KAZÁNOK ÉS TÜZELŐBERENDEZÉSEK

Átírás

1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék KAZÁNOK ÉS TÜZELŐBERENDEZÉSEK Oktatási segédanyag írta: Dr. Lezsovits Ferenc szerkesztette: Rieth Ágnes BUDAPEST, 2014.

2 BME-GPK EGT 2

3 Tartalom 1. Történeti áttekintés Hőigények csoportosítása és jellemzőik Hőhordozó közegek, jellemzőik és főbb alkalmazási területeik A kazán és a hőszolgáltató kazánházi rendszer felépítése és elemei Kazánok osztályozása Kazán funkcionális részei Kiegészítő, segédberendezés rendszerek Hőhordozó közeg rendszer Kazánkonstrukciók Kiskazánok Nagyvízterű, lángcsöves-füstcsöves kazánok Vízcsöves kazánok Hőhasznosító kazánok Kazánok üzemvitele, szabályozása Tüzelőanyag és égéslevegő arányszabályozás Meleg-/forróvizes, termoolajos és levegős kazán üzemi szabályozása Gőzkazán szabályozása Kazánok üzemének felügyelete Táp- és pótvízelőkészítés A víz tulajdonságai Oldott anyagok a vízben Előkészítés Károsanyag emisszió és környezetterhelés csökkentése Kazánok hőmérlege és a kazánhatásfok meghatározása Direkt kazánhatásfok meghatározás Indirekt kazánhatásfok meghatározás Instacioner üzem Ellenőrző számítások Üzemállapotok Hőtechnikai számítás Hidraulikai számítások Kazánok szakterület jogi szabályozása Szabványok (példa) Mintapéldák BME-GPK EGT 3

4 BME-GPK EGT 4

5 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

6 A kazánépítésnek további lökést adott a XIX. század végétől kezdődően a villamosenergiatermelés elterjedése. (1867. dinamó feltalálása (Jedlik Ányos), 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 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 0-5 C Lépcsőház, közlekedő 16 C Tornaterem, üzemcsarnok 10 C Hálószoba 20 C Nappali szoba, iroda C Fürdőszoba 24 C Uszoda C Nyomásigény: Terhelésváltozás sebessége: 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. BME-GPK EGT 6

7 Használati melegvíz (HMV) Cél: Hőmérséklet igényszint: Nyomásigény: Terhelésváltozás sebessége: Mosdáshoz, fürdéshez, mosáshoz, mosogatáshoz megfelelő hőmérsékletű folyóvíz biztosítása 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: Nyomásigény: Terhelésváltozás sebessége: C között a legváltozatosabb igények, az adott technológiának megfelelően. Számos technológia a hőszolgáltatást igen szűk hőmérséklettartományon belül igényli. Általában nincs, de egyes esetekben előfordul, pl. hőprések, gőzkalapács. 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

8 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 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: 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.) BME-GPK EGT 8

9 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. = í í kw Alkalmazási területek: (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. Víz - forróvíz 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 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.) Alkalmazási területek: 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) Gőz - telített Jellemzők: 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. BME-GPK EGT 9

10 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 %-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. Gőz - túlhevített Jellemzők: Alkalmazási területek: Túlhevítéssel főként a vízgőz munkavégző képessége növelhető, aminek a szerkezeti anyagok melegszilárdsága szab határt. Manapság ez 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 ábra A kazánokban lejátszódó víz/gőz állapotváltozásai T-s diagramban ábrázolva Termoolaj (hőközlő olaj) Jellemzők: Kifejezetten hőhordozó közeg funkcióra kifejlesztett kőolajtermék, amely folyadék fázisban 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.) BME-GPK EGT 10

11 Alkalmazási területek: Kifejezetten magas hőmérsékletigényű technológiai hőellátáshoz használják, relatív alacsony teljesítményszint esetén, ahol a hőmérsékletszintnek megfelelően magas nyomású ( 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 ábra Hőközlő olajok alkalmazási hőmérséklet- és nyomástartományai BME-GPK EGT 11

12 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 szilárdtüzelésű olajtüzelésű gáztüzelésű szén fa hulladék tüzelőolaj fűtőolaj, pakura földgáz Propán-Bután gáz mesterséges gázok hulladékból antracit barnaszén tőzeg tűzifa, energia erdő fahulladék kommunális ipari mezőgazdasági veszélyes kohógáz biogáz Tüzelőberendezéstípus szerint rostélyos szilárdtüzelésű porbefúvásos fluidizációs elpárologtatós olajtüzelésű túlnyomásos atmoszférikus gáztüzelésű túlnyomásos fix mozgó alátolós nyomásporlasztásos forgóserleges segédközeges porlasztásos részleges előkeveréses turbulens diffúziós sík vagy ferde előtolós, vándor, stb. BME-GPK EGT 12

13 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

14 BME-GPK EGT 14

15 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

16 - 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 Zárt égésterű rendszer Kondenzációs típus Open Closed 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

17 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 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

18 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 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

19 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

20 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 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

21 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

22 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 ábra Nyitott és zárt égésterű háztartási fűtőkészülék (Vaillant) BME-GPK EGT 22

23 3-2. ábra Viessmann gyártmányú öntöttvastagos kazán röntgenrajza, amely injektoros részleges előkeveréses gázégővel van felszerelve 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

24 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

25 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

26 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 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

27 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 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 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

28 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 ábra Viessmann többrétegű füstcsővel és betéttel ellátott konvektívhuzam és a megoldási részlet BME-GPK EGT 28