HŐTERMELŐKRŐL KAZÁNOKRÓL BŐVEBBEN
HŐTERMELŐK Közvetlen hőtermelők olyan berendezések, amelyekben fosszilis vagy nukleáris tüzelőanyagok kötött energiájából használható hőt állítanak elő a hőfogyasztók számára. Ezek a berendezések lehetnek kályhák, kazánok és atomreaktorok.
Tágabb értelemben vett hőtermelők csoportjához tartoznak még a: Hőszivattyúk, napkollektorok, hőcserélők.
Atomreaktorok maghasadás elvén működő, nukleáris hőtermelők, amelyek elsősorban gáz és vízhűtésűek. A Paksi atomreaktor könnyűvizes reaktor, amely azt jelenti a moderátor és a hűtés szerepét könnyű víz (H2O) tölti be, ezen belül is nyomottvízes reaktor, amelyben a víz mindvégig folyadékfázisban marad. Kályhák olyan berendezések, amelyek alkalmazásakor a hőtermelés ott történik ahol a hő hasznosítás. Ide soroljuk az egy és kétaknás kályhákat, cserépkályhákat, kandallókat, tűzhelykazánokat, villanykályhákat, gázkonvektorokat. A kazánok kialakítását nagymértékben befolyásolja a tüzelő berendezések nagysága, és az alkalmazott tüzelőanyag fajtája. A berendezésekkel szemben támasztott követelmények a minél jobb tüzelési hatásfok és a minél kisebb szennyezés kibocsátás.
KAZÁN
HŐSZIVATTYÚ
NAPKOLLEKTOR
Kazánok csoportosítása A kazánok csoportosítása többféle szempont szerint történhet. A felhasznált tüzelőanyag szerint: -szilárd (fa, szén koksz, hulladék..) -olaj -gáz (földgáz, kémiai folyamatok során keletkezett gázok) -különleges tüzelőanyagok (biomassza) -villamosenergiával működő berendezések Alkalmazott hőhordozó közeg szerint: -forróvíz -melegvíz -gőz -olaj melegítésre alkalmas készülékek
A kazántest alapanyaga szerint: -öntöttvas -acél -nemesacél -alumínium ötvözet -rézötvözet -egyéb ötvözetek Üzemi túlnyomás szerint: -kisnyomású (1 bar túlnyomásig, 120 Co-ig) -nagynyomású (1 bar nyomás és 120 Co feletti)
Teljesítményük alapján: -kis (50 kW-ig), háztartási kazánok -közepes(500 kW-ig), ipari és kommunális létesítményi kazánok -nagy(500 kW felett), fűtőművi, erőművi kazánok A tűztérnyomás alapján: -atmoszférikus -túlnyomásos Füstgáz terelés szerint: -kettős huzamú -hármas huzamú -részáramú és ezek kombinációja
Jellegzetes szerkezeti kialakítás bemutatása egyszerű ábrákkal.
függőleges vízcsöves
vízszintes vízcsöves
bordázott vízcsöves
rézből készült csőkígyós
füstcsöves kondenzációs
Öntöttvas kazánok Öntöttvas tagos kazánok jellemzői: -1960-ig uralkodó típus volt. Jelenleg ismét reneszánszát éli. A kazán üreges öntvényekből tagokból áll, amelyeket kúpos közhüvelyekkel kapcsolják össze. Ezek a közhüvelyek biztosítják a hidraulikai és erőtani kapcsolatot az egyes tagok között. Létezik elő utó és változtatható számú köztag. Az elő és utó tagot kivéve minden tag egyforma és tartalmazza a nagy kazán valamennyi elemét: töltőgarat, rostély, füstjárat, (a szilárd tüzelésűnél) víztér, füstcsatorna. -csekély huzatigényű, -korrózióálló kazánanyag, -fűtőfelület a tagok számával változtatható.
Forgórostélyos szilárdtüzelésű Automatikus üzemű, begyújtása az előremenő víz hőmérsékletéről, vagy a helyiség hőmérsékletéről vezérelt.
Pellet kazán
Kompakt pellet kazánok: egy készülékegységben foglalják magukba a kazántestet, a pellet tároló tartályt és az adagoló csigát. A különálló tároló-szerkezetű pellet kazánok, ahogy a neve is mutatja két különálló részből áll és egymáshoz képest önállóan elhelyezhető. Ettől eltérő pellet kazán típus a tárolóegység nélküli, ahol a pellet tárolására általában egy külön épülethelyiség, vagy tároló szolgál, ahonnan adagoló csigával juttatják el a kazánhoz a tüzelőanyagokat.
Faelgázosító kazán
A VIGAS kazánok nagymértékben különböznek az átlagos szilárd tüzelésű kazánoktól. Az égési folyamat az úgynevezett elgázosítás elvén működik. Az elgázosítási eljárás a szerves és szervetlen anyagok zárt kamrában történő hőbomlásán alapul, amely a befúvóventilátor által létrehozott elsődleges levegő kismértékű túlnyomásánál megy végbe. Az faelgázosítás a hőálló betonfúvóka felett, a kazán tüzelőanyag terében történik. Az első fázisban a tüzelőanyag szárítása és a nedvesség kivonása történik. A keletkező gázok összekeverednek az előfűtött szekunder levegővel és ezek alkotják az égési gázok elegyét a második fázisban. A gázok elégetése a kazán égésterében megy végbe és a harmadik fázisban az égéstermék a hőcserélő csövön keresztül távozik a kéménybe
Stirling-motorral kibővített kazán
A stirling motor nem belsőégésű motorként működik (mint az Otto- vagy diesel motorok), hanem külső hőátadóként. A fa égésekor képződő hő egy részét a stirling motorhoz vezetik. Ott kívülről felhevíti a henger egyik felét, melyben a munkagázt kitágítja és egy dugattyút eltol. Eközben a munkagáz a henger egy hűvösebb részébe kerül, ahol lehűl és összehúzódik. A dugattyú így visszakerül a kiindulási helyzetében és az egész folyamat ismétlődik. A dugattyú mozgását egy forgattyús tengely forgó mozgásúvá alakítja, ami egy generátort hajt meg és áramot termel.
A csonkagúla szerű tüskék között áramló füstgázból ha időszakosan vízgőz csapódik le az intenzívebb hőelvonású felületrészeken, az a magasabb hőmérsékletű tüskéken elgőzölög.
Acéllemez kazánok
Nagyobb hőmérsékletű, mennyiségű és nyomású fűtőközeg előállítására alkalmas. Fajlagos terhelhetőségük nagyobb az ÖV kazánokhoz képest. A hagyományos acéllemez kazánok kevésbé korrózióállóak, a tápvíz minőséggel szemben támasztott követelmény nagyobb.
Kishőmérsékletű acéllemez ill. speciális öntvényacéllemez kazánok Kazánon belül két vízkör van. A két kör hihraulikai viszonyainak függvényében alakulnak ki az üzemi viszonyok. A tűztérrel érintkező primer, kis vízkörből injektoron keresztül áramlik a szekunder, nagy vízkörbe a tulajdonképpeni fűtőkörbe a víz. A primer körben a víz 100 sec elteltével a harmatponti hőmérséklet fölé emelkedik, így a füstgázban lévő vízgőz nem tud kondenzálódni.
Két csövet egymásba tolnak és a hővezetés javítása érdekében egymásnak préselnek. A belső cső hajtogatással bordázott acél, mely 2,5-ször nagyobb hőátadó felületet ad, mint egy sima falú cső. A préselési ill. sajtolási helyek különböző távolságra vannak elhelyezve,ezzel a hőátbocsátást befolyásolják,ahol az alacsonyabb hőmérsékletű füstgáz áramlik kevesebb hő adódik át, és így magasabb hőmérsékleten tud távozni a füstgáz, így a kondenzáció megakadályozása biztosított.
A kombinált két rétegű fűtőfelület radiális bordákkal ellátott gyűrű alakú öntvényt, acél veszi körül, ez érintkezik a víztérrel. Az öntöttvas a füstgáz oldalon magasabb hőmérsékletű lesz, mint a kazánvízzel körülvett acélhenger, a két különböző anyag eltérő hővezető képessége miatt. A füstgázban lévő vízgőz kondenzációjának megakadályozását célozza a speciális kialakítású kazántest.
A nagy teljesítményű modern acéllemez három huzamú kazán, nagy hőátadó felületét a speciális, szabadalommal védett bemélyedésekkel ellátott füstcsövek biztosítják.
Kondenzációs kazánok A füstgáz harmatponti hőmérséklet alatti hőfokon hagyja el a berendezést, amelynek következtében a füstgázban lévő vízgőz lekondenzálódik leadva kondenzációs hőjét. Az alacsony távozó füstgázhőmérséklet és hasznosuló kondenzációs hő miatt jelentős hatásfok javulás jön létre. Az utóbbi a füstgázban lévő vízgőz mennyiségétől (tüzelőanyag fajtájától, légcsereszámtól, égéslevegő nedvességtartalmától) és a kondenzáció mértékétől függ. H minőségű 1 Nm3 gáz elégetésekor több mint 1 kg vízgőz keletkezik. A vízgőz rejtett hője 2500 kj/kg. A gáz fűtőértékének 11 %-t teszi ki a vízgőz hőtartalma. Az olaj tüzelőanyag fűtőértékének közel 6 %-t teszi ki a vízgőz hőtartalma.
A hatásfok javulás feltételei: -Alacsony, 60 Co alatti fűtővíz hőmérséklettel tudjuk kihasználni a berendezés előnyös tulajdonságait. -A kazán anyagának rozsdamentes acélból, vagy korrúzióálló ötvözetből kell lennie. -A keletkező kondenzátum elvezetéséről gondoskodni kell. -A füstgáz gravitációsan a berendezésből az alacsony hőmérséklete miatt nem tud távozni, gépi úton történő elvezetéséről gondoskodni kell.
A kondenzációs kazánok lehetnek: -égésterméket egy lépcsőben lehűtő berendezés, -kazán után kapcsolható kondenzációs hőcserélő
Kondenzációs kazán tűztér kialakítása szerint: -Száraz tűzterű, amelyben a füstgázt szakaszosan hűtik le, több különálló hőcserélővel. Az első hőcserélő a tűzteret veszi körül és harmatponti hőmérséklet felett dolgozik, míg a második esetleg a harmadik hőcserélő a harmatponti hőmérséklet alá hűti a füstgázt. -Nedves tűzterű, amelyben a füstgáz vízgőz tartalmának jelentős része lekondenzálódik. A tűztér alján gyűlik össze a kondenzátum, amelynek elvezetéséről gondoskodni kell. Az égőt a tűztér felső részén kell elhelyezni, hogy a forró égőre ne csöpögjön a kondenzátum.
Nedves tűzterű kondenzációs kazán
Száraz tűzterű kondenzációs kazán
Kondenzáció a kazán után kapcsolt füstgáz-víz hőcserélőben történik meg
Fali kondenzációs kazán
Vízgőz harmatponti hőmérséklete- széndioxid tartalom tf %-ban
Rendszer hőmérséklete, és annak részaránya a fűtési idényben a külső hőmérséklet függvényében
Az előző ábrával megegyező, más fűtőközeg hőfokkal.
Kazánhatásfok
Füstgáz veszteség
R m3/kg c Kj/m3 oC
12644 kj/m3 Szénmonoxid fűtőértéke R m3/kg (CO) kg/m3
Sugárzási veszteség
Qsug = ∑Ai ⋅αi ⋅ (ti − tint ) [W] i
Psug =
Qsug Qnévh
[−]
Qsug
burkolaton keresztüli hőveszteség [W]
Ai
i-ik felületelemének mérete [m2]
αi
i-ik felületelem hőátadási tényezője [W/m2K]
ti
i-ik felületelem felületi hőmérséklete [°C]
tint
kazánház belső hőmérséklete [°C]
Psug
burkolaton keresztüli fajlagos hőveszteség [-]
Qnévh
kazán névleges hőterhelése [W]
Kazánhatásfok és keletkezett kondenzátum mennyisége a visszatérő fűtővíz hőmérséklet függvényében
Tüzeléstechnikai hatásfok a kazánvízhőmérséklet függvényében
Összes készenléti veszteség P0 = Psug + Pkémény [−] P0 az összes készenléti veszteség [-] Pkémény az égéstermék rendszeren keresztüli veszteség [-] Psug a burkolaton keresztüli fajlagos hőveszteség [-] Mérési módszerek:
Kazán készenléti állapotban való üzemeltetése
Segédfűtés módszere
Készenléti veszteség a kazánvíz-hőmérséklet függvényében
Kazánterhelés és túlméretezés
(t − t ) [−] ϕ= h k (th − tkm ) ϕ kor =
th tk tkm φ Qnévt Qéphő φkor
ϕ L
L=
Qnévt Qéphő
[−]
[−]
a helyiséghőmérséklet [°C] a pillanatnyi külső hőmérséklet [°C] a méretezési külső hőmérséklet [°C] a kazánterhelés [-] a kazán névleges teljesítménye [W] az épület méretezési hővesztesége [W] a korrigált kazánterhelés [-]
Kazánhatásfok részterhelésen ηg,x =
ηg,x η100 φkor Pt
η100 1 − 1 ⋅ Pt + 1 ϕ kor
[%]
a kazán hatásfoka φkor részterhelésen [-] a kazán hatásfoka teljes terhelésen [-] a korrigált kazánterhelés [-] a kazán fajlagos készenléti vesztesége a φ kazánterheléshez tartozó tköz kazánvíz hőmérsékleten [-]
Fűtővíz szabályozása t e = (t viz ,m − t h ) ⋅ ϕ
1 1+ M
t v = (t viz ,m − t h ) ⋅ ϕ
1 1+ M
th tk tkm φ tem tvm tviz,m te tv M
+ −
ϕ 2
ϕ 2
⋅ (t em − t vm ) + t h ⋅ (t em − t vm ) + t h
a helyiséghőmérséklet [°C] a pillanatnyi külső hőmérséklet [°C] a méretezési külső hőmérséklet [°C] a kazánterhelés [-] a fűtővíz előremenő hőm. méretezési állapotban [°C] a fűtővíz visszatérő hőm. méretezési állapotban [°C] a átlagos hőmérséklete méretezési állapotban [°C] a fűtővíz előremenő hőmérséklete [°C] a fűtővíz visszatérő hőmérséklete [°C] a radiátor hőmérséklet kitevője [-]
1 η = B b a − 1q + 1 b B vH ahol ba/bvH hányados nem más mint a kazán kiterhelésének (φ-nek) reciproka. q = hõleadás üzemszüneti állapotban B teljes terhelésû kazán teljesítmény
A qB értékét kísérletekkel határozzák meg. Modern nagy kazánoknál az értéke 0,001-0,01; kis kazánoknál 0,008-002; tárolós kazánoknál 0,02-0,03; nagyon öreg kazánoknál 0,06-0,09.
Hőtermelők elhelyezése
Hőszivattyúk teljesítménytényezője
Carnot körfolyamat
Qc = Tc ∆s Pv=Wv = (Tc-To) ∆s Teljesítmény mutató:
Qc / Wv = Tc / (Tc-To)
Hűtés fajlagos teljesítménytényezője T h = 1 ε = hg T − T T 0 −1 0 h T h
ahol To a környezeti hőmérséklet Th a hűtési hőmérséklet
EER (Energy Efficiency Ratio) = Hűtés energetikai hatékonysága Hasznos hűtőteljesítmény / Előállításához szükséges gépi effektív teljesítményfelvétel Gép teljes (100 %) terhelésén, szabványosított paraméterek mellett
Hőszivattyú fajlagos teljesítménytényezője Tc ε = = 1 hsz Tc − T T 0 1− 0 Tc
Tc a hőelvezetés hőmérséklete
COP(Coefficient of Performance)=Hőszivattyúzás energetikai hatékonysága Hasznos fűtőteljesítmény / Előállításához szükséges gépi effektív teljesítményfelvétel Gép teljes (100 %) terhelésén, szabványosított paraméterek mellett
Valóságos hőszivattyú körfolyamat a lgp-h diagram
Villamos hajtású hőszivattyú hőtermelése
ε eff =
Qf PHS
y HS =
1
εf
= η hsz =
PHS Qf
Q f = Qa + PHS
Tf T f − T0
η hsz = 0,5 − 0,6 yHS a fajlagos villamosenergia felhasználás
Gázmotoros hőszivattyú hőtermelése
QHS = ε f WGM = ε f µGM Qü QGM = η m Qü − WGM = (η m − µGM )Qü Q f = Q HS + QGM q HS =
Qü Qf
Fajlagos tüzelőhőfelhasználás
