ŐSZ JÁNOS BIHARI PÉTER HŐELLÁTÁS

Átírás

1 ŐSZ JÁNOS BIHARI PÉTER HŐELLÁTÁS BUDAPEST, 1998

2 HŐELLÁTÁS Az Akkreditált Iskolarendszerű Felsőfokú Szakképzés tankönyve. Írta: Dr. Ősz János, Bihari Péter, okleveles gépészmérnök, okleveles gazdasági mérnök a műszaki tudomány kandidátusa okleveles gépészmérnök, energetikai mérnök Lektorálta: Dr. Büki Gergely, okleveles gépészmérnök, a műszaki tudomány doktora Szerkesztette: Bihari Péter Phare Program HU Készült a Phare Program támogatásával a HU L sz. projekt keretében. 2 Phare Program HU-94.05

3 ELŐSZÓ A hőellátás (mely alatt e tankönyvben alapvetően a távhőellátást értjük) szintetizáló szaktárgy. Felhasználja az energetikai, a hőtani és az áramlástani alapismereteket, valamint az energiaátalakítással foglalkozó szaktárgyak keretében tanult ismereteket, s ezt a hőellátás (távhőellátás) szakterület keretébe helyezi. A tankönyv 10 fejezetre oszlik. Egy rövid, alapfogalmakat és jelöléseket taglaló bevezető után a 2. fejezetben a lakossági-kommunális és ipari-technológiai hőigényeket, a fejezetben a hőforrások (fűtőművek (3.), gőz (4.), gáz/gőz fűtőerőművek (5) és az ún. kiegészítő hőforrások (6)) hőkiadással kapcsolatos műszaki kérdéseit tárgyalja. A 7. fejezetben a hálózat, míg a 8. fejezetben a fogyasztói hőközpontok legfontosabb kérdéseit foglalja össze. A 9. fejezet a legelterjedtebb forróvizes távhőrendszerek rendszerszintű, míg a 10. fejezet a gazdasági kérdéseivel foglalkozik. Phare Program HU

4 4 Phare Program HU-94.05

5 TARTALOMJEGYZÉK JELÖLÉSEK ÉS MEGHATÁROZÁSOK Jelölések Meghatározások HŐIGÉNYEK Hőfelhasználás Fűtési hőigény Külső (környezeti) levegő hőmérséklet Egyedi helyiség Lakóépület Fogyasztói hőközpont Távhőrendszer Használati melegvíz hőigény Egy fogyasztó Fogyasztói hőközpont Távhőrendszer Kétcsöves forróvizes távhőrendszer hőigénye Névleges (tervezési) hőigény Névleges fűtési szabályozási diagram Tényleges hőigény A hőfejlesztés napi diagramja A hőfejlesztés évi tartamdiagramja A forróvizes távhőhálózat hővesztesége A lakossági-kommunális forróvizes hőigény kielégítése Ipari-technológiai hőigény FŰTŐMŰVEK Forróvizes fűtőmű Forróvízkazánok Nagyvízterű forróvízkazánok Vízcsöves forróvízkazánok A vízoldali nyomás megválasztása A forróvízkazán üzemét befolyásoló tényezők A forróvízkazánok üzemvitele: a vízhőmérsékletek szabályozása Kisteljesítményű gáztüzelésű forróvízkazán Olaj és alternatív szénhidrogén tüzelésű forróvízkazán Forróvízkazánú fűtőművek Ipari kazántelepek Kondenzvíz gazdálkodás Hulladékhő hasznosítás A főberendezések hőmérlege Gőzkazánú fűtőművek A fűtőművek energetikai jellemzői GŐZ MUNKAKÖZEGŰ HŐSZOLGÁLTATÓ ERŐMŰVEK A fűtőblokkok fejlődése Az ellennyomású fűtőblokkok Forróvizes hőkiadás Teljesítménymérleg A fűtési forróvíz felmelegítésének fokozatszáma A fűtőturbinák kialakítása, üzemviszonyai Gőzös hőkiadás Energetikai jellemzők A fajlagos villamos energia mennyiségét befolyásoló tényezők Az ellennyomású és a kondenzációs gőzkörfolyamat összehasonlítása Phare Program HU

6 Értékelhető villamos teljesítmény Segédkondenzáció, segédhűtés Ellennyomású fűtőblokk példák Kondenzációs fűtőblokkok Teljesítménymérleg Kondenzációs fűtőblokkok típusai Részleges hőkiadás Teljes hőkiadás Energetikai jellemzők Kondenzációs fűtőblokk példák Fűtési hőcserélők Fűtőerőművek Hőszolgáltató erőművek terhelésváltoztatása GÁZ ÉS GÁZ-GŐZ MUNKAKÖZEGŰ HŐSZOLGÁLTATÓ ERŐMŰVEK Gázturbinás hőszolgáltató blokkok Nyílt ciklusú gázturbinák Hőhasznosító hőcserélők Gázturbinás fűtőblokkok Gáz-gőz fűtőerőművi blokkok Energetikai jellemzők A gáz-gőz fűtőerőművek szabályozása Megvalósítási példák Gázmotoros fűtőblokkok Alkalmazási területek A gázmotorok felépítése és üzeme Üzemállapotok, szabályozási lehetőségek Energetikai jellemzők KIEGÉSZTŐ HŐFORRÁSOK. HŰTÉS ÉS KLIMATIZÁLÁS Napenergia hasznosítás a hőszolgáltatásban Aktív sugárzáshasznosítás Passzív sugárzáshasznosítás Geotermikus energia a hőszolgáltatásban Kiegészítő tüzelőanyag-forrás: biomassza Szilárd biomassza Kommunális hulladék Folyékony biomassza Biogáz Hűtőgépek és hőszivattyúk. Klimatizálás Hűtő és hőszivattyú körfolyamatok Kompresszoros hűtőgép és hőszivattyú Abszorpciós hűtőgép és hőszivattyú Klimatizálás Távhűtő hálózatok TÁVHŐHÁLÓZAT A hőhordozó szállítása A forróvíz szállítása kétcsöves távhőrendszerben Súrlódási tényező Alaki ellenállás tényező A víz áramlási sebessége A hálózat hidraulikai számítása A szivattyúzás energiafelvétele A gőz szállítása Víz hőhordozójú távhőrendszerek nyomástartása A nyugalmi nyomás megválasztása A nyomástartás módszerei Phare Program HU-94.05

7 A víz térfogatának kompenzálása A távhőhálózat hővesztesége Forróvizes távhőhálózat Az egyes hőszállítási módok hőátvitelét befolyásoló tényezők A távhőhálózat hővesztesége FOGYASZTÓI HŐKÖZPONTOK Hőfogadó állomás A fogyasztói hőközpontok kapcsolása Víz-víz hőcserélők Köpenycsöves hőcserélők Növelt hőátadású csöves hőcserélők Lemezes hőcserélők FORRÓVIZES TÁVHŐRENDSZEREK A hőellátási módok összehasonlítása A közvetlen és kapcsolt energiafejlesztés összehasonlítása A kapcsolt energiafejlesztés minden haszna a villamos energiában jelentkezik A kapcsolt energiafejlesztés minden haszna a hőben jelentkezik Változó tömegáramú távhőrendszerek Alap- és csúcshőforrás együttműködése Soros kooperáció Párhuzamos kooperáció Távolsági kooperáció Az alap- és csúcshőforrás hőteljesítménye Hőtárolók Forróvíz tárolók Gőztárolók Változó nyomású tároló Állandó nyomású tároló A TÁVHŐELLÁTÁS GAZDASÁGI ÉRTÉKELÉSE Alapfogalmak A távhőellátás működési költségei A távhő állandó költsége A távhő változó költsége A távhő összköltsége és egységköltsége A távhő előállításának költsége Fűtőmű Fűtőerőmű A távhőellátás árbevétele Rendelkezésre állási, ill. teljesítménydíj Hődíj Költségfedezeti ár A távhő termelői ára kapcsolt energiafejlesztésnél A távhőellátás szervezeti felépítése Beruházási döntések A beruházások mennyiségi értékelése A távhő ellőállításának egységköltsége A hőforrások közötti terheléselosztás FELHASZNÁLT FORRÁSOK Phare Program HU

8

9 1. JELÖLÉSEK ÉS MEGHATÁROZÁSOK Jelölések Fontosabb fogalmak jelölései (az itt nem szereplő jelölések megnevezését és mértékegységét első előfordulási helyükön adjuk meg) Jel Megnevezés Mértékegység A felület m 2 b fajlagos beruházási költség Ft/W B beruházási költség Ft c p izobár fajhő J/(kg K) C éves szintre vonatkoztatott összes költség Ft E villamos energia J h fajlagos entalpia J/kg k hőátviteli tényező W/(m 2 K) fajlagos költség Ft/... m tömegáram kg/s p nyomás bar tüzelőanyag hőár P villamos teljesítmény W Ft/J, Ft/GJ q fajlagos hőfelhasználás 1 q térfogati fajlagos hőigény W/m 3 Q hő J Q hőteljesítmény (hőáram) W r párolgáshő J/kg s fajlagos entrópia J/(kg K) t hőmérséklet C időpont T abszolút termodinamikai hőmérséklet K T termodinamikai átlaghőmérséklet K y ki hőkiadás miatti fajlagos villamosenergia-kiesés 1 α hőátadási tényező W/(m 2 K) leírási hányad 1/a η hatásfok általában 1 Φ felületi hőcserélő BOŠNJAKOVIĆ-féle hatásossága 1 τ időtartam s/a σ fajlagos villamos energia mennyiség 1 s Fejezet

10 JELÖLÉSEK ÉS MEGHATÁROZÁSOK Fontosabb indexek és jelölések (az itt nem magyarázott jelöléseket első előfordulási helyükön ismertetjük) Jelölés Megnevezés, magyarázat a állandó költségtag A alap- (hőforrás) b belső- CS, cs csúcs- (hőforrás, hőigény) e előremenő ell ellennyomású... E villamos energia alrendszer jellemzője É égőtér f fogyasztás, fogyasztói oldal, fűtés FE fűtőerőmű FK forróvízkazán FM fűtőmű GM gázmotor GT gázturbina hmv használati melegvíz H hőforrás alrendszer jellemzője hőszivattyú HH hőhasznosító kazán jellemzője KE kondenzációs erőmű l a külső levegő állapotára vonatkozó... m mennyiségi (hatásfok) melegvíz Q hőkiadás alrendszer, hőre vonatkoztatott Q2 hőelvonás alrendszer t hőforrásból kiadott... T turbina alrendszer, gőzturbina TMK karbantartási (költségtag) (Tervszerű Megelőző Karbantartás) ü üzemanyag, üzemanyaggal bevitt energia v visszatérő; veszteség; változó költségtag veszt veszteség 0 névleges állapotú; ideális 10 Phare Program HU-94.05

11 JELÖLÉSEK ÉS MEGHATÁROZÁSOK 1.2. Meghatározások Mivel a szakmában a szakkifejezések használata nem egységes, a következőkben megadjuk az egyes fogalmak szerzők által használt meghatározásait. Hőellátás: a fogyasztók ellátása a szükséges hőmérsékletű és mennyiségű hővel. A hőfejlesztő berendezés területi elhelyezkedése (következésképpen a fogyasztók száma, hőteljesítménye, stb.) alapján egyedi, központi és táv- hőellátás különböztethető meg. Egyedi hőellátás: egy fogyasztó saját hőigényének kielégítése. Központi hőellátás: kis területen több fogyasztó (többszintes lakóépület/ek/) együttes hőigényének kielégítése. Távhőellátás: nagy területen a fogyasztói sokaság (városrész, város, régió) együttes hőigényének kielégítése. Hőigény: a fogyasztók elvárásainak kielégítéséhez szükséges hőmérsékletű és mennyiségű hő. A fogyasztók elvárása (időben változó) gazdasági és szociokulturális kategória. Két alapvető fogyasztó csoport különböztethető meg: lakossági-kommunális, ipari-technológiai. Lakossági-kommunális fogyasztók: a helyiségek elvárt hőmérsékletének biztosítása fűtési hővel és a fogyasztók elvárt hőmérsékletű és mennyiségű melegvízzel való ellátása. Ennek megfelelően fűtési és használati melegvíz hőigény különböztethető meg. Ipari-technológiai fogyasztók: az ipari technológiák biztosítása megfelelő hőmérsékletű és mennyiségű hővel. A két alapvető hőigény kielégítése különböző hőhordozóval a lakossági-kommunális általában vízzel, az ipari-technológiai általában vízgőzzel történik, de előfordulnak kivételek (gőzfűtésű radiátorok ill. forróvizes c p t a fajlagos energiahordozó-képesség technológiai fogyasztók). Vízfázisban ( ) kb. egy nagyságrenddel kisebb, mint gőzfázisban (r, h ). Phare Program HU

12 JELÖLÉSEK ÉS MEGHATÁROZÁSOK A víz hőhordozót hőmérséklete alapján a szakma megkülönbözteti: melegvíz (névleges előremenő hőmérséklete t e0 115 C), forróvíz (névleges előremenő hőmérséklete t e0 > 115 C). Névleges előremenő/visszatérő víz hőmérséklet: a méretezési külső levegő hőmérséklethez (t l0 ) tartozó előremenő (t e0 a fogyasztó felé menő) és visszatérő (t v0, fogyasztótól visszajövő) víz névleges hőmérséklete. A különböző lakossági-kommunális hőellátási módok eltérő névleges előremenő/visszatérő víz hőmérséklettel üzemelnek: egyedi hőellátás: melegvíz (t e0 /t v0 = 90/70, 70/40 C, stb.), központi hőellátás: melegvíz (t e0 /t v0 = 110/70, 90/70 C, stb.), távhőellátás: forróvíz (t e0 /t v0 = 130/70, 150/70 C, stb.). Az ipari-technológiai rendszerekben az előremenő hőhordozó vízgőz, a visszatérő hőhordozó csapadékvíz (kondenzátum). A távhőellátás a rendszerstruktúrája alapján (1 1. ábra) három alrendszerre osztható: Q. szv H HS HF Q. t Q. f 1 1. ábra. A távhőellátás rendszerstruktúrája hőfejlesztés alrendszer (H): a megfelelő hőmérsékletű és mennyiségű hő előállítása a hőforrásban; hőszállítás alrendszer (HS): az előállított hő eljuttatása a hőforrástól távolabb levő, területileg szétszórt fogyasztókhoz; hőfelhasználás alrendszer (HF): a fogyasztó(k)hoz érkezett hő felhasználása az aktuális igények kielégítésére. A távhőellátás hőmérlege = + (1.1) t szv f mutatja, hogy a szállítási veszteség (Q szv ) a távhőellátás velejárója. A szállítási veszteség a csővezeték hálózat méretének növekedésével nő. Egyedi hőellátásnál szállítási veszteség gyakorlatilag nincs, központi hőellátásnál pedig lehet (pl. egy többemeletes lakóépületben a szállítási veszteség a közös helyiségek fűtésére fordítódik, tehát nincs, ill. több lakóépület együttes hőigényének kielégítésénél a lakóépületeket összekötő vezeték hővesztesége a környezetbe távozik). A hőforrás két alapvető típusa (1 2. ábra) különböztethető meg: 12 Phare Program HU-94.05

13 JELÖLÉSEK ÉS MEGHATÁROZÁSOK fűtőmű (a) csak hőt, fűtőerőmű (b) kapcsoltan (együtt) hőt és villamos energiát ad ki. a., b., Q. ü Fűtőmű FM. Q t Q. ü Fűtőerőmű FE P E Q ü Q t Q ü Q. t Q t 1 2. ábra. A hőforrások típusai A hőkiadás energetikai jellemzője a fajlagos hőfelhasználás, amely hőteljesítményre ü q =, (1.2) ill. hőre t Qü q = (1.3) Q t egyaránt meghatározható, s általában q q. A víz hőhordozójú szállítás alrendszer típusai a vezetékek száma szerint (1 3. ábra): egycsöves (a, esetleg fűtés (f) és használati melegvíz (hmv, előremenő), ma már nem jellemző), kétcsöves (b, fűtés (f) és használati melegvíz (hmv) együtt (előremenő/visszatérő), ma a leggyakoribb), háromcsöves (c, fűtés (f, előremenő/visszatérő) és használati melegvíz (hmv, előremenő) külön-külön), négycsöves (d, fűtés (f, előremenő/visszatérő) és használati melegvíz (hmv, előremenő/visszatérő) külön-külön). A vezetékek funkciója szerint (1 4. ábra) megkülönböztethető elosztó hálózat (a): a fogyasztókkal közvetlenül kapcsolatban levő vezeték hálózat (a víz előremenő/visszatérő hőmérséklete azonos a fogyasztó által megkívánttal); gerincvezetékek (b): a városi hőforrásokat összekötő, az együttműködésüket szolgáló vezetékek (a forróvíz előremenő/visszatérő hőmérséklete ha nem kapcsolódik hozzá fogyasztó eltérhet a fogyasztó által megkívánttól); tranzitvezeték (c): a városon kívül levő hőforrást a városi távhőhálózattal összekötő vezetékek (a forróvíz előremenő/visszatérő hőmérséklete eltérhet a fogyasztó által megkívánttól). Phare Program HU

14 JELÖLÉSEK ÉS MEGHATÁROZÁSOK a., b., HF hmv HF f f hmv c., d., HF1 f HF1 f HF2 hmv HF2 hmv 1 3. ábra. A víz hőhordozójú szállítás alrendszer típusai a vezetékek száma szerint (HF: hőforrás) a., FHK i b., elosztó hálózat HF1 elosztó hálózat HF2 elosztó hálózat HF3 c., HF városi távhőrendszer 1 4. ábra. A víz hőhordozójú szállítás alrendszer típusai a vezetékek funkciója szerint (HF: hőforrás) 14 Phare Program HU-94.05

15 JELÖLÉSEK ÉS MEGHATÁROZÁSOK Forróvizes távhőellátásnál a hőfogyasztás alrendszer a fogyasztói hőközpontok sokasága. A fogyasztói hőközpontban a primer forróvíz felmelegíti a szekunder fűtési és használati melegvizet, miközben lehűl. A fogyasztói hőközpontok két alapvető típusa különböztethető meg (1 5 ábra): közvetett (indirekt), közvetlen (direkt). Közvetett fogyasztói hőközpontok (a): A forróvíz és a melegvíz rendszerek hidraulikailag szét vannak választva, a hőátvitel felületi hőcserélőkben történik. Közvetlen fogyasztói hőközpontok (b): A forróvíz és a melegvíz fűtési rendszer hidraulikailag össze van kötve, a hőátvitel a forróvíz és a melegvíz összekeverésével történik. A használati melegvíz előállítása azonban itt is hidraulikailag különválasztott, felületi hőcserélőkben történik. a., e (primer) forróvíz f (szekunder) fűtési melegvíz R hmv v ivóvíz hálózat b., hmv e (primer) forróvíz v ivóvíz hálózat (szekunder) fűtési melegvíz R 1 5. ábra. A fogyasztói hőközpontok elvi kapcsolása (R: radiátor) Phare Program HU

16 JELÖLÉSEK ÉS MEGHATÁROZÁSOK A vízgőz hőhordozójú szállítás alrendszer típusai: gőz vezeték(ek) (előremenő), kondenzátum vezeték, hálózat (visszatérő, el is maradhat). A vízgőz hőhordozó közvetlenül vagy közvetve (hőcserélőn keresztül) kerül felhasználásra. 16 Phare Program HU-94.05

17 2. HŐIGÉNYEK Hőfelhasználás Fejezet A nemzetközi statisztikai adatok szerint a hasznosított energia %-a hőként kerül felhasználásra. A felhasznált hő mennyiségét jelentősen befolyásolja a klíma. Mérsékelt égövben a felhasznált hő kb. 50 %-a fűtésre, kb. 50 %-a technológiai célra fordítódik. A fűtési hő több, mint 50 %-a lakás, %-a ipari létesítmény, a többi járművek, kommunális intézmények, egyéb gazdasági szektorok fűtésére fordítódik. A technológiai hő kb. 80 %-a az iparban, 5..8 %-a a háztartásokban (pl. főzés), a maradék egyéb területeken kerül felhasználásra. A felvillantott nemzetközi statisztikai adatok mutatják a hő meghatározó szerepét az energiagazdálkodásban, a hővel való gazdálkodás fontosságát Fűtési hőigény A fűtési hőigényt alapvetően a külső (környezeti) levegő hőmérséklete határozza meg KÜLSŐ (KÖRNYEZETI) LEVEGŐ HŐMÉRSÉKLET Magyarország a mérsékelt égövben helyezkedik el, a szélességi kör között. Klimatikus viszonyait jól szemlélteti az adott és annál hidegebb levegő hőmérséklet előfordulási időtartama a levegő hőmérséklet függvényében (lásd a 2 1. ábrát, (BÜKI, 1980)). A +12 C-nál hidegebb levegő hőmérséklet előfordulásának időtartama jól lefedi a fűtési szezont: hazánkban deklarálva október 15. és április 15. között, amely fél évnek, azaz 4380 h/a-nek (365 napos év (8760 h/a) fele) felel meg. Magyarországon a névleges minimális levegő hőmérséklet alapján három körzetet különböztetnek meg (2 2. ábra): t l0 = 15 C, t l0 = 13 C, t l0 = 11 C. A távhőrendszer és a hőellátó berendezések tervezése, kiválasztása a névleges minimális levegő hőmérsékletre (t l0 ) meghatározott hőigényre történik. Mérvadó levegő hőmérséklet a napi átlagos hőmérséklet, amelynek meghatározása a hazai gyakorlatban: t l t l7h + t l14h + 2t = l21h, (2.1) 4 a 7, 14 és 21 órakor mért levegő hőmérsékletek átlagával történik.

18 HŐIGÉNYEK Előfordulás időtartama, h/a Levegő hőmérséklet, C 2 1. ábra. Az adott vagy kisebb napi átlagos levegő hőmérséklet előfordulási időtartama Magyarországon -15 C -11 C -13 C 2 2. ábra. Magyarország körzetei a névleges minimális napi átlagos levegő hőmérséklet alapján A környezeti levegő hőmérséklet azonban hosszú idő alatt az urbanizáció következtében változhat. Példaként Kelenföld hozható fel. Azonos átlagos levegő hőmérsékletű években a XX. század elején 1..2 C-al alacsonyabb levegő hőmérsékleteket mértek Kelenföldön, mint az 1980-as években (KOVÁCS). Az eltérés oka a megépült városrész fűtésének hővesztesége, amely megnövelte a környezeti levegő hőmérsékletét EGYEDI HELYISÉG Egy helyiség folyamatos fűtésének fajlagos térfogati hőigényét (q f ) elvileg a q f = q + q q q (2.2) v sz b összefüggéssel lehet meghatározni, ahol s 18 Phare Program HU-94.05

19 a helyiséget határoló felületeken keresztül távozó hőveszteség ( q v ) és HŐIGÉNYEK a helyiség szellőztetésekor a nyílászáró(ko)n kilépő meleg levegővel távozó hőveszteség ( ); q sz mely két hőveszteséget részben kompenzálja a helyiségben tartózkodók és tevékenységük hőfejlődéséből (q b ) valamint a napsugárzás hatásából (q s ) eredő hőnyereség. Az egyes összetevők konkrét meghatározása gyakorlatilag lehetetlen. Állandóan fejlődő tervezési irányelvek, szabványok léteznek, amelyek betartása egyre inkább kötelező. De ezek csak a jövőre vonatkoznak, s a meglévő lakásállomány évtizedeken át alakult ki különböző előírásokkal. Az újabb tervezési irányelvek elsősorban q v -t kívánják csökkenteni megfelelő hőszigeteléssel, és az épületek megfelelő tájolásával q -t növelni. De ismertek olyan törekvések is, hogy a helyiségben tartózkodók hőérzetét javítsák megfelelő ruházattal. Az egyedi helyiség fűtési hőigénye a térfogat alapján = Vq f t f [ l ], (2.3) ill. a határoló falakon keresztül történő hőátvitel alapján ahol f = k [ w ] A t t ) szél ( b l, (2.4) k a helyiség belső levegője és a külső környezeti levegő közti hőátviteli tényező, amely adott határoló felületnél elsősorban a külső levegő áramlásától, a szél sebességétől (w szél ) függ, V a helyiség térfogata, A a helyiség határoló felülete, t b a helyiség belső elvárt levegő hőmérséklete, amely lakóhelyiségben C, de pl. egy kórház helyiségeiben C, t l a külső (környezeti) levegő hőmérséklete. A hazai előírások a helyiségek fűtési hőigényét jelenleg a névleges külső levegő hőmérsékletre ( t l0 ) és az egységnyi térfogatra vonatkozó fajlagos hőigénnyel (q ) rögzítik, amelyre a fűtőberendezések (kazán, radiátorok, stb.) kiválasztása f0 történik. s LAKÓÉPÜLET A lakóépületben több helyiség van. Ezekben a hőveszteség-áram elvileg különböző, mert a külső határoló felület a mérvadó. Ezen kívül emeletes házakban más-más t b hőmérsékletet kell biztosítani a lakásban, és pl. a lépcsőházban. Ennek következménye, hogy a lakások elhelyezkedése szerint eltérő lesz az egyes lakások fűtési hőigénye. Phare Program HU

20 HŐIGÉNYEK FOGYASZTÓI HŐKÖZPONT A fogyasztói hőközpont fűtési hőigénye számos, esetleg különböző hőszigetelésű lakóépület, s azon belül számos különböző elrendezésű lakás, valamint több kommunális létesítmény (óvoda, iskola, kórház, stb.) helyiségeinek együttes hőigényét elégíti ki. Az egyedi helyiségek, lakások, lakóépületek, fogyasztói hőközpontok az épületgépészet, a forróvizes távhőrendszer az energetika szakterülete TÁVHŐRENDSZER A távhőrendszer több fogyasztói hőközpont, s ezáltal az egyedi fogyasztók sokaságának, általában egymástól is eltérő hőigényét elégíti ki. Ha a távhőhálózat hőveszteségét figyelmen kívül hagyjuk, akkor a hőfejlesztés (H), a fogyasztói hőközpontok (FHK) és az egyedi fogyasztók sokaságának (fogyasztók) aktuális fűtési hőmérlege: k tf k = 1 f [ t [ t l l ] = m fk = ] = f k = 1 [ t k = 1 k k l m f ] c m, k f = 1 k p ( t f [ t e l A [ t l ] c f ( t ] t p ( t bf v me t [ t [ t l l l ]) = H ] t mv [ t ) fogyasztók ]) = FHK, (2.5) l ahol t l a külső levegő napi átlagos hőmérséklete, k a hőforráshoz tartozó fogyasztói hőközpontok száma, f az adott fogyasztói hőközponthoz tartozó egyedi fogyasztók száma, index m melegvíz, f forróvíz. A mérleg kielégítése minden fogyasztó számára azonos módon gyakorlatilag lehetetlen Használati melegvíz hőigény A használati melegvíz hőigényt alapvetően a fogyasztók száma és a fogyasztói szokások határozzák meg EGY FOGYASZTÓ Elv az egy lakásra, fogyasztóra (a hazai adatok szerint átlagosan 3,5 fő, 3 db csaptelep) eső használati melegvíz (hmv) felhasználás: ahol q = m c p t t ), (2.6) hmv hmv ( hmv ivóvíz m hmv az egy fogyasztóra eső órás átlagos használati melegvíz felhasználás, amelyet tapasztalatok alapján megállapított normák szerint határoznak meg, t hmv 45 C, a használati melegvíz fogyasztónál megkövetelt hőmérséklete, t ivóvíz a hálózati ivóvíz hőmérséklete, amelynek éves terjedelme C; a hmv méretezési hőmérséklete 10 C. 20 Phare Program HU-94.05

21 HŐIGÉNYEK A tapasztalatok azt mutatják, hogy a használati melegvíz igény naponta jelentősen ingadozik: az éjszakai minimális (esetleg zérus) felhasználástól, az esti csúcs maximális felhasználásáig sokszorosan változik. A heti és szezonális ingadozása is megfigyelhető: a hét végén a fogyasztás jelentősebb, mint hét közben, télen nagyobb, mint nyáron (de egyes körzetekben vannak ennek ellentmondó adatok is) FOGYASZTÓI HŐKÖZPONT A fogyasztói hőközpontok használati melegvíz hőcserélői számos egyedi fogyasztó hmv hőigényét elégítik ki. A hmv igény jelentős ingadozását gyakran hőtárolókkal mérséklik TÁVHŐRENDSZER A távhőrendszer több fogyasztói hőközpont, időben változó hmv hőigényét elégíti ki. A hmv igény ingadozásának mérséklésére felhasználható a forróvizes távhőrendszer hőtároló képessége is. Ha a távhőhálózat hőveszteségét figyelmen kívül hagyjuk, akkor a hőfejlesztés (H), a fogyasztói hőközpontok (FHK) és a egyedi fogyasztók sokaságának aktuális hmv hőmérlege a nyári időszakban, amikor csak hmv hőszolgáltatás van: τ,hmv Q k k = 1 ± hmv k k = 1 [ t ] = m hmv, k [ t ] = [ t ] = k k = 1 k,tárolt f [ t ] c k k = 1 h h = 1 p m m ( t hmv, k hmv, h [ t ] c [ t ] c fogyasztók e t v [ t ]) H nyár p p ( t ( t hmv hmv [ = 45] t [ = 45] t ivóvíz ivóvíz [ t ]) FHK [ t ] ± (2.7) ahol t az idő, k a fogyasztói hőközpontok száma, h a használati melegvíz fogyasztók száma. Itt is megállapítható, hogy a mérleg kielégítése minden fogyasztó számára azonos módon gyakorlatilag lehetetlen. A távhőrendszer használati melegvíz szolgáltatásának méretezését a budapesti statisztikai adatok feldolgozásával az MSZ szabvány tartalmazza, amely a fogyasztók számától függően adja meg az egy órai, ill. az egy perces csúcshőfelhasználást, az átlagos csúcshőteljesítményt. A szabvány már tartalmazza azt a felismerést, hogy 1, ill. 5 % valószínűséggel vannak kielégítetlen fogyasztók is Kétcsöves forróvizes távhőrendszer hőigénye A leggyakoribb kétcsöves távhőrendszerben a hőfejlesztés alrendszerben a távhőrendszer együttes, fűtési és használati melegvíz hőigényét kell kielégíteni a hőveszteséggel együtt, azaz = t ] + [ t ] + [ t ]. (2.8) t f [ l hmv veszt l Phare Program HU

22 HŐIGÉNYEK A hőigények kielégítése két időbeli szakaszra bontható: fűtési szezon (fűtés és használati melegvíz) és nyár (használati melegvíz). Mivel fűtési szezonban meghatározó részaránya a fűtési hőigénynek van, a hőigény változása alapvetően a külső levegő hőmérséklet függvénye NÉVLEGES (TERVEZÉSI) HŐIGÉNY A távhőrendszereket hosszútávra, a jelen és a jövőbeli várható névleges hőigényekre hozzák létre, eleve számolva a bővítés lehetőségeivel. Ennek következtében a kezdeti időszakban a hőfejlesztés, hőszállítás alrendszer túlméretezett, amely elvileg az új fogyasztói hőközpontokkal, fogyasztókkal időszakosan bővül. A fogyasztói hőigények jelentősebb bővülésével idővel szükség lehet a hőforrás bővítésére, ill. a fogyasztói hőigények tervezettnél kisebb bővülése esetén a hőfejlesztés és a hőszállítás alrendszer túlméretezett maradhat. A távhőrendszer névleges levegő hőmérséklethez tartozó jellemzői: Q cs0 névleges fogyasztói csúcshőigény, t e0 /t v0 névleges előremenő/visszatérő forróvíz hőmérséklet (hazánkban két típusa különböztethető meg: 130/70 C ill. 150/70 C, de külföldön más rendszerek (pl. 120/80 C) is előfordulnak), m f0 a névleges keringtetett forróvíz tömegáram, amely számítható: cs0 m f0 =. (2.9) c t t ) p ( e0 v0 Ismerve az éves névleges hőigény változását ( Q cs0 ) m évente korrigálható. ± f NÉVLEGES FŰTÉSI SZABÁLYOZÁSI DIAGRAM Mivel a fűtési hőigény a külső levegő hőmérséklet függvényében változik, az MSZ szabvány megadja a névleges fűtési szabályozási diagram összefüggését: ahol t t pe pv = q = t t q = t b0 b0 0,75 p0 t se0 q t t t l l0 + t 2 p0 sv0 t b0 + t b0 + q t p0 t 2 t b0 = t b =20 C a fűtött helyiség névleges megkövetelt belső hőmérséklete, q a helyiség, lineárisan változó relatív hőigénye ( t l0 -nál q =1), s0 + t pv0 t sv0 (2.10) t pe0 /t pv0 a primer forróvíz előremenő/visszatérő hőmérséklete (130/70 C rendszerben csak fűtésre 130/80 C, 150/70 C rendszerben csak fűtésre 150/80 C) 22 Phare Program HU-94.05

23 t pe /t pv a primer forróvíz előremenő/visszatérő hőmérséklete, t po = t pe0 t pv0 a primer forróvíz névleges hőmérsékletkülönbsége, HŐIGÉNYEK t se0 /t sv0 = 90/70 C, a szekunder melegvíz névleges előremenő/visszatérő hőmérséklete, t s0 = t se0 t sv0 = 20 C, szekunder melegvíz névleges hőmérséklet-különbsége, t l0 a névleges, t l az aktuális napi átlagos levegő hőmérséklet. A névleges fűtési szabályozási diagramot t l =+12 C és t l0 = 15 C külső levegő hőmérséklet tartományban a 2 3. ábra szemlélteti. Névleges szabályozási diagram Forróvíz hőmérsékletek, C t 120 e (150 / 80 C) t e (130 / 80 C) t v (130 / 80 C; 150 / 80 C) Napi átlagos környezeti levegő hőmérséklet, C 2 3. ábra. Névleges fűtési szabályozási diagram A három- és négycsöves távhőrendszerekben (csak fűtési hőigény) a forróvíz hőmérsékletek lényegében megegyeznek a szabályozási diagram hőmérsékleteivel. A kétcsöves távhőrendszerek tényleges szabályozási diagramja azonban eltér a használati melegvíz hőigény miatt, s az eltérés mértéke függ a fogyasztói hőközpontok kapcsolásától, a hmv és a fűtés hőteljesítmény arányától. A nyári használati melegvíz hőigény kielégítése érdekében a forróvíz névleges előremenő hőmérséklete távhőrendszerenként eltérő, t e = C, míg a visszatérő a hmv hőigények függvényében kialakul TÉNYLEGES HŐIGÉNY Adott távhőrendszerben adott, napi átlagos külső levegő hőmérséklethez meghatározható a napi előállított hő tényleges mennyisége: Q t ( t l ) [GJ/nap], amelyből az órás átlagos hőteljesítmény Phare Program HU

24 HŐIGÉNYEK Qt [ GJ/d ] Qt [GJ/d ] Q t = = [MW ], (2.11) 24[h/d ] 3600 [s/h ] 86,4 amely a fűtés és a hmv együttes hőteljesítményét mutatja. Ennek statisztikai feldolgozása megadja a külső levegő hőmérséklet függvényében a hőfejlesztés hőigényét. A használati melegvíz órás átlagos hőteljesítménye a nyáron kiadott hő mennyisége alapján számítható: Qt [GJ/nyár ] Q hmv = [MW ], (2.12) τ [h/nyár ] 3600 [s/h ] nyár amelyet a téli időszakban (t l <0 C) gyakran 1,2 tényezővel megnövelnek. A távhőrendszer hőigénye t ] = + (1,2) = m [ t ] c p ( t [ t ] t [ t ]), (2.13) t [ l f hmv f l e l v l amely elvileg a keringtetett forróvíz tömegáramának és az előremenő/visszatérő forróvíz hőmérsékletének napi átlagos levegő hőmérséklettől függő változásával kielégíthető. Ha m f = áll., akkor ez te/t v vagy t = t e t v szabályozását jelenti (állandó tömegáramú távhőrendszer). A tényleges hőigények és az előremenő, ill. visszatérő hőmérsékletek az adott távhőrendszerre jellemzően eltérhetnek a névleges értékektől, ahogy azt a kelenföldi távhőrendszer példáján a 2 4. ábra, ill. a kőbányai városközpont példáján a 2 5. ábra mutatja A HŐFEJLESZTÉS NAPI DIAGRAMJA Ugyan az adott napra az átlagos külső levegő hőmérséklet azonos, a hőforrásokban a napi hőfejlesztés mégsem egyenletes. Általában három napszak különböztethető meg: éjjel, nappal, esti csúcs, s a távhőrendszer méretétől (hőtároló képességétől) függően változik a teljesítmény változtatások időpontja (pl ábra). A hőforrásban naponta előállított hő mennyisége 24 () Q = t dt (2.14) t 0 a hőteljesítmények idő szerinti integrálja A HŐFEJLESZTÉS ÉVI TARTAMDIAGRAMJA A különböző évek energiagazdálkodásának összehasonlítására az éves szinten kiadott hő mennyisége szolgál, amely a napi hőmennyiségek összege 24 Phare Program HU-94.05

25 HŐIGÉNYEK 365 Q t, = Q év 1 t, nap. (2.15) Hőteljesítmény, MW Napi átlagos környezeti levegő hőmérséklet, C Forróvíz hőmérsékletek, C Napi átlagos környezeti levegő hőmérséklet, C t e t v t e - t v 2 4. ábra. A kelenföldi (130/70 C) távhőrendszer tényleges hőteljesítménye és forróvíz hőmérsékletei 1983-ban ( m f = áll. =6570 t/h) a fűtési szezonban (BME HRI) Phare Program HU

26 HŐIGÉNYEK Hőteljesítmény, MW Napi átlagos környezeti levegő hőmérséklet, C Forróvíz hőmérsékletek, C Napi átlagos környezeti levegő hőmérséklet, C t e t v te t v 2 5. ábra. A Kőbánya városközpont (150/70 C) távhőrendszer tényleges hőteljesítménye és forróvíz hőmérsékletei 1983-ban ( m f =áll.=840 t/h) a fűtési szezonban (BME HRI) 26 Phare Program HU-94.05

27 HŐIGÉNYEK Q τ, h ábra. A hőforrás napi hőteljesítmény változásának elvi diagramja E mellett a napi hőteljesítmény-idő diagramokból meghatározható az egyes hőteljesítmények fennállásának időtartama az adott évben, a hőteljesítmény tartamdiagram (2 7. ábra). Q. t Q. cs Q. t = f(τ) τ cs fűtési szezon nyár τ, h/a 2 7. ábra. A hőfejlesztés évi hőteljesítmény tartamdiagramja A Q = f ( τ ) görbe alatti terület szintén az évi előállított hőmennyiséget adja t Q = ( τ ) dτ, (2.16) t, év Qt amelyből meghatározható a hőfejlesztés kihasználtságát jellemző paraméter, a Qt, év τ cs = (2.17) cs csúcskihasználási óraszám, amely megmutatja, hogy a hőforrás Q t,év hő előállítása mellett a csúcsteljesítményével hány órát üzemelt volna. (A 2 Phare Program HU

28 HŐIGÉNYEK 7. ábrán a Q = f ( τ ) görbe alatti terület (folytonos vonal) és a Q téglalap t (szaggatott vonal) területe azonos). cs τ cs A hazai forróvizes távhőrendszerek össz-hőigényre vonatkozó csúcskihasználási óraszáma általában h/a, amelyből a fűtés csúcskihasználási óraszáma h/a, míg a használati melegvízé h/a. A távhőrendszer hőigényét több hőforrás (hőfejlesztő berendezés) elégítheti ki. A 2 8. ábra a hőfejlesztés olyan évi tartamdiagramját mutatja, amelyben két különböző hőforrás üzemel, Q és Q beépített hőteljesítménnyel. Az előállított hő évi mennyisége Q = Q + Q A0 = + t, év ta tcs A0τ csa CS0τ cscs CS0 (2.18) a két hőforrásban előállított hő összege, mely alapján megkülönböztethető a két hőforrás hőfejlesztésének évi csúcskihasználási óraszáma QtA QtCS τ csa = ill. τ cscs =, (2.19) A0 amely általában nem azonos. A hőforrás kihasználása alapján alap- és csúcs- CSo hőforrás különböztethető meg. Az alaphőforrás nagy (> h/a), míg a csúcshőforrás kis (< h/a) csúcskihasználási óraszámmal üzemel. A 2 8. ábrán + > A0 CS0 cs0, (2.20) amely a teljesítménymérleg pontatlanságait mutatja: A névleges (gyártó által megállapított) teljesítmény általában nem azonos a tényleges maximális teljesítménnyel. A hőforrás tartalék teljesítménye pedig általában a csúcshőforrásban szerepel A FORRÓVIZES TÁVHŐHÁLÓZAT HŐVESZTESÉGE Megfelelő állapotú távvezeték hálózat elfogadható hővesztesége a kiadott hőteljesítményre vonatkoztatva veszt kiadott = (3 8)%, ahol a kisebb értékek a nagyobb hőigényekre vonatkoznak; ill. hőre Q Q veszt kiadott = (4 7)%. 28 Phare Program HU-94.05

29 HŐIGÉNYEK Q. t Q. cs0 Q. CS0 τ cscs Q. t = f(τ) Q. A0 τ csa fűtési szezon nyár τ, h/a 2 8. ábra. Alap- és csúcshőforrás a rendszer évi hőteljesítmény tartamdiagramjában Mivel a távhőellátás velejárója a hőveszteség a komplex energiahasznosítás keretében a veszteséghő egyéb célú hasznosítása egyre inkább szükségszerűség (pl. távvezeték a városi utak alatt, s az utak sózása helyett a hőveszteség olvasztja meg a havat az utakon) A LAKOSSÁGI-KOMMUNÁLIS FORRÓVIZES HŐIGÉNY KIELÉGÍTÉSE A különböző fogyasztók hőérzete különböző, elvileg minden fogyasztó maga ismeri, hogy milyen belső levegő hőmérsékletnél érzi jól magát. Ezen kívül a használati melegvíz igény is időben jelentősen változik. Nem ismerjük a távhőhálózat tényleges állapotát (hőveszteségét) sem. Tehát a hőforrás hőteljesítményét csak bizonyos hibával tudjuk meghatározni. Ha a fogyasztókat sokaságként kezeljük, akkor a fogyasztók hőigénye és a hőfejlesztés alrendszer hőteljesítménye között a következő statisztikai mérlegnek kell fennállni Q + s = ( + s ) + ( + s ), (2.21) t t veszt veszt f f ahol s a hőteljesítmények szórása. Az egyes fogyasztók hőigényét tehát csak bizonyos szórással lehet kielégíteni, amelynek következménye, hogy az egyes fogyasztók igényük felett (pl. túlfűtött helyiség), mások igényük alatt (pl. alulfűtött helyiség) részesednek. A mérleghez való igazodás úgy biztosítható, azaz az elégedetlen fogyasztók száma úgy mérsékelhető, hogy a fogyasztók hőérzetük, azaz hőigényük alapján maguk rendeződjenek el a sokaságban. Ennek műszaki feltétele, hogy az egyes fogyasztókat el kell látni szabályzókkal és hőmennyiség-mérőkkel, hogy maguk állítsák be a hőfelhasználásukat. Közgazdasági következménye pedig, hogy a fogyasztók a felhasznált hő mennyisége alapján fizessék a hődíjat. f Phare Program HU

30 HŐIGÉNYEK 2.5. Ipari-technológiai hőigény Az ipari-technológiai hőigény alapvetően az ipari termeléstől függ, a tél-nyár szezonális ingadozás minimális. Az ipari-technológiai folyamatok folyamatosak (pl. a kőolaj feldolgozása a vegyiparban) vagy szezonálisak (pl. cukor- és konzervgyártás az élelmiszeriparban). Hazánkban jellemző a műszakváltás körüli igény csökkenés és az alacsony műszakszám (1980-as években napi 1,3). A hőigényt az ipari-technológiai folyamathoz illeszkedve lehet ténylegesen meghatározni: gőz tömegáram (ritkábban hőteljesítmény)-hónap/év tartamdiagram a hőfelhasználás elemzésére. Az ipari-technológiai folyamatoknál viszont nem a hő abszolút, hanem fajlagos mennyisége M g kg gőz Q kj g = T ill. q = db/kg termék (2.22) T db/kg termék a meghatározó, amely az egységnyi termékre vonatkozó gőz- vagy hőfelhasználást mutatja. 30 Phare Program HU-94.05

31 3. FŰTŐMŰVEK A fűtőműveknek három típusa különböztethető meg: forróvizes fűtőmű, ipari kazántelep, nukleáris fűtőmű. 3. Fejezet A következő alfejezetekben részletesebben tárgyaljuk a forróvizes fűtőművek és az ipari kazántelepek jellemzőit. A nukleáris fűtőművekről, melyek a belátható jövőn belül nem épülnek hazánkban, nem ejtünk szót Forróvizes fűtőmű FORRÓVÍZKAZÁNOK A forróvízkazánokban a tüzelőanyag kémiailag kötött energiájából az égés során felszabaduló hő a nyomás alatti víz (nyomottvíz) felmelegítését szolgálja. Két alapvető típusa különböztethető meg: nagyvízterű láng- és füstcsöves forróvízkazánok (kisebb, max MW t hőteljesítménnyel), vízcsöves (kisvízterű) forróvízkazánok ( MW t -nál nagyobb hőteljesítménnyel). A nyomottvíz állapot fenntartása érdekében a forróvízkazánok kényszeráramlásúak Nagyvízterű forróvízkazánok A nagyvízterű forróvízkazánokban a láng a lángcsőben, a füstgáz a füstgázcsövekben áramlik (3 1. ábra), míg a forróvíz a kazán köpenyterében (a nagy víztérfogatban) kis áramlási sebességgel mozogva a magas hőmérsékletű fémfelületekkel érintkezve felmelegszik. A forróvíz cirkulációjától függően természetes (a, sűrűségkülönbség hatására létrejövő áramlás) és kényszer (b, szivattyú által fenntartott áramlás) cirkulációjú forróvízkazán különböztethető meg. A természetes cirkulációjú forróvízkazánokban a forróvíz áramlási sebessége 2 (w víz ) kicsi, ezért a nyomásesés ( p w víz ) 0,8 ( α ) víz w víz és a vízoldali hőátadási tényező is kicsi. Mivel a vízoldali hőátadási tényező kicsi, a fémfelület hűtése nem kielégítő, ezért a lángcsövek vízzel érintkező felületének hőmérséklete (t falk ) jelentősen meghaladhatja a víz nyomásához tartozó telítési hőmérsékletet (t s [p víz ]), így a víz határrétegében gőzbuborékok keletkeznek. A keletkezett gőzbuborékok ugyan kondenzálódnak az áramlási magban, a forróvíz fő tömegében, de meglétük kismértékben növeli a víz áramlási sebességét, ezzel fokozza a természetes cirkulációt és növeli α víz értékét.

32 FŰTŐMŰVEK A természetes cirkulációjú forróvízkazánokban az áramlás névleges és névlegeshez közeli tömegáramoknál stabil, de kisebb tömegáramoknál az áramlás labilissá válik. A labilis áramlás megszüntetéséhez szivattyús keringtetés szükséges. Kényszercirkulációnál a víz áramlási sebessége (w víz ), a vízoldali nyomásesés ( p) és a vízoldali hőátadási tényező (α víz ) a természetes cirkulációhoz képest megnő, s megfelelő keringtetéssel minden tömegáramnál stabil áramlás biztosítható. víztér lángcső füstcsövek tüzelőanyag és égési levegő ellátás forróvíz füstgáz t ki q. égő t be lángcső forróvíz természetes cirkuláció 3 1. ábra. Nagyvízterű forróvízkazán sémája és elvi működési vázlata Vízcsöves forróvízkazánok A kényszercirkulációs vízcsöves forróvízkazánok (3 2. ábra) besugárzott tűztérrel és konvektív hőátadó felületekkel rendelkeznek. A tűztér oldalán vagy/és fenekén helyezkednek el az égők, a tűzteret körülvevő membránfalak elosztó-hőátadó-gyűjtőcső konfigurációjúak, és vízoldalról sorosan vagy párhuzamosan vannak összekötve. A tűztér sugárzási hőjének hatására a konvektív hőátadó csövekben felmelegedett víz tovább melegszik. A tűztérből kilépő füstgáz pedig konvektív hőátadással hűl le, miközben felmelegíti a forróvizet és az égéshez szükséges levegőt A VÍZOLDALI NYOMÁS MEGVÁLASZTÁSA A forróvízkazánokban a természetes cirkulációnál megengedett lokális forrástól eltekintve a hőhordozó elvileg mindig vízfázisban kell legyen. Ehhez biztosítani kell a forróvíz megfelelő nyomását. A forróvízkazánba belépő víz minimális nyomása: természetes cirkulációnál: = p [ t + [5 10 C] ] p, FKmin s e0 32 Phare Program HU-94.05

33 kényszercirkulációnál: = p [ t + [30 C] ] p. FKmin s e0 FŰTŐMŰVEK füstgáz víz kilépés gyűjtőcső besugárzott felületek konvektív felületek hőátadó cső égők kényszercirkuláció víz belépés elosztócső t ki q. t be 3 2. ábra. Vízcsöves forróvízkazán elvi sémája A FORRÓVÍZKAZÁN ÜZEMÉT BEFOLYÁSOLÓ TÉNYEZŐK A forróvízkazánok csúcshőforrásként lettek kifejlesztve. Ezt tükrözik a nagyvízterű (pl. Láng HLF) és a vízcsöves (orosz PTVM, KVGM) forróvízkazánok névleges adatai is. A névleges adatok (hőteljesítmény, kilépő/belépő hőmérséklet, víz tömegáram, nyomásesés, méretezési/engedélyezési nyomás) mellett mindegyik forróvízkazán névleges adataihoz tartozik a legkisebb belépő vízhőmérséklet, amely a Láng HLF kazánoknál 90 C, míg az orosz vízcsöves kazánoknál 70 C (alapüzemű, sorosan kapcsolt fűtőfelületeknél) ill. 110 C (csúcsüzemű, párhuzamosan kapcsolt fűtőfelületeknél). A forróvízkazán energetikai jellemzőinek változását a terhelés függvényében a PTVM-50 kazán példáján a 3 3. ábra szemlélteti. A kisebb hőteljesítményektől a nagyobb hőteljesítmények felé csökken a kazán hatásfoka, s ennek megfelelően nő a kazánból kilépő füstgáz hőmérséklete, hiszen FK vesztfk η FK = 1, (3.1) ü ü a forróvízkazán veszteségei közül meghatározó a füstgázzal távozó hőveszteség ahol = m cp t t ), (3.2) veszt, füstgáz m fg fg fg ( fgki l a füstgáz tömegárama, hőmérséklet intervallumban, t fgki hőmérséklete. c pfg a füstgáz átlagos izobár fajhője t fgki..t l a füstgáz kilépő, t l a környezeti levegő Phare Program HU

34 FŰTŐMŰVEK Energetikailag tehát kedvező a forróvízkazánok részterhelésen való üzemeltetése, de ennek határt szab a füstgáz részterhelésen alacsonyabb hőmérséklete (a 3 3. ábra jelleggörbéjét feltehetőleg a víz megengedett minimális belépő vagy annál nagyobb hőmérsékletére határozták meg). Tovább csökkentené a füstgáz kilépő hőmérsékletét, ha a forróvízkazánt alaphőforrásként üzemeltetnénk, mivel a visszatérő forróvíz hőmérséklete a névleges kivételével mindig kisebb, mint forróvízkazánba belépő víz megkövetelt minimális hőmérséklete. Hatásfok, % Gáztüzelés Olajtüzelés Relatív hőteljesítmény, % Kilépő füstgázhőmérséklet, C Olajtüzelés Gáztüzelés Relatív hőteljesítmény, % 3 3. ábra. A PTVM-50 forróvízkazán hatásfoka és a kazánból kilépő füstgáz hőmérséklete a relatív hőteljesítmény függvényében (BÜKI, 1980) A forróvízkazánból kilépő füstgáz megengedett hőmérsékletét a tüzelőanyag kéntartalma, a füstgáz harmatpontja határozza meg (t hp az a hőmérséklet, amelynél a füstgázban levő kéndioxidok (SO 2 és SO 3 ) a füstgázban levő vízzel (H 2 O) reakcióba lépve kénes- (H 2 SO 3 ) vagy kénsavként (H 2 SO 4 ) kondenzálódnak 34 Phare Program HU-94.05

35 FŰTŐMŰVEK a harmatpontnál alacsonyabb hőmérsékletű felületeken, vagy a már kondenzálódott vízcseppekbe beoldódnak a gáz halmazállapotú kénoxidok). A füstgáz harmatpontja C. Tehát kéntartalmú tüzelőanyagban a füstgáz forróvízkazánból kilépő hőmérséklete minden terhelésen t > t = fgki hp C. (3.3) Hazánkban a forróvízkazánok tüzelőanyaga szénhidrogén (széntüzelésű forróvízkazánok pl. Lengyelországban üzemelnek nagyobb számban). A földgáz kéntartalma elvileg zérus (mikromennyiségben azonban tartalmazhat kenet), a fűtőolaj viszont %-os nagyságrendben tartalmaz kenet. Ennek következtében a földgáztüzelésű forróvízkazánból kilépő füstgáz hőmérsékletét elvileg nem korlátozza a kéntartalom (t fgki t hp ), míg az olajtüzelésűét igen (t fgki >t hp ). Tekintettel arra, hogy forróvízkazánú fűtőműveket alternatív tüzeléssel építik (alapvetően földgázzal, de földgáz korlátozásnál a fűtőműben tárolt fűtőolajjal), az alternatív tüzelésű forróvízkazánokból kilépő füstgáz hőmérsékletére is általános követelmény a kilépő füstgáz C-os minimális hőmérséklete A FORRÓVÍZKAZÁNOK ÜZEMVITELE: A VÍZHŐMÉRSÉKLETEK SZABÁLYOZÁSA A külső levegő hőmérsékletének függvényében jelentősen változik a fűtési hőigény (0,23..1,0)Q valamint az előremenő/visszatérő forróvíz hőmérséklete. cs0 Ugyanakkor a forróvízkazánok üzemi követelményeit és m FK m FKmin t t, víz, FKbe FKvmin is ki kell elégíteni, azaz minden üzemállapotban a forróvíz tömegárama és a kazánba lépő forróvíz hőmérséklete nem lehet kisebb a megkövetelt minimális értéknél. Tömegáram korlát a természetes cirkulációjú nagyvízterű forróvízkazánoknál, a vízcsöves forróvízkazánok párhuzamosan kapcsolt felületeinél és a változó tömegáramú távhőrendszerek forróvízkazánjainál léphet fel. A kazánba lépő forróvíz hőmérsékletének korlátja pedig olaj- és alternatív tüzelésű, alaphőforrásként üzemelő forróvízkazánokban áll fenn Kisteljesítményű gáztüzelésű forróvízkazán Azoknál a kisebb teljesítményű nagyvízterű forróvízkazánoknál, ahol a tüzelőanyag kizárólag földgáz és t vfkmin t v0, az előremenő forróvíz visszakeverésével lehet kielégíteni a követelményeket (3 4. ábra). Ennél a szabályozásnál feltétel, hogy t e =t efk. Phare Program HU

36 FŰTŐMŰVEK t efk = t e t e FK Q. FK. m M ṁ f Q. FM t vfk t v KSZ 3 4. ábra. Az előremenő forróvíz visszakeverésének elvi sémája gáztüzelésű forróvízkazánoknál (FK-forróvízkazán, KSZ-keringtető szivattyú) A kapcsolásra felírható hőmérlegek: fűtőműből ki- és oda belépő forróvíz: = m c p FM forróvízkazán: FK f FK ( t e t v = m c p ), (3.4) ( t efk t vfk ), (3.5) ahol m f a fűtőműből kilépő forróvíz, m M a visszatérő forróvíz melegítésére, az előremenő forróvízből visszakevert tömegáram, m FK = m f + m M a forróvízkazánba lépő víz tömegárama. A két hőteljesítmény természetesen azonos: =. (3.6) FM Q FK A fűtési forróvíz szabályozási diagramja alapján a mérlegegyenletekkel meghatározható a forróvízkazán szabályozási diagramja (3 6. ábra). Nagyobb levegő hőmérsékletek (t e <t vfkmin ) tartományában meg kell növelni a forróvíz névleges előremenő hőmérsékletét. Kisebb levegő hőmérsékleteknél pedig t vfkmin -tól függően előállhat, hogy t v >t vfkmin, s ebben a tartományban már nem szükséges az előremenő forróvíz visszakeverése Olaj és alternatív szénhidrogén tüzelésű forróvízkazán A hőigények és a forróvízkazán üzemi követelményeinek együttes kielégítését a hazai fűtőművekben, ahol a forróvízkazánok alaphőforrások, a forróvíz kétirányú visszakeverésével (3 5. ábra) oldották meg. A kapcsolásra felírható hőmérlegek: fűtőmű be- és kilépő forróvíz: = m c p FM f ( t e t v ), (3.7) fűtőmű visszatérő és forróvízkazán előremenő vezeték: = m c p ( t efk t v ), (3.8) 36 Phare Program HU-94.05

37 forróvízkazán: = m c p FK FK ( t efk t vfk FŰTŐMŰVEK ), (3.9) ahol m f a fűtőműből kilépő forróvíz, m = m f m H a forróvízkazán előtti vezeték tömegárama, m H a visszatérő forróvíz előrekevert tömegárama a te-nél nagyobb hőmérsékletű forróvíz hűtésére, m FK = m + m R a forróvízkazánba lépő víz tömegárama, m a forróvízkazánból kilépő visszakevert tömegáram a t R vfkmin-nál kisebb hőmérsékletű forróvíz felmelegítésére. A három hőteljesítmény természetesen itt is azonos: = =. (3.10) FM Q FK t efk t e FK Q. FK RSZ Q. ṁ H ṁ f Q. FM ṁ FK t vfk ṁ R ṁ; t v KSZ t v 3 5. ábra. A forróvíz kétirányú visszakeverésének elvi sémája forróvízkazánoknál (FKforróvízkazán, KSZ-keringtető szivattyú, RSZ-recirkulációs szivattyú) A fűtési forróvíz szabályozási diagramja alapján a mérlegegyenletekkel meghatározható a forróvízkazán szabályozási diagramja (3 7. ábra). Phare Program HU

38 FŰTŐMŰVEK t víz, C t efk t vkorr t v t ekorr t e,névl t vfk t l, C m /m f 2,5 2 m M / m f 1,5 1 m f / m f 0, t l, C 3 6. ábra. 150/80 C névleges hőmérsékletű forróvizes távhőrendszer és gáztüzelésű forróvízkazán szabályozási diagramja az előremenő forróvíz visszakeverésével (tvfkmin=70 C) 38 Phare Program HU-94.05

39 t víz, C t efk (150 /70 C) t 110 e (150 /70 C) t (130 /70 C) 100 t efk (130 /70 C) e t vfk t v (130 /70 C;150 /70 C) t l, C FŰTŐMŰVEK m /m f 1 m f / m f 0,9 0,8 0,7 m H / m f = m R / m f (150 /70 C) 0,6 0,5 0,4 m H / m f = m R / m f (130 /70 C) 0,3 0,2 0, t l, C ábra. 130/70 C és 150/70 C forróvizes távhőrendszer és olajtüzelésű forróvízkazán (tvfkmin=90 C) hőmérséklet és tömegáram ( m = m ) szabályozási diagramja a forróvíz kétirányú visszakeverésénél R H Phare Program HU