9átadási tényez9jével a legolcsóbb korlátozni. (Alacsony ötvözés? acél tmax=450-500°C-ig olcsó!) A túlhevít9 elhelyezését több szempont határozza meg: Egyik a cs9anyag h9mérséklet állósága, a másik a túlhevít9 h9teljesítményének változási jellege a kazán terheléssel. (u.n. karakterisztika) A besugárzott túlhevít9 a t?ztérhez közvetlenül csatlakozik, így h9felvételét a láng-test h9sugárzása dönt9 mértékben befolyásolja. A lángtest h9sugárzásából származó h9árams?r?ség a terhelés kb. négyzetgyökével arányos, míg a konvektív h9árams?r?ség a terheléssel kb. lineárisan változik. Ebb9l adódóan a besugárzott túlhevít9 h9felvételének aránya a konvektív túlhevít9vel ellentétben a terhelés csökkenésével növekszik. Újrahevítéses g9zkazán kapcsolódása a g9z-körfolyamatba:

A kazánban a 2 3 állapotváltozás a nagynyomású túlhevített g9z termelése, a 4 5 állapotváltozás a g9z kisnyomású újrahevítése. A kazánban a nyomás növelésének nincsen elvi korlátja. Ennek megfelel9en elterjedt megoldás a nyomást a kritikus feletti értére választani (szuperkritikus kazán). Ezzel már kétszeres újrahevítés is megvalósítható (7 8 és 9 10 állapotváltozás), ami a körfolyamat hatásfokát további 1.5-2%-kal növeli:


10



Orientáló kérdések Kazán témakör 1. Milyen igényt elégít ki a kazán? 2. Mi a kazán? 3. Mire szolgál a kémiai (sztöchiometriai) egyenlet? 4. Mi az elméleti fajlagos égési leveg9 mennyiség? 5. Mi az elméleti fajlagos égéstermék mennyiség? 6. Mi a légfelesleg tényez9? 7. Mi a kazán hasznos h9teljesítménye? 8. Mi a kazán tüzelési teljesítménye vagy h9terhelése? 9. Milyen veszteségei vannak a kazánnak? 10. Mi a kazán hatásfoka? 11. Mi a különbség a direkt és indirekt kazánhatásfok meghatározás között? 12. Miért szükséges a kazándobon vízállás mutató? 13. Miért szükséges mérni a kazándobban a nyomást? 14. Mi a g9zkazán tárolóképessége? 15. Mit fejez ki a „kazán-képlet”? 16. Mi a kazánvíz, a tápvíz és a kondenzvíz? 17. Mi a lelúgozás? 18. Mi a tápvíz el9készítés? 19. Milyen állapotváltozás játszódik le egy er9m?vi g9zkazánban? (h-s, T-s diagram) 20. Mi a vízhevítés, elg9z9lögtetés és túlhevítés elméleti h9szükséglete? (lgp-h vagy T-s diagram) 21. Miért van szükség a túlhevített g9z h9mérsékletének szabályozására? 22. Hogyan határozható meg a kazándobból kilép9 g9záram? 23. Milyen állapotváltozás jön létre a tápvíz befecskendezéses g9zh?t9ben? 24. Mit értünk a g9z min9ségén (x) és a g9z tisztaságán (S) a kazándob után? 25. Mi a kazándobban a tükör-terhelés és a g9ztér-terhelés? 26. Mi az ejt9cs9 és a forrcs9 funkciója a vízcsöves kazánban? 27. Mi a keringési szám és milyen a kapcsolata a forrcs9b9l kilép9 közeg g9ztartalmával? 28. Mib9l adódik a természetes cirkuláció hajtóereje? 29. Mi fékezi a természetes cirkuláció sebességét? 30. Miért alkalmaznak keringet9 szivattyút a cirkulációs körben?


11

A munkaközeg melegítési igényének kielégítése kazán alkalmazásával

Recommend Documents