KAZÁNOK ÉS TÜZELŐBERENDEZÉSEK

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék

KAZÁNOK ÉS TÜZELŐBERENDEZÉSEK Oktatási segédanyag

írta: Dr. Lezsovits Ferenc szerkesztette: Rieth Ágnes

BUDAPEST, 2014.

BME-GPK EGT

2

Tartalom 1.

Történeti áttekintés ............................................................................................................ 5 1.1. Hőigények csoportosítása és jellemzőik ................................................................... 6 1.2. Hőhordozó közegek, jellemzőik és főbb alkalmazási területeik ............................... 8

2.

A kazán és a hőszolgáltató kazánházi rendszer felépítése és elemei .............................. 12 2.1. Kazánok osztályozása ............................................................................................. 12 2.2. Kazán funkcionális részei ....................................................................................... 15 2.3. Kiegészítő, segédberendezés rendszerek ................................................................ 19 2.4. Hőhordozó közeg rendszer...................................................................................... 20

3.

Kazánkonstrukciók .......................................................................................................... 22 3.1. Kiskazánok .............................................................................................................. 22 3.2. Nagyvízterű, lángcsöves-füstcsöves kazánok ......................................................... 23 3.3. Vízcsöves kazánok .................................................................................................. 33 3.4. Hőhasznosító kazánok ............................................................................................ 38

4.

Kazánok üzemvitele, szabályozása ................................................................................. 39 4.1. Tüzelőanyag és égéslevegő arányszabályozás ........................................................ 39 4.2. Meleg-/forróvizes, termoolajos és levegős kazán üzemi szabályozása .................. 39 4.3. Gőzkazán szabályozása ........................................................................................... 40 4.4. Kazánok üzemének felügyelete .............................................................................. 45

5.

Táp- és pótvízelőkészítés ................................................................................................ 46 5.1. A víz tulajdonságai ................................................................................................. 46 5.2. Oldott anyagok a vízben ......................................................................................... 46 5.3. Előkészítés .............................................................................................................. 47

6.

Károsanyag emisszió és környezetterhelés csökkentése ................................................. 52

7.

Kazánok hőmérlege és a kazánhatásfok meghatározása ................................................. 54 7.1. Direkt kazánhatásfok meghatározás........................................................................ 55 7.2. Indirekt kazánhatásfok meghatározás ..................................................................... 56 7.3. Instacioner üzem ..................................................................................................... 60

8.

Ellenőrző számítások....................................................................................................... 61 8.1. Üzemállapotok ........................................................................................................ 61 8.2. Hőtechnikai számítás .............................................................................................. 62 8.3. Hidraulikai számítások............................................................................................ 72

9.

Kazánok szakterület jogi szabályozása ........................................................................... 78 9.1. Szabványok (példa) ................................................................................................. 80

10. Mintapéldák ..................................................................................................................... 81

BME-GPK EGT

3

BME-GPK EGT

4

1. TÖRTÉNETI ÁTTEKINTÉS Az emberiségnek az épületekben a megfelelő komfort biztosításához, illetve különböző ipari technológiai folyamatokhoz, valamint a villamosenergia termeléshez hőenergiára van szüksége. A hőenergia több mint 90%-át napjainkban is tüzelőanyag elégetésével nyerjük. (A kivételek a nap- vagy geotermikus energia hasznosítás, illetve a nukleáris energia.) Tábortűz A tüzet az ember az emberré válás folyamán nagyon hamar megismerte és a saját szolgálatába állította. Nagyon sokáig a tábortűz volt a hőtermelés egyetlen módja, - ami mellett melegedni lehetett, - illetve a főzéshez vagy sütéshez szolgáltatta a hőt. Egyedi hőtermelő berendezések, tűzhelyek, kemencék, kályhák, kandallók A fejlődés további menetében az ember házat épített, eleinte csak alvás céljára, a későbbiekben egyre több tevékenységet próbált odabent elvégezni. Ez felvetette az igényt a hőtermelésre a falakon belül. Így születtek meg a kályhák, kandallók, amelyekkel egy esetleg két szomszédos helyiség fűthető. A főzés-sütés céljára tűzhelyek, kemencék, valamint bizonyos mesterségekhez (pl. kovácsmesterség) speciális kemencék készültek. Ami az előbb felsorolt berendezésekben közös az az, hogy minden esetben a hőigény helyén kellett tüzet rakni. Központi hőtermelés - kazánok Ahogy az ipari és komfort igények növekedtek, egyre több helyen kellett különböző hőigényeket kielégíteni, szabályozott és biztonságos körülmények között, a hőigényhez képest minél kisebb többletenergia ráfordítással, vagyis minél jobb hatásfokkal. Ekkor jött a következő lépés, amely szétválasztotta a hőfelhasználást és a hőfelszabadítást egy megfelelő hőhordozó közeg közbeiktatásával. Egy alkalmasan kialakított berendezésben eltüzelve a tüzelőanyagot a felszabaduló hőt a hőhordozó közegnek adjuk át, amely közeget a hőfelhasználási helyekre elvezetve az a megfelelő hőmennyiséget ott leadja. Ezáltal mentesülünk a hőfelhasználás helyén történő tűzrakástól (ami veszélyeket is rejt), valamint a hőhordozó közeg mennyiségi, illetve minőségi (hőmérséklet, nyomás) szabályozásával kézben tudjuk tartani a hőfelhasználást. Így jutunk el a kazánhoz. Kazánnak nevezzük azt a berendezést, amely tüzelőanyag oxidációjával, vagyis elégetésével felszabadítja a tüzelőanyag kötött kémiai energiáját, és a keletkezett hőt hőhordozó közeg felmelegítésével vagy halmazállapotának megváltoztatásával hasznosítja. Azt a berendezést, amelyben égés nem játszódik le, más berendezésből (pl. gázturbina) érkező forró égéstermék hőjét hasznosítja, hőhasznosító kazánnak nevezzük. Az előbbi történeti okfejtés bármilyen logikusnak tűnik, a történeti fejlődés mégsem teljesen így zajlott le. A hőigények kiszolgálása egészen a XVIII. századig kizárólag egyedi hőfejlesztőkkel történt. Kazánokat csak az ipari forradalom kezdeteitől fogva, a gőzgépek megjelenésével kezdődően kezdtek építeni. (Az első gőzkazánt Papen szabadalmaztatta 1696-ban, amely egy sörfőző üstből átalakított atmoszférikus gőzkazán volt. James Watt 1781-ben alkotta meg első gőzgépét.)

BME-GPK EGT

5

A kazánépítésnek további lökést adott a XIX. század végétől kezdődően a villamosenergiatermelés elterjedése. (1867. dinamó feltalálása (Jedlik Ányos), 1883. első turbina (Carlagustav Laval)) Nagyon sokáig a kazán egyértelműen csak gőzkazánt jelentett. Más rendszerű (pl. melegvíz-) kazánok döntően a központi fűtési rendszerek, illetve a távhőellátás elterjedésével együtt hódítottak teret. Napjainkig a kazánok jelentős fejlődésen mentek keresztül, és számtalan különböző típusú konstrukció megtalálható a különböző funkciók ellátására. Ez azonban nem jelenti azt, hogy állandóan változó világunkban ez a terület kimaradna a változásokból. Újabb és újabb ipari technológiák új, vagy módosított konstrukciójú kazánokat igényelnek, illetőleg a napjainkban használatos rendszerekkel szemben is egyre szigorúbbak a hatásfok és környezetvédelmi kívánalmak. Kazánok legnagyobb számban a háztartásokban találhatók, ezek teljesítménye alacsony. A másik végletet a villamos erőművek jelentik, ahol a legnagyobb teljesítményű kazánok találhatók.

1.1. Hőigények csoportosítása és jellemzőik Azért, hogy lássuk, egy kazánberendezéssel, illetve egy hőszolgáltató rendszerrel szemben milyen igények merülnek fel, célszerű számba venni a lehetséges hőigényeket és azok jellemzőit. Helyiség fűtés Cél:

Hőmérséklet igényszint:

A Magyarországon ősztől tavaszig tartó hidegebb időjárási időszak alatt, amit fűtési szezonnak neveznek általában, a különböző célú tartózkodási helyiségekben a megfelelő komfortérzetet adó hőmérséklet biztosítása. A különböző célú helyiségekben más és más. Néhány jellemző példa: Tároló, raktárhelyiség Lépcsőház, közlekedő Tornaterem, üzemcsarnok Hálószoba Nappali szoba, iroda Fürdőszoba Uszoda

Nyomásigény: Terhelésváltozás sebessége:

BME-GPK EGT

0-5 °C 16 °C 10 °C 20 °C 20-22 °C 24 °C 26-30 °C

A hőszolgáltatást az alkalmazott hőhordozó közeghez és a hőigényhez alkalmas hőleadók beépítésével biztosítják. A hőhordozó közeg hőmérséklete és a szükséges hőleadó felület nagysága között fordított arányosság áll fenn, vagyis alacsonyabb hőhordozó hőmérséklet esetén nagyobb hőleadó felület szükséges. (Napjaink tendenciája, hogy az adott igényeket minél alacsonyabb hőmérsékletű hőhordozó közeggel próbálják kiszolgálni, mivel így a hőszolgáltató rendszer hatásfoka javul (lásd később a kazánhatásfok meghatározásánál), valamint a rendszer járulékos veszteségei csökkennek.) nincs Lassú, a napi hőingásnak megfelelően változik, amit tovább tompít az adott épület hőtároló képessége.

6

Használati melegvíz (HMV) Cél: Hőmérséklet igényszint:

Nyomásigény:

Terhelésváltozás sebessége:

Mosdáshoz, fürdéshez, mosáshoz, mosogatáshoz megfelelő hőmérsékletű folyóvíz biztosítása. 40-50 °C a kifolyásnál Többnyire a kifolyási hőmérsékletet magasabb hőmérsékletű HMV és hidegvíz keverésével állítják elő, amely a felfűtött vízmennyiség igényt csökkenti. Minél magasabb a felfűtési hőmérséklet, annál kevesebb kell belőle a kevertvízhez. A felfűtési hőmérsékletet általában maximálisan 80 °C hőmérsékletig lehet emelni, azonban javasolt a 65 °C-os hőmérsékleti érték alatt maradni, mivel efelett a vízkőkiválás fokozottan fellép, mivel a HMV készítése az ivóvíz minőségű hálózati vízből történik, amely régiótól függően több-kevesebb oldott (keménységet okozó) sót tartalmaz. Az ellátóhálózat rendszerellenállásának és a geodetikus szintkülönbségek legyőzésére szükséges nyomással kell rendelkeznie. Az igény a fogyasztásnak megfelelően szélsőségesen és gyorsan változik, ezért általában a kiszolgáló rendszert nem a pillanatnyi igények kielégítésére alakítják ki, hanem puffertároló beépítésével egyenlítik ki az ingadozást.

Technológiai hőellátás Technológiai hőellátáson általában valamilyen anyag melegítését, főzését, sütését, olvasztását, lepárlását, préselését, sterilizálását kell érteni, valamilyen ipari, technológiai folyamathoz kapcsolódóan. Tipikusan nagy hőenergiafogyasztó üzemek pl. a vegyipari üzemek, gyógyszergyárak, papírgyárak, valamint az élelmiszeripari üzemek, konzervgyárak, húsipari üzemek, és végül, de nem utolsó sorban a kohászati üzemek. Kisebb-nagyobb mértékű technológiai hőigény majdnem minden termelési folyamatban fölmerül. Általában a hőleadás hőcserélőn keresztül történik, de esetenként a hőhordozó közeg közvetlenül érintkezik a fűtendő anyaggal (pl. gőzbefúvással melegítés, sterilizálás). Hőmérséklet igényszint: 30-2000 °C között a legváltozatosabb igények, az adott technológiának megfelelően. Számos technológia a hőszolgáltatást igen szűk hőmérséklettartományon belül igényli. Nyomásigény: Általában nincs, de egyes esetekben előfordul, pl. hőprések, gőzkalapács. Terhelésváltozás sebessége: A kiszolgált technológiától függően az állandó vagy lassan változótól (pl. faanyag szárítás) a szélsőségesen és ugrásszerűen változóig (pl. sterilizálás) minden előfordul. Munkavégzés - villamosenergia termelés Mechanikai munkát és ennek segítségével villamos energiát hőkörfolyamatból nyerhetünk. A villamosenergiatermelés döntő többsége koncentráltan, hőerőművekben történik. A nagyteljesítményű alaperőművekben a minél magasabb nyomás és hőmérsékletparaméterek kívánatosak a minél magasabb körfolyamati hatásfok elérése érdekében. Alaperőműnek nevezzük azokat az erőműveket, amelyek a villamosenergia döntő részét termelik folyamatos, közel állandó (maximális) teljesítmény mellett.

BME-GPK EGT

7

A további teljesítményigényt az ún. menetrendtartó, illetve csúcserőművek elégítik ki, amelyek változó terheléssel, illetve szakaszos üzemmel követik a villamosenergiaigény változásait. Ezeknél a kisebb kihasználtság miatt némileg alacsonyabb hatásfok is megengedhető. Azonban az energiaforrások jobb kihasználtsága érdekében egyre nagyobb teret nyer a hőellátással kapcsolt villamosenergia termelés, ahol alacsonyabb munkaközeg paraméterek mellett is gazdaságosan termelhető villamos energia. Hőmérséklet igényszint: A konstrukció és a beépített anyagok adta korlátokon belül a lehető legmagasabb, a minél magasabb hatásfok érdekében. Nyomásigény: A konstrukció és a beépített anyagok adta korlátokon belül a lehető legmagasabb, a minél magasabb hatásfok érdekében. Terhelésváltozás sebessége: A villamos alaphálózattal párhuzamos üzem esetén a terhelésváltozás lassú. Szigetüzemi működés esetén a terhelés pillanatszerűen változhat, egy, a rendszer méreteihez képest jelentős villamos fogyasztó ki-, illetve bekapcsolásával.

1.2. Hőhordozó közegek, jellemzőik és főbb alkalmazási területeik A következőkben a hőszolgáltatásban jelenleg használatos hőhordozó közegeket és jellemzőiket, alkalmazási területeiket tekintjük át. A technika fejlődésével és az igények változásával újabb hőhordozó közegek is alkalmazásba kerülhetnek. (pl. Már készítenek közvetlen tüzeléssel fűtött abszorpciós hűtőberendezést, ahol a hőhordozó közeg ammónia.) Égéstermék, hétköznapi használatban füstgáz Jellemzők: a füstgáz önmaga is lehet hőhordozó közeg magas hőmérséklet alacsony fajlagos hőkapacitás nagy térfogatáram mérgező, toxikus és környezetkárosító komponensek Alkalmazási területek: Kohászatban elterjedten használt, mivel 1000 °C körüli, vagy ennél is magasabb hőmérsékletet más hőhordozó közeggel gyakorlatilag nem lehet elérni. A mezőgazdaságban ill. faiparban olyan nagy nedvességtartalmú anyagok szárítására használják, amelyek nem takarmányozási és főleg nem élelmezési célt szolgálnak, mivel toxikus anyagok kerülhetnek a szárított anyagba. (Gázturbinákban a füstgáz hajtja meg a turbinát, de ez egy különálló tématerület.) Levegő Jellemzők: Alkalmazási területek:

BME-GPK EGT

alacsony fajlagos hőkapacitás, nagy térfogatáram Ipari technológiákban szárításra használják (élelmiszerekhez és takarmányokhoz is). Fűtésre az egyre terjedő légfűtési rendszerekben. A levegőt fűtésre használni előnytelen más hőhordozóval összehasonlítva, azonban egy a klimatizálásra kiépített légtechnikai rendszerrel a fűtés is megoldható. (A levegőt legtöbbször nem közvetlen füstgáz/levegő léghevítővel melegítik, hanem más, pl. víz vagy gőz munkaközeg közbeiktatásával.)

8

Víz - melegvíz Jellemzők:

Hőmérséklet t <115 °C Nyomás min. 0,5-1,0 bar-ral magasabb, mint a maximális hőmérséklethez tartozó telítési nyomás, amihez jön még a rendszer függőleges kiterjedésétől függő hidrosztatikai nyomás. Nagy a fajlagos hőkapacitása, keringetett tömegárama az alkalmazott hőmérsékletkülönbséggel fordítottan arányos. =

Alkalmazási területek:

Víz - forróvíz Jellemzők:

Alkalmazási területek:

Gőz - telített Jellemzők:

BME-GPK EGT

í

∙∆

í

kW

(A relatív alacsony nyomás és hőmérséklet miatt nem veszélyes üzem.) Helyiség fűtés, használati melegvíz készítés és 100 °C alatti technológiai hőigények általánosan használt közvetítő közege. A hagyományosan elterjedt az ún. 90/70 °C-os rendszer, ahol az első szám a kazánból kilépő, míg a második a visszatérő hőmérsékletet jelöli. Újabban elterjedőben vannak a 70/55 °C-os és az 50/40 °C-os rendszerek, amelyekkel magasabb kazán- és hőellátási hatásfok érhető el, viszont egyre nagyobb hőleadó felületek szükségesek. Hőmérséklet t >115 °C Nyomás min. 0,5-1,0 bar-ral magasabb, mint a maximális hőmérséklethez tartozó telítési nyomás, amihez jön még a rendszer függőleges kiterjedésétől függő hidrosztatikai nyomás. Nagy a fajlagos hőkapacitása, keringetett tömegárama a megengedett lehűlési mértékkel fordítottan arányos. (A magasabb hőmérséklet mellett a víz folyadék fázisban tartása magasabb nyomást követel meg, emiatt ez már veszélyes üzemnek minősül, a biztonságtechnikai előírások sokkal szigorúbbak.) Főként távfűtések hőszállító közege. A magasabb hőmérsékletek miatt nagyobb hőmérsékletkülönbség engedhető meg, ami által csökken a keringetett tömegáram. A rendszer legfőbb jellemzője itt is a két szélső hőmérséklet érték, pl.: 130/80 °C-os, ill. 160/110 °C-os rendszer. (Értelmezés mint fent) A vízgőz, nagy párolgáshője miatt, nagy hőmennyiséget szállít. Igen nagy hőmennyiség átadására képes állandó (telítési) hőmérséklet és nagy (kondenzációs) hőátadási tényező mellett. A nyomás alkalmas választásával a hőátadási hőmérséklet a hőigényhez igazítható. A gőzös kazánüzem veszélyesnek minősül, fokozott biztonsági előírások betartásával működhet.

9

Alkalmazási területek:

Gőz - túlhevített Jellemzők:

Alkalmazási területek:

100 °C feletti technológiai hőigények kiszolgálásának jellemző hőhordozó közege, különösen ott, ahol az állandó meghatározott hőmérséklet melletti hőátadás lényeges. Helyiség fűtésre régebben általánosan használták. A melegvízfűtéssel összehasonlítva kb. 40-50%-kal kisebb hőleadó felülettel biztosítható volt a megfelelő fűtés. Viszont a fűtési rendszer veszteségei sokkal nagyobbak, és a rendszer szabályozhatósága is sokkal rosszabb, emiatt ma nem jellemző. Túlhevítéssel főként a vízgőz munkavégző képessége növelhető, aminek a szerkezeti anyagok melegszilárdsága szab határt. Manapság ez 550-630 °C. A túlhevített gőzt jellemzően a villamosenergia termelés, ill. mechanikai teljesítmény szolgáltatás érdekében turbina, gőzgép és gőzmotor hajtására használják. Technológiai hőellátásra is használható lenne, de a hőleadással a hőmérséklet gyorsan csökken, ezért nem jellemző az ilyen felhasználás.

1-1. ábra A kazánokban lejátszódó víz/gőz állapotváltozásai T-s diagramban ábrázolva

Termoolaj (hőközlő olaj) Jellemzők:

BME-GPK EGT

Kifejezetten hőhordozó közeg funkcióra kifejlesztett kőolajtermék, amely folyadék fázisban 300-350 °C-ig hevíthető, környezeti, vagy ahhoz közeli nyomás mellett. Az alacsony nyomás miatt mérsékelten veszélyes, a gőzüzemhez képest enyhébb biztonsági előírásokkal rendelkezik. (Az olaj a maximális hőmérséklet túllépése esetén krakkolódik, és lerakódást képez, ezért ennek elkerülésére fokozottan ügyelni kell.)

10

Alkalmazási területek:

Kifejezetten magas hőmérsékletigényű technológiai hőellátáshoz használják, relatív alacsony teljesítményszint esetén, ahol a hőmérsékletszintnek megfelelően magas nyomású (50-100 bar-os) gőzös kazántelep kialakítása gazdaságtalan lenne. Továbbá fagyveszélynek kitett helyeken is alkalmazzák, (pl. aszfaltkeverő telepek), ahol télen üzemen kívül nem kell külön fagymentesítésről gondoskodni.

1-2. ábra Hőközlő olajok alkalmazási hőmérséklet- és nyomástartományai

BME-GPK EGT

11

2. A KAZÁN ÉS A HŐSZOLGÁLTATÓ KAZÁNHÁZI RENDSZER FELÉPÍTÉSE ÉS ELEMEI 2.1. Kazánok osztályozása A kazánok osztályozása többféle szempont szerint történik, a kazánkonstrukció pontos meghatározásához mindegyik szempont szerint be kell sorolni. Bizonyos megoldások meghatároznak más szempont szerinti megoldásokat, így sokszor annak egyértelműségét feltételezve a meghatározásoknál nem térnek ki minden részletre. Tüzelőanyag szerint antracit barnaszén tőzeg tűzifa, energia erdő fahulladék kommunális ipari mezőgazdasági veszélyes

szén fa szilárdtüzelésű hulladék

tüzelőolaj fűtőolaj, pakura földgáz Propán-Bután gáz mesterséges gázok hulladékból

olajtüzelésű

gáztüzelésű

kohógáz biogáz

Tüzelőberendezéstípus szerint fix rostélyos szilárdtüzelésű

mozgó alátolós

porbefúvásos fluidizációs elpárologtatós olajtüzelésű

gáztüzelésű

BME-GPK EGT

túlnyomásos atmoszférikus túlnyomásos

nyomásporlasztásos forgóserleges segédközeges porlasztásos részleges előkeveréses turbulens diffúziós

12

sík vagy ferde előtolós, vándor, stb.

Alkalmazott hőhordozó közeg szerint - füstgáz - levegő - víz • melegvíz / forróvíz - gőz • telített / túlhevített - termoolaj A felsoroltak a kazántechnikában jelenleg használatos hőhordozó közegek, de a jövőben elképzelhető, hogy más hőhordozó közegek is alkalmazásra kerülnek. (Például a hűtéstechnikában használatos munkaközegek közül.) Hőhasznosító konstrukció szerint - nagy(víz)terű • lángcsöves, füstcsöves - (víz)csöves - egyéb • öntöttvastagos • lemeztáskás Hőhasznosító oldali áramlástípus szerint - természetes cirkulációs - serkentett cirkulációs - kényszerátáramlású Füstgázoldali nyomás szerint - depressziós korábban általánosan alkalmazott - túlnyomásos csak gáztömör hőhasznosító és tüzelőberendezés esetén

BME-GPK EGT

13

BME-GPK EGT

14

2.2. Kazán funkcionális részei A kazán és a hőszolgáltató kazánházi rendszer felépítését és elemeit az előző oldali ábra mutatja. A pontsorozattal körülvett részek mutatják a kazán és a kazánház jellemzően előforduló határait. Kis teljesítményű berendezések esetében több segédberendezés is bekerülhet a kazánon belülre, míg nagyteljesítményű berendezések esetén bizonyos részek (pl. az égéslevegő ventilátor) kikerülhetnek onnan. Tüzelőberendezés Alapvető funkciója az égés, mint oxidációs folyamat megindítása és lefolytatása. Feladatai: - a tüzelőanyag reakcióra való előkészítése, és bejuttatása a tűztérbe, - a tüzelőanyagmennyiség szabályozása a teljesítményigénynek megfelelően, - a levegő mint oxidálószer a tüzelőanyaghoz való hozzávezetése, megfelelő keveredés biztosításával, • esetenként a megfelelő tüzelés érdekében a teljes égéslevegő mennyiséget részekre osztják, és különböző helyeken vezetik be, • a gyulladás előtti levegő hozzávezetést primer-, míg az égéshez történő levegő hozzávezetést szekunder levegőnek nevezik, - a levegőmennyiség szabályozása a mindenkori bejuttatott tüzelőanyagmennyiségnek megfelelően, a megfelelő légfeleslegtényező biztosítása érdekében, - a reakció beindítása, gyújtás, - a kémiai reakció folyamatos fenntartása, - teljes és a lehető legtökéletesebb égés biztosítása, - alacsony károsanyag emisszió, - valamint biztonságos és a lehetőségek szerint automatizált üzem. Tűztér - tüzelőtér A tűztérnek a reakcióteret nevezzük, ahol az égés, vagyis a kémiai reakció lezajlik. A tűztér funkcionális része a tüzelőberendezésnek. A tüzelőberendezés tűztér nélküli részét égőnek nevezik. Nagyon lényeges az égő és a tűztér kölcsönhatása, a megfelelő tüzelési paraméterek eléréséhez a kettőnek összhangban kell lennie. A tűztér kialakításának segítenie kell a reakció lefolyását, és elegendő helyet kell, hogy biztosítson az égés befejeződéséhez a tűztérben, valamint füstgáz recirkuláció és visszasugárzás segítségével segítenie kell a láng stabilizálását. A tűzteret általában körülveszi a hőátadó rész, így a tűztér része a hőhasznosítónak is. Kivételt képez, amikor a tüzelés hőálló falazattal körülvett, hűtetlen térben történik, ilyenkor ezt előtét tüzelőberendezésnek nevezik. Tűztéri nyomásviszonyok A tűztéri nyomásviszonyokat illetően alapvetően kétféle tűzteret különböztetünk meg. - Depressziós: Ebben az esetben a tűztérnyomásnak mindenkor a környezeti levegőnyomás alatt kell lennie. A tűztérben depresszió tartására a nem gáztömör tűzterek esetében van okvetlenül szükség, a füstgáz kiszökésének meggátolása érdekében. Nagymértékű tömörtelenség esetén a szabályozatlanul beszökő, ún. hamislevegő jelentős mértékben rontja a tüzelési paramétereket, és a kazánhatásfokot. A depressziót a kéményhuzat, vagy füstgázventilátor biztosíthatja. A régebbi kazánkonstrukciók csaknem kizárólag depressziós tűzterűek voltak. (Lásd még az égéslevegő ellátást.)

BME-GPK EGT

15

- Túlnyomásos: Ebben az esetben a tűztérben a környezetinél magasabb nyomás uralkodik. Ilyenkor a tűztérnek és a füstgázhuzamoknak a környezettől gáztömören (hermetikusan) zártnak kell lennie a füstgázkiáramlás megakadályozása érdekében. Ebben az esetben betörő hamislevegő nem rontja a kazánhatásfokot. Többek között ezen indok miatt is napjainkban egyre inkább túlnyomásos tűzterű kazánokat építenek. Égéslevegő ellátás Az égéslevegő ellátásnak alapvetően kétféle módját különböztetjük meg: - Természetes: Erre csak depressziós tűztér esetében van lehetőség. Az égéslevegő a megfelelő keresztmetszetű nyílásokon keresztül, a környezetinél alacsonyabb nyomás hatására áramlik a tűztérbe. - Mesterséges: Ebben az esetben a levegőt mesterségesen, ventilátorok segítségével vezetjük a tűztérbe. Depressziós tűztér esetén is lehet ezt a megoldást választani, túlnyomásos tűztér esetén azonban csak így lehetséges az égéslevegő biztosítása. Többlépcsős (primer/szekunder) levegőbevezetés esetén esetenként külön-külön ventilátorokat alkalmaznak. Helyenként az égéslevegő ventilátor feladata a teljes kazánrendszer ellenállásának legyőzése.

Nyitott Open

Zárt égésterű rendszer Closed

Kondenzációs típus Condensing type

2-1. ábra Égéslevegő ellátás és füstgáz elvezetés jellemző megoldásai

Tisztítás A keletkező hamut, salakot és pernyét rendszeresen, a hamukihordás típusától függően szakaszosan, vagy folyamatosan el kell távolítani a kazánból. Hőhasznosító A hőhasznosító rész feladata az égés során végbemenő kémiai reakciók által felszabadított hőmennyiség hasznosítása. Az égés befejeződése után a felszabadult hő a füstgázban marad.

BME-GPK EGT

16

A cél a füstgáz minél jobb lehűtése, a hőhordozó közeg felmelegítésével, illetve esetenként az égéslevegő előmelegítése által is. A hőhasznosító egy megfelelően kialakított hőcserélő a fenti feladat ellátására. A hőcsere kétféle fizikai jelenség alapján történik: a tűzteret körülvevő hőhasznosító rész döntően a láng sugárzással átadott hőjét veszi fel, majd a továbbiakban a hőhasznosítás konvekciós úton, az ún. konvektív felületeken történik. Amennyiben a hőhordozóközeg levegő, meleg-/forróvíz, illetve termoolaj, akkor a hőhasznosítóban nincs fázisváltás, csak közeg felmelegítés történik. Gőzkazán esetén a hőhasznosító felületek hőhordozó oldalról is részekre oszthatók: - Tápvízelőmelegítő: Az a hőcserélő szakasz, ahol a belépő közeg telített víz állapothoz közeli hőmérsékletre hevítése történik. Ezt a hőcserélő szakaszt (angol szakkifejezésből eredően, amely a felület beépítése által elérhető magasabb kazánhatásfokra utal), “economiser”-nek, vagy röviden csak “eco”-nak nevezik. - Elgőzölögtető: Azokat a felületeket, ahol fázisváltás, azaz elgőzölgés, más néven forrás történik, nevezzük elgőzölögtető felületeknek. - Túlhevítő(k): Azt, vagy azokat a felületeket, ahol a gőzt a telítési hőmérsékletnél magasabb hőmérsékletre hevítik, nevezzük túlhevítőknek. A többes szám arra utal, hogy jelentős mértékű túlhevítés esetén ez több sorbakapcsolt hőcserélő szakaszban valósul meg. Szintén ide sorolhatók az ún. újrahevítők, amely hőátadó felületek a gőzturbinában már alacsonyabb nyomásra expandált gőz újrahevítését végzik. - Levegő előmelegítő: A levegő előmelegítőben az égéslevegő előmelegítése történik. Ezt a hőcserélő felületet szokás “Luvo”-nak is nevezni, amely egy német szakkifejezés (Luftvorwärmer) rövidített alakja. A hőhasznosító felületek elrendezésére és kialakítására a termodinamika hőcserélőkre vonatkozó törvényeit kell alkalmazni. Néhány speciális tényezőt azonban figyelembe kell venni. Elpiszkolódás Jól beállított gáz- és olajtüzelés kivételével minden más esetben a füstgáz magával visz többkevesebb szilárd részecskét, amelyek a felületeken lerakódhatnak, lerontva ezzel a hőcserélő hatásfokát, és lezárva a füstgázkeresztmetszet egy részét. Kerülni kell ezért a nagyon szűk keresztmetszeteket, valamint gondoskodni kell a felületek tisztíthatóságáról, illetve öntisztulásáról. Koksz és korom bármilyen tüzelőanyag esetén lehet a füstgázban, főként, ha a tüzelőberendezés üzeme eltér az optimálistól. Szálló pernye csak szilárd tüzelés esetén található a füstgázban. A tüzelőanyagtól és a tüzelési módtól függően a pernye viselkedése jelentős eltéréseket mutathat. E vonatkozásban főként a szemcsenagyság és az összetapadási hajlam a lényeges jellemzők. Füstgáz kondenzáció A füstgázban a tüzelőanyag fajtától függően több-kevesebb vízgőz található, valamint a különböző oxidok a vízgőzzel reagálva savakat képeznek. A füstgáz lehűlésével a savtartalmú vízgőz a koncentrációtól függően különböző hőmérséklet tartományokban kondenzálódik. A füstgázban a kondenzáció általában 120-140°C-os hőmérsékleten kezdődik meg. A kondenzálódó savak mindenféle korróziós problémákat okozhatnak. A füstgáz kondenzációval részletesen a kazánhatásfok tárgyalásánál foglakozunk. Itt csak annyit kell megemlíteni, hogy a hőcserélőszakaszok méretezésekor általában a

BME-GPK EGT

17

füstgáz kondenzációját el kell kerülni, még részterheléses állapotban is, vagy saválló felületek beépítésével a füstgáz lehűtéséből és a kondenzációból nyerhető plusz hőmennyiség maximális kihasználására kell törekedni. Fűtőfelületek elrendezése A műszaki hőtanban tanultak alapján a fűtőfelületek elrendezésére a leggazdaságosabb és energetikailag a legkedvezőbb megoldás az ellenáramú kapcsolás, illetve elrendezés. Ez a megállapítás a kazántechnikában is igaz, azonban helyenként más tényezők korlátozzák ezen elv alkalmazhatóságát. A leglényegesebb korlátot általában a beépített anyagok hőállósága, vagy melegszilárdsága jelenti. Füstgáz oldalról a legmagasabb hőmérsékletű és legnagyobb hőterhelésű hely a tűztér. Ha tisztán ellenáramú hőcserét akarnánk megvalósítani, akkor a hőhordozó közeg kilépés előtti felületeit kellene ide elrendezni (pl. gőzös esetben a túlhevítő felületeket). Azonban a melegszilárdsági korlátok miatt ez nem valósítható meg gazdaságosan. Ezért pl. gőzös esetben a tűzteret általában elgőzölögtető felületek övezik, amely kettős előnnyel jár. Egyrészről az elgőzölögtetési hőmérséklet alacsonyabb általában, mint a kilépő hőmérséklet. Másrészről hőfelvevő oldalról a rendkívül magas forrásos hőátadási tényező révén a hőátadó rész falhőmérséklete még igen nagy hőterhelés esetén sem lépi túl jelentősen a telítési hőmérsékletet, megvédve ezzel az anyagot a túlhevüléstől. Léghevítők esetén, ahol a füstgáz- és a levegőoldali hőátadási tényezők azonos nagyságrendűek, általában csak tisztán egyenáramú kapcsolással kerülhetők el a káros túlhevülések.

2-2. ábra Fűtőfelületek legelterjedtebb elrendezése a füstgáz útja mentén

Tisztítás A kazánok hőhordozó közeg oldalát is tisztán kell tartani, továbbá a hőhordozó közeg oldott anyag koncentrációját a megfelelő értéken tartani. Ez utóbbira gőzkazánok esetében van szükség, ahol a gőzben nagyságrenddel kisebb oldottanyag távozik a kazánból, mint ami oda a tápvízzel érkezik, így az ún. kazánvíz besűrűsödik, ami egy bizonyos határon túl működési zavarokat okozhat. A megfelelő koncentráció beállítását bizonyos mennyiségű kazánvíz leeresztésével lehet biztosítani. Ezt a folyamatot a leeresztési helytől függően lelúgozásnak, illetve leiszapolásnak nevezik. Lelúgozás esetében az enyhén lúgossá váló vízszint közeléből vezetik el folyamatosan a kazánvizet. Leiszapolásnak a kazán alsó részéből szakaszos kazánvíz elvezetést nevezik.

BME-GPK EGT

18

2.3. Kiegészítő, segédberendezés rendszerek Tüzelőanyag előkészítő és ellátó rendszer Ezen rendszer feladata a tüzelőanyag esetleges tárolása, illetve ellátórendszerhez való kapcsolódás biztosítása, valamint a tüzelési teljesítménynek megfelelő tüzelőanyagmennyiség tüzelőberendezéshez juttatása, továbbá az alkalmazott tüzelőberendezéstől függően a tüzelőanyagnak a tüzeléshez való részleges, vagy teljes előkészítése. A tüzelőanyag előkészítéshez szükséges hőt általában a kazánok biztosítják. Ezt szokták önfogyasztásnak nevezni. A fentieken tüzelőanyagtól függően mást és mást kell érteni. Gáznemű Földgáz:

A tüzelőanyagellátást az országos ellátóhálózathoz kapcsolódva lehet biztosítani, a maximális vételezési mennyiséghez igazodva. A szolgáltatott gáz minőségére, összetételére és fűtőértékére szabványjellegű előírások vonatkoznak. Propán-Bután gáz: Vagy más néven PB gáz cseppfolyósított formában kifejezetten erre a célra épített, és megfelelő biztonsági szerelvényekkel ellátott tartályban tárolható. A tartályt kiürüléskor újra kell tölteni. A gáznyerés relatív kis teljesítményigény esetén a tartályból az elpárolgott gázfázisból történik, míg nagyobb teljesítmény esetén a gázt folyadékfázisban lefejtve, majd egy fűtött elpárologtató berendezésen keresztül vezetve történik. A gázfázisban történő lefejtés esetén a tartályban létrejövő sűrűség szerinti rétegződés miatt eleinte propánban dús, a kiürülés előtt pedig butánban dús gázkeveréket kapunk. Folyadékfázisban történő lefejtés esetén közelítőleg az átlagos keverékaránynak megfelelő gázkeverék nyerhető folyamatosan. Egyéb gáz: (pl. kohógáz, biogáz) Ezekben az esetekben a tüzelőanyag valamilyen technológiai folyamathoz kapcsolódóan áll rendelkezésre. Ilyenkor a technológiai folyamat és a hőtermelés összhangját kell biztosítani. A szállítás ebben az esetben csővezetéken történik. Az előkészítésen csak az esetleges szennyeződések (por, vagy nedvesség) kiszűrését, illetve az égő előtti megfelelő gáznyomás beállítását kell érteni. Azonban a robbanásveszély elkerülése érdekében az alkalmazott szerelvényekre fokozott minőségi és biztonságtechnikai előírások vonatkoznak. Folyékony A folyékony tüzelőanyagokat kifejezetten erre a célra épített és megfelelő biztonsági szerelvényekkel ellátott tartályokban tároljuk. A tárolt mennyiségnek a fogyasztási teljesítményhez és a szállítás gyakoriságához kell igazodnia. A tüzelőberendezéshez szállítás ebben az esetben is csővezetéken történik. Folyékony tüzelőanyagok esetében szintén szükség van a szennyezőanyagok, illetve a nedvesség kiszűrésére. A továbbiakban a folyadék megfelelő porlasztásához (elpárologtatásához) magas nyomásra van szükség, amelyet megfelelő szivattyú beépítésével lehet biztosítani. Továbbá az előkészítő rendszer feladata, hogy biztosítsa a szivattyúzáshoz, illetve az elpárologtatáshoz szükséges, megfelelően alacsony folyadék viszkozitást, a folyadékok eltüzeléséhez a tüzelőolajnál nehezebb párlatokat kisebb-nagyobb mértékben fel kell melegíteni.

BME-GPK EGT

19

Szilárd A felhasználás előtt a tüzelőanyagot erre a célra kialakított tárolóban kell tárolni. Szabadtéri tárolás esetében számolni kell a tüzelőanyag csapadéktól való átnedvesedésével, téli időben pedig összefagyásával. Hosszabb időn keresztül fedett helyen való tárolás esetén pedig a tüzelőanyag száradását figyelembe kell venni. A tárolt mennyiségnek a fogyasztási teljesítményhez és a szállítás gyakoriságához kell igazodnia. A tüzelőanyag szállítása főként a mérettartománytól függően különböző lehet. Porszerű mérettartomány esetében lehetőség van a pneumatikus úton, csővezetéken történő szállításra. Egyéb esetben pedig többféle anyagszállító rendszer is szóba jöhet, a tüzelőanyag átlagos mérettartományához alkalmazkodva, mint pl. szállítószalag, bordás szalag, rédler, kaparólánc, szállítócsiga, stb. A tüzelőanyag előkészítése legtöbbször mérethomogenizálást, esetleg minőséghomogenizálást, aprítást, illetve rostálást jelent. Ha lehetséges, előnyös a szennyezőanyagok kiszűrése is. Egyes anyagok (pl. fémdarabok, föld) súlyos problémákat okozhatnak az ellátórendszerben, vagy tüzelés közben. Bizonyos esetekben a szállító-aprító rendszer a tüzelőanyag kisebb-nagyobb mértékű előmelegítését és előszárítását is elvégzi, javítva ezzel a tüzelőanyag gyulladási és égési képességét. Füstgáz tisztító berendezések A szigorodó környezetvédelmi előírások betartása és környezetünk megóvása érdekében egyre több esetben füstgáz szűrő, vagy tisztító berendezést kell a kazán után kapcsolni. Legelterjedtebbek a szálló pernye leválasztására beépített szilárdanyag leválasztók. De terjedőben vannak a főként kénes savak leválasztására hivatott füstgázmosó (ún. kéntelenítő) berendezések, továbbá az elégetlen gázok és a nitrogén oxidok csökkentésére alkalmas katalitikus berendezések is. Füstgázelszívó ventilátor Az utóbbi időkben a kazánfejlesztések tendenciája az adott teljesítményt kisebb méretben megvalósító berendezések felé haladt, amelyet a nagyobb gázsebességek révén kialakuló fokozottabb hőátadással értek el. Ennek az ára azonban a nagyobb áramlási ellenállás, amelyhez már kevés a kémény által létesített huzat. Ha a kazánhoz füstgáztisztító is csatlakozik, általában ennek az áramlási ellenállása akár többszörösen is meghaladhatja a kazán füstgázoldali ellenállását. Így az ellenállás legyőzésére ventilátor beépítése szükséges. Túlnyomásos tűzterű kazánok esetében, bizonyos esetekben a teljes füstgáz és levegőoldali rendszerellenállás legyőzését a levegőventilátorra bízzák.

2.4. Hőhordozó közeg rendszer Keringető-/tápszivattyú A hőhordozó közeget szivattyú (levegő esetén ventilátor) szállítja a kazánba. Meleg- vagy forróvíz, illetve termoolaj esetén, ezt keringető szivattyúnak hívják, és a kazánellenálláson kívül a teljes, vagy bizonyos részrendszer ellenállását is le kell győznie. A szállított mennyiségnek a kazán hőteljesítményéhez és a hőmérsékletlépcsőhöz kell igazodnia. Gőzkazánok esetében ezt tápszivattyúnak hívják, amely - mint neve is mutatja - a gőztermelésnek megfelelő mértékben táplálja a vizet a kazánba. A szivattyú által előállított nyomásnak a kazán üzemnyomásánál nagyobbnak kell lennie.

BME-GPK EGT

20

Puffer-/táptartály Megfelelő mennyiségű hőhordozó közeg rendelkezésreállásáról és a kazánba táplálhatóságáról gondoskodni kell. Amennyiben a kazánba nem a megfelelő mennyiségű hőhordozó közeg kerül betáplálásra, úgy bizonyos felületek hűtetlenül maradnak. Ez a túlhevülés a kazán súlyos károsodásához vezethet. Ide kerül visszavezetésre a rendszerből visszatérő hőhordozó is. A hőhordozó közeg térfogata a hőmérséklet emelkedésével növekszik (hőtágulás). A rendszer tágulásából adódó térfogatnövekedést is a puffertartály veszi fel. Ezért ezt meleg-/forróvizes rendszerek esetén tágulási tartálynak nevezik. Hőhordozó közeg előkészítő rendszer A hőhordozó közegeket az alkalmazáshoz elő kell készíteni. A minimális előkészítés a szűrés, vagyis a mechanikus szennyeződések eltávolítása. A legáltalánosabban használt víz (vízgőz) esetében lágyítani, vagy sótalanítani kell. Részletesen lásd a vízelőkészítés fejezetben.

BME-GPK EGT

21

3. KAZÁNKONSTRUKCIÓK 3.1. Kiskazánok Ezekkel a konstrukciókkal néhány kivételtől eltekintve a 300 kW alatti teljesítménytartományban találkozunk. Ezeket a kazánokat általában lakások, családi házak, vagy más funkciójú, de ilyen mérettartományú épületek fűtésére és melegvízellátására használják. Ezek a kazánok csaknem minden esetben melegvizes rendszerűek. Mivel a rendszernyomás relatív alacsony (p=2-3 bar), valamint az üzemi hőmérsékletek is alacsonyak (általában tmax <90 °C), így a kazánelemek igénybevétele nem túl magas. Az alacsony igénybevétel eredményeképpen a kazánkonstrukciók széles skálája található meg ebben a tartományban. Néhány jellemző konstrukció Bordázott rézcsőből kialakított hőhasznosító:

Ez a fali kazánok (cirkogejzír) tipikus hőhasznosító konstrukciója. Öntöttvas tagos elemekből felépülő hőhasznosító: Egy alapelem felhasználásával a tag darabszám variálásával különböző teljesítményű kazánok készíthetők. Robosztus konstrukció, korróziónak jól ellenálló. A jó korrózióállóság miatt ez az ún. kondenzációs kazánok legjellemzőbb hőhasznosító konstrukciója. Hegesztett acéllemez kazánok: Az alacsony üzemnyomás miatt sík oldalfalakkal rendelkező konstrukciók is megfelelőek. Így találkozhatunk ún. lemeztáskás hőhasznosító konstrukciókkal.

3-1. ábra Nyitott és zárt égésterű háztartási fűtőkészülék (Vaillant)

BME-GPK EGT

22

3-2. ábra Viessmann gyártmányú öntöttvastagos kazán röntgenrajza, amely injektoros részleges előkeveréses gázégővel van felszerelve.

3-3. ábra Zárt égésterű kondenzációs kazán (Vaillant)

3-4. ábra Háztartási fatüzelésű kazán

3.2. Nagyvízterű, lángcsöves-füstcsöves kazánok Ennél a kazánkonstrukciónál az égés egy hengeres csőben, az ún. lángcsőben történik, ez alkotja a tűzteret. A hőátadás itt döntően sugárzás útján történik. A lángcsövet követően a füstgáz a hőt konvektív úton, vékonyabb csövekben történő áramlása során adja le, ezeket nevezik füstcsöveknek. A füstgáz a kazán hossza mentén kétszer, vagy háromszor halad végig, ezt jelzi a két- illetve háromhuzamú elnevezés. A kazán végein találhatók az ún. fordítókamrák, amelyek a füstgáz átvezetését biztosítják egyik huzamból a másikba. Mind a lángcsövet, mind a füstcsöveket hőhordozó közeg veszi körül, amely felveszi a füstgáz által leadott hőt. Mindezeket egy nagyméretű külső köpeny fogja körbe. A külső köpenyen belül, a láng- és füstcsöveket körülölelő vízmennyiség relatív nagy mennyiségű, innen származik a nagyvízterű elnevezés.

BME-GPK EGT

23

3-5. ábra Kazán rendszer, Enman

A konstrukció alkalmazhatóságának főként szilárdsági és gyártástechnológiai korlátai vannak. A maximális üzemnyomás pmax=20 bar, vagy ez alatt van. A maximális teljesítmény egy lángcső esetén Q=20 MW, ikerlángcső alkalmazása esetén Q=30 MW körüli érték. Ezt a kazánkonstrukciót egyaránt használják melegvíz, forróvíz és gőzüzemre. Gőzüzem esetén az alapkonstrukció csak telített gőz előállítására alkalmas, és tápvízelőmelegítő sincs az alapkonstrukcióban. A nyomás emelkedésével a telítési hőmérséklet is emelkedik, és így az elérhető kazánhatásfok az alapkonstrukciót figyelembe véve egyre kisebb lesz. Ilyenkor a nagyvízterű rész után egy vízcsöves konstrukciójú tápvízelőmelegítőt építenek be, amellyel a hatásfok megnövelhető. A gőz kismértékű túlhevítésére is lehetőség van, valamelyik füstgáz fordulókamrába beépített csöves hőcserélő alkalmazásával. Ez a túlhevítés csak kismértékű lehet, tmax=ts+50 °C a konstrukció adta korlátok miatt. Az üzem közben kazánban tárolt jelentős telítési állapotú vízmennyiség miatt, a kazán, mint változó nyomású ún. Ruths hőtárolóként is működik. (A nyomás kismértékű csökkenésével csökken a telített víz állapot entalpiája, a különbség hatására gőz képződik.) Emiatt a kazán rugalmassága igen jó, jól tudja követni a gyors terhelésváltozásokat, még lomha tüzelésszabályozás esetén is. Azonban a nagy tárolt térfogat miatt a felfűtési idő, és ezzel együtt a felfűtési veszteség megnő, ami csak időszakosan rövid ideig fennálló hőigény esetén jelentős veszteséget eredményezhet. Ez a kazánkonstrukció a nagyobb teljesítményű fűtés, használati melegvíz ellátás, és főként a technológiai hőellátás tipikus kazánberendezése. A viszonylag egyszerű és olcsó gyártástechnológia miatt, az előbbiekben említett teljesítménytartományon belül, amennyiben más kívánalom nem merül fel, ezt a kazánkonstrukciót alkalmazzák. Alkalmazhatóságát korlátozó tényező egyrészről az elérhető alacsony túlhevítési hőmérséklet, másrészről a nagy dobátmérő miatt megengedhető viszonylag alacsony nyomás. Továbbá a konstrukció szilárd tüzelésre a kis tűztérméret miatt csak korlátozottan használható, általában a szilárd tüzelőanyag égése nagyobb tűztértérfogatot igényel. Olaj- és gáztüzelésre viszont kiválóan alkalmas.

BME-GPK EGT

24

3-6. ábra Bosch UNIVERSAL steam boiler UL –S

Tűztérméretezés, zsák-/átmenőlángcső A lángcső alkotja ennél a kazánkonstrukciónál a tűzteret, vagyis itt megy végbe a kémiai reakció. A lángcső méretének és alakjának illeszkednie kell a tüzelőberendezés által létrehozott lángcsőformához. Mivel a tüzelőberendezés és a hőhasznosító rész gyártója különböző szervezet, így a fejlesztés és a típussorozat kialakítás is elkülönülten folyik. A tüzelőberendezések vizsgálatára szabványosított kialakítású vizsgálólángcső méretsorozat szolgál. A tüzelőberendezés fejlesztők akkor minősítik megfelelőnek az általuk alkotott berendezést, ha a vizsgálólángcsőben teljesíti az elvárt teljesítmény, hatásfok és emissziós értékeket. Ebből következően az alkalmazott lángcsőméretek általában nem térhetnek el jelentős mértékben a vizsgálólángcső méreteitől. Vannak azonban olyan tüzelőberendezés konstrukciók, amelyek esetén a lángforma széles tartományban állítható. Ilyen esetben valamivel nagyobb mértékű eltérés is megengedhető. Ekkor azonban csak az ilyen lángformára alkalmas speciális tüzelőberendezés alkalmazható. Minden esetben figyelemmel kell azonban lenni a megfelelő tűztértérfogat kialakítására. A tüzelőanyag megfelelő kiégéséhez biztosítani kell a minimális tűztértartózkodási időt. Másrészről az NOx emisszió csökkentésére való törekvés miatt sem célszerű a térfogati tűztérterhelést magasra választani. A tűztéri hőcsere számítása során a legnagyobb részt alkotó sugárzásos hőcsere mellett nem lehet figyelmen kívül hagyni az áramlásból és esetleg lángütközésből adódó konvektív hőcserét sem. Egy adott berendezés beszabályozásánál ügyelni kell arra, hogy a láng a lehető legjobban töltse ki a tűzteret. Ezzel érhető el a megfelelő kiégés, az alacsony károsanyag emisszió,

BME-GPK EGT

25

valamint a hőhasznosító rész egyenletes terhelése, ami hőfeszültségek minimalizálása és forráskrízisek kialakulásának elkerülése szempontjából fontos. Speciális eset az ún. zsáktűztér kialakítás. Ebben a tűztérben a láng kétszer áramlik végig a lángcsövön középen a cső vége felé, majd külső koncentrikus gyűrű keresztmetszetben visszafelé.

3-7. ábra Bosch UNIVERSAL steam boiler U-ND/U-HD, zsáklángcsöves

A zsáktűztérben létrejövő intenzív keveredés segíti a tüzelőanyag megfelelő kiégését. A tűztérben leadott hőmennyiség általában 5-10%-al magasabb, mint hasonló méretű átmenőlángcső esetén. Azonban a kazán üzeme sokkal érzékenyebb a tüzelőberendezés megfelelő beszabályozására, valamint a megfelelő hossz/átmérő méretarány megválasztására, mivel biztosítani kell, hogy a láng csak a tűztér végén él forduljon vissza és ne előbb, biztosítva ezzel a megfelelő lángkitöltést. Emiatt csak megfelelően nagy sebességimpulzussal dolgozó égők felelnek meg ilyen kazánok számára. A legnagyobb hőterhelésű rész azonban megfelelő kitöltés esetén is a lángcső első része, illetve a mellső fordítókamra az intenzív keveredés és ütközés miatt. Egyes kazánkonstrukciók esetén hűtött mellső fordítókamrát alkalmaztak. A kétirányú áramlás biztosítása miatt lényegesen nagyobb lángcsőátmérő adódik, mint átmenőlángcső esetén, viszont a hossz valamelyest csökkenthető. A zsáktűzteres megoldást leginkább kisebb teljesítményű (általában 2 MW alatti) berendezések esetében alkalmazzák. Általában a zsáktűztér után csak egy konvektív huzamot alkalmaznak, ez a konstrukciót leegyszerűsíti, és ez az árban is megjelenik. Sima-/hullámos lángcső Szilárdsági és hőfeszültségi probléma elsősorban a lángcső-füstcsőköteg-csőfal együttes üzem közbeni viselkedése. A bonyolultabb és drágább gyártástechnológia miatt csak abban az esetben érdemes hullámos lángcsövet alkalmazni, ha ez szilárdsági, hőfeszültségi vagy kifáradási okból indokolt. Arra a kérdésre válaszolni, hogy hol húzódik a sima lángcső alkalmazhatóságának határa, csak részletes elemzés után lehetséges. A probléma megoldására célszerű valamelyik végeselemes programrendszert használni (pl. COSMOS). A különböző gyártók is zsáktűzterű kazánok esetén, és kisebb teljesítményeknél háromhuzamú esetben is sima lángcsövet használnak. BME-GPK EGT

26

Tűztéri lángcsőbetétek A tűztérbe helyezhető betétek alkalmazására törekednek többen is. Az ún. lángcsőbetétnek több előnye is van. Megfelelő kialakítás estén javítja a keveredést és segíti a tüzelőanyag megfelelő elégését. Kialakítható segítségével bizonyos mértékű belső füstgázrecirkuláció, amely szintén a jobb kiégés és az alacsonyabb károsanyag emisszió irányában hat. Továbbá mint szilárd test, a sugárzóképessége sokkal közelebb esik az abszolút fekete test sugárzásához, mint a lángsugárzásé, emiatt nő a tűztérben lesugárzott hőmennyiség és csökken a lánghőmérséklet. Zsáktűztér esetén további előnyként jelentkezik, hogy alkalmazásával az áramlás egyértelművé tehető, az előre és a visszaáramlás elválasztható. Így a zsáktűztérben lezajló áramlási folyamatok sokkal kevésbé függenek az égőbeállítástól. Hogy ez a módszer mégsem terjed szélsebesen, annak az az oka, hogy nehéz olyan anyagot találni, amelyik elfogadható áron és hosszú távon látja el feladatát a tűztérben. Az alkatrész 900-1200 °C körüli hőmérsékleten üzemel. Főként a kazánüzem indulás és leállás okoz problémát az igen gyors hőmérsékletváltozások miatt (pl. előszellőztetés, majd gyújtás). Általában kétféle anyaggal próbálkoznak, az egyik a kerámia, a másik a hőálló lemez. Kerámia esetében probléma egyrészről, hogy az alkatrészek méretének határt szab a rendelkezésre álló égetőkemence méret, másrészről a kerámia nem szereti a gyors hőmérsékletváltozást, és megreped, majd eltörik. A hőálló lemeznél az előbbi két probléma nem jelentkezik, viszont ennek az anyagnak a szilárdsága ezen a hőmérsékleten annyira lecsökken, hogy a saját súlyából adódó terhelést sem bírja el, és összeomlik. Az előbbiek miatt jelenleg csak kisteljesítményű és alacsony tűztérterhelésű berendezéseknél használják.

3-8. ábra Viessmann gyár által készített, lángcsőbetétekkel ellátott kazán konstrukciója

Falazott vagy hűtött fordítókamra A huzamok közötti füstgáz visszafordítására szolgál az ún. fordítókamra. Ennek kialakítása többféle lehet. Lehet belső vagy külső elhelyezésű. A tisztíthatóság és javíthatóság érdekében az egész kamrát, vagy bizonyos részét nyithatóra készítik. A tisztíthatóságnak főként szilárd és olajtüzelés esetében van jelentősége. Más tüzelőanyag esetén inkább csak az ellenőrzések és javíthatóság célját szolgálja. A kamra lehet hőhordozóközeggel hűtött konstrukció, amely szintén hőátadó felületként működik. A munkaközeg áramlás biztosítása azonban némileg bonyolítja a konstrukciót. Konstrukciós szempontból egyszerűbb tűzálló falazattal ellátott fordítókamrát készíteni. Azonban a falazat a hőingadozás eredményeképpen előbb-utóbb repedezik, porlad, sűrűbb

BME-GPK EGT

27

időközönként szorul felújításra. A tűztéri fordítókamráknál a falazat visszasugárzó hatása segíti a tüzelőanyag begyulladását, kiégését. Ennek azonban csak fűtőolaj-, vagy szilárdtüzelés esetén van jelentősége. Konvektív huzamok méretezése és turbulizátor betétek használata A konvektív fűtőfelületek, füstcsőhuzamok kialakítását több szempont alapján kell elvégezni. A fő cél természetesen a minél jobb hőhasznosítás, vagyis a füstgáz minél jobb visszahűtése. Természetesen a lehűtésnek is korlátai vannak. A nem kifejezetten kondenzációs kazánként épített berendezéseknél el kell kerülni a kondenzációt. Optimalizálást igényel a füstgázsebesség megválasztása. Magasabb füstgázsebesség esetén nő a hőátadási tényező a füstgáztól a csőfal felé. Ily módon ugyanakkora hőátvitel eléréséhez kisebb fűtőfelület is elegendő. A javulásnak azonban ára van, növekszik a huzamok nyomásvesztesége, nő a kazán ellenállása, amit többlet ventilációs munkával kell fedezni. Az ellenállásnövekedésnek jótékony hatása is van, kiegyenlítettebb lesz a füstgázhuzamok közötti füstgázáram megoszlás, csökken a fűtési egyenlőtlenség. Továbbá szilárd tüzelés esetén a huzamok elrakódásának megakadályozása érdekében kell magas füstgázsebességet tartani. Az ellenállás növekedésének határt szab a tüzelőberendezés, illetve az égéslevegő rendszer teljesítőképessége, valamint a villamosenergia önfogyasztás növekedése. A hőátadási tényező növelésének speciális és hatékony módszere a különböző típusú füstcsőbetétek használata. Ezek általában valamilyen formára hajtott szalagacélból, vagy huzalból készülnek, és nincsenek közvetlen fémes kapcsolatban a füstcsővel. Megfelelő kialakítású betéttel a helyi hőátadási tényező 1,5-3-szoros értékre növelhető. A különböző típusú füstcsőbetétek hatásmechanizmusának elemzése meghaladja ezen tanulmány kereteit. További előnye ennek a megoldásnak, hogy a konvektív felületek kisebb méretű módosítása, adott feltételekhez történő hangolása könnyűszerrel elvégezhető a nyomástartó rész változatlanul hagyása mellett, a betétel hosszának változtatásával. Az előnyökért természetesen itt is a súrlódási ellenállás növekedésével fizetünk. A Viessmann gyár esetenként speciális többelemes füstcsőbetéteket használ. Továbbá szintén ez a gyár alkalmaz melegvízkazánok esetén többrétegű füstcsövet, amely kialakítása folytán részterhelésen romlik a rétegek közötti érintkezés és ezáltal csökken a hőcsere. Ily módon elkerülhető részterhelésen a füstgáz kondenzáció alacsonyabb hőhordozóközeg hőmérsékletek mellett is.

3-9. ábra Viessmann többrétegű füstcsővel és betéttel ellátott konvektívhuzam és a megoldási részlet

BME-GPK EGT

28

Túlhevítők A nagyvízterű gőzkazánokat általában túlhevítő nélkül építik, mivel a technológiai és kommunális hőellátás részére a hőszolgáltatás telített gőz formájában történik. A gőztávvezetéki kondenzveszteség csökkentése, valamint a kapcsolt energiatermelés terjedése miatt egyre inkább igényként merül fel a túlhevített gőzszolgáltatás. A túlhevítőt ezeknél a berendezéseknél általában valamelyik fordítókamrába építve szokták elhelyezni, csőkígyós kivitelben. Célszerű az alapkonstrukciót úgy elkészíteni, hogy igény esetén különösebb átalakítás nélkül felszerelhető legyen a túlhevítő is. A túlhevítőt általában jelentősen túl kell méretezni, hogy részterhelésen is tudja biztosítani a megkívánt hőmérsékletet, mivel a terhelésváltozás következtében változik a sugárzásos és konvektív hőcsere részaránya. Továbbá minden kazándobból van kisebb-nagyobb méretű vízelhordás, emiatt a hőcserélőnek az így elhordott vizet is el kell tudni párologtatni, majd túlhevíteni. A fordítókamrában elhelyezett megoldásokkal általában csak kisebb mértékű túlhevítés oldható meg. Magasabb túlhevítési hőmérséklet igény esetén az első huzam füstcsövei közül néhányat nagyobb átmérőjűre készítenek, és ebbe dugják bele a spirálisra hajtott csőkígyós hőcserélőt. Az ilyen fajta kialakítás még gondosabb méretezést igényel. Főként a füstgázoldali hidraulikai méretezést kell gondosan végezni, úgy kell kialakítani a párhuzamosan kapcsolt túlhevítős és normál füstcsöveket, hogy ellenállásuk azonos legyen, mert csak így érhető el a füstgáz egyenletes eloszlása és az egyenletes terhelés.

3-10. ábra Bosch UNIVERSAL steam boiler UL –S, túlhevítő beépítésével

Tápvízelőmelegítők A megfelelően magas kazánhatásfok elérése gőzös üzem esetén szükségessé teszi a tápvízelőmelegítő beépítését. Általában ezt a fő kazántesttől elkülönülten, a kilépő füstgázcsonk után építik be. Ez a megoldás lehetőséget ad a régebbi berendezésekhez való utólagos illesztésre is egy retrofit esetén. Az induláskor, illetve részterhelésen a kondenzáció elkerülésére általában füstgáz megkerülő (bypass) ágat építenek ki. Tápvízelőmelegítőt csak folyamatos vízszintszabályozás esetén lehet üzemeltetni, mivel csak így biztosítható a fűtőfelület folyamatos hűtése és a jó hatásfok. A fűtőfelületet általában bordáscsöves csőkötegekből állítják össze. Nehézolaj és főleg szilárd tüzelés esetén azonban gondolni kell a fűtőfelület elrakódásának lehetőségére is. Ebben az esetben célszerű nagy bordaosztásos, vagy bordák nélküli csövek használata. A felületek füstgázoldali tisztíthatóságának lehetőségét biztosítani kell.

BME-GPK EGT

29

3-11. ábra Bosch UNIVERSAL steam boiler U-MB, tápvízelőmelegítővel

3-12. ábra Tápvízelőmelegtő beépítés

BME-GPK EGT

30

Égéslevegő előmelegítés A füstgáz további lehűtésére és hőtartalmának hasznosítására lehetőség van az égéslevegő előmelegítése által is. Továbbá helyenként a kazán sugárzási veszteségét, vagyis a környezetnek átadott hőt is úgy csökkentik, hogy az égéslevegőt a kazánköpenyben áramoltatva vezetik az égőhöz. Ilymódon akár a hőszigetelés nagy része is megspórolható. Az égéslevegő előmelegítés előnyös lehet tüzelési szempontból nagy nedvességtartalmú szilárd tüzelés, pl. biomassza tüzelés, vagy hulladékmegsemmisítés esetén. Más, jól égő tüzelőanyagok esetén inkább hátrányos, mivel növeli a tűztérhőmérsékletet és ezen keresztül elősegíti az NOx képződést. Az égéslevegő előmelegítésnek további feltételei is vannak. A tüzelőberendezésnek alkalmasnak kell lennie az előmelegített égéslevegővel való üzemre. Egyrészről az égőalkatrészek hőállóságának megfelelőnek kell lennie, továbbá ellenőrizni kell az égőfej környezetének hűtöttségének megfelelőségét is a melegebb levegővel. Továbbá a kazán terhelésének változásával változik az előmelegítés mértéke, ami befolyásolja az égéslevegő ventilátor üzemét, és a tüzelőberendezés tüzelőanyag/levegő arányszabályozását, vagyis a légfeleslegtényezőt is. Ezeket a hatásokat csak olyan értéktartó szabályozással lehet kiküszöbölni, amely az égőbe belépő levegő nyomását és hőmérsékletét állandó értéken tartja. Vagy a kilépő füstgázáramba épített oxigénszondáról vezérelt tüzelőberendezést kell beépíteni, amely így a légfeleslegtényezőt mindig az optimális értéken tartja. Füstgáz kondenzációshő hasznosítás lehetőségei és korlátai A kazánhatásfok növelés leghatékonyabb eszköze a füstgázveszteség csökkentése, vagyis a kilépő füstgázhőmérséklet minél alacsonyabb értéken tartása. 5%-nál alacsonyabb füstgázveszteséget csak ún. kondenzációs kazánüzemmel lehet produkálni, amelyhez a füstgáz olyan mértékű (kb. 40-60 °C-ig történő) visszahűtése szükséges, hogy a füstgázban lévő vízgőz részben lekondenzálódjon. Itt a nyereség kettős. A hőmérsékletcsökkenésen túl a vízgőz kondenzációjával olyan plusz hőmennyiséghez jutunk, amely a hőbevitelkor nem lett figyelembe véve, mivel általában nem a tüzelőanyag égéshőjével számolunk. A füstgáz vízgőztartalmát a tüzelőanyag nedvesség és hidrogéntartalma befolyásolja döntően. Az égéslevegő is tartalmaz valamennyi vízgőzt, ennek mennyisége azonban sokkal kisebb, pontos számítások esetén azonban ezt is figyelembe kell venni. Az elérhető hasznot a tüzelőanyagok Égéshő és Fűtőérték jellemzőinek eltéréséből lehet megítélni. A legnagyobb különbség gáz tüzelőanyagok esetében van (8-10%), olajok esetén ez kisebb (5-6%) szilárd tüzelőanyag esetén a legkisebb (1-3%). Ebből következően az elérhető megtakarítás gáztüzelés esetén a legnagyobb, amihez párosul a gáztüzelésre jellemző legkisebb korrozív hatás. Így akár 100% feletti kazánhatásfok is elérhető (Fűtőértékre vonatkoztatva). Már olajtüzelés esetére is vannak próbálkozások a kondenzációs hő hasznosítására. Szilárd tüzelés esetén nincs és nem is várható, mivel az elérhető haszon minimális, viszont sok járulékos (főleg korróziós) probléma merül fel. A füstgáz ilyen mértékű visszahűtése azonban nem csak a kazántól függ. Kell hozzá egy olyan alacsony hőmérsékletű hőfelvevő közeg, amellyel a füstgáz hasznosan visszahűthető ilyen alacsony hőmérsékletig. Ezért a megoldás leginkább alacsonyhőmérsékletű melegvizes fűtési rendszerek esetén terjedt el. Vannak próbálkozások azonban a használati melegvízkészítéssel történő kombinációra is. Ilyen kétféle hőfelhasználó rendszer ötvözése esetében fokozottan kell ügyelni a rendszerek egyidejűségére. Rosszul illesztett rendszer esetén a megtakarítás minimális lehet, sőt akár meghibásodásokat is okozhat. A füstgázvisszahűtés történhet az égéslevegő bizonyos mértékű előmelegítésével is. A füstgáz-kondenzátum az eltüzelt tüzelőanyag összetételétől függően enyhén vagy erősebben savas, korrozív hatású. Emiatt a kondenzáció felületeket korrózióálló anyagból célszerű építeni. Továbbá gondoskodni kell a keletkező kondenzátum megfelelő elvezetéséről is. Általában az ilyen felületeket lefelé történő füstgázáramlással szokták kialakítani, segítve ezzel is a kondenzátum összegyűjtését és elvezetését.

BME-GPK EGT

31

3-13. ábra Kondenzációs kazán hőhasznositó kialakítása (Viessmann Vitocrossal 300 CT3)

3-14. ábra LOOS gőzkazán esetén a kondenzációs hőhasznosítás lehetősége

Ha azonban a füstgázban lévő vízgőz jelentős részének lekondenzálására nincs lehetőség, akkor az elérhető haszon minimális, ilyenkor nem gazdaságos a kondenzációs üzemre felkészülni. A nem kondenzációs üzemre készített berendezésekben viszont a kondenzációt el kell kerülni. Ez korróziós vagy esetleg áramlási problémákat is okozhat. A kondenzáció elkerülésének leghatékonyabb módja a minimális hőhordozóközeghőmérséklet biztosítása. Vannak más irányú próbálkozások is, mint például a Viessmann kazánok esetén alkalmazott többrétegű fűtőfelület megoldás.

BME-GPK EGT

32

3.3. Vízcsöves kazánok Nagyobb nyomásra és teljesítményekre az ún. vízcsöves kazánokat alkalmazzák. Itt a víz, vagy gőz a csövek belsejében áramlik, és a kazán tűzterét, valamint a füstgázjáratokat csövek sorozatából alkotott csőfalak határolják. A konvektív felületeket (túlhevítők, tápvízelőmelegítő) a csőfalakkal határolt térbe belógatott csőkötegek alkotják. Régebben ún. falazott kazánokat építettek, ahol a kazánt kívülről falazat veszi körül, és ezen belül találhatók a hűtőcsövek. Manapság falazatot csak a tűztérbe szoktak építeni nagy nedvességtartalmú szilárd tüzelőanyag égetésekor a száradás és gyulladás elősegítésére. Hőhasznosító oldalon a könnyűszerkezetes építésmód használatos. Ebben az esetben a tűztér és a füstgázjáratokat határoló falakat az ún. membránfalak alkotják. A membránfal a vízcsövek közé hegesztett laposacél elemek segítségével alakul gáztömör fallá. A vízcsöves konstrukció sokkal szabadabb lehetőségeket biztosít a különböző igényekhez igazodó kazánkonstrukció kialakítására. A tűztér és füstgáz huzamméretek szabadon növelhetők, szilárdsági jellemzők ezt nem korlátozzák. Fűtőfelületek elrendezése Füstgáz oldalról a legmagasabb hőmérsékletű és legnagyobb hőterhelésű hely a tűztér. Gőzfejlesztők esetében a tűzteret általában elgőzölögtető felületek övezik, amely kettős előnnyel jár. Egyrészről az elgőzölögtetési hőmérséklet általában alacsonyabb, mint a kilépő hőmérséklet. Másrészről hőfelvevő oldalról a rendkívül nagy forrásos hőátadási tényező révén a hőátadó rész falhőmérséklete még igen nagy hőterhelés esetén sem hevül jelentősen túl a telítési hőmérséklettől, megvédve az anyagot ezzel a túlhevüléstől. A füstgáz útján tovább haladva a legmelegebb helyre a túlhevítő fokozatok, majd ezt követően a tápvízelőmelegítő, végül a léghevítő következik.

3-15. ábra Fűtőfelületek szokásos elrendezése vízcsöves kazánokban

Vízoldali áramlási viszonyok alapján alapvetően kétféle alapesetet különböztethetünk meg, cirkulációs hurokkal rendelkező és kényszerátáramlású kazánokat.

BME-GPK EGT

33

3-16. ábra Gőzkazánokban alkalmazott tipikus áramlási rendszerek a) természetes cirkuláció b) serkentett cirkuláció c) kényszertárámlasású (Benson típus) d) kényszertárámlasású (Sulzer típus)

Első esetben a gőz-víz szétválasztás az ún. kazándobban történik. A tápvízelőmelegítőből érkező víz a kazándobba érkezik. A fejlesztett gőz pedig a kazándobból elvezetve áramlik tovább a túlhevítő felületek felé. A gőzfejlesztés önálló hurokkal rendelkezik, a kazándobból az ún. ejtőcsöveken keresztül kapják az elgőzölögtető felületek a vizet, majd ismételten a kazándobhoz csatlakoznak. Ebben a hurokban a két ágban lévő közeg sűrűségkülönbségének hatására cirkuláció indul meg, ezt nevezik természetes cirkulációnak. A cirkuláció jellemzésére használják a keringési számot, amely az elgőzölögtető hurokban áramló közegmennyiség és a kilépő gőzmennyiség hányadosa: =

ő

A cirkuláció megfelelő, ha a keringési szám eléri a K=5 körüli értéket. Ez az elgőzölögtető csövek hűtése miatt elengedhetetlen. A keringési szám adott kazánkonstrukcióra jellemző értékű, nagysága K=5-40 között változik a kazán üzemi viszonyaitól függően. A cirkuláció hajtóereje csökken a nyomás növekedésével, mivel csökken a telített víz és gőz sűrűségkülönbsége. Ezt a hurok magasságának növelésével lehet bizonyos mértékig ellensúlyozni.

BME-GPK EGT

34

konvektiv túlhevitôk besugárzott túlhevítô pernyetölcsér

tápvízelômelegítô

tûztér levegô elômelegítô égôk

elgôzölögtetô csôsorok

füstgáz kilépés

alsó elo sztókamra

3-19. ábra Egy erőművi vízcsöves természetes cirkulációs kazán keresztmetszete;

gőzteljesítmény: 250 t/h, gőznyomás: 100 bar, gőzhőmérséklet: 535 °C

BME-GPK EGT

35

3-170. ábra Szénportüzelésű erőművi vízcsöves kazán metszeti rajza

Amennyiben a természetes cirkuláció nem biztosítja megfelelően a felületek hűtését, ( ≈170 bar felett) a cirkulációs hurokba szivattyút építenek, így jutunk el az ún. kényszerített cirkulációhoz. Kritikushoz közeli gőzparaméterek (p >200 bar), illetve szuperkritikus kazánok esetén alkalmazzák az ún. kényszerátáramlású kazánokat. Ilyen esetben nincs külön elgőzölögtető hurok, így a kazándob is elmarad. A betáplált tápvíz végigáramolva a kazán csövein végül túlhevített gőz formájában távozik a kazánból. Ilyen esetben az elgőzölgés kezdetének és végének helye nem határozható meg pontosan, illetve a különböző üzemviszonyok esetén eltérő helyen alakul ki. Megfelelő konstrukciós megoldásokkal ez elkerülhető. Szuperkritikus kazánokat csak több száz megawatt nagyságrendben erőművi célokra építenek. Kényszerátáramlású gőzkazánokkal azonban alacsonyabb teljesítménytartományban is találkozhatunk. Ezeket gyorsgőzfejlesztőknek nevezik. Az ilyen típusú berendezéseket főként 1 MW teljesítmény alatti tartományban alkalmazzák. Fő előnyük a kis űrtartalom miatti gyors felfűthetőség, ami főleg szakaszosan jelentkező gőzigény esetén előny. Szintén emiatt a felfűtési veszteség is minimális értékűre adódik. További előny, hogy a kisebb űrtartalom következtében enyhébb veszélyességi besorolásúak, mint egy hasonló teljesítményű nagyvízterű kazán.

BME-GPK EGT

36

Viszont pontos nyomástartást nehezebb velük megvalósítani, és a tápvízminőségre is érzékenyebbek, mint a nagyvízterű kazánok. Nem megfelelő vízelőkészítés esetén a hőátadó rész sűrűn, akár évente cserére szorulhat.

3-18. ábra LOOS gyártmányú gyorsgőzfejlesztő elvi felépítése

Sok esetben főként hőhasznosító kazánok esetén kombinált vízcsöves és füstcsövesnagyvízterű kazánkombinációkat készítenek.

3-19. ábra LAMBION gyártmányú biomassza tüzelésű gőzös rendszer elvi felépítése, amely alkalmas kapcsolt villamosenergia termelésre is

3-20. ábra LAMBION gyártmányú kombinált hőhasznosító, burkolatlan és burkolt állapotban

BME-GPK EGT

37

3.4. Hőhasznosító kazánok Kombinált ciklusú gáz/gőzturbinás erőművekben ún. hőhasznosító kazánokat (HRSG) alkalmaznak. Ezekben a kazánokban nincs tüzelés, legtöbb esetben a gázturbinákból távozó forró füstgázok energiáját hasznosítva termelnek gőzt.

3-21. ábra Kombinált ciklusú erőmű kapcsolása és ebben a HRSG elhelyezkedése

3-22. ábra Egynyomású HRSG T-Q diagramja

3-23. ábra Egynyomású HRSG jellemző konstrukciója

3-24. ábra Két nyomásfokozatú HRSG és rendszer kapcsolása

A rendelkezésre álló energia minél hatékonyabb kihasználása érdekében kettő, illetve három nyomásfokozatú hasznosító rendszerekkel is találkozhatunk. BME-GPK EGT

38

4. KAZÁNOK ÜZEMVITELE, SZABÁLYOZÁSA 4.1. Tüzelőanyag és égéslevegő arányszabályozás A gazdaságos tüzelés és alacsony károsanyag kibocsátás elérése érdekében lényeges a mindenkori betáplált tüzelőanyagmennyiséghez igazodó, optimális légfeleslegtényezőt biztosító levegőmennyiség biztosítása. Jelenleg széles körben alkalmazott megoldás szerint a tüzelőberendezés beszabályozásakor állítják be fixen a különböző tüzelőanyagmennyiséghez tartozó égéslevegő mennyiségeket. Az így fixen beszabályozott arányt azonban több tényező is módosíthatja, úgymint a tüzelőanyagminőség, levegőhőmérséklet, páratartalom változása, továbbá a tüzelőberendezés elállítódása, vagy kopása. Napjainkban egyre inkább terjed a füstgáz oxigéntartalmát, és ezen keresztül a légfelesleg nagyságát érzékelő szonda segítségével szabályozott tüzelőberendezés, amely bármely körülmény megváltozása esetén mindig az optimálisnak beállított légfeleslegtényezővel üzemelteti a kazánberendezést.

4.2. Meleg-/forróvizes, termoolajos és levegős kazán üzemi szabályozása Ezeknél a rendszereknél nincs fázisváltás, csak hőhordozó közeg felmelegítése történik egy alacsonyabb hőmérsékletről egy magasabb hőmérsékletre. A hasznos hőmennyiség a következő képlettel fejezhető ki:

=

ö

∙

ö

∙

é ő

−

é ő !

kW

A hőszolgáltatás teljesítményszabályozására alapvetően kétféle módszert alkalmaznak: - Mennyiségi szabályozás esetén a hőhordozó közeg tömegáramát változtatják, a ki- és belépő hőmérsékletek állandó értéken tartása mellett. - Minőségi szabályozás esetén a ki- és a belépő hőmérsékletet változtatják a tömegáram állandó értéken tartása mellett. Ennek tipikus megvalósítása fűtési rendszerek esetén az ún. időjárásfüggő szabályozás, ahol a kazánból kilépő víz hőmérsékletét a külső levegő hőmérséklete alapján szabályozzák.

4-1. ábra Időjárásfüggő szabályozás tipikus jelleggörbéi

BME-GPK EGT

39

Kazán üzemvitel Teljesítményszabályozás:

A kazán teljesítményszabályozása, azaz az eltüzelt tüzelőanyagmennyiség szabályozása minden esetben a kazánból kilépő hőhordozó hőmérséklet segítségével történik. A kazánból kilépő hőmérséklet fix, vagy más jellemző (pl. külső levegő hőmérséklet) alapján szabályozott értékét kell a kazánszabályozásnak megadott tűrésen belül tartani.

Biztonsági korlátok Valamely jellemzőnek a megengedett tartományon kívülre kerülése esetén a berendezést le kell állítani. Ez általában a kazán elpiszkolódása, vagy valamelyik szabályozó berendezés hibája esetén fordul elő. Ilyenkor a berendezést csak a hiba kiderítése és elhárítása után lehet újraindítani. Maximális kilépő hőmérséklet: A szabályozási tartományon kívül eső túlhőmérséklet esetén a fűtőfelületek túlhevülésének elkerülése érdekében a berendezést le kell állítani. Ha a kazánberendezés nem füstgázkondenzációs üzemre Minimális belépő hőmérséklet: lett tervezve, a füstgázkondenzáció működési zavarokat okozhat, így azt a minimális belépőhőmérséklet biztosításával el kell kerülni. Nyomáshatárolás: A berendezés méretezési nyomásánál nagyobb nyomás alá kerülését meg kell akadályozni. A túlnyomás határolása általában mechanikus úton, ún. biztonsági szelep alkalmazásával történik. A szelep rugó-, vagy súlyterhelés ellenében a beállított nyomásnál nyit, és a munkaközeget a szabadba engedi, megakadályozva ezzel a berendezésben a nyomás további emelkedését. Hőhordozóközeghiány határolás: A hőhasznosító berendezés hőfelvevő közeg nélkül maradását el kell kerülni, mivel ez a felületek túlhevülését és kiégését okozhatja. Ez a hőhordozó minimális nyomásának korlátozásával, vagy áramlásőr beépítésével biztosítható.

4.3. Gőzkazán szabályozása Gőzkazán esetén a hasznos hőmennyiség a következő képlettel fejezhető ki:

=

ő

∙ ℎ

é ő

−ℎ

é ő !

kW

A kiszolgált hőfogyasztó rendszer teljesítményigény változása mind expanziós gép, mind hőszolgáltatás esetén az elfogyasztott, elnyelt gőzmennyiség változásán keresztül jelentkezik. Ha a kazánba bevezetett, és ezen keresztül a hasznosítható hőmennyiség nem változik, akkor a növekvő, illetve csökkenő gőzigény a kilépő entalpia, és ezen keresztül a kilépő nyomás csökkenését, illetve növekedését vonja maga után.

BME-GPK EGT

40

Kazán üzemvitel Teljesítményszabályozás:

A kazán teljesítményszabályozása, azaz az eltüzelt tüzelőanyagmennyiség szabályozása a kazánból kilépő gőznyomás segítségével vezérelve történik minden esetben, az előzőekben vázolt törvényszerűség miatt. A kazánból kilépő nyomás értékét kell a kazánszabályozásnak megadott tűrésen belül tartani.

4-2. ábra Tüzelési teljesítményszabályozási megoldások (Weishaupt)

Gőzhőmérsékletszabályozás:

BME-GPK EGT

Csak telített gőzt előállító kazán esetében nincs szükség gőzhőmérséklet szabályozásra, a gőz telített állapotban távozik, melynek hőmérsékletét a telítési nyomás meghatározza. Túlhevítés esetén a kilépő gőzhőmérsékletre több tényező is hatással van. A kazán terhelésváltozásával változik a konvektív és sugárzás útján átadott hő aránya, ami hatással van a túlhevítőből kilépő gőz hőmérsékletére. A fűtőfelületeken képződő lerakódások szintén hatással vannak a felületek hőfelvételére és ezen keresztül a túlhevítési hőmérsékletre. A tüzelésben történő változások (légfeleslegtényező, tüzelőanyagminőség, lángelhelyezkedés) is hatással vannak a túlhevítési hőmérsékletre. Emiatt a túlhevítési hőmérsékletet szabályozni kell, hogy a kilépő hőmérsékletet a fogyasztó által megkívánt tűrésen belül lehessen tartani. Ahhoz, hogy a gőzhőmérsékletet szabályozni tudjuk, a felületnek megfelelően túlméretezettnek kell lennie. A túlhevítési hőmérséklet szabályozására számos megoldást használtak korábban, mint például füstgáz bypass, gőzbypass, gőzvisszahűtés a kazándobban, füstgáz megkerülés, láng helyzetének változtatása, stb. Manapság csaknem minden esetben a tápvízbefecskendezéses túlhevítési hőmérsékletszabályozást alkalmazzák. Elterjedését a relatív egyszerű és olcsó szerkezeti kialakítás és a jó szabályozhatóság indokolja. Befecskendezésre csak teljesen sómentes tápvíz alkalmazható, elkerülendő a turbina, vagy más fogyasztó elsózódását. Szabályozási szempontból az a legelőnyösebb, ha a szabályozott szakasz minél rövidebb, vagyis a befecskendezés a gőzkilépésnél, azaz a túlhevítési hőmérséklet mérési helyénél történik. Ilyen esetben azonban a fűtőfelületben a gőzhőmérséklet a

41

tartani kívánt hőmérsékletet meghaladja, emiatt a szükségesnél hőállóbb, azaz drágább anyagot kell beépíteni. Ennek elkerülése érdekében a befecskendezés helyének általában az utolsó túlhevítőfokozat előtti szakaszt választják, gyakran a konvektív és a besugárzott túlhevítő felületek közé telepítik. A befecskendezést legtöbbször nem a gőzkilépési ponton valósítják meg, mivel ez ellenőrizhetetlen gőzhőmérséklet túllendülést eredményezne.

4-3. ábra A kilépési ponton, illetve két túlhevítő között történő gőzbefecskendezés hatása T-s diagramban ábrázolva

4-4. ábra A gőzbefecskendezés kapcsolása

4-5. ábra Gőzbefecskendező konstrukciója

Betáplált tápvíz mennyiségszabályozás: A mindenkori gőzfejlődésnek megfelelően kell tápvizet a kazánba táplálni. A kényszerátáramlású kazánok kivételével a gőz-víz szétválasztás a kazándobban történik. Ha nincs tápvízbetáplálás, a gőzfejlődés hatására csökken a kazándobban a vízszint. A kazándob vízszintváltozásának megfelelően lehet a tápvízbetáplálást szabályozni, ezért ezt tápvízmenynyiségszabályozás helyett vízszintszabályozásnak nevezik. Kényszerátáramlású kazán esetén nincs kazándob és vízszint, ilyen esetben a kazán teljesítményszabályozásának része a tápvízmennyiség szabályozás. BME-GPK EGT

42

4-6. ábra Úszós és szenzoros vízszint érzékelők (Bosch)

Kazán vízminőség szabályozás:

BME-GPK EGT

A kazánból a gőz minden esetben kisebb sótartalommal távozik, mint amennyi a tápvízzel érkezik a kazánba. A gőzzel elvitt sómennyiség is döntően a gőzzel elragadott vízcseppek útján történik. A cseppelragadást a kazándob víztükörterhelése és a kilépő gőzsebesség határozza meg. Ha a dobból távozó gőz nem tartalmaz vízcseppeket, azaz száraz telített gőznek tekinthető, a sótartalma gyakorlatilag zérus értékű. Így a kazánban maradó víz a kazán üzeme során sóban besűrűsödik, ami egy bizonyos határon túl lerakódások képződését, illetve a vízszint közeli rész lúgossá válása miatt a kazánvíz felhabzását eredményezheti. A kazánvíz sókoncentrációját emiatt megfelelő értékhatárokon belül kell tartani. Ezt a besűrűsödött kazánvíz bizonyos részének leeresztésével érik el, aminek helyébe érkező friss tápvíz a bennmaradó vízmennyiséget felhígítja. A kazánvíz elvezetése kétféle helyről történhet. A kazán alsó részéből elvezetett kazánvíz esetén a kazán leiszapolásáról beszélnek. Ez rendszerint szakaszosan történik. A kazándob vízszintje alatti részből elvezetett kazánvíz esetén ezt lelúgozásnak nevezik. Ez általában folyamatos üzemben történik. A kazánvíz sótartalmára a 43

kazánvíz vezetőképességének változásából lehet következtetni. A lelúgozás, leiszapolás vezérlése egy vezetőképességérzékelőről történhet. Érzékelő hiányában mindenkor a maximális teljesítményhez tartozó, és a tápvíz sótartalma alapján meghatározható kazánvízmennyiséget kell a kazánból folyamatosan elvezetni.

Biztonsági korlátok Valamely jellemző megengedett tartományon kívül esése esetén a berendezést le kell állítani. Ez általában a kazán elpiszkolódására, vagy valamelyik szabályozó berendezés vagy valamely segédberendezés meghibásodására vezethető vissza, ilyenkor a berendezést csak a hiba kiderítése és elhárítása után lehet újraindítani. Maximális kilépő nyomás: A berendezés méretezési nyomásánál nagyobb nyomás alá kerülését meg kell akadályozni. A túlnyomás határolása kétféle, elektronikus és mechanikus úton történik, mindkét módszert alkalmazni kell a megfelelő biztonság elérése érdekében. Elektronikus határoláson nyomásérzékelőt kell érteni, amely a gőznyomás megengedett érték fölé emelkedése esetén lép működésbe és leállítja a berendezést. Mechanikus határolás biztonsági szelep alkalmazásával történik. A szelep rugó-, vagy súlyterhelés ellenében a beállított nyomásnál nyit, és a munkaközeget szabadra engedi, megakadályozva ezzel a berendezésben a nyomás további emelkedését. Maximális kilépő hőmérséklet: A túlhevítési hőmérséklet megengedett maximális értéken túlra kerülése esetén a berendezést le kell állítani a felületek túlhevülésének elkerülésére. Vízszinthatárolás: A kazánvízszint üzemi tartományon kívülre kerülése esetén a berendezést le kell állítani. A veszélyesebb üzemállapot a megengedettnél alacsonyabb vízszint kialakulása, ezért ez biztonságtechnikai szempontból is lényeges, mivel a vízszint megengedett érték alá csökkenése esetén elgőzölögtető felületek maradhatnak víz nélkül, ami a forrásos és a túlhevített gőz esetén kialakuló hőátadási tényezők közötti nagyságrendi különbség miatt a felület túlhevüléséhez és károsodásához vezethet. A maximális vízszintnél magasabb vízszint esetén megnő a kazándobból elhordott vízmennyiség, ami a kazán további részein, illetve a gőz felhasználásánál jelent problémát. Kazánvízminőség határolás: A kazánvíz sókoncentrációjának túlzott megnövekedése növeli a vízoldali lerakódásképződést a kazánban, valamint a kazánvíz egyre lúgosabbá válásával a habzási hajlama növekszik, ami vízszintszabályozási problémákat okozhat.

BME-GPK EGT

44

4.4. Kazánok üzemének felügyelete A kazánüzem potenciális veszélyforrás, fokozott felügyeletet igényel. Általában kazánt üzemeltetni csak állandó kazánkezelői felügyelet mellett lehetséges. Bizonyos feltételek teljesülése esetén lehetőség van az ún. időszakosan felügyelt, vagyis állandó kezelői felügyelet nélküli kazánüzemre is. (Ezt sok esetben felügyeletmentes kazánüzemnek nevezik, ami nem helyes megfogalmazás, mivel a kazán üzemét rendszeres időközökben ilyen esetben is ellenőrizni kell.) Ezzel párhuzamosan terjed a hőellátó rendszerek üzemvitel ellenőrzésének számítógépes hálózaton keresztül történő, táv ellenőrzése, illetve vezérlése (DDC). A szükséges feltételek alapvetően két csoportba oszthatók: - A kazán minden veszélyes üzemállapotot előidézhető üzemállapotát el kell kerülni, így általában minden szabályozott jellemző a szabályozástól független berendezéssel ellátott felügyeletét és határolását biztosítani kell. - A kazánba a tüzelőanyagbevezetés megszüntetése után a hőfejlődésnek azonnal meg kell szűnnie, vagyis sem tovább égő tüzelőanyagrészek, sem más, pl. tűzálló falazat által tárolt hőmennyiség esetén az időszakos felügyeletre nincs lehetőség.

4-7. ábra SPIRAX típusú műszerekkel 72 órás időközönkénti ellenőrzési időközre alkalmassá tett gőzkazán műszerezése

BME-GPK EGT

45

5. TÁP- ÉS PÓTVÍZELŐKÉSZÍTÉS 5.1. A víz tulajdonságai A víz az egyik legfontosabb alapanyag a földön. A kémiailag tiszta víz színtele, szagtalan, íztelen, de természetben nem fordul elő. Az élet egyik fontos eleme, a jó ivóvíz számos hasznos anyagot tart oldatban. Előnyök hőhordozó szempontból: -

nagy fajhő és párolgáshő kémiailag stabil relatív olcsó nagy mennyiségben található a földön

Hátrányok hőhordozó közeg szempontból: - nagyon jó poláros oldószer, szilárd, folyékony és gáznemű anyagokat tud oldatban tartani - bizonyos anyagokkal reakcióba lépve az oldat semleges kémhatása megváltozhat (savas/lúgos) - fagyveszély léphet fel A víz hőhordozó közegként való alkalmazásának egyik nagy előnye, hogy nagy mennyiségben és viszonylag olcsón áll rendelkezésre. A nyersvíz azonban oldott sókat, oldott gázokat és szilárd lebegő anyagokat tartalmazhat, amelyek a kazánüzem szempontjából nem kívánatosak. Az oldott sók a hevítés hatására kiválnak, és vízkőréteget képeznek a hőátadó felületen, amely rontja a hőátvitelt, és a kazán meghibásodását is okozhatja. Az oldott gázok, főként az oldott oxigén a beépített hőcserélőfelületek igen gyors ún. lyukkorrózióját okozza. A lebegő anyagok a kazánban lerakódva szintén rontják a hőátadást, nagyobb mértékű lerakódás esetén közegáramlási zavarokat is okozhatnak.

5.2. Oldott anyagok a vízben Az oldott anyagok lerakódásokat képezhetnek, amelyek káros hatásai lehetnek: - Korrózió - Hőátadás csökkenés - Túlhevülés és szilárdság csökkenés Név kalcium-karbonát kalcium-hidrogén-karbonát

Képlet CaCO3 Ca(HCO3)2

Általános név mészkő

kalcium-szulfát kalcium-klorid magnézium-karbonát magnézium-szulfát magnézium-bikarbonát nátrium-klorid nátrium-karbonát nátrium-hidrogénkarbonát

CaSO4 CaCl2 MgCO3 MgSO4 Mg(HCO3)2 NaCl Na2CO3 NaHCO3

gipsz

nátrium-hidroxid

NaOH

nátrium-szulfát szilícium-dioxid

NaSO2 SiO2

BME-GPK EGT

konyhasó, só, kősó, tengeri só szóda vagy sziksó

marónátron, nátronlúg, lúgkő marószóda, zsírszóda, marólúg

Hatás lágy lerakódás lágy lerakódás + CO2 kemény lerakódás korrózió lágy lerakódás korrózió lerakódás, korrózió elektrolízis lúgosság bizonytalan vízszint, habzás lúgosság, ridegség lúgosság kemény lerakódás

46

Ezért a nyersvizet kazánüzemben hőhordozó közegként való alkalmazáshoz elő kell készíteni. Minél magasabb nyomáson és hőmérsékleten üzemel a kazánberendezés, annál szigorúbb előírásoknak kell megfelelnie a kazántápvíznek. A vízelőkészítésen a mechanikai szennyeződések kiszűrését, az oldott sók kisebb-nagyobb mértékű eltávolítását, valamint az oldott gázok eltávolítását értjük a vízből. A víz azon sótartalmát, amely vízkőként kiválhat, keménységet okozó sóknak nevezik. A víz keménységét szilikátok, magnézium-, és kalcium-karbonátok és szulfátok okozzák. A keménységet okozó sókat két csoportra osztják: -

Karbonát (változó) keménységet okozó sók, és Nem karbonát állandó keménységet okozó sók

A vízkezelésnek többféle formáját és fokozatát használják.

5.3. Előkészítés Termikus lágyítás Ezesetben a víz melegítésével bizonyos oldott sómolekulák disszociálnak, és vízben nem oldódó csapadék keletkezik, ami kiszűrhető.

Ca ( HCO3 )2 → CaCO3 + CO2 + H 2 O Csapadékképző vízlágyítás A vízhez adagolt vegyszer (mésztej, vagy trinátriumfoszfát) adagolásával az oldott sók reakcióba lépnek, és vízben nem oldódó csapadék keletkezik, ami a vízből kiszűrhető. A következő reakciók a meszes szódás lágyítás reakcióit mutatják:

Ca ( HCO3 )2 + Ca ( OH ) 2 → 2 CaCO3 + 2 H 2 O CO2 + Ca ( OH ) 2 → CaCO3 + H 2 O Mg ( HCO3 )2 + 2 Ca ( OH ) 2 → Mg ( OH ) 2 + 2 CaCO3 + 2 H 2 O Az előbbi két eljárás már idejétmúlt, kizárólag ezekkel a mai vízminőségi előírások nem biztosítható, ahol mégis alkalmazzák, ott is csak előlágyításra, csökkentve ezzel az utána kapcsolt vízkezelő berendezés terhelését.

Ioncserés vízlágyítás Ebben az esetben a vizet egy ioncserélő szűrőrétegen vezetik át, amely a kalcium és magnéziumionokat nátriumionokra cseréli ki, amelyek kevésbé veszélyesek a kazánüzemi vízkőkiválás szempontjából. A nátriumciklusú vízlágyítás esetén lejátszódó kémiai reakciók a következők:

Ca ( HCO3 )2 + 2 Na + − Cat → Ca 2 + − Cat + 2 NaHCO3 Mg( HCO3 )2 + 2 Na + − Cat → Mg 2 + − Cat + 2 NaHCO3 CaCl2 + 2 Na + − Cat → Ca 2 + − Cat + 2 NaCl CaSO4 + 2 Na + − Cat → Ca 2 + − Cat + 2 Na2 SO4

BME-GPK EGT

47

Az általában műgyanta alapú ioncserélő anyag idővel kimerül, ilyenkor regenerálni kell. Ekkor az anyag ismételten feltöltődik a lágyításhoz szükséges nátrium ionokkal. A regenerálásra ebben az esetben egyszerű konyhasóoldatot kell használni. Az előbb említett lágyítás eredményeképpen a víz enyhén lúgos kémhatású lesz és magas marad a sótartalma, amely gőzkazán esetében a kazánvíz gyors besűrűsödéséhez vezet, emiatt sűrűn kell a kazánból vizet leereszteni, (lelúgozni, leiszapolni).

5-1. ábra Ioncserés lágyításra példa

Részleges sótalanítás, vagy dekarbonizálás A vízlágyításhoz hasonló ioncserélő anyagon eresztik át ebben az esetben is a vizet. Kétféle anyagot használnak ilyen esetben, az egyik az anionokat, míg a másik a kationokat cseréli le. Ez a berendezés is igényel regenerálást, de a konyhasóoldat mellett itt már kénsav is kell a regeneráláshoz.

BME-GPK EGT

48

A legnagyobb nyomásokon üzemelő kazánberendezésekhez azonban az előbbi eljárással előkészített víz sem elegendő tisztaságú, ilyen esetekben a víz ún. teljes sótalanítására van szükség.

Teljes sótalanítás A kezelendő víz ilyen esetben savval regenerált kationcserélőn, majd lúggal regenerált anioncserélő gyantán halad keresztül. Így a vízben oldott sókból először savak keletkeznek, majd az anioncserélő leköti ezek anionjait és helyette hidroxil-aniont bocsát a vízbe, így igen nagy tisztaságú teljesen sómentes víz nyerhető.

BME-GPK EGT

49

Fordított ozmózisos eljárás (RO) Ez egy újfajta vízkezelő eljárás, amely napjainkban van terjedőben. Az ozmózis jelensége már régóta ismert. Ha két oldatot egy ún. féligáteresztő hártya (mint pl. az élőlények sejtjeinek fala) választ el egymástól, oldószer, azaz vízmolekulák diffundálnak át a hártyán, hogy csökkentsék a két oldat közötti koncentrációkülönbséget, és hígítsák a sűrűbb oldatot. A diffúzió miatt a sűrűbb oldat nyomása növekszik. A folyamat mindaddig folytatódik, amíg ki nem alakul az egyensúlyi állapot. 1 mol/l koncentráció különbség 22.4 bar ozmotikus nyomást hoz létre. Ha a sűrűbb oldat nyomását megemeljük az ozmotikus nyomás fölé, a vízmolekulák a sűrűbb oldatból a hígabb oldat felé fognak diffundálni. Ezen az alapelven működik a fordított ozmózisos berendezés. A féligáteresztő szűrő lyukmérete: 1-10 Angström között van. Ezzel a módszerrel teljesen sómentes víz nyerhető, a sóban besűrűsödött víz pedig, mivel semmilyen vegyszert nem tartalmaz, egyszerűen kivezethető. A berendezést nem kell regenerálni, semmilyen vegyszer sem szükséges az üzemeltetéshez. A szűrőhártyákat kell csak lecserélni bizonyos üzemidő után. Környezetszennyezés ennél a módszernél gyakorlatilag nincs.

5-2. ábra RO berendezésre példa (Axeon)

BME-GPK EGT

50

Gáztalanítás A vízben oldott gázok, főként az oldott oxigén eltávolítása a korróziós folyamatok meggátolása érdekében igen fontos.

5-3. ábra A víz oldott oxigén koncentrációja a hőmérséklet függvényében

Nemcsak a póttápvíz, hanem a visszatérő kondenzvíz gáztalanítása is szükséges, mivel a gyűjtőtartályban levegővel érintkezve valamennyi oxigént az is felvesz. A gáztalanításra a legelterjedtebb megoldás az ún. termikus gáztalanítás, amely során a tápvizet ~105 °C körüli hőmérsékletre melegítik, és speciális porlasztókon vezetik át. Legtöbb esetben a gáztalanító tornyot a tápvíz tárolására szolgáló táptartály tetejére építik, így alakul ki az általánosan használt ún. gáztalanítós táptartály. Amennyiben a termikus gáztalanítás bármilyen okból nehézségekbe ütközik, a korróziós hatás kiküszöbölhető a hidrazin nevű vegyszer adagolásával is. Azonban ez folyamatos - nem elhanyagolható - költséget jelent az üzemeltető számára.

5-4. ábra Nagyvízterű gőzkazán víz- és gőzoldali tipikus kapcsolása (SPIRAX)

BME-GPK EGT

51

6. KÁROSANYAG EMISSZIÓ ÉS KÖRNYEZETTERHELÉS CSÖKKENTÉSE A károsanyag emisszió és a környezetterhelés csökkentése egyre inkább előtérbe kerül. A szennyezőanyagok több csoportra oszthatók.

Széndioxid (CO2) A széndioxid is közvetve káros anyag, kibocsátását mérsékelni kell. Azonban mivel ez a tökéletes égés eredményeként keletkezik, a kibocsátott mennyiség csökkentése csak a berendezések és a hőtermelés hatásfokának javításával, illetve a hőigények csökkentésével érhető el. Elégetlen gázok (CO, CxHz) Megfelelő tüzelőberendezéssel és megfelelő beállítással értékük minimális értéken tartható. Szilárd anyag (pernye, szállókoksz, korom) A koksz és koromképződés megfelelő tüzelésbeállítással elkerülhető, vagy minimális értéken tartható. A pernye kijutását általában leválasztó berendezés beépítésével oldják meg. Erre azonban csak szilárd tüzelőanyag esetében van szükség. Kén-dioxid, kén-trioxid (SO2, SO3) A tüzelőanyagban lévő kénvegyületekből keletkezik, így a tüzelőanyag kéntartalma szabja meg a mennyiségüket. A füstgáz kén-dioxiod és kén-trioxid tartalmának csökkentése füstgázmosó berendezéssel oldható meg. Ez azonban drága és nagy helyigényű berendezést igényel. Szilárd tüzelőanyag esetében kísérleteznek mészpor tűztérbe adagolásával égési reakció közben megkötni a ként. Nitrogén oxidok (NOx) A nitrogén oxidok egyrészről a tüzelőanyag nitrogéntartalmából (ha van), és az égéslevegővel a tűztérbe jutó nitrogénből keletkeznek. Minél magasabb a hőmérséklet a tűztérben, annál több nitrogénoxid található a füstgázban. Csökkentésére többféle módszer is használatos. Az “NOx szegény” égő, egy olyan speciális tüzelőberendezés, ahol az égéslevegő lépcsőzetes hozzávezetésével, a keveredési viszonyok alakításával olyan viszonyokat hoznak létre a tűztérben, amely meggátolja a magas hőmérsékletgócok kialakulását. A tűztér térfogati terhelésének alacsonyabb értéken tartásával, a tűztéri hőleadás növelésével szintén csökkenthető a tűztérhőmérséklet bizonyos mértékig. Füstgáz recirkuláció alkalmazásával szintén csökkenthető a tűztérhőmérséklet. Végül a kibocsátott nitrogénoxidok mennyisége katalizátorral is csökkenthető, (úgy, mint gépkocsik esetén). Azonban a katalizátorok optimális üzemi hőmérséklete 300-400 °C között található. Emiatt a katalizátort az utolsó füstgázhuzam előtti szakaszba szokták beépíteni. Ez speciális kazánkonstrukciót igényel, hagyományos kazánkonstrukcióhoz általában nem illeszthető, továbbá költséges berendezés.

BME-GPK EGT

52

6-1. ábra BERTSCH cég által alkalmazott füstgázrecirkuláció elvi sémája

6-2. ábra BERTSCH cég által készített katalizátorral és kéntelenítő füstgázmosóval ellátott nehézolajtüzelésű nagyvízterű kazán

BME-GPK EGT

53

7. KAZÁNOK HŐMÉRLEGE ÉS A KAZÁNHATÁSFOK MEGHATÁROZÁSA Kazánok hőmérlegén az oda bevezetett és elvezetett hőmennyiségek egyensúlyát értjük állandósult állapotban.

= ahol a bevezetett hőmennyiség [kW] a kivezetett hőmennyiség [kW] Instacioner üzemállapotok esetén, pl. induláskor vagy leálláskor, a kazánszerkezetek hőtároló képességét is figyelembe kell venni. A kazán köré egy képzeletbeli ellenőrző felületet kell vonni. Pontos számításhoz minden, az ellenőrző felületen áthaladó energiaáramot figyelembe kell venni. Az ellenőrző felületen belüli dolgokkal azonban nem kell foglalkozni.

A belépő hőmennyiség összetevői A tüzelőanyagban kémiai energia formájában bevitt hő Ez a legjelentősebb energia bevitel a kazánba. Értékét a jelenleg elfogadott módszer szerint, a tüzelőanyag tömegáram „B” és a Fűtőérték „Hi” szorzata adja (energetikailag a korrekt az Égéshő figyelembevétele lenne). Emiatt fordul elő, hogy ún. kondenzációs kazánok esetében, ahol a füstgázban lévő nedvesség kondenzálódik, 100%-ot meghaladó kazánhatásfok értéket is kaphatunk. (Lásd az Égéshő és Fűtőérték definícióját a Tüzeléstechnika tantárgyban.) Többféle tüzelőanyag együttes eltüzelése esetén a bevitt hőmennyiséget a szorzatok összege adja: #ü

ahol

' (

= %&' ∙ ( ) kW

tüzelőanyag tömegáram [kg/s] Fűtőérték [kJ/kg]

A tüzelőanyaggal bevitt fizikai hő Amennyiben a tüzelőanyag a környezeti hőmérsékletnél magasabb hőmérsékleten kerül a kazánba, az így bevitt hőmennyiséget is figyelembe kell venni. #ü*

= %' ∙

#ü

∙

#ü

−

ö+ , !

kW

ahol #ü

#ü

ö+ ,

tüzelőanyag fajhője [kJ/K] tüzelőanyag belépő hőmérséklete [°C] környezeti hőmérséklet [°C]

A kazánon kívül előmelegített égéslevegővel bevitt hő Ha a levegő előmelegítés füstgázzal történik, akkor ez az ellenőrző felületen belülre esik, így ebben az esetben ezt nem kell figyelembe venni.

= % ' ∙ - ∙ ./01 ∙

BME-GPK EGT

∙

54

−

ö+ , !

kW

ahol levegő fajhője [kJ/K] a légfelesleg tényező [-] ./01 az elméletileg szükséges levegőmennyiség [kg/kg] (definíciójukat lásd a sztöchiometriai számításoknál) Egyéb ritkán előforduló energiamennyiségek, amelyekből példaképpen felsorolunk néhányat - gőz, mint segédközeg fűtőolaj porlasztásnál, a porlasztógőzzel bevitt hő - a kazánon, vagyis az ellenőrző felületen belüli segédberendezések hajtására bevezetett energia A bevezetett hőmennyiség ezek alapján:

=

#ü

= ' ∙ 3( 2 - ∙ ./01 ∙ ∙ 2 ,é kW

2

2

#ü*

−

2

,é

ö+ , ! 2 #ü

∙

#ü

−

ö+ , !4

Az bevezetett hőmennyiség döntő része hasznosul, a maradvány rész veszteségként jelentkezik.

=

2

#

A kazán hatásfokán a hasznosított és a bevezetett hőmennyiség arányát értjük. A hasznos hőmennyiség helyébe a Qhaszn = Qbe - Qveszt értéket helyettesítve, a kazánhatásfok veszteségek oldaláról történő megközelítését kapjuk.

5

á

=

= 1−

#

−

A hasznos hőmennyiségből kiinduló meghatározási módszert direkt kazánhatásfok meghatározási módszernek, míg a veszteségekből kiinduló számítást indirekt kazánhatásfok meghatározási módszernek nevezik.

7.1. Direkt kazánhatásfok meghatározás A hasznos hőmennyiséget az átáramló közegmennyiség és az entalpiakülönbség szorzata adja:

=

∙ &ℎ − ℎ ) kW

A direkt kazánhatásfok méréssel történő meghatározásához minimálisan a következő mennyiségek mérésére van szükség. - Az átáramló hőhordozó közegmennyiség mérésére (esetenként szükség lehet mind a belépőoldali, mind a kilépőoldali mérésre) - A hőhordozó közeg be- és kilépőoldali nyomásának és hőmérsékletének mérésére (a be- és kilépőoldali entalpiák meghatározásához) - A bevezetett tüzelőanyagmennyiség mérésére Ha a tüzelőanyag kémiai energiáján kívül egyéb számításba veendő hőbevezetés is van, akkor ennek a mérésérők is gondoskodni kell, pl. az előmelegített égéslevegő mennyisége és hőmérséklete. Továbbá ismerni kell az eltüzelt tüzelőanyag(ok) ( fűtőértékét: A felsorolt mérések közül főleg a közegmennyiségek mérése tud problémát okozni. Különösen szilárd tüzelés esetén ez általában nem oldható meg megfelelő pontossággal elfogadható költségek és munkaráfordítás mellett.

BME-GPK EGT

55

7.2. Indirekt kazánhatásfok meghatározás Nézzük az indirekt, vagyis a veszteségek oldaláról történő megközelítést. A veszteségeket két csoportra osztjuk: -

Tüzelési veszteségek Fűtőfelületi veszteségek

Tüzelési veszteségek Tüzelési veszteségnek nevezünk minden olyan veszteségformát, amely a bevezetett tüzelőanyag éghetőtartalmának nem teljes és tökéletes elégéséből keletkezik. Teljes elégésről akkor beszélünk, ha nincs szilárd éghető maradvány, tökéletes elégésről pedig akkor, ha gáznemű éghető sincs a füstgázban. A tüzelési veszteségek a következők lehetnek: -

ξgáz ξkorom ξkoksz ξpernye ξsalak

– – – – –

elégetlen gázok (CO, CxHy, H2) [-] korom [-] szállókoksz [-] pernyeéghető [-] salakéghető [-]

Ezek figyelembe vételével számítható a tüzelés hatásfoka:

58 = 1 − 9

á

29

0+0:

29

29

0

+ ,

29

! −

Jól beállított gáz- illetve olajtüzelés esetén csak elégetlen gázok fordulhatnak elő a füstgázban. A környezetvédelmi előírások betartása mellett ezek mennyisége is csak 10-4-nél kisebb füstgáztérfogatot jelenthet, ami 0,1% alatti veszteséget jelent, vagyis a tüzelés hatásfoka ηT>99,9%. Nem megfelelő égés esetén először a korom, majd olaj esetén a szállókoksz is megjelenhet az elégetlen gázok mennyiségének növekedése mellett. Szilárd tüzelés esetén mindegyik veszteségforma kisebb-nagyobb mértékben előfordul, a tüzelőanyagtól és a tüzelés fajtájától függően. A lehetőségekhez képest jól beszabályozott tüzelőberendezés esetén az összes tüzelési veszteség 0,5-2% körül alakul, ami ηT=98–99,5% tüzelési hatásfokot jelent. Ilyen esetben már indokolt megkülönböztetni a kazánba bevezetett és az ott ténylegesen elégő tüzelőanyagmennyiséget, amelyet gázképző tüzelőanyagmennyiségnek neveznek.

'

= 58 ∙ ' kg/s

A veszteségfajták üzemi mérési eredményekből határozhatók meg. Először meg kell határozni az adott anyag keletkezési mennyiségét időegységre vonatkoztatva. Ha szükséges meg kell határozni az adott anyag éghető tartalmát. Továbbá meg kell mérni, vagy szakirodalmi adatok alapján meg kell határozni az adott távozó anyag fűtőértékét. Az így meghatározott mennyiségek szorzata adja a veszteségbe menő hőteljesítményt: #

= anyagáram ∙ éghetőtartalom ∙ fűtőérték kW

A gáz halmazállapotú elégetlen mennyiség füstgázelemzéssel határozható meg (CO, CxHy, H2). A szilárd halmazállapotú elégetlen mennyiség porkoncentráció és elégetlen tartalom mérés útján határozható meg. A veszteségtényező ezen hőmennyiség és a bevezetett hőmennyiség hányadosából kapható: #

9=

BME-GPK EGT

56

−

Fűtőfelületi veszteségek Fűtőfelületi veszteségeknek nevezik a tüzelés során felszabaduló hőből veszendőbe menő hányadot. A fűtőfelületi veszteségeknek három fajtája van: - ξfg – füstgáz hőveszteség [-] - ξsug – sugárzási hőveszteség [-] - ξsf – salak fizikai hőveszteség [-] Füstgáz hőveszteség A fűtőérték definíciójából következően akkor tudnánk a felszabaduló hőmennyiséget maximálisan hasznosítani, ha a füstgázt a kiindulási, azaz környezeti hőmérsékletre tudnánk visszahűteni. A kilépő hőmérséklet általában ennél jóval magasabb. A magasabb hőmérsékleten távozó füstgázzal elvitt hőt nevezzük füstgáz hőveszteségnek. Minden kazán esetében ez a legjelentősebb veszteségforrás. Napjainkban korszerűnek számító kazánok esetében ez: ξfg=5-10% körüli érték, régebbi konstrukciójú kazánok esetében magasabb ξfg=10-15% körüli érték. A füstgáz kondenzációs hőjének hasznosítása: 5%-nál alacsonyabb füstgázveszteséget csak ún. kondenzációs kazánüzemmel lehet produkálni, amelyhez a füstgáz olyan mértékű (kb. 40-60°C-ig történő) visszahűtése szükséges, hogy a füstgázban lévő vízgőz részben lekondenzálódjon. Itt a nyereség kettős. A hőmérsékletcsökkenésen túl a vízgőz kondenzációjával olyan plusz hőmennyiséghez jutunk, amely a hőbevitelkor nem lett figyelembe véve, mivel nem a tüzelőanyag égéshőjével számolunk. A füstgáz vízgőztartalmát a tüzelőanyag nedvesség és hidrogéntartalma befolyásolja döntően. Az égéslevegő is tartalmaz valamennyi vízgőzt, ennek mennyisége azonban sokkal kisebb, pontos számítások esetén azonban ezt is figyelembe kell venni. Az elérhető hasznot a tüzelőanyagok Égéshő és Fűtőérték jellemzőinek eltéréséből lehet megítélni. A legnagyobb különbség gáz tüzelőanyagok esetében van (8-10%), olajok esetén ez kisebb (5-6%), szilárd tüzelőanyag esetén a legkisebb (1-3%). Ebből következően az elérhető megtakarítás gáztüzelés esetén a legnagyobb, amihez párosul a gáztüzelésre jellemző legkisebb korrozív hatás. Így akár 100% feletti kazánhatásfok is elérhető (Fűtőértékre vonatkoztatva). Már olajtüzelés esetére is vannak próbálkozások a kondenzációs hő hasznosítására. Szilárd tüzelés esetén nincs és nem is várható, mivel az elérhető haszon minimális, viszont sok járulékos (főleg korróziós) probléma merül fel. A füstgáz ilyen mértékű visszahűtése azonban nem csak a kazántól függ. Kell hozzá egy olyan alacsony hőmérsékletű hőfelvevő közeg, amellyel a füstgáz hasznosan visszahűthető ilyen alacsony hőmérsékletig. Ezért a megoldás leginkább melegvizes fűtési rendszerek esetén terjedt el. A füstgázveszteség számítása hasonlóan történik az egyéb veszteségekhez:

9* =

*

#

−,

ahol a sztöchiometriai számításoknál megismert jelölések felhasználásával: *

BME-GPK EGT

#

=

*

∙ ℎ*

− ℎ*

ö+ , !

=

= ' ∙ &.K01 2 &- − 1) ∙ ./01 ) ∙

57

*

∙

*

−

ö+ , !

kW

Beírva ezt és a bevezetett hőmennyiséget a veszteségképletbe a következő formulára jutunk kondenzáció nélküli esetben:

9* =

' ∙ &.K01 2 &- − 1) ∙ ./01 ) ∙

' ∙ 3( 2 - ∙ ./01 ∙

=

∙

−

ö+

&.K01 2 &- − 1) ∙ ./01 ) ∙

( 2 - ∙ ./01 ∙

∙

−

*

*

∙

,! 2

∙

−

* #ü

∙

∙

#ü

−

*

ö+ , ! 2 #ü

ö+ , ! #ü

ö+ , !

−

−

ö+

ö+ , !

, !4

=

−

Mint látható a tüzelőanyagtömegáram ismeretére nincs szükség. A nevezőben csak két változó jellemző található, ami azt is mutatja, hogy milyen jellemzők vannak hatással a füstgáz hőveszteség alakulására. λ - légfelesleg tényező Ezek: tfgki - füstgáz kilépő hőmérséklet További mérésre csak akkor van szükség, ha van levegő, vagy tüzelőanyag előmelegítés, ilyenkor is elegendő azonban a belépő hőmérsékletek ismerete: tlevbe, ttübe. A légfeleslegtényező a sztöchiometriai számításnál megismert módszerek alapján egy füstgázelemző műszer segítségével a füstgáz O2, vagy CO2 (RO2) tartalma alapján szintén könnyen és gyorsan meghatározható. Így a legnagyobb veszteséget jelentő veszteségfajta értékét méréssel gyorsan és relatív olcsón meg lehet határozni. Mint az Tüzeléstechnikából már elhangzott, a légfeleslegtényező számítására az alábbi képletek használatosak:

-=

21 OMN: P = − 21 − MN OMN:é+#

Füstgáz kondenzáció A füstgáz kondenzációs határhőmérsékletét a füstgázban található vízgőz parciális nyomásához tartozó telítési hőmérséklet adja meg. Ez a parciális nyomás a tüzelőanyag sztöchiometriai jellemzői és a légfelesleg függvényében az alábbi összefüggéssel számítható:

QRS T = Q 65

∙

URS T =Q U′

∙

11,12 ∙ ( 2 WíX UY1 2 &- − 1) ∙ ZY ′

65 60 55

Saturation temperature [°C]

50 45 40 35 Tsat ( Psat ) 30 25 20 15 10 5 0

0

0 0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

Psat Saturation pressure [bar]

0.16

0.18

0.2

0.22 0.22

7-1. ábra Vízgőz telítési hőmérséklet alakulása a füstgáz kondenzációval érintett tartományban

BME-GPK EGT

58

A füstgázveszteségi tényező számítása füstgáz kondenzáció figyelembe vételével: *

9* = =

*

*

−

0 [! * 0 [

9* = =

*

−

∙

∙

*

*

ö+ , ! −

0 [

∙ &ℎ11í − ℎ1 í ) kW

= ' ∙ &.K0\ 2 &- − 1) ∙ ./0\ ) kg/s ]R T, [ − ]RS T, é = ' ∙ .RS T ∙ S kg/s ]RS T, [

0 [!

' ∙ &( 2 - ∙ ./0\ ∙

∙

*

∙

∙

^&.K0\ 2 &- − 1) ∙ ./0\ ) − .RS T ∙ ' ∙ &( 2 - ∙ ./0\ ∙

−

−

*

]RS T,

−

*

ö+ , ! −

ö+ , !

2

[ − ]RS T, ]RS T, [

é

0 [

∙

#ü

_∙

∙

−

ö+ , !

2

#ü

∙

∙ &ℎ11í − ℎ1 í ) −

#ü *

− ö+ , ! 2 #ü ∙ #ü ]R T, [ − ]RS T, é .RS T ∙ S ] ∙ &ℎ11í − ℎ1 í ) RS T, [

' ∙ &( 2 - ∙ ./0\ ∙

∙

−

*

#ü

∙

*

− −

ö+ , !)

−

ö+ , !

ö+ , !)

−

ö+ , !)

7-2. ábra Füstgázveszteségtényező alakulása [%] a kilépő füstgázhőmérséklet függvényében Különböző légfelesleg tényezőt jelentő maradvány O2 tartalom esetén

Sugárzási hőveszteség Sugárzási hőveszteségnek a kazán külső burkolata által a környezetnek átadott hőt értjük. (Az elnevezés korabeli befalazott kazánkonstrukciókra utal, ahol a falazat és a tűztérajtó ténylegesen sugározta a hőt a környezetébe.) A jelenlegi könnyűszerkezetes, hőszigetelt kazánkonstrukciók esetében a hőátadás kisebb mértékben sugárzással, döntően konvekcióval történik. A veszteségfajta elnevezése azonban megmaradt. A hőveszteség számítására egyszerű külső geometria esetén a hőátadási törvények segítségévek pontos számítás is készíthető. Bonyolult geometria esetén a számítás nagyon munkaigényes lehet. A veszteségtényező függ a hőszigetelés jóságától, illetve a külső felület és a kazánteljesítmény arányától, ami egy kisteljesítményű kazánnál nagyobbra adódik. A veszteségtényező értéke névleges teljesítményre vonatkoztatva ξsug=0,5–1,0% körüli érték a jelenlegi kazánkonstrukciók esetén. Ez a veszteségforma gyakorlatilag független a terheléstől, ami azt jelenti, hogy részterhelésen ezen veszteség súlya növekszik, pl. 20%-os részterhelésen az 1%-os veszteség aránya 5%-ra nő meg. BME-GPK EGT

59

Salak hőveszteség Szilárd tüzelés esetén kell vele számolni. Nagyságát a salakeltávolítás során a környezetinél magasabb hőmérsékletű salakkal elvitt hő adja. A hőveszteség meghatározásához az eltávolított salak mennyiségét és hőmérsékletét kell mérni.

Direkt / Indirekt kazánhatásfok összehasonlítása A kétféle kazánhatásfok meghatározási módszer alapján elméletileg ugyanarra az eredményre kell, hogy jussunk. Az előzőekben részletezettek miatt az indirekt meghatározási módszer egyszerűbb, és olcsóbban kivitelezhető, és kisebb a módszer hibája. Ahol mindkét módszerre lehetőség van, az esetleges eltérésekből mérési pontatlanságokra, illetve hibára lehet következtetni.

7-3. ábra Kazánhatásfok változása a terhelés függvényében

7.3. Instacioner üzem Eddig a stacioner üzemű működés esetén fellépő veszteségeket taglaltuk. Instacioner üzem, indulás leállás esetén további veszteségek léphetnek fel.

7-4. ábra Kazán üzemi ciklus indulással és leállással és a fellépő veszteségek

BME-GPK EGT

60

8. ELLENŐRZŐ SZÁMÍTÁSOK A kazánokkal kapcsolatos számítások a meghatározandó jellemzők jellege alapján konstrukciós vagy ellenőrző jellegűek lehetnek. A konstrukciós számítások célja az adott feladat kiszolgálására alkalmas berendezés-elemek méreteinek meghatározása: a tűztér térfogata, felülete, keresztmetszete, az égők elhelyezkedése, a fűtőfelületek elrendezése és nagysága, a szükséges ventilátorok paraméterei, a cirkulációs kör szerkezeti elemeinek méretei, stb. Az ellenőrző számítások ezzel szemben egy adott méretekkel és elrendezéssel rendelkezésünkre álló berendezésnek az üzemi jellemzőit kívánja meghatározni. Az ellenőrző számításokra szükség van: -

Új berendezés tervezésekor, mivel a különböző számítások és megfontolások alapján kialakított szerkezetet sok szempont szerint és többféle üzemállapotra kell ellenőrizni. Meglévő berendezés átalakításakor, vagy ha az üzemeltetés módja változik. Rendellenes működés okainak felderítésére.

A továbbiakban egységesen tárgyaljuk a kazánok konstrukciós és ellenőrző típusú számításait, mert az alkalmazott módszerek általában csak az ismeretlenek explicit kifejezésében különböznek. A számítások főbb csoportjai: Hőtechnikai számítás A berendezésben végbemenő hő- és anyagáramok, hőcserék, hőmérsékletek és sebességek számítása. Hidraulikai számítások Levegő és füstgázoldali ellenállásszámítás, tűztéri nyomásviszonyok számítása. Hőhordozóközegoldali ellenállás, illetve nyomásveszteség számítás, gőzkazánok esetén cirkulációs kör számítása. Szilárdsági számítás A berendezés különböző alkatrészeinek ellenőrzése a fellépő hő- és mechanikai igénybevételekre, illetve a szükséges anyagminőség vagy falvastagság számítása.

8.1. Üzemállapotok Általában minden - az igénybevétel szempontjából kritikus - üzemállapotra ellenőrizni kell a berendezés működését. A következő három statikus üzemállapotra mindig el szokták végezni az ellenőrzést: -

Névleges (100%-os) terhelés Megengedett minimális terhelés (20-40%) Túlterhelés (110-120%)

De esetenként más közbenső állapotok is érdekesek, vagy kritikusak lehetnek, pl. túlhevítős gőzkazán esetén annak a részterhelési állapotnak a megkeresése, ameddig még képes a névleges túlhevítési hőmérséklet elérésére. Az átmeneti üzemállapotok közül az indítás és leállás, valamint az üzem közbeni terhelésváltozásokat kell végiggondolni és ellenőrizni, valamint bármilyen, a kazánban keletkező, vagy külső hiba miatti vészleállás eseteit is. Számítógép segítségével egy rendelkezésre álló jól megírt számítási eljárás segítségével az ellenőrzéseket már könnyedén lehet elvégezni. Sőt, végeselemes programok használatával olyan analízisek is végezhetők, amelyekre analitikus úton korábban nem volt lehetőség.

BME-GPK EGT

61

8.2. Hőtechnikai számítás A számításokhoz először is szükség van a hőcserében résztvevő közegek jellemzőinek ismeretére.

Hőhordozó közeg jellemzői A hőhordozó közeg általában jól ismert anyag, jellemzőik ismertek, táblázat, diagram vagy függvény formájában rendelkezésre állnak a vonatkozó szakirodalomban. (pl. “Vízgőztáblázatok”) Füstgáz jellemzői A füstgáz összetétele és mennyisége függ az alkalmazott tüzelőanyagtól, és a légfeleslegtényező nagyságától. A füstgáz jellemzőinek pontos meghatározása a sztöchiometriai számítások elvégzésével lehetséges. Ennek segítségével a mennyiségi és összetétel adatokon túlmenően megkapható a füstgáz hőmérséklet - entalpia összefüggés is, ami a hőtechnikai számításhoz elengedhetetlenül szükséges. (Lásd a tüzeléstechnika fejezetet!) Szerkezeti felépítés A számításhoz szükséges a kazán főbb méreteinek ismerete. A szükséges méretek mennyiségét és pontosságát a választott számítási eljárás pontossága és részletessége határozza meg. Minden számítási eljárás valamilyen modellalkotáson alapszik, bizonyos dolgokat eltérő súlyozással vesz figyelembe, míg más dolgokat elhanyagol, vagy figyelmen kívül hagy. Ezek határozzák meg a számítás alkalmazhatósági körét és a pontosságát. Tüzelőanyag, égéslevegő és hőhordozó közegáramok A tüzelőanyag, égéslevegő és hőhordozó közegáramok bemenő adatai az ellenőrző számításnak. Tüzelőanyagáram Független változónak a tüzelőanyag tömegáram tekinthető, amelynek változtatásával lehet a különböző terhelési állapotokat beállítani. Azt, hogy milyen terhelés, illetve bevitt tüzelőanyagáram minősül a kazán névleges terhelésének, a kazánnal szemben támasztott kívánalmak szabják meg. Általában az a maximális tüzelőanyagáram tekinthető névlegesnek, amennyi megfelelő károsanyag kibocsátás mellett még elég a tűztérben, (a reakció a tűztérben befejeződik), valamint a kazán veszteségei, főként a füstgázveszteség, még elfogadható értéken maradnak. Ebből az is következik, hogy ugyanannak a kazánberendezésnek különböző igényszint esetén különböző lehet a névleges teljesítménye. Más szóval az, hogy a kazán típustábláján milyen teljesítmény szerepel, az többféle szempont figyelembevételével, egy kompromisszum alapján alakul ki. Túlméretezettnek (tartalékkal rendelkezőnek) nevezzük a kazánt, ha a névlegesnek megállapított teljesítmény felett is problémamentesen üzemeltethető. Általában a kazán névleges teljesítményét 5%-10% tartalékkal állapítják meg az üzem közben létrejövő esetleges elpiszkolódások, illetve a kazán rendszerbe való illeszkedése miatti bizonytalanságok miatt. Alulméretezettnek nevezünk egy kazánt, ha nem, vagy csak bizonyos paraméterek nem megfelelő alakulása esetén képesek a névleges teljesítmény leadására. Égéslevegő mennyisége Az égéslevegő mennyiségét a tüzelőanyagáram eltüzeléséhez szükséges levegőmennyiség, és a tüzelőberendezés konstrukciója, működése által meghatározott optimális légfeleslegtényező szabja meg. Ha az így meghatározott égéslevegőmennyiségtől eltérő mennyiséget vezetünk be, a kazán hatásfoka romlik, és megnövekszik a kazán károsanyag kibocsátása.

BME-GPK EGT

62

Hőhordozó közegmennyiség Az átáramló hőhordozó közegmennyiségét egyrészről a hőellátó rendszer felépítése által meghatározott be- és kilépő közegparaméterek (nyomás és hőmérséklet), valamint a kazánban felszabadított és ebből hőcserében leadott hőmennyiség szabja meg.

=

&ℎ − ℎ )

kg/s

Tűztérszámítás A tűztérben a következő folyamatok zajlanak egyidőben, három dimenzióban és egymással kölcsönös kölcsönhatásban: A tüzelőanyag melegedése, száradása kigázosodása Ezek hőt igénylő, ún. endoterm folyamatok, melyek lefolyása hőt a tűztér más részeiből von el. Tüzelőanyag, égéslevegő és füstgáz örvénylő áramlása, keveredése A sebességmező egyrészről a belépő sebességek, tűztérgeometria mint peremfeltételek által, másrészről a kémiai reakció által létrejövő anyag-, hőmérséklet-, sűrűség- és viszkozitásváltozások által alakul ki. Kémiai reakció lefolyása Függ a tűztérben uralkodó hőmérséklettől, nyomástól, valamint a tüzelőanyag és levegő helyi koncentrációjától, amit döntően az áramlási viszonyok szabnak meg, amelyre befolyással van a hőátadás is. Hőátadás A kémiai reakcióból felszabaduló hő eredményeképpen a tűztérben magas hőmérsékletek alakulnak ki, általában a közepes tűztérhőmérséklet 1000°C felett alakul. A hőátadás a tűztérben emiatt döntően sugárzással történik. A hőcserét döntően a láng sugárzóképessége, a sugárzó réteg vastagsága és a hűtött és hűtetlen felületek aránya szabja meg. A probléma komplex jellege miatt a valóságos kazántűzterekben végbemenő folyamatok a tudomány jelenlegi állása szerint számítással még nem követhetők. Végeselemes modellezéssel bizonyos speciális eseteket már tudnak számítással is követni, de az általánosan előforduló esetek számítással történő követéséhez még sok kutató és fejlesztő munka szükséges. A szükséges tűztérméreteket jelenleg empirikus és tapasztalati képletek segítségével, valamint fajlagos terhelési tényezők megfelelő értéktartományba hozásával határozzák meg. A következő fajlagos jellemzők használatosak a tűztérterhelés meghatározására: -

fajlagos térfogati tűztérterhelés

`K = K

-

fajlagos keresztmetszeti tűztérterhelés

`h = i

-

fajlagos felületi tűztérterhelés

`i = i

abc

dűedéf

W/mg abc

dűedéfjcfckedlcdkecd

abc

dűedéfmcnüncd

W/mN

W/m

A tűztéri hőcsere számítás a következő egyszerűsítő gondolatmenet alapján történik: Először a kémiai reakció megy végbe, és a folyamat végén a hőtartalom a füstgázban marad, amely így az adott körülményekhez tartozó adiabatikus égési hőmérsékleten és entalpiával áll rendelkezésre. A továbbiakban az előző pontban meghatározott füstgáz sugárzásos hőcsere számítása történik. Ez az egyszerűsített modell nem a valós lezajlási viszonyokat tükrözi, az általa kapott eredmények viszont hasznosíthatók és jól követik a valóságot.

BME-GPK EGT

63

Az adiabatikus füstgázentalpia:

(Y* = ahol

.o K*

.o K*

kJ/kg

a tűztérben keletkező füstgázmennyiség (a sztöchiometriai számítások alapján)

.o K* = 'o

.K

∙ .K kg/s

fajlagos füstgázmennyiség [kg/kg] a tűztérbe bevezetett hőmennyiség A bevitt hőmennyiség számítását a kazánhatásfok fejezetben lehet részletesen megtalálni. A számítás a következő hőmérleg alapján történik:

=

##

#ű #é+



[0##

2

#ű #é+

é ő

W

A tűztérből kilépő hőmennyiség a kilépő füstgáz hőmérsékletéhez tartozó entalpiával és füstgáztömegárammal fejezhető ki: #ű #é+

é ő

= .K* ∙ (*

#ű #é+

é ő &q#ü

)

A leadott hőmennyiség így egyrészről a hőmérleg alapján, másrészről a sugárzásos hőcserét leíró Stefan-Boltzman törvény alapján számítható, a két hőmennyiségnek meg kell egyezni. [0##

ahol

r s

t#ü qá

q:

= .o K* ∙ (Y* − (#ü

*

! = r ∙ s ∙ t#ü

#é+

∙ q uá

− q*u !

Stefan-Boltzmann állandó r = 5,6787 ∙ 10{| W/&mN ∙ K u ) a tűztér feketeségi tényező [-] s = 0,2 − 0,6 gáztüzelés esetén s = 0,4 − 0,8 Hiba! A könyvjelző nem létezik.olajtüzelés esetén s = 0,6 − 0,95 szilárdtüzelés esetén A tűztér méretétől, vagyis a sugárzó rétegvastagságától függően alakul. (Vastagabb sugárzó réteg nagyobb feketeségi tényezőt eredményez.) 2 #é+ a tűzteret burkoló hőfelvevő felület [m ] A láng közepes hőmérsékletét általában az maximális (adiabatikus) és a kilépő hőmérséklet mértani közepével veszik egyenlőnek. [K]

qá P

= €q:

P

∙q

adiabatikus lánghőmérséklet [K]

q: Y

P

=

=

Y

2 273,15

'∙. ∙

*

‚

Sugárzás szempontjából lényeges különbség van a gázláng és a szilárd tüzelés lángja között. Az olajtüzelés lángsugárzás szempontjából a kettő között helyezkedik el. Az abszolút fekete test által adott hőmérsékleten és hullámhosszon kibocsátott egyszínű sugárnyaláb intenzitása a Planck törvény és a Wien féle egyszerűsítés alapján:

ƒ„Y =

BME-GPK EGT

… -†

ˆS

∙ ‡ {„∙8 W/mg

64

A kisugárzott összes energiát a függvény hullámhossz szerinti integrálásával kapjuk: Œ

‰ = Š ƒ„ ‹- = r ∙ q u W/mN Y

Az s feketeségi tényezőn a valóságos és az abszolút fekete test sugárzásintenzitás hányadosát értjük:

s=

ƒ

ó á 0

−

ƒ„Y

Ha ez az arány függetlenül a hullámhossztól állandó, azt szürke sugárzásnak nevezzük.

s = ᎎ••‹ó =

‰

ó á 0

‰

−

Tipikusan ilyen a szilárdtüzelés esetén létrejövő láng sugárzása. Ha a feketeségi tényező értéke változik a hullámhosszal, azt színes sugárzásnak nevezzük:

s = ‘&-) Ez a gáztüzelés, illetve gázsugárzás esete, ahol minden molekula a saját méretének megfelelő frekvenciával sugároz. A kazánban eltüzelt tüzelőanyagmennyiség, vagyis a kazán terhelésváltozása nincs lényeges hatással a tűztéri hőcserére, mivel a sugárzásos hőcserét a láng, vagyis a reakció hőmérséklete határozza meg, ami a terheléstől nem függ. Így a kazán részterhelése esetén a sugárzásos hőcsere aránya növekszik az össz hőcserén belül.

8-1. ábra Tűztéri emissziós tényező változása különböző tüzelőanyagok és lángméretek esetén

BME-GPK EGT

65

8-2. ábra Lángméretek változása a tüzelési teljesítmény függvényében

Főként hulladékok eltüzelésénél kérdés a füstgáz átlagos tűztéri tartózkodási idejének számítása, mivel erre vonatkozóan előírásokat kell ilyen esetben betartani. Ezt a hulladékokban található bonyolult vegyületek lebomlási tulajdonságai indokolják. A lebomlási idő és a hőmérséklet kapcsolata különböző anyagok esetén

Szükséges hőmérséklet [°C] Anyag

0,5 sec

1 sec

2,0 sec

Tartózkodási idő esetén

BME-GPK EGT

Benzene

880

830

790

Butane

930

900

870

Ethane

1090

990

910

Methane

990

950

920

Tetrachloromethane

1090

990

920

Toluene

1260

1220

1180

Vinyl chloride

770

740

720

66

A tartózkodási idő számítása: -

jól kevert modell # +#

=

Ué

é #é+

U*o

=

Ué

é #é+

Uo

∙

273 s qá

ahol # +#

Ué

U*o

é #é+

Uo -

tartózkodási idő [s] égéstér térfogata [m3] füstgáz térfogatáram az aktuális hőmérsékleten [m3/s] füstgáz térfogatáram normálállapotú gáz esetén [m3/s]

dugós áramlási modell

‹ =

‹U U*o

‹U = t‹’

‹ =

‹U 273 ∙ t = ‹’ U*o “ U*o “ ∙ q

x=0 és x=xki között integrálva: # +#

=

U*o

273 ∙ Ué “

é #é+

∙ &qY − q*

)

∙ Ž•

qY s q*

Konvektív felületek számítása Bemenő adatok: - a fűtőfelület méretei - a fűtőfelület konstrukciója - a beépített anyagok jellemzői - füstgáz • belépő hőmérséklet - tömegáram - hőhordozó közeg • belépő hőmérséklet • belépő nyomás • tömegáram A számítás az átadott hőmennyiség és a kilépő hőmérsékletek meghatározására irányul. A kilépő hőmérsékletek ismerete szükséges a számításhoz, ezért a számítás iterációs jellegű, a kilépő hőmérsékletek előzetes felvételével történik. A kilépő hőmérsékletek ismeretében a közegek jellemző átlaghőmérsékletei számíthatóak: füstgáz jellemző hőmérséklete:

••••• ”* =

”*

2” ‚ 2

a hőhordozó közeg jellemző hőmérséklete:

•••••••• ő 0+ = BME-GPK EGT

ő 0+

67

2 2

ő 0+

‚

A számításhoz szükséges közegjellemzők így már meghatározhatóak a jellemző közeghőmérsékletekhez tartozóan. A kazántechnikában előforduló esetekben a füstgáz is ideális gáznak tekinthető, tehát a jellemzőinek átszámítása az adott hőmérsékletre az ideális gázra vonatkozó törvények segítségével lehetséges: Q = ∙— ∙q ` – ˜ A számításhoz szükséges jellemzők általában: 3 - sűrűség ] [kg/m ] - hővezetési tényező [W/mK] - Prandtl szám Pr [-] - fajlagos hőkapacitás cp [J/kgK] 2 - kinematikus viszkozitás ™ [m /s] Ezek után a fűtőfelület konstrukciójának megfelelően a hőátadási tényező számítható.

A hőátadási tényező számítása A számítás dimenziónélküli jellemző számokkal felépített félempirikus összefüggések segítségével történik: A leginkább használt dimenziónélküli számok: œ∙/ - Nusselt szám š› = „ -

Reynolds szám

—‡ =

•∙/

ž ž

- Prandtl szám Ÿ = ahol ¡ hőátadási tényező [W/m2K] L jellemző méret [m] - hővezetési tényező [W/mK] w közegáramlási sebesség [m/s] ™ kinematikai viszkozitás [m2/s] 2 a hőmérséklet vezetési tényező [m /s] „ •= ¢∙ˆ£

A kazánban a közegáramlás rendszerint mind hőhordozó-, mind füstgázoldalon turbulens. Csőben történő áramlás1 Sima falú, egyenes csőben (csatornában) történő áramlás Mértékadó hőmérséklet: a csőben áramló közeg közepes (keveredési) hőmérséklete (T∞ ) . Más szükséges hőmérséklet: a csőfal felszínének hőmérséklete (Tw ) . Jellemző méret:

a cső belső átmérője ( D) .

A nem kör keresztmetszetű csatornákban: D = 4 , U ahol A az áramlási keresztmetszet és U a közeg által érintett kerület Más szükséges méret: a cső hossza ( L) . Mértékadó sebesség: a közeg átlagsebessége ( w∞ ) . 1

A Csőben történő áramlás, az Áramlás csövek között és a Hőátadási tényező víz forrása esetén című alfejezetek részletek a Segédlet a Hőtan tárgycsoport tárgyaihoz című műből.

BME-GPK EGT

68

Dimenzió nélküli számok: Nu = α ⋅ D/ λ , Pr = µ ⋅ cp / λ = ν / a , Re = w∞ ⋅ D/ ν ,

Gr = g ⋅ D3 ⋅ β⋅ Tw − T∞ / ν2 . Az anyagjellemzők hőmérséklettől való függését figyelembe vevő korrekció: – folyadékokra ΦT = ( Pr / Prw )0,14 , ahol Prw a fal hőmérsékletén vett Prandtl-szám, –

gázokra ΦT = (T∞ / Tw )0,12 .

Teljesen kialakult (félépült) lamináris áramlás, állandó falhőmérséklet Nu = 3 3,663 + 1,613 ⋅ Re⋅ Pr ⋅ D / L ⋅ ΦT . Érvényes, ha Re< 2300

0,1 < Re⋅ Pr ⋅ D/ L < 104

és

Teljesen kialakult (félépült) lamináris áramlás, állandó hőáramsűrűség a fal mentén

(

Nu = MAX 4,364; 1,965⋅ ( Re⋅ Pr ⋅ D/ L)

1/ 3

Érvényes, ha Re< 2300

és

(

⋅ 1 + 0,8⋅ ( Re⋅ Pr ⋅ D/ L)

−1

)) ⋅ Φ . T

0,5 ≤ Pr ≤ 2000 .

Turbulens áramlás (ξ / 8) ⋅ ( Re− 1000) ⋅ Pr  2/ 3 Nu = ⋅ 1 + ( D/ L)  ⋅ ΦT , ahol ξ = (1,82⋅ log10 Re − 1,64)−2 . 2/ 3   1 + 12,7 ⋅ ξ / 8 ⋅ ( Pr − 1) Érvényes, ha Re> 2300 , és 0,5 ≤ Pr ≤ 2000

Nu = 4.82+ 0.0185⋅ ( Re⋅ Pr )0.827 . Érvényes folyékony fémekre, ha 3600 < Re < 9,1⋅ 105 , és Tw = állandó .

Nu = 5,00 + 0,025⋅ ( Re⋅ Pr )0,8 . Érvényes folyékony fémekre, ha 3600 < Re < 9,1⋅ 105 , és q& w = állandó .

D

Áramlás csövek között Kör keresztmetszetű csövekből álló csőkötegre merőleges áramlás s*2 a) b)

w*? s1

s1

w*?

1. sor

s2

n.sor

1. sor

s2

n. sor

a = s1 D és b = s2 D Csősorok elrendezés: a) soros, b) eltolt (sakktáblás) Mértékadó hőmérséklet: a határrétegen kívüli (zavartalan) áramlás hőmérséklete (T∞ ) . Más szükséges hőmérséklet: a csövek felszínének hőmérséklete (Tw ) . BME-GPK EGT

69

Mind a Reynolds-, mind a Nusselt-számban a jellemző méret az áramlás által érintett hossz: L = D⋅ π / 2, ahol D a csövek átmérője. A csőosztást jellemző mennyiségek ( a , b , s1 , s2 , s2* ) az ábrán láthatók. A jellemző sebesség a hengerek között kialakuló w∞ átlagos sebesség, ami a teljes homlokvetületre vonatkoztatott w∞* sebességből a σ szűkítési tényező segítségével számítható: w∞ = w∞* / σ . A csőelrendezést figyelembe vevő korrekció jele ΦE . A különböző esetekre vonatkozó σ és ΦE kifejezéseket az alábbi táblázat tartalmazza: Csősorok száma egy csősor több csősor több csősor több csősor

ΦE

Elrendezés -----eltolt,

σ σ = 1 − π / (4⋅ a)

σ = 1 − π / (4⋅ a)

1 + 2/ (3⋅ b)

eltolt,

σ = 1 − π / (4 ⋅ a ⋅ b)

1 + 2/ (3⋅ b)

soros

σ = 1 − π / (4⋅ a)

1+

b≥1 b<1

1

0,7 b / a − 0,3 ⋅ σ1,5 (b / a + 0,7)2

Az egymás mögött elhelyezkedő csősorok számát ( n ) figyelembe vevő korrekció: Φn = [1 + ( n − 1) ⋅ ΦE ] / n . Dimenzió nélküli számok: Nu = α ⋅ L / λ , Pr = µ ⋅ cp / λ = ν / a , Re = w∞ ⋅ L / ν . Az anyagjellemzők hőmérséklettől való függését figyelembe vevő korrekció: – folyadékokra ΦT = ( Pr / Prw )0,25 , ahol Prw a fal hőmérsékletén vett PRANDTL-szám, –

gázokra ΦT = (T∞ / Tw )0,12 .

(

)

Nu = 0,3 + X2 + Y2 / Z2 ⋅ Φn ⋅ ΦT ,

az átlagos Nusselt-szám: ahol

X = 0,664⋅ Re ⋅ Pr 1/ 3 , Y = 0,037⋅ Re0,8 ⋅ Pr , Z = 1 + 2,443⋅ ( Pr 2/ 3 − 1) / Re0,1 . Érvényes, ha 0.6 ≤ Pr ≤ 1000 és 1⋅ 101 ≤ Re ≤ 1⋅ 106 Hőátadási tényező víz forrása esetén Víz nagy térfogatban történő buborékos forrása Mint az egyik leggyakoribb technológiai közegre, a vízre vonatkozó forrásos hőátadási tényező meghatározására, MIHEJEV szerint a következő összefüggéseket alkalmazhatjuk buborékos forrás, azaz q&w < q&kr és ps=0,2..100 bar esetén:

α = 2,656 ⋅ p0,176 ⋅ q& w 0,7 , α = 25,95⋅ p0,587 ⋅ ( Tw − Ts )

A helyettesítés mértékegységei:

[ α] =

W , m2 ⋅ K

2,333

[q&w ] =

.

W , [p]=bar, valamint: Ts a m2

telítési hőmérséklet, Tw a falhőmérséklet. A kritikus hőterhelés értékei vízre a telítési nyomás függvényében:

p, bar q& kr ⋅ 10−6 , W/m2

BME-GPK EGT

0,2

1

10

20

30

40

50

100

0,55

1,2

1,8

2,4

3

3,5

3,9

3,7

70

Hőátviteli tényező

1 W/&mN ∙ K) ¦ 1 1 2∑ 2 ¡* ¡ ő 0+ -

¤= ahol

¡* ¡ ő ¦

0+

-

füstgázoldali hőátadási tényező hőhordozó közeg oldali hőátadási tényező a fűtőfelület falvastagsága (Füstgáz- vagy közegoldali lerakódás esetén a lerakódás hőellenállását is figyelembe kell venni.) hővezetési tényező

Átadott hő á# [0##

ahol

k F ∆

=¤∙§∙∆

W

hőátviteli tényező W/&mN ∙ K) 2 hőátadó felület [m ] közepes logaritmikus hőmérsékletkülönbség [K]



∆

`o = ¤ ∙

*Œ

=

−

∆

Ž•

:Π!

,

−∆

∆ ∆

ˆ

,

= ¡* ∙

ˆ

*Œ

−

•… !

=

¦ ∙& -

•…

−

•N )

= ¡: ∙ &

•N

−

:Π)

8-3. ábra Konvektív hőátvitel tiszta kazánfalon keresztül és hőmérsékletlefutások változásai füstgáz- és vízoldali lerakódások következtében

Hőmennyiségek A fentebb számított három hőmennyiségnek egymással egyenlőnek kell lennie: *ü # á

=

á# [0##

=

∙

*

ő 0+[0 ó

Füstgázoldali hőmennyiség *ü # á

= ' ∙ .K ∙

*

ahol B cpfg tfg

tüzelőanyag tömegáram [kg/s] a füstgáz átlagos fajhője [J/kg K] füstgázhőmérséklet [J/kg]

BME-GPK EGT

71

−

*

! W

Hőhordozó közeg ő 0+

ahol

ℎ

o

ő 0+

ő 0+

= o

ő 0+

∙ &ℎ

ő 0+

−ℎ

ő 0+

) W

hőhordozó közeg tömegáram [kg/s] hőhordozó közeg entalpia [J/kg]

Ha a számított három hőmennyiség nem egyezik, akkor a kilépő közeghőmérsékletek korrekciójával a számítást újra el kell végezni mindaddig, amíg az eltérés megfelelően kis érték alá nem csökken. A kazánban eltüzelt tüzelőanyagáram, vagyis a kazán terhelésváltozása lényeges hatással van a konvektív hőcserére, mivel a konvektív hőcserét döntően a füstgáz sebessége határozza meg. Ha a terhelés változik, pl. csökken, akkor azonos keresztmetszeten kisebb lesz az átáramló füztgázáram. Így a kazán részterhelése esetén a konvektív hőcsere aránya csökken az össz hőcserén belül.

8.3. Hidraulikai számítások A hidraulikai számítások elvégzésére a hőtechnikai számítások elvégzése után van lehetőség, mivel szükség van a különböző szakaszokban az áramló közegek jellemzőinek és sebességének ismeretére.

Áramlási ellenállás számítása Az áramlási ellenállás számítása - mind füstgáz, mind hőhordozó közegoldalon - a Bernoulli egyenleten alapuló áramlási ellenállásszámítás felhasználásával történhet. Adott szakasz nyomásvesztesége: ∆Q = ahol ρ w l d λ

] Ž ∙ ¨ N ∙ © ∙ - 2 % 9ª Pa 2 ‹ 3

a közeg sűrűsége [kg/m ] a közeg mértékadó sebessége [m/s] a szakasz hossza [m] a szakasz egyenértékű átmérője [m] ellenállás tényező [-] (Turbulens áramlás esetén a Blasius formulával:

-= ahol

0,316 —‡ Y,N†

—‡ =

•∙[ ž

Reynolds szám −

Cirkulációs körök ellenőrző számítása Gőzkazánok esetében - a kényszerátáramlású kazánok kivételével - a megfelelő működés elengedhetetlen feltétele az elgőzölögtető körben a megfelelő cirkuláció biztosítása. (Lásd bővebben a kazánkonstrukciók fejezetben.) A rendellenes működést forráskrízisnek nevezik. Kétféle esetet különböztetnek meg, elsőfajú és másodfajú forráskrízist. - Elsőfajú forráskrízis akkor alakul ki, ha a cirkulációs körben az áramlás lelassul, vagy megáll. Ilyen esetben az elgőzölögtető felület bizonyos részein gőz-víz keverék helyett tisztán gőz áramlik. Az ilyen esetben lecsökkenő gőzoldali hőátadási tényező miatt a felület túlhevülhet és kiéghet. BME-GPK EGT

72

-

Másodfajú forráskrízis olyan esetben alakul ki, amikor egy felületrész hőterhelése olyan magas, hogy annak ellenére, hogy a csőben nagyrészt folyadék áramlik, a csőfal közelében ún. filmforrás jön létre, szintén a felület túlhevülését eredményezve.

8-4. ábra Különböző forrási formák és a falhőmérséklet alakulása a telítési hőmérséklethez képest

A cirkulációs ellenőrző számítással ellenőrizhető, hogy a kazán minden forrcsövében létrejön-e a problémamentes működéshez szükséges cirkuláció. A számítás a kétfázisú áramlás számítási modelljén alapul, valamint a csőszakaszok soros, illetve párhuzamos kapcsolásának megfelelően kell az áramlási modellt felépíteni. A természetes cirkuláció számítás alapvető egyenletei:

Q

= Q[0 2 ]

BME-GPK EGT

&]

í í

∙ ¬ ∙ ( − ∆Q

−]

+é

#,

= Q[0 2 ]

) ∙ ¬ ∙ ( = ∆Q

∆Q

+ő

= ∆Q

73

#,* á á

+é

2 ∆Q

∙ ¬ ∙ ( − ∆Q #,

#,*

8-5. ábra A cirkulációs szám alakulása a hajtóerő és az ellenállás függvényében

Szilárdsági számítás A szilárdsági ellenőrző számítások elvégzése biztonságtechnikai szempontból is lényeges, mivel a kazánszerkezet károsodása a környezetére is veszélyforrást jelent. Felhasznált anyagok A kazánépítéshez speciálisan ilyen célra kifejlesztett anyagokat használnak. Ezen anyagok legfontosabb jellemzője az ún. melegszilárdság, vagyis az anyagok magas hőmérsékleten is szavatolt szilárdsági jellemzőkkel (folyáshatár, szakítószilárdság, stb.) rendelkeznek. További igény az anyag bizonyos mértékű korrózióállósága. Elemzett üzemállapotok: Az elemzéseket minden veszélyesnek ítélt üzemállapotra el kell végezni. Minimálisan az alábbi két esetben: - A névleges, azaz a maximális teljesítményhez tartozó üzemállapot ellenőrzése - Az ún. próbanyomásra való ellenőrzés. (Gyártás során az elkészült elemeket a majdani maximálisnál 25%-al nagyobb nyomású hidegvízzel nyomás alá helyezik, amely az elkészült berendezés minőségellenőrzésének egyik módszere.) Az elemzésbe bevont elemek A szilárdsági ellenőrzést minden elemre el kell végezni. Kivételt csak a szabványosított elemek képeznek, amelyek kialakítását szabvány rögzíti és az előírások betartásával az alkatrészek bizonyos nyomásra, illetve hőmérsékletre külön ellenőrzés nélkül felhasználhatók. (pl. csőkarimák) Eljárások A szilárdsági ellenőrzés elvégzésére szabványosított számítási eljárások vannak. Az ellenőrző számításokat a szabvány szerint mindenképpen el kell végezni. Ezek az eljárások alap igénybevételi esetekre vonatkoznak. Összetett, vagy más szempontból szélsőséges igénybevétel esetén a szabványban leírt számítási eljárások elvégzése nem elegendő, ilyen esetekben további elemzések szükségesek. A szabványosított számítási eljárástól való eltérésre is van lehetőség, pl. végeselemes analízissel történő vizsgálat esetén, amely sokkal pontosabb igénybevétel meghatározást tesz lehetővé, és ebből kifolyólag kisebb biztonsági tartalék figyelembe vételével lehet számolni.

BME-GPK EGT

74

Azonban ilyen esetekben a szabványtól való eltérési engedélyt kell kérni az illetékes hatóságtól, amelyben ismertetni kell az alkalmazott számítási módszert, és igazolni kell az eljárás megfelelő voltát, helyességét. A számítás menete: - A hőtechnikai és hidraulikai számítások eredményeképpen rendelkezésre kell, hogy álljanak az adott alkatrész igénybevételét meghatározó nyomás és falhőmérséklet értékek. Ezek adják az alkatrész ún. méretezési nyomását és hőmérsékletét. - Ezek után a méretezési hőmérséklethez tartozó szilárdsági jellemzők segítségével, (REH, Rp0.2 - folyáshatár, Rm - szakítószilárdság, σHiba! A könyvjelző nem létezik.B1000000 időtartamszilárdság), valamint bizonyos gyártástechnológiai és igénybevételi bizonytalanságokat figyelembe vevő “n” biztonsági tényező figyelembe vételével az alkatrészre megengedett feszültséget kell meghatározni. pl.: r: = ®¯ - A fentieket követi az alkatrész feszültséganalízise, amelyben a különböző üzemállapotok esetén fellépő feszültségeket hasonlítjuk össze a megengedett feszültséggel. A kialakuló feszültségnek minden esetben a megengedett feszültség alatt kell lennie:

r#é

,

< r:

Az igénybevételek fajtái: Elsődleges feszültségek Ezek az alkatrészek alap igénybevételét meghatározó terhelésből adódó feszültségek. Például: -

belső-, vagy külső közegnyomásból adódó feszültség saját súlyból adódó feszültség másik alkatrészről átadódó erő miatt keletkező feszültség (pl. húzás, nyomás, hajlítás)

Meghatározásuk a szilárdságtani elméletek és képletek alapján történhet. Korlátozásukkal az egyszeri megterhelés utáni károsodás kizárható.

Másodlagos feszültségek Ezek a csonkok, kivágások, hajlítások környezetében fellépő csúcsfeszültségek, feszültség torlódások. Pontos számításuk általában csak végeselemes vizsgálattal végezhető el. A szabvány szerinti méretezés esetén ezeket a hatásokat empirikus, vagy félempirikus összefüggések segítségével ún. “V” gyengítési tényezővel, vagy nagyobb “n” biztonsági tényezővel veszik figyelembe. Korlátozásukkal a feszültségcsúcsokból kiinduló repedésekkel kialakuló károsodások elkerülhetők. Hőfeszültségek Hőmérsékletnövekedés hatására a testek megnyúlnak szabad terjeszkedés esetén. Ha a nyúlás korlátozva van, a gátolt terjeszkedés eredményeképpen feszültség keletkezik az alkatrészben, ezt hívják hőfeszültségnek. Számítási eljárással ez a következő gondolatmenet szerint számítható: Először kiszámítjuk, hogy az adott hőmérsékletnövekedés hatására az alkatrész szabadon mennyit tágulna: s = ±# ∙∆

BME-GPK EGT

75

Ezután külső erőhatással összenyomjuk az alkatrészt az eredeti méretre. Így mind a keletkező feszültség, mind a reakcióerők meghatározhatóak.

A valóságban a gátolt alakváltozás esetén ezek egyidőben jelentkeznek:

Mindkét irányban befogott síklemezben keletkező feszültség:

‰ ∙±# ∙∆ 1−™ Hőfeszültségek felléphetnek különböző alkatrészek eltérő fűtöttsége esetén, illetve egy alkatrészen belül is, ha az alkatrész különböző részei eltérő hőmérsékleten üzemelnek. r…,N = −

Kifáradás A kazánalkatrészek üzemük során változó feszültségeket eredményező állapotokban üzemelhetnek, például a kazán terhelésváltozásának függvényében. Ilyen esetben meghatározható az a maximális és minimális redukált feszültségérték, amely a berendezés üzeme során jellemzően előfordul. Ezek segítségével meghatározható a fáradást okozó feszültségamplitúdó: r-: P − r-: r = 2 Ehhez a feszültségamplitúdóhoz az alkalmazott anyagra vonatkozó kifáradási görbéből meghatározható az a maximális ciklusszám, amit az anyag fáradásos törés nélkül elvisel. •:

P

= ‘&r: P )

Többféle feszültségamplitúdó esetén a halmozódó károsodások elméletét kell alkalmazni. Ilyen esetben mindegyik feszültségamplitúdóhoz meg kell határozni a maximális “nmax“ ciklusszámot. Az alkatrész addig üzemeltethető, amíg a tényleges ciklusszámok “N” és a maximális ciklusszámok hányadosainak összege az 1-es értéket nem éri el.

š…

•…:

P

2

šN

•N:

P

2 ⋯2

š:

•::

P

≤1

Kúszás, vagy időtartamszilárdság Ha az alkatrész hosszú ideig feszültség alatt van magas hőmérsékleten, létrejön az ún. kúszás jelensége, vagyis az alkatrész maradó alakváltozást szenved anélkül, hogy a folyáshatárt túllépnénk.

BME-GPK EGT

76

Az adott hőmérséklethez és feszültségállapothoz meghatározható az az időtartam, amelyet károsodás nélkül elvisel:

−´: P &r, ) Többféle feszültség esetén a halmozódó károsodások elméletét kell alkalmazni. Ilyen esetben mindegyik feszültséghez meg kell határozni a maximális −´: P &r, ) időtartamot. Az alkatrész addig üzemeltethető, amíg a tényleges ∆´&r, )és a maximális ciklusszámok hányadosainak összege az 1-es értéket nem éri el.

∆´…

´…:

BME-GPK EGT

P

2

∆´N

´N:

P

2⋯2

77

∆´:

´::

P

≤1

9. KAZÁNOK SZAKTERÜLET JOGI SZABÁLYOZÁSA EU harmonizált szakterület - EU-s irányelvek - Jogszabályok - Szabványok

- jogalkotóknak kötelező, tagországoknak át kell venni - kötelezőek - nem kötelező (de ajánlott) (Jogszabályoknak való megfelelés biztosításának legkézenfekvőbb eszköze)

Kazán, mint nyomástartó berendezés EU-s irányelv: - 97/23/EC - PED Pressure equipment directive - DGR Druckgeräte Richlinie - DESP Directive Equipements sous Pression http://ec.europa.eu/enterprise/sectors/pressure-and-gas/documents/ped/ Magyar felügyeleti szerv és a jogszabályok MAGYAR KERESKEDELMI ENGEDÉLYEZÉSI HIVATAL http://www.mkeh.gov.hu/ http://mkeh.gov.hu/muszaki/nemzeti/nyomastarto Harmonizált jogszabályok: - 9/2001. (IV. 5.) GM rendelet a nyomástartó berendezések és rendszerek biztonsági követelményeiről és megfelelőség tanúsításáról - 63/2004. (IV. 27.) GKM rendelet és a Nyomástartó Berendezések MűszakiBiztonsági Szabályzata Kapcsolódó területek önálló szabályozással (a teljesség igénye nélkül): - Tüzelőanyag ellátás (pld. gázellátás GMBSZ.) - Füstgáz elvezetés, kémények - Tűzvédelem - Munka- és egészségvédelem - Környezetvédelem

BME-GPK EGT

78

Kazánok és nyomástartó berendezések besorolása

9-1. ábra Kazánok 9/2001. (IV. 5.) GM rendelet szerinti besorolása, különböző (I. – IV.) kategóriák különböző szintű minőségbiztosítási előírásokat jelentenek

63/2004. (IV. 27.) GKM rendelet szerinti hatósági besorolás

V=2

PS ( bar )

17.§ (3) 3 . §bekezdés (3) pont szerint

1000

32 10

IV

PS = 32 PS PS

1

·V

I

PS

=

50

·V

=

·V

20 0

II

=

30

00

III

v = 1000

100

PS = 0,5

1000

10 000

0,5

0,1

1

2

10

BME-GPK EGT

100

V ( liter )

79

9.1. Szabványok (példa) MSZ EN 12952 Vízcsöves kazánok és segédberendezéseik szabványsorozat MSZ EN 12952-1 Általános követelmények MSZ EN 12952-2 Kazánok és segédberendezéseik nyomással terhelt részeinek anyagai MSZ EN 12952-3 Nyomással terhelt részek tervezése és számítása MSZ EN 12952-4 Használatban lévõ kazánok élettartam-becslései MSZ EN 12952-5 A kazán nyomással terhelt részeinek gyártása MSZ EN 12952-6 A kazán nyomással terhelt részei gyártásának, dokumentációjának és megjelölésének ellenőrzése MSZ EN 12952-7 Kazánberendezések követelményei MSZ EN 12952-8 Kazánok gáznemű és folyékony tüzelőanyagú tüzelőberendezéseinek követelményei MSZ EN 12952-9 Kazánok szilárd, porlasztott tüzelőanyagú tüzelőberendezéseinek követelményei MSZ EN 12952-10 A megengedettnél nagyobb nyomás ellen védő eszközök követelményei MSZ EN 12952-11 A kazánok és tartozékaik határoló berendezéseinek követelményei MSZ EN 12952-12 A táp- és a kazánvíz minőségi követelményei MSZ EN 12952-13 Füstgáztisztító berendezések követelményei MSZ EN 12952-14 Nyomás alatt cseppfolyósított ammóniát és ammónia vizes oldatát használó, a füstgázt nitrogén-oxidoktól mentesítő (DENOX-) rendszerek követelményei MSZ EN 12952-15 Átvételi vizsgálatok MSZ EN 12952-16 Kazánok szilárd tüzelőanyagú, rostélyos és fluidágyas tüzelőberendezéseinek követelményei MSZ CR 12952-17 Útmutató a gyártótól független vizsgálószervezet bevonására MSZ EN 12953 Nagyvízterű kazánok szabványsorozat MSZ EN 12953-1 Általános követelmények MSZ EN 12953-2 Kazánok és segédberendezéseik nyomással terhelt részeinek anyagai MSZ EN 12953-3 Nyomással terhelt részek tervezése és számítása MSZ EN 12953-4 A kazán nyomással terhelt részeinek gyártása MSZ EN 12953-5 Gyártásközi ellenőrzés, dokumentáció és a kazán nyomással terhelt részeinek megjelölése MSZ EN 12953-6 Kazánberendezések követelményei MSZ EN 12953-7 A kazánok gáznemű és folyékony tüzelőanyagú tüzelőrendszereinek követelményei MSZ EN 12953-8 A megengedettnél nagyobb nyomás elleni védelem követelményei MSZ EN 12953-9 A kazánok és tartozékaik határoló eszközeinek követelményei MSZ EN 12953-10 A táp- és a kazánvíz minőségi követelményei MSZ EN 12953-11 Átvételi vizsgálatok MSZ EN 12953-12 Kazánok szilárd tüzelőanyagú, rostélyos tüzelőberendezéseinek követelményei EN 12953-13 Működtetési előírások (Operating instructions) MSZ CR 12953-14 Útmutató a gyártótól független vizsgálószervezet bevonására

BME-GPK EGT

80

10.

MINTAPÉLDÁK

BME-GPK EGT

81

BME-GPK EGT

82

BME-GPK EGT

83

BME-GPK EGT

84

BME-GPK EGT

85

BME-GPK EGT

86

BME-GPK EGT

87