PELLETKAZÁNOK HŐCSERÉLŐJÉNEK OPTIMALIZÁLÁSA

Átírás

1 MISKOLCI EGYETEM Gépészmérnöki és Informatikai Kar Áramlás- és Hőtechnikai Gépek Tanszéke PELLETKAZÁNOK HŐCSERÉLŐJÉNEK OPTIMALIZÁLÁSA ZÁRÓDOLGOZAT Energetikai mérnök szak, gépészeti szakirány. Készítette: MAJOROS ÉVA Neptun kód: CTAHUQ Miskolc Egyetemváros 2013

2 MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR ÁRAMLÁS- ÉS HŐTECHNIKAI GÉPEK TANSZÉKE 3515 Miskolc Egyetemváros Iktató szám: AH- -XXI-2013 BSC TERVEZÉSI FELADAT MAJOROS ÉVA V. évesenergetikai mérnökszakos hallgató részére Neptun kód: CTAHUQ A tervezés tárgyköre: A tervezési feladat címe: Kazánok és hőcserélők. Pelletkazánok hőcserélőjének optimalizálása A FELADAT RÉSZLETEZÉSE: 1. Irodalmi források alapján foglalja össze az automatikus üzemű faapríték/biomassza pellet tüzelésű kazánok legelterjedtebb kialakítási megoldásait. 2. Égéselméleti számításokkal határozza meg egy 100 kw teljesítményű pellettüzelésel üzemeltetett kazán tüzelőanyag-igényét. 3. Égéselméleti és hőátadási számítások alapján határozza meg a tűztérből távozó füstgázok jellemzőit (mennyiség, összetétel, hőmérséklet). 4. Tervezzen a 3. pontnak megfelelő füstgáz hőtartalmának hasznosítására (200 C alá hűtésére) alkalmas füstcsöves hőcserélőket, az alábbi paraméterek változtatásával: csövek száma, csövek átmérője. 5. Keresse meg a 4. pontban megtervezett hőcserélők közül az anyagfelhasználás szempontjából legoptimálisabb kialakítást. Tervezésvezető: Tollár Sándor, tudományos segédmunkatárs Konzulens: Baranyai Viktor Zsolt, önálló kutató/fejlesztő A tervezési feladat kiadásának időpontja: A tervezési feladat beadási határideje: Miskolc, 20 év hó nap Ph Dr. Szabó Szilárd tanszékvezető egyetemi tanár 2

3 1. A záró gyakorlat helye: 2. Instruktor: 3. A záródolgozatmódosítása 1 : szükséges (módosítás külön lapon) nem szükséges dátum tervezésvezető 4. A tervezést ellenőriztem: dátum tervezésvezető 5. A záródolgozat beadható: i gen / nem 1 dátum tervezésvezetők konzulens 6. A záródolgozat és az alábbi mellékleteket tartalmazza: szövegoldalt, db rajz tervnyomtatvány egyéb melléklet (CD, stb.) 7. A záródolgozat bírálatra 1 bocsátható nem bocsátható A bíráló neve: dátum 8. A záródolgozat osztályzata betűvel (és számmal): A bíráló javaslata: A tanszék javaslata: A ZVB döntése: Kelt: Miskolc, tanszékvezető Záróvizsga Bizottság elnöke 1 Megfelelő rész aláhúzandó 3

4 Eredetiségi nyilatkozat Alulírott Majoros Éva (neptun kód: CTAHUQ) a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős energetikai mérnök szakos hallgatója, ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy a Pellet kazánok hőcserélőjének optimalizálásacímű komplex feladatom/ szakdolgozatom/diplomamunkámsaját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályi szerint történt. Tudomásul veszem, hogy plágiumnak számit: szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül; tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése. Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén a szakdolgozat visszavonásra kerül. Miskolc, 20 év hó nap Majoros Éva 4

5 Záródolgozat saját munka igazolás (külső konzulens esetén) Alulírott Baranyai Viktor Zsolt, mint önálló kutató/fejlesztő igazolom, hogy Majoros Éva (neptun kód: CTAHUQ), energetikai mérnök szakos hallgató a(z)bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közhasznú Nonprofit Kft. Anyagtudományi és Technológiai Intézet, Újgenerációs Anyagok és Eljárások Osztálynál készített komplex feladatában/ szakdolgozatában/ diplomamunkájában 2 a saját munka terjedelmi részaránya minimum %, és a dolgozatban a vállalattól kapott adatok megfelelő hivatkozással szerepelnek. Miskolc, 20 év hó nap Majoros Éva Baranyai Viktor Zsolt önálló kutató/fejlesztő 5

6 TARTALOMJEGYZÉK Külső konzulens saját munka igazolás... Ошибка! Закладка не определена. Összefoglalás... 7 irodalomkutatás... 8 A pellet... 8 Pellet égetés... 9 Pellet gyártása Kazánok Pellet kazánok: A pellet kazánok működése: Hőcserélők: Optimalizálás Számítások Tüzelőanyag igény számítások: A füstgáz jellemzőinek meghatározása: Hatásfok ellenőrzés: Hőmérséklet számítások: Disszociáció: Hőátadás számítások Kilépő füstgáz hőmérsékletének kiszámítása Hőcserélő méretezése Optimalizálás anyagfelhasználás szerint Összegzés Köszönetnyilvánítás Irodalomjegyzék: Táblázatok, képek:

7 ÖSSZEFOGLALÁS Szakdolgozatomat pellet kazánok hőcserélőjének optimalizálása témában készítettem el. Ismertetem a pelletet, mint tüzelőanyagot, jellemző tulajdonságait, előnyeit, hátrányait, gyártását. Az irodalomkutatásban szó esik még kazánokról, valamint konkrétan pellet kazánokról, azok működéséről, képekkel, táblázatokkal kiegészítve. Mivel dolgozatom lényege a hőcserélők, ezért az irodalomkutatás tartalmazza a hőcserélő, mint berendezés ismertetését, feladatát, típusait. Leírom, mit jelent az optimalizálás a műszaki életben, miket érdemes figyelembe venni ahhoz, hogy egy rendszerbe a lehető legmegfelelőbb berendezés kerüljön beépítésre. Ezt veszem alapul a számításaim után az optimális hőcserélő kiválasztásánál. Az irodalomkutatás után, a számításokban pellet tüzelőanyag égését követem végig. Először meghatározom a kazánba jutó tömegáramot, a kazánból kijutó füstgáz alkotóit és azok összetételét, a disszociációval és a pirometrikus hatásfokkal elvesztett energiát. A kazánból a füstgáz a hőcserélőbe jut, ahol a megadott vagy kiszámolt hőmérsékletek alapján vizsgálom a hőcserélő hőelvonását, valamint geometriai jellemzőit. Meghatározom, hogy mennyi acél szükséges különböző csőhosszú, cső átmérőjű, cső darabszámú hőcserélő legyártásához. A dolgozat végén kiválasztom az optimális hőcserélőt anyagfelhasználás szempontjából úgy, hogy figyelembe veszem a beépítés által adott méretkorlátokat. 7

8 IRODALOMKUTATÁS A pellet Világ szinten ki vagyunk téve a fosszilis energiahordozók (pl. szén) elfogyásának problémájának, így egyéb energiahordozókból nyert energiára leszünk ráutalva. Arról nem is beszélve, hogy a környezettudatosság is a témával foglalkozó mérnökök prioritást élvező pontja, tehát a manapság folyamatosan zajló égetések helyett egyéb utat kell keresni. Egyre többet foglalkoztatja az embereket a megújuló energiaforrások kihasználása, de nem szabad megfeledkeznünk a rengeteg mezőgazdaságban keletkező hulladékról sem, amiből ún. pelletet lehet sajtolni. A pellet angol szó, jelentése: szemcse, pirula. A pellet lehet pl.: biomassza alapból faaprítékból energiafűből, stb. A pellet tulajdonképpen egy fűtéshez használt alapanyag, ami állhat sajtolt biomasszából, bár a legáltalánosabb pellet fajta a fapellet. A fapellet egy fa üzemanyag ami előállítható összenyomott forgácsból, de egyéb forgácsolásnál, famunkáknál keletkezett hulladékból is.az 1. ábrán pelletet láthatunk. 1. ábra: Pellet [17] Tulajdonképpen rengeteg féle pelletet gyártanak fűtőanyagként, de csak kisebb épületek számára kifizetődő. Nagy előnye az, hogy eléggé tömör anyag, 8

9 ami kevés nedvességtartalmat jelent, ezáltalán elég nagy az elégetésének a hatásfoka. Előnyös tulajdonsága még, hogy a méretei állandóak (azoknak, amelyek együtt jönnek ki a gyártási sorról), valamint viszonylag kis méretűek, ezáltal könnyen adagolhatóak automatikusan az égetőbe (többnyire csigás szállítás a jellemző, esetleg csigás-gravitációs szállítás kombinálva). Nagy távolságokon át is könnyen szállíthatóak, és azonnal beboríthatóak egy silóba a tartálykocsiról, mikor a megfelelő helyszínre érkeztek.[1] Hogyha a számadatokat nézzük, átlagosan kettő kilogramm fapellettel kiváltható nagyjából egy köbméter földgáz. Ha pedig széntüzeléshez viszonyítunk, egyértelműen környezetbarátabb, a füstgázában a szénmonoxid mennyiség kevesebb, mint 200 mg m 3.[2] A pelletek gyártását szabványok határozzák meg. Ilyen szabványokat mutat be az 1. táblázat. Pellet szabványok Min. jellemzők Mért. egys. DINPlus ENPlus-A1 ENPlus-A2 EN-B Átmérő mm 4 D 10 6 ±1 6 ±1 6 ±1 Hossz mm 5*D 3,15 L 40 3,15 L 40 3,15 L 40 Sűrűség kg/m Fűtőérték MJ/kg 18 16,5 16,5 16 Nedv. tart. % Finom anyag % Hamu % <0,5 0,7 1,5 3 Hamu hőm. olv. Pellet égetés C táblázat: Pellet szabványok [18] Érdemes, mint bármely tüzelőanyagnál, figyelembe venni a kinyerhető energiát. (Pelletnél ez az adat hozzávetőlegesen 4,7-5,2 MWh/t). Az utóbbi időben jellemzően nagy teljesítményű kályhákat gyártottak pellettüzelésre, a hatásfok elérheti akár a 85%-ot is, sőt, időnként többet is. Az emisszió is a tüzelésnél elsődlegesen vizsgált szempont, különösen a mai környezetvédelemre hangolt világunkban. Általában pelletégetésnél a káros anyagok koncentrációja(pl. a NO x, SO, illetve egyéb, szerves illóanyagok) x alacsonyabb, mint más égetésnél. 9

10 Bár figyelembe kell vennünk azt a tényt, hogy szennyezőanyagok kerülnek olyankor a levegőbe, amikor a pelletet előállítják.[3] A gyárak, cégek talán maguktól nem is fordítanának komoly figyelmet a szennyezőanyagok kibocsátásának csökkentésére, de EU tagok lévén a kibocsátás mértékét az EU által meghatározott szint alatt kell tartanunk.[4] Sokszor környezetvédelmi szempontból tér át egy cég fa alapú tüzelésre, biomassza tüzelésre. Az igény folyamatosan növekszik, a gyárak új telephelyeken ehhez megfelelő kazánokat építenek be, vagy átépítik a már meglevőket. Ez persze komoly költségekkel jár, és figyelembe kell venniük a megtérülés idejét is.[5] Három féle égési rendszert különböztetünk meg az alapján, hogy hogyan kerül a pellet a kazánba. Ezeket a kazán táplálásokat a 2. ábra mutatja be: alátoló (1) horizontálisan táplált (2) felültáplált (3). Pellet gyártása 2. ábra: Alátoló-, horizontális-, felültáplálás[19] A pelletálás nagy előnye az, hogy hulladékfelszámolásként is nagyszerűen beválik. Akár egy kisebb gazdaságban is érdemes figyelembe venni az átállást. A gyümölcsfák lemetszendő részei, vagy akár a lehullott falevelek is hulladékot képeznek, de megfelelő előkészítési módszerrel, megfelelő kazánban hasznosíthatóak lehetnek. Ehhez hasonló módon képzelhetjük el a faaprítékpelletet is, például a lehullott forgács sajtolásával.[6] 10

11 A pelletet nagy nyomáson, körülbelül bar-on sajtolják. Mivel teljes mértékben természetes összetevőket tartalmaz, kötőanyagot sem adagolnak hozzá, ezt a szerepet a fában levő lignin tölti be. [7] Ez egy olyan kémiai anyag, amely a növény sejtfalában rakódik le, és ennek köszönheti a szilárdságát. Ez teszi ki a fák szárazanyag tartalmának nagyjából %-át.[8] Kazánok Általánosságban megfogalmazva a kazán feladata az, hogy az energiahordozók vegyi energiáját átalakítsa hőenergiává, és ezt a hőenergiát egy másik helyen fogják hasznosítani. Néhány fontosabb jellemzője: teljesítmény: a kazán által szolgáltatott hőmennyiség, névleges teljesítőképesség: az a legnagyobb állandó teljesítmény, melyet a kazánnak szolgáltatnia kell (állandó állapotjelzők mellett), méretezési hőmérséklet: az a legnagyobb hőmérséklet, amit még a kazán elbír, üzemi hőmérséklet: a kazán egyes részeinek működés közbeni hőmérséklete, teljes űrtartalom: a töltet-tér teljes űrtartalma az elzárószerelvények között, fűtött felület: a hőátadó közeg oldalán lévő azon felület, melyet másik oldalról a hőátvevő töltet érint. Léteznek: stabil (helyhez kötött), félstabil (helyhez kötött ugyan, de szerkezetének megbontásával elmozdítható), mobil (helyhez nem kötött) kazánok. A kazán tüzelőberendezéséhez tartozik a tűztér, a füstcsatorna és a kémény. Ezen belül a tűztér az a része a kazánnak, amely a hőszigetelt és a hűtött fűtőfelületek között helyezkedik el.[9] Pelletkazánok: Fapellettel elsősorban a 100 kw-os hőigény alatti épületeket (családi házakat, telephelyeket, intézményeket, panziókat, stb.) lehet különösen gazdaságos és kényelmes módon fűteni. A pelletkazán saját magát gyújtja be", és a rendszer egy csigán keresztül automatikusan adagolja a tüzelőanyagot, a kazán mellé telepített tartály méretétől függően azt pár hetente, vagy akár 11

12 szezononként egyszer elég feltölteni. Kisebb teljesítményigénynél pelletkandallót is használhatunk, melegvízelőálításra is. [10] Pelletkazánokat többnyire kisebb épületekhez, lakásokhoz használnak. Megfelelő például egy óvoda, vagy kisebb iskola befűtéséhez, de egy teljes erőmű számára nem érné meg a pellet gyártása. Az 3. ábrán pellet kazánokat láthatunk. 3. ábra: Pelletkazánok [20] Többféle pelletkazán is létezik. Léteznek például ún. komplett pellet kazánok, melyek magukba foglalják magát a kazánt, a tüzelőanyagot adagoló csigát, és a pellet tárolót is. Vannak még külső tárolós pellet kazánok, melyek optimális működéséhez a tárolót külön helyiségben kell elhelyezni a kazántól. Ezek mellett vannak olyanok is, melyek nem rendelkeznek saját tárolóval. Ezeknél egy adagoló csiga juttatja el a pelletet a kazánba a silóból. Általában magát a kazánt két részre osztják, az egyik a tűztér, míg a másik a hőcserélő folyamatokért felelős. A pellet kazánokra jellemző, hogy teljesen automatizáltak. Emberi beavatkozás normál működés esetén nem szükséges, egészen a beadagolástól az égéshez szükséges levegő biztosításán keresztül minden automatizálva megy végbe, és ez minden pellet kazánra elmondható. Sőt, már olyan fajták is léteznek, melyek képesek az öntisztításra is. Ez azt jelenti, hogy nincs szükség arra, hogy emberek a leállított kazánt megtisztítsák, ezt is elvégzi automatikusan. Amire nagyon oda kell figyelni az az, hogy elég jó minőségű pelletet használjunk, mert a kazánok legtöbbje megsínyli a rossz minőségű anyagot. Például a pellet morzsolódása esetén a morzsalék problémát okozhat az adagoló csigában, ez pedig a teljes automatizált rendszer zavartalan működését veszélyeztetheti. 12

13 A jó minőségű pellet ismérvei: világos, faforgács szín, kemény, tömör szerkezet, nincsenek berepedezések, sima felület, fényes külső, vízben lassan elsüllyed, lassan oldódik, nem színezi a vizet.[11] A pellet kazánok működése: A pellet kazánban található égetőfejig a pelletet egy csiga juttatja el a tartályból. Az égetőfej elindításával a pellet égni kezd. Az égetőfejet elektronika vezérli, ezzel segítve az optimális működést. Vannak olyan pellet kazánok, melyekből automatizáltan távozik a visszamaradó égéstermék, amikből azonban nem, rendszeres takarítást igényelnek, ami a hamutálca kiürítését jelenti. Ezt nagyjából három-négy hetente érdemes elvégezni. Természetesen a pellet tartályból elfogyhat a pellet, akkor gondoskodni kell az utántöltéséről.a gép jelzi, amikor a tartály kifogyóban van, így időben el lehet végezni az utántöltést. A pellet kazán égetőfeje leszerelhető, ami azért jó, mert leszerelés után sima tüzifát is lehet égetni a kazánban. Ilyen égőfejet láthatunk a 4. ábrán.[12] 4. ábra: Pellet égőfej [21] 13

14 Manapság már az égetési rendszerek mikroprocesszor alapúak. A pellet égető kemence automata működését egy kombinált töltő és gyújtó rendszer szabályozza. A töltés kontrollt a tápvíz hőmérséklet vezérli, de befolyással van még rá az üzemanyag és az első fokozatban beadott levegő. A modern pellet kazánoknál gyakori a levegő fokozatokban beadagolása, mert ez segíti az égés tökéletességét és javít az emisszión. A kettéválasztás alatt azt értjük, hogy a tér ketté van osztva egy elsődleges és egy másodlagos égési zónára, mindkettő saját levegő táplálással. A két égéstérben a levegő egymás között nem keveredik, így lehetővé teszi az elsődleges fokozat gázosító zónaként funkcionálását. Ez fontos az NO x és a szemcsés emisszió csökkentéséhez. A füstgáz továbbmegy a következő fokozatba, ahol a végleges oxidáció megtörténik. Itt nagyon fontos a füstgáz és a levegő keveredése. A megfelelő keveredést jól kialakított geometriával és megfelelően kialakított levegő szívócsővel segítik elő. Elegendő ott tartózkodási idővel a füstgáz megközelíti a tökéletes elégést magas hatásfokkal, kevés légfelesleggel. A geometria és a szívócső kialakítására általában CFD szimulációt használnak. A pellet égetési technológiáknak magas elvásároknak kell megfelelniük, hogy a rendszer jól működjön. A kazán technológiája ellenálló anyagot kíván, hiszen az élettartama függ az anyagminőségtől. Jellemző anyagok az égéskamra beépítéshez: rozsdamentes acél, samott-tégla, szilícium-karbid. A rozsdamentes acél főbb jellemzői: olcsó kis hőtartó képesség (könnyűvé teszi a leállást és indítást) kevéssé áll ellen a korróziónak kisebb a salakképződés veszélye mint samott-téglánál. Samott-tégla: valamivel drágább nagyobb hőtartó képesség. Szilícium-karbid: drága nem reagál a hamuval (ellenáll a lerakódásoknak). Abban az esetben, ha a pellet kazán füstgáz kondenzálóval van ellátva, nagy mértékben meg lehet növelni a hatásfokát. A kazán hatásfoka ( amit a kazánból kijövő hő és a belépő üzemanyag hányadosaként értelmezünk), nagyjából 90% körül mozog. A kondenzálás után a füstgáz hőmérséklete alacsonyabban van mint a harmatpont. A fütstgázban levő víz is kondenzálódik (függően a füstgáz hőmérsékletétől), és a felszabaduló hő hasznosítható. Az 14

15 összefüggést a füstgáz hőmérséklete, az oxigén koncentrációja és a hatásfok között szemlélteti a 5. ábra. 5.ábra: A füstgáz, az oxigén és a hatásfok közötti kapcsolat [22] A füstgáz hőmérséklete általában C között van. Ennek a csökkentésével a kazán hatásfoka nőhet, nagyjából lineárisan a harmatpont eléréséig. A harmatpontnál kezdődő kondenzációnál a hatásfok növekedés aránytalanná válik. Sokat számít az oxigén koncentráció is, amivel csökkenthető a harmatpont. A mezőgazdasági biomasszáknak nagy a szemcsés emissziója. Az aprószemcsés emisszió %-a egy mikrométer alatti. Ezek között vannak szerves és szervetlen aerosolok. A szerves aerosolok az égés velejárói, a füstgáz hűlése alatt jellenek meg (szénhidrogének kondenzációjából). Ezeket minimalizálni kell. A szervetlen aerosolok csökkenthetőek amegfelelő üzemanyag kiválasztásával, például lucfenyővel. [13] Növényfajta Energia egyenérték [MJ/ha] Kukorica 44,995 Búza 37,601 Napraforgó 29,640 Repce 26,796 Szója 16, táblázat: Hektáronként kitermelhető energia biomasszából [23] 15

16 Hőcserélők: Hőcserélőknek azokat az eszközöket nevezzük, melyek hőátvitelt biztosítanak egy hőhordozó közeg felől egy hőfelvevő közeg felé. Természetesen rengeteg féle hőcserélő létezik attól függően, hogy az adott helyen mire van szükség. Tervezésnél általában a fűtőfelület meghatározása a legfontosabb. A hőcserélőket többféleképpen csoportosíthatjuk, pl.: működési elv szerint: rekuperatív regeneratív hőcserélők, illetve a hőhasznosítási folyamatban elfoglalt helyük szerint: primer szekunder hőcserélők. A rekuperatív hőcserélőkben a két közeget elválasztja egy fal, aminek a két oldalán áramlanak, tehát a hő a falon keresztül cserélődik. A regeneratív hőcserélők esetében a két közeg nem egyidejűleg áramlik. Először a magasabb hőmérsékletű közeg érintkezik egy felülettel, amitől a felület a hőt elveszi, majd utána a másik közegnek leadja. Általában a felhasználásuk a hőfoktól függ, az 1000 C-nál kisebb hőmérsékletű hőcserefolyamatokat rekuperátorban, az 1000 C-nál nagyobb hőmérsékletűeket pedig regenerátorban végzik. Hőcserélőket azért használnak a kazánokban, hogy a távozó füstgáztól vegyenek el hőt, másnak adják, ezáltal növelve a gazdaságosságot (pl. égéshez szükséges levegő melegítése). Ezek miatt: nő az égéshőmérséklet csökken a füstgázveszteség csökken a tüzelőanyagszükséglet. (B = Q össz F é +Q r, ahol B a tüzelőanyag felhasználás, Q össz a hőáram, F é a fűtőérték és Q r az előmelegítéssel nyert hő.)[14] 16

17 Optimalizálás Az optimalizálás, vagy az optimális lehetőség kiválasztása azt jelenti, hogy többféle megoldások közül azt választjuk ki, amelyik nekünk az adott feladathoz a legmegfelelőbb. Érdemes többféle paramétert is górcső alá venni attól függően, hogy az adott helyzetben mire van szükségünk. Például: költségcsökkentés kicsi energiafelhasználás kicsi anyagfelhasználás jó szabályozhatóság könnyű szerelhetőség biztonságosság kicsi környezetszennyező hatás könnyen lehessen alkatrészt pótolni. Ezek alapján láthatjuk, hogy egy szerkezet optimalizálása nem igazán gépesíthető, hiszen ezeket megfelelő prioritási sorrendbe rakva csak egy ember képes megvalósítani. Természetesen több mérnököt megkérdezve más-más szempontokat raknának előtérbe. A mostani esetben az optimalizálást hőcserélő optimalizálására konkretizáljuk. Ez azt jelenti, hogy egy olyan készülékre van szükségünk, ami a lehető legjobb módon végzi el a feladatát, mégpedig azt, hogy adott közegáram hőmérsékletét változtatja meg előírt módon. Ez történhet a korábban felsoroltak közül bármelyik fajta hőcserélővel. Ha nincs a feladat túlhatározva, számos műszaki megoldást találhatunk, amik közül kiválaszthatjuk az optimálisat. A tervezés során a hőcserélőnek meg kell felelnie bizonyos műszaki feltételeknek. Az adatok alapján fel lehet állítani egy matematikai modellt (algoritmust), amely az alapadatok és a megoldás közti függvénykapcsolatot írja le. Ezen algoritmusok sorozatát mutatja be a 6. ábra. 17

18 6. ábra: Az optimalizálás sémája [24] Léteznek: rögzített adatok (p): ezeket a paramétereket pontosan kell venni. Ilyen például a kilépő hőmérséklet; tervezési adatok (y): a környezetet írják le. Bizonyos intervallumon belül változhatnak, ilyenek például a belépő közeg jellemzői; szabadon felvehető változók (x): ezeket tulajdonképpen a tervező szabadon veheti fel, de úgy kell megállapítania, hogy egy rossz döntés nagyon negatívan is befolyásolhatja a végeredményt. Ilyen például a csőszám. Felírhatjuk a következő képletet: n x = sz n p n y, (1) ahol: n x a szabadon felvehető paraméterek száma, n p a rögzített adatok száma, n y pedig a tervezési adatok száma. 18

19 A szabadságfokot jelöljük sz-szel, és így a képletből láthatjuk, hogy a szabadon felvehető változók száma függ a szabadságfoktól. A hőcserélő jellemzően csőkötegekbe rendezett hőátadó csövekkel valósítja meg a hőcserét. (A csöveken kívül is és belül is áramlik egy-egy közeg.) A hőcserélő jellemzői nagyban függnek a geometriai kialakításától. Amikor a hőcserélőt hőtechnikailag méretezzük, tulajdonképpen azoptimális geometriai kialakítás lehetőségét keressük, ettől függ az áramlás. A megkívánt hőmérsékletek és a hőteljesítmény nem adja meg feltétlenül teljesen a geometriát, ezért ilyenkor még többféle kialakításból válogathatunk.[15] 19

20 SZÁMÍTÁSOK Tüzelőanyagigény számítások: A következőkben egy 100 kw teljesítményű pellet kazán tüzelőanyag igényét kell meghatározni.a kazán hatásfokát 85%-ra becsüljük (η=85%). Ezek alapján meg tudjuk határozni a bemenő hőteljesítményt, a következőképpen: ahol: P th a bemenő hőteljesítmény [W] P a hasznos teljesítmény [W] η a hatásfok [%]. Tehát P th = 100/85*100 = 117,6471kW. P th = (P/η)*100%, (2) Jelen tüzelőanyag az akácfa lesz, amit gyakran használnak égetésre, ennek fűtőértéke:h a = 16,33 kj/g. Ezután megkapjuk a szükséges tüzelőanyag mennyiséget a következőképpen: ahol: m a tömegáram [kg/h] H a a fűtőérték [MJ/kg]. m= P th / H a, (3) Tehát m = 117,6471/16,5 = 7,1301g/s, amit érdemes átváltani a gyakorlatban jobban használt mértékegységre; 7,1301*3,6 = 25,66836 kg/h. Ezek alapján láthatjuk, hogy egy 100kW hasznos teljesítményt elérni kívánó kazánnak óránként 25,66836 kgpelletre van szüksége. A füstgáz jellemzőinek meghatározása: A bevitt pelletben az anyagok százalékos aránya (*: tüzeléstan jegyzet, **: EN Plus A1 szabvány): karbon 44,89* hidrogén 5,45* nitrogén 0,33* kén 0,1* víz 10** 20

21 hamu 0,8** oxigén 38,43 (számolt adat) 3. táblázat: Pellet anyagának százalékos aránya Fel tudjuk írni az égési egyenleteket, valamint tudjuk, hogy móltömegnyi oxigén gáz térfogata normál állapoton22,41 m 3. Égési egyenlet a karbonra: C + O 2 = CO 2 (4) A szén moláris tömege 12, tehát egy kmol szén tömege 12 kg. Tudjuk, hogy12 kgszén elégetéséhez 22,41 m 3 normál állapotú kétatomos oxigén szükséges, amiből 22,41 m 3 CO 2 keletkezik.hogyha az egyenletet 1 kg szénre vonatkoztatjuk, a következőt kapjuk:1,86 m 3 O 2 szükséges, és 1,86 m 3 szén-dioxid keletkezik. A tüzelőanyag többi éghető részének számításait ehhez hasonlóan végezzük el. Éghető rész még a hidrogén. 2H + 0,5 O 2 = H 2 O (5) Vagyis 2 kghidrogénhez 11,2 m 3 O 2 szükséges, és 22, 41 m 3 H 2 O keletkezik, ez egy kg hidrogénre vonatkoztatva 5,6 O 2 szükségletet és 11,2 m 3 víz keletkezését jelenti. Éghető rész ezeken kívül a kén: S + O 2 = SO 2 (6) Tehát 32 kgkénhez 22,41 m 3 normál állapotúo 2 szükséges,22,41 m 3 SO 2 keletkezik, 1 kgkénre nézve pedig 0,7 m 3 oxigén szükséges,és 0,7 m 3 SO 2 kerül a füstgázba. A fentiekből megkapjuk az elméleti oxigén szükségletet a következőképpen: ahol: O elm = (1,86*C% + 5,6*H% + 0,7*S% - 0,7*O%)/100 (7) a % a tüzelőanyag százalékos összetétele. O elm = (1,86*44,89 + 5,6*5,45 + 0,7*0,1 0,7*38,43)/100 = 0, m 3 /kg tü.a. A távozó füstgázban az éghető anyagokon kívül a nem éghető részek is távoznak, valamint az égéshez bevitt (légfelesleggel számolt) nitrogén és megmaradt oxigén is. A légfelesleg tényezőt 1,6-nak vesszük. 21

22 A füstgáz mennyisége (térfogat, m 3 ): V f = (1,86*C% + 11,2*H% + 0,7*S% + 0,8*N% + 1,24*H 2 O%)/ ,6* O 2 igény + (79/21)*O 2 igény *1,6 (8) V f = (1,86*44, ,2*5,45 + 0,7*0,1 + 0,8*0,33 + 1,24*10)/ ,6*0, (79/21)*0,871844*1,6 = 7,34347 [m 3 ] Füstgáz összetétel: víz: hidrogénből: (H%*22,41/2)/100 = (5,45*11,2)/100 = 0,61, tüzelőanyag nedvességtartalmából: (H 2 O%*22,41/18)/100 = (10*1,24)/100 = 0,124, összesen: 0,7344m 3 /kg tü.a. szén-dioxid: (C%*22,41/12)/100 = (44,89*1,86)/100 = 0,835m 3 /kg tü.a. nitrogén: tüzelőanyag nitrogén tartalmából: (N%*22,41/28)/100 = (0,33*0,8)/100 = 0,00264, levegőből: (79/21)*O 2 igény *1,6 = 5,2477, összesen: 5,2503m 3 /kg tü.a. oxigén: (1,6-1)*O 2 igény = (0,6*0,871844) = 0,5231m 3 /kg tü.a. kén-dioxid: (S%*22,41/32)/100 = (0,1*0,7)/100 = 0,0007 m 3 /kg tü.a.. A 4. táblázat a füstgáz összetételét mutatja térfogat megoszlás szempontjából, valamint százalékosan: Füstgázösszetétel m 3 /kg tü.a. % H 2 O 0,73 10 CO 2 0,83 11,4 N 2 5, ,5 O 2 0,5231 7,1 SO 2 0,0007 0,01 Összesen 7, táblázat: Füstgázösszetétel 22

23 Hatásfok ellenőrzés: A füstgázt körülbelül 200 C-san szeretnénk elengedni, valamint ellenőrizzük, hogy a feladat elején kijelölt 85%-os hatásfok megvalósul-e. Ehhez szükséges kikeresni a hőkapacitásokat 200 C-on[16]. A füstgázhőkapacitása egy kg tüzelőanyagra nézve: C fstg = %H 2 O*C H2O +%CO 2 *C CO2 +%N 2 *C N2 +%O 2 *C O2 +%SO 2 *C SO2 +%hamu*c hamu /100 (9) ahol: a %-ok az adott anyag a füstgázban C az adott anyag hőkapacitása a megfelelő hőmérsékleten (közepes hőkapacitás) [kj/m 3 K] C fstg a füstgáz hőkapacitása [kj/k]. A (9) számú összefüggés alapján: C fstg = 0,7344*1,505+0,835*1,787+5,2503*1,304+0,5231*1,335+0,0007*1,888+0,8*0,795 /100 = 10,1498 kj/k Mivel a hamu nem éghető rész, a százalékos összetételét a bevitt tüzelőanyag mennyiségből vettem. A szobahőmérséklethez képest a hőmérsékletkülönbség: ΔT = 180 C, mivel ez különbség, az értéke Kelvinben is megegyezik: ΔT =180K. Ezek alapján a füstgáz hőtartalma: ahol: q a füstgáz hőtartalma [kj/kg tü.a. ] C fstg a 200 C-os füstgáz hőkapacitása [kj/k]. Tehát: q = 10,1498*180 = 1826,96kJ/kg tü.a. q = C fstg *ΔT (10) Ha ezt az energiamennyiséget kivonjuk a bevitt energiamennyiségből (fűtőérték), százalékszámítással meghatározhatjuk a hatásfokot. Vagyis: (14503,04/16330)*100 = 88,81 %, ami azt jelenti, hogy az elvitt energia nem több, mint amit az elején meghatároztunk. 23

24 Hőmérséklet számítások: A füstgáz hőmérsékletét iterációs számítással tudjuk meghatározni, figyelembe véve az egyes alkotók közepes hőkapacitását. Elsőre a hőmérséklet növekedését 1200 C-ra becsüljük, és az ehheztartozó adatokkal számolunk, hasonlóan a (9) számú összefüggéshez: C 1200 = 0,7344*1,777+0,835*2,264+5,2503*1,42+0,5231*1,504+0,0007*2,278+0,8*0,795/ 100 = 11,44551kJ/K. ahol: a C 1200 a hőkapacitás [kj/k]. Ismerjük a bevitt energiát (fűtőérték), H a = kj/kg, tehát számolható a hőmérséklet növekedés: T növ = H a /C 1200 (11) Tehát: T növ = 16330/11,44551 = 1426,76 K. A kiszámolt eredményből látszik, hogy az első becslés (1200 C) nem megfelelő, ezért iterálni kell, ki kell keresni a hőkapacitásokat 1400 C-on [16]. Az előzőek alapján: C 1400 = 7344*1,82+0,835*2,315+5,2503*1,441+0,5231*1,52+0,0007*2,28 +0,8*0,795/100 = 11,63621kJ/K. A (11) számú összefüggés szerint újraszámoljuk a hőmérsékletnövekedést: T növ = 16330/11,63621 = 1403,38 K. A korábban számolt eredmény és e között már annyira kicsi az eltérés, hogy elfogadhatjuk az eredményt. Disszociáció: A lánghőmérséklet körülbelül1700 K (szobahőmérséklet és a hőmérsékletnövekedés összesen). Ilyen magas hőmérsékleten már számolnunk kell a disszociációval, jelen esetben két gáznál, a szén-dioxidnál és a vízgőznél. A disszociációs fok függ a hőmérséklettől és a koncentrációtól. Mindkét gáz koncentrációja nagyjából 0,1 (c = 0,1), valamint ismerjük a hőmérsékletüket is, így kikereshető a disszociációs fokuk. Ezek: λ CO2 = 0,8%, valamint λ H2O = 0,3%. A következő összefüggéssel számíthatjuk ki a disszociáló gázok térfogatát: (λ*v fstgalk )/100 = V dissz (12) 24

25 ahol: λ az adott gáz disszociációs foka [%], V fstgalk az adott füstgáz alkotó tárfogata [m 3 ] V dissz a disszociált gáz térfogata [m 3 ]. Tehát: (λ CO2 *V CO2 )/100 = (0,8*0,835)/100 = 0,00668 m 3, és (λ H2O *V H2O )/100 = 0,3*0,7344/100 = 0, m 3. A disszociáció során szénmonoxid és oxigén tart egyensúlyt szén-dioxiddal, valamint hidrogén és oxigén tart egyensúlyt a vízgőzzel. A fenti számítások alapján a szénmonoxid mennyisége: V CO = 0,00668 m 3, a hidrogén mennyisége pedig: V H2 = 0, m 3. Ezen két gáz fűtőértéke: H aco = kj/m 3, valamint: H a H2 = kj/m 3. Ezekből az adatokból a (13) összefüggés alapján számítható a disszociált gázokkal elvitt energia. ahol: H a a disszociált gáz fűtőértéke [kj/m 3 ], H a *V fstgalk d = E elvitt d (13) V fstgalk d a disszociált füstgáz alkotó mennyisége [m 3 ], E elvitt d a disszociációval elvitt energia [kj]. Tehát: H a CO *V CO = 12644*0,00668 = 84,46 kj, és: H a H2 *V H2 = 10760*0, = 23,71 m 3. Ez összesen: 84,46+23,71 = 108,17 kj. Ezt az elvesztett energiát ki kell vonnunk a bevitt energiából (fűtőérték), így 16221,83 kj/kg tü.a.. Emellett figyelembe kell vennünk a pirometrikus hatásfokot is, amit most 0,96-nak vehetünk. Így a bevitt energia 16221,83*0,96 = 15572,96 kj/kg tü.a -ra csökken. Hőátadás számítások A tűztér méreteinek becslése az eddigi számadatok alapján: magasság: h = 1,85m átmérő: D i = 0,9m keresztmetszet: A = (D 2 i *π)/4 = (0,85 2 *π)/4 = 0,63617m 2 térfogat: V = A*h = 0,56745*1,7 = 1,17691 m 3 Hőátadó felszín: A f = D i *π*h = 0,85*π*1,7 = 5,23075m 2 25

26 Először a konvektív hőátadást vesszük figyelembe, ehhez meg kell határoznunk a hőátadási tényezőt. Ismerjük a füstgáz normál térfogatáramát, ez körülbelül: Q N = 114 m 3 /h, a füstgáz adiabatikus hőmérsékletét, T adiabat = 1358 C. Ezekből számítható a füstgáz térfogatárama a (14) számú képletből: vagyis: Q fstg = ( )/298*114 = 619,78 m 3 /h. Q fstg = (T adiabat +273)/298*Q N (14) A füstgáz térfogatáramából és a keresztmetszetből, megkapjuk a füstgáz sebességét: w = Q fstg /A (15) tehát: w = 619,78/0,63617 = 974,23 m/h, ami átszámítva: 0,27062 m/s. Szükséges még a Reynolds szám, amihez ismerjük a viszkozitást: μ = 0, Ns/m 2, és a sűrűséget:ρ = 0,21 kg/m 3. Ezek alapján a Reynolds szám: Re = ρ*w*d i /μ (16) tehát: Re = 0,21*0,27062*0,9/0, = 1088,23. A Reynolds szám alapján kapjuk meg a Nusselt számot, a következőképpen: ahol: Nu = 0,023*Re 0,8 *Pr 1/3 (17) apr a Prandtl szám, ami erre az esetre: Pr = 0,73. Tehát: Nu = 0,023*1088,23 0,8 *0,73 1/3 = 5,566. A Nusselt számnak ez a számítási módja csak bizonyos esetekben használható, léteznek más összefüggések is. A fent számított adatokból kapjuk meg a konvekciós hőátadási tényezőt a (18) számú képlet alapján: ahol: α konv = Nu*k/D i (18) k a hővezetés [W/mK], jelen esetben: k = 0,088 W/mK. Ezek alapján: α konv = 5,566*0,088/0,9 = 0,54423 W/m 2 K. Számolnunk kell a sugárzásos hőátadással is víznél és szén-dioxidnál. Ehhez ismerjük a két gáz százalékos részesedését a füstgázban. Ezek: %CO 2 = 10%, valamint %H 2 O = 11,4 %. Ismernünk kell a gázok rétegvastagságát is: ahol: h r = D i *k korr (19) 26

27 h r a rétegvastagság, [m], k korr a korrekciós tényező, ami hengerre: k korr = 0,9. Tehát: h r = 0,9*0,9 = 0,81 m. Szükséges még a két gáz parciális nyomása. Ez a százalékos összetétel és a légnyomás alapján számolható: p CO2 = 101,315*10/100 = 10,13 kpa, valamint p H2O = 101,315*11,4/100 = 11,55 kpa. A füstgázhőmérsékletet és a hideg felület hőmérsékletét iterációval kapjuk meg. Ezek: T fstg = 1035 C, T h = 137 C.A két hőmérséklet különbsége: ΔT = = 898 C. Ennek a hőmérsékletkülönbségnek a segítségével számítjuk ki a sugárzási együtthatót a (20) számú összefüggés alapján: ahol: S e az együttes sugárzás [kj/m 2 s], α sug a sugárzási együttható [W/m 2 K]. α sug = S e /ΔT (20) Az együttes sugárzás meghatározásához szükségünk van a fal és a gáz emissziós tényezőjére, valamint a gáz és fal hőmérsékletre. A két hőmérsékletet már ismerjük (T fstg, T h ), de át kell számolnunk őket Celsius fokról Kelvinre: T fstg K = = 1308 K, T h K = = 410 K. A gáz emissziós tényezője számítható a szén-dioxid emissziós tényezője, a vízgőz emissziós tényezője valamint egy korrekciós tényező segítségével a következőképpen: ahol: ε g a gáz emissziós tényezője, ε g = ε CO2 +ε H2O -Δε g (21) ε CO2 a szén-dioxid emissziós tényezője, jelen esetben: ε CO2 = 0,06 ε H2O a vízgőz emissziós tényezője, jelen esetben: ε H2O = 0,036 Δε g a korrekciós tényező, jelen esetben: Δε g = 0,025.[16] Tehát: ε g = 0,06+0,036-0,025 = 0,07. A falfelület emissziós tényezője pedig: ε f = 0,97. Ezekből megkapjuk az együttes sugárzást a (22) számú képlet alapján: 27

28 S e = 5,67*ε g *T h K *{(T fstg K /100) 4 -(T h K /100) 4 *(T fstg K /T h K ) 0,65 } (22) Vagyis: S e = 5,67*0,07*410*{(1308/100) 4 -(410/100) 4 *(1308/410) 0,65 } = kj/m 2 s. A (20) számú képlettel mostmár ki tudjuk számolni a sugárzási együtthatót, mégpedig: α sug = S e /ΔT = 11195/898 = 12,467W/m 2 K. A sugárzásos és a konvekciós hőátadási tényezőből kapjuk meg az összesített hőátadási tényezőt: ahol: α össz az összesített hőátadási tényező. α össz = α sug +α konv (23) Tehát: α össz = 12,467+0,54423 = 13,01W/m 2 K = 46,84kJ/m 2 Kh. Számolnunk kell a fal hővezetésével is. Ismerjük a meleg közeg hőmérsékletet (T fstg = 1035 C), a víz hőmérsékletét (T víz = 75 C), a hővezetési tényezőt (λ = 1,2 J/mKh), a falvastagságot (h fal = 0,01 m), a teljes hőátadási tényezőt a belső felületre (α össz = 46,84kJ/m 2 Kh), valamint a fal hővezetési tényezőjét (λ fal = 120 kj/mkh). A teljes hőátadási tényezőt a külső felületre megkapjuk a víz felé történő kondenzációs hőátadás alapján:α külső = 200 W/m 2 K, amit átváltunk: α külső = 720 kj/m 2 Kh. Ahhoz, hogy tudjuk a tűztér hőelvonását, szükséges még egy k hőközlési tényező, amit a (24) számú összefüggés ad meg: k = 1/{(1/α össz )+(h fal /λ fal )+(1/α külső )} (24) Vagyis: k = 1/{(1/46,84)+(0,01/120)+(1/720)} = 43, Így már kiszámíthatjuk a tűztér hőelvonását a (25) számú összefüggés alapján: ahol: q eltt a tűztér hőelvonása [kj/h], A f a hőátadó felszín [m 2 ]. q eltt = k*(t fstg -T víz )*A f (25) Tehát: q eltt = 43,81884*( )*5,23075 = ,23kJ/h. Ezek után ki tudjuk számolni a belső és külső falhőmérsékletet. 28

29 T fal b = T fstg {q eltt /(A f *α össz )} (26) Vagyis: T fal b = 1035-{ /(5,23075*46,84) = 137 C. A külső falhőmérséklethez tartozó összefüggés: T fal k = T fstg -(q eltt /A f )*{(1/α össz )+(h fal /λ fal )} (27) Tehát: T fal k = 1035-(220037,23/5,23075)*{(1/46,84)+(0,01/120)} = 133 C. A két kiszámolt falhőmérséklet értékből láthatjuk, hogy az elején iterált hideg felület hőmérséklet (137 C) helyes volt. Kilépő füstgáz hőmérsékletének kiszámítása Ismerjük a tűztér által elvett energiát (q eltt = ,23kJ/h), a tüzelőanyag egy kg-onként bevitt energiáját, ha a fűtőértékből levonjuk a disszociációt és figyelembe vesszük a pirometrikus hatásfokot (q be = 15572,96kJ/kg tü.a ).Tudjuk továbbá a tüzelőanyag tömegáramát (m =7,20435 g/s, ami átváltva: 25, kg/h). A fentiekből meg tudjuk határozni az óránként bevitt energiát: Tehát: Q be/h = 15572,96*25, = ,24 kj/h. Q be/h = q be *m (28) Így már kiszámítható a tűztérből kilépő füstgáz hőtartalma a (29) számú összefüggés alapján: Q ki = Q be/h-q eltt (29) Vagyis: Q ki = , ,23 = ,01kJ/h. Ha ezt egységnyi tüzelőanyagra vonatkoztatjuk, vagyis leosztjuk a tüzelőanyag tömegáramával: q ki = ,75/25, = 7089 kj/kg tü.a. A kilépő füstgáz hőmérsékletét mielőtt továbbhalad a hőcserélőbe 800 C-ra becsüljük. Kikeressük az ehhez a hőmérsékletértékhez tartozó hőkapacitást, ami: C 800 = 10, kj/k. A hőkapacitás és a kilépő füstgáz hőtartalmának felhasználásával számítjuk ki a kilépő gázhőmérsékletet a (30) számú összefüggés alapján. T ki = q ki /C 800 (30) Vagyis: T ki = 7089/10, = 648,75 C. A hőcserélőben ezt a hőmérsékletet kell majd maximum 200 C-osra hűtenünk. 29

30 Hőcserélő méretezése Ismerjük a hőcserélőbe belépő füstgáz hőmérsékletét (T h be = 648,75 C), valamint az onnan távozó füstgáz hőmérsékletét, amit most 200 C-nak tekintünk (T h ki = 200 C). Akét hőmérséklet átlaga 424,375 C (T átl = 424,375 C), valamint ismerjük a normál térfogatáramot (Q N = 114 m 3 /h) korábbi számolásból. A normál térfogatáramból meghatározhatjuk a tényleges térfogatáramot, figyelembe véve a hőmérsékletet (jelen esetben a hőmérsékletek átlagát). Tehát: Q = 114*(424, )/298 = 266,781m 3 /h. Q = Q N *(T átl +273)/298 (31) A hőcserélő geometriai jellemzőiként felveszünkolyan becsült adatokat, melyek a tapasztalatok szerint megfelelőek lehetnek egy 100 kw teljesítményű kazánhoz. Később ezen adatokat fogjuk változtatni, hogy megkapjuk az optimális hőcserélő kialakítást. csövek száma: n cső = 28 db, cső átmérő: d cső = 0,05 m, csőhossz: l cső = 1,6 m. Ezekből számolt: m 2, hőátadó felület egy csőre: A f cső = l cső *π*d cső = 1,6*π*0,05 = 0, teljes hőátadó felület: A fössz = A f cső *n cső = 0,251327*28 = 7,0371 m 2, cső keresztmetszet: A cső = (d cső 2 *π)/4 = (0,05 2 *π)/4 = 0, m 2, összes cső keresztmetszet: A össz = A cső *n cső = 0, m 2. A füstgáz sebességét meg tudjuk határozni a térfogatáram és az összes cső keresztmetszetének segítségével: w fstg = Q/A össz (32) Tehát: w fstg = 266,781/0, = 4852,516718m/h, amit átváltva: 1, m/s. Ismerjük 400 C-on az anyag sűrűségét (ρ = 0,525 kg/m 3 ), a viszkozitását (μ = 0, Ns/m 2 ), a hővezetését (k = 0,16 W/mK), továbbá a Prandtl számot, ami Pr = 0,73. Ki tudjuk számolni a Reynolds számot a (16) számú összefüggés alapján: Re = 0,525*1, *0,05/0, = 1116,1809 (2100 alatt van, tehát az 30

31 áramlás lamináris). A Reynolds szám segítségével meghatározható a Nusselt szám, jelen esetben egy másik összefüggést használatos, mint korábban: Nu = 1,86*(Re*Pr*d cső /l cső ) 1/3 * (31,7/20,4) 0,14 (33) (Az összefüggésben az utolsó tag a 400 C-ra és a 100 C-ra vett viszkozitások hányadosa.) Tehát: Nu = 1,86*(1116,1809*0,73*0,05/1,6) 1/3 * (31,7/20,4) 0,14 = 5, A hőcserélőben csak konvektív hőátadásról beszélünk, a sugárzást elhanyagoljuk. Ezért csak konvektív hőátadási tényezőt számolunk. α = k*nu/d cső (34) ahol: αakonvektív hőátadási tényező k a hővezetési tényező 400 C-on. Tehát: α= 0,16*5, /0,05 = 18, W/m 2 K, ami átváltva:α = 67, kJ/m 2 hk. Ismerjük a hőcserélő csövein az acéllemez vastagságát (h acél = 0,005 m), a külső felületre a hőátadási tényezőt (α k acél = 3600 kj/m 2 hk), a fal felszínét (A fössz = 7,0371 m 2 ), a hőcserélőbe beáramló füstgáz hőmérsékletét (T h be = 648,75 C), a hőátadás utána füstgáz hőmérsékletet (T h ki = 200 C), a hőcserélőbe beáramló víz hőmérsékletét (T h víz be = 60 C), a felmelegedett víz hőmérsékletét (T h víz ki = 80 C), valamint az acéllemez hővezetési tényezőjét (λ a = 120 kj/mkh). A beáramló és kiáramló gáz-, és vízhőmérsékletek alapján kiszámolható a hőmérsékletkülönbség. Tehát: ΔT 1 = 648,75-80 = 568,75 C. ΔT 1 = T h be -T h víz ki (35) ΔT 2 = T h ki -T h víz be (36) Tehát: ΔT 2 = = 140 C. A ΔT 1 és ΔT 2 hőmérsékletkülönbségeket magyarázza a 7. ábra. 31

32 7. ábra: Hőcserélő hőátadása (ellenáramú) A fentiekből logaritmikus összefüggéssel számolható a hőmérsékletkülönbség a hőcserélőben, a (37) összefüggés alapján: ΔT = (ΔT 1 -ΔT 2 )/ln(δt 1 /ΔT 2 ) (37) Vagyis: ΔT = (568,75-140)/ ln(568,75/140) = 305, C. Ki kell még számolnunk a k hőközlési tényezőt a következőképpen: k = 1/{(1/α)+(h acél /λ a )+(1/α k acél )} (38) Tehát: k = 1/{(1/67, )+(0,005/120)+(1/3600)} = 65,64436kJ/m 2 Kh. Tudjuk, hogy a tűztérből érkező füstgáz hőtartalma: Q hbe = ,01kJ/h, valamint, hogy a hőcserélő után a kéményen át távozó füstgáz hőtartalma: Q h ki = ,38 kj/h. A kettő különbségéből tudjuk, hogy a hőcserélőben mennyi energiát kell átadnia a füstgáznak a víznek. Tehát: Q h = Q hbe -Q h ki (39) Számszerűen: Q h = , ,38 = ,63 kj/h. Így le tudjuk ellenőrizni, hogy az általunk felvett hőcserélő geometria megfelel-e ennek az elvárásnak, illetve a geometriai adatok változtatásával melyik hőcserélő lesz az optimális a kazán mellé. A hőcserélő hőelvonásának kiszámítása: Q hel = k*a f cső össz *ΔT (40) Vagyis: Q h el = 65,64436 *7,0371*305, = ,79 kj/h. 32

33 A (40) számú összefüggésből kijött érték sokkal nagyobb, mint az az energia, amit a füstgáznak feltétlenül át kell adnia a víznek ahhoz, hogy a 200 C alá hűtés megtörténjen. Ez azt jelenti, hogy ennél kisebb hőcserélő is elegendő, csökkenthető például a csőhossz, vagy a csövek darabszáma. Optimalizálás anyagfelhasználás szerint Az 5. táblázat lehetséges megoldásokat mutat arra, hogy hány darab csövet, milyen méretekkel lehet beépíteni ahhoz, hogy a kívánt hőátadás megtörténjen. (A hőcserélőhöz acélt feltételezünk, mert a gyakorlatban ez a leginkább használt.) csőhossz [m] cső átmérő cső darabszám felhasznált acél egy összes felhasznált acél [m] [db] csőre [m 2 ] [m 2 ] 43 0,05 1 6, , ,85 0, , , ,72 0, , , ,23 0, , , ,96 0, , , ,78 0, , , ,1 1 13, , ,8 0,1 15 0, , ,7 0,1 25 0, , ,2 0,1 35 0, , ,95 0,1 45 0, , ,77 0,1 55 0, , , , , ,8 0, , , ,68 0, , , ,2 0, , , ,93 0, , , ,76 0, , , ,2 1 26, , ,78 0,2 15 1, , ,67 0,2 25 1, , ,19 0,2 35 0, , ,93 0,2 45 0, , ,76 0,2 55 0, , táblázat: Hőcserélők anyagfelhasználása Ezek közül kell kiválasztani az optimális megoldást anyagfelhasználás szerint, valamint figyelembe véve azt, hogy a beépítéshez is megfeleljen, vagyis ne növelje irreálisan a méreteket a kazán mellett. Azt egyértelműen mutatja a táblázat, hogy az anyagfelhasználás jelentősen növekszik akkor, ha növeljük a csövek átmérőjét. Mindemellett kevésbé 33

34 szól bele a felhasznált acél mennyiségébe a darabszám és a hossz egy adott átmérő mellett. Ha csak az anyagfelhasználást vizsgáljuk, láthatjuk, hogy a 0,05 m átmérőjű csövek között fogjuk megtalálni a megfelelőt.(túl kicsi átmérőt sem szabad választani, mert a szennyeződések később gondot okozhatnak, nagyjából 3 cm-es átmérő alatt.) Túl nagy csőhosszt nem lehet választani, mert nagyon megnövelné a kazán méreteit, ugyanakkor a túl nagy csőszám sem megfelelő hasonló okokból. Ezek alapján a 25 vagy 35 darabos hőcserélő geometriák közül érdemes választani. Mivel a felhasznált acél mennyisége kisebb, a 25 darabos bizonyulna az optimális megoldásnak, a csőszáma is kevesebb, valamint a tűztér magassága 1,8 m, tehát a csőhossz sem kiugró érték. 34

35 ÖSSZEGZÉS Szakdolgozatomban miután irodalomkutatást végeztem pellet, pellet kazánok, hőcserélők, optimalizálás témában, számításokat végeztem pellet tüzelésű kazánon. Kiszámoltam a kazán tüzelőanyag igényét a fűtőérték alapján úgy, hogy a 100 kw teljesítmény tartható legyen. Égéselméleti számításokkal meghatároztam a füstgáz legfontosabb jellemzőit (köztük a hőmérsékletet), valamint az alkotóinak százalékos arányát. A magas hőmérséklet miatt figyelembe kellett vennem, hogy a füstgáz két alkotója (szén-dioxid és vízgőz) disszociál, és ez energiaveszteséget jelent. Meghatároztam a tűztérből kilépő füstgáz hőmérsékletét, vagyis azt a hőmérsékletet, amivel a füstgáz beáramlik a hőcserélőbe. A feladatkiírás alapján ezt a hőmérsékletet 200 C alá kellett csökkentenem, ehhez még a füstgáz térfogatáramát ismertem. Megbecsültem a hőcserélő lehetséges geometriáját, majd kiszámoltam, hogy mennyi hőt kell elvonnia a hőcserélőnek ahhoz, hogy a 200 Calatti hőmérséklet feltétel teljesüljön, valamint, hogy az általam megadott hőcserélő geometria megfelel-e ennek a kritériumnak. Ezek után a hőcserélőben a csövek darabszámát, csőátmérőt és a csőhosszt úgy variáltam egy táblázatban, hogy a feltétel teljesüljön. A feladatkiírás utolsó pontja szerint a táblázatból az optimális hőcserélőt kellett kiválasztanom anyagfelhasználás szempontjából. Ezért a táblázat tartalmazta az egy csőre jutó acél felületét, valamint a teljes acéllemez felületet is. Ezek közül kiválasztottam az optimális megoldást úgy, hogy figyelembe vettem a csövek számát és a csőhosszt is, hogy ne növelje túlságosan a hőcserélő a kazán méreteit. 35

36 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Szeretném megköszönni Baranyai Viktor Zsoltnak, mint külső konzulensemnek, aki folyamatosan ellenőrizte a munkámat, és felhívta a figyelmemet a legfontosabb részletekre. Továbbá Tollár Sándornak, mint egyetemi konzulensemnek, aki átnézte a szakdolgozatomat, és segített, hogy a lehető legjobban megfeleljek az elvárásoknak. A dolgozatban dokumentált kutató munka a Miskolci Egyetem stratégiai kutatási területén működő Innovációs Gépészeti Tervezés és Technológiák Kiválósági Központ keretében valósult meg. 36

37 IRODALOMJEGYZÉK: [1] Wikipedia, pellet fuel, november 1. [2] Pellet Hungary Kft, november 1. [3] Wikipedia, pellet fuel, november 2. [4] Abouttheecologicalaspects of dualfuelcombustioninthermopowerplants [5] ConvertingSmallIndustrialBoilerstoBurn Wood Fuels [6] A pellet előnyei, november 2. [7] pelletgyártás, november 1. [8] lignin, november 2. [9] Nádas László Korényi János: Kazánfűtés, Műszaki Könyvkiadó, 1989 [10] Mivel jár a pellet alapú fűtési rendszer kialakítása? november 2. [11] Kazáninfo, november 3. [13] RecentDevelopmentsConcerning Pellet Combustion Technologies [14] Dr. Farkas Ottóné: Tüzeléstan, kemencék II., Tankönyvkiadó, 1982 [15] DrBalikó Sándor: Hőcserélők és hőcserélő-rendszerek energetikai optimalizálása, Műszaki Könyvkiadó, 1984 [16] Dr. Farkas Ottóné: Ipari kemencék tüzeléstani számításai [17] Táblázatok, képek: [17] nov.03. [18] nov.06. [198] RecentDevelopmentsConcerning Pellet Combustion Technologies [20] nov

38 [21] nov.03. [22] RecentDevelopmentsConcerning Pellet Combustion Technologies, 2013.nov.03. [23] Édes Katalin: Biomasszából energia [24]DrBalikó Sándor: Hőcserélők és hőcserélő-rendszerek energetikai optializálása 38