ENERGIATERMELÉS, -ÁTALAKÍTÁS, -SZÁLLÍTÁS ÉS -SZOLGÁLTATÁS 2.6 A fűtési rendszer kiválasztása a hőközlő közeg vagy folyadék legyen? Tárgyszavak: fűtés; kondenzátumfelhalmozódás; hőteljesítmény; szabályozás; folyadékos fűtés. Gőzfűtés Vegyi és ipari berendezéseknél a leggyakrabban alkalmazott hőközlő közeg a víz, mivel a nek a folyadék hőközlő közeggel összehasonlítva a következő előnyei vannak: Az egész fűtőfelületen egyenletes a hőmérséklet. Nagyon jó a hőátadási tényező (>6000 W/m 2 K). Egyszerű és gyors a fűtés szabályozása a vezeték zárásával. Gőzzel fűtött berendezés hőteljesítménye az alábbi egyenlet szerint számolható: Q = k A t. t = t kond. t prod. (t kond a fűtőgáz kondenzációs hőmérséklete, t prod a termék forráspontja). A berendezés hőteljesítményét kétféleképpen lehet befolyásolni: oldali szabályozással; csökkentve a kondenzációs nyomást, amivel a t hőmérséklet-különbséget csökkentjük, kondenzációs oldali szabályozással; a rendelkezésre álló fűtőfelületet (A) változtatjuk. Az 1. ábrán szemléltetett oldali szabályozás terjedt el leginkább. A fűtőteljesítményt a fojtószeleppel csökkentve a áramlási keresztmetszetét szabályozzák, és így a berendezésbe kisnyomású lép be. Kisebb víznyomás alacsonyabb kondenzációs hőmérsékletet jelent, és így az uralkodó hőmérséklet-különbség ( t = t kond. t prod. ) is kisebb lesz. A következő számszerű példában követhetjük, hogy miként csökken a hőteljesítmény 58%-kal, ha a nyomását 5 barról 3 barra csökkentjük. Gőzfűtésű lepárló: Termék forráspontja t prod. = 120 C Gőznyomás 5 bar t kond. = 151,8 C t = 31,8 C Q = 100%
Gőznyomás = 3 bar t kond. = 133,5 C t = 13,5 C Q = 42% a) T 2 b) T 2 FK FK LK T 1 kondenzátum T 1 kondenzátum 1. ábra Gőzfűtésű berendezés szabályozása Az 1. ábrán szereplő szabályozás gyors, és közvetlenül befolyásolja a hőteljesítményt. A fűtés a minimálisan szükséges falhőmérsékleten működik, így kevésbé szennyez, és kisebbek a hőfeszültségek. Hátrány, hogy a fellépő túlfűtés a termék károsodását okozhatja. A fűtés szelepfojtása 5-ről 2 barra túlhevített t eredményez, amelynek hőmérséklete 139,7 C, szemben a telített 120,3 C hőmérsékletével. Ha ez a túlhevítés nem engedhető meg, akkor a rendszerbe egy visszahűtőt kel beszerelni. A kondenzátumfelhalmozódás problémája A gyakorlatban leginkább a betáplálás szabályozását alkalmazzák, amelynél ha a kondenzációs nyomás lényegesen meghaladja a kondenzrendszer ellennyomását, vagyis elegendő a nyomáskülönbség ( P), akkor a berendezés kondenzelvezetése megfelelően működik. Mikor a fűtési hőmérséklet 100 C érték alá csökken, a fűtőtérben lévő kisnyomás mellett a nyomáskülönbség is oly csekély, hogy a kondenzátum nem tud lefolyni. A hőcserélőt a kondenzátum elárasztja, és így egy-egy fűtőfelületet blokkolva a hőteljesítményt csökkenti. Ha a hőmérséklet-szabályozás érdekében a szelepet teljesen kinyitják, a a kondenzátumot kilöki a berendezésből. Ek-
kor viszont a túlhevítés miatt ismét el kell zárni a szelepet, aminek következtében a kondenzátum ismét felgyűlik. Egy ilyen váltakozó fűtés még elfogadható tartályok fűtésére, de desztillációs berendezéseknél katasztrófát okozhat. Ezért ilyen esetekben a kondenzátumot szivattyúval kell elvezetni, mint ezt az 1.b ábra szemlélteti, vagy a 2. ábrán látható kondenzlevezető szabályozást alkalmazni. a) T 2 b) T 2 FK LK T 1 kondenzátum T 1 kondenzátum 2. ábra Gőzfűtésű berendezés kondenzlevezetés-szabályozással A kondenzátumfelhalmozódás problémája különösen akkor jelentkezik, ha a termék hőérzékenysége folytán a hőteljesítményt, ill. a nyomását erősen csökkenteni kell. A 3. ábra szemléltetet egy olyan példát, amikor a hőteljesítményt szelepfojtással 50%-kal kell csökkenteni; a kondenznyomást 8 barról 1,5 barra. A következmény, hogy a hőcserélőben a kondenzátum felgyülemlik. A fűtő nyomásesését, amely a csökkentett teljesítmény következtében adódik, számítani lehet az adott hőmérséklet-különbségből. A 2. ábrán bemutatott kondenzátumlevezetéses szabályozásnál a hőcserélő felületének egy részét a kondenzátum feltölti, és így nem képes fűteni. A kisebb fűtőfelület csökkenti a hőteljesítményt. Példának okáért, ha egy vertikális elpárologtatónál a 3 m hosszú kondenzelvezető cső 1 m hosszan megtelik kondenzátummal, a hőteljesítmény 10%-ról 66%-ra csökken! A kondenzelvezető szabályozás igen előnyös, ha a hőteljesítményt széles határok között kell szabályozni, vagy ha a hőátadás rossz pl. az elpárologtató erős szenynyezettsége miatt. Újonnan üzembe állított elpárologtató nem tartalmaz szenynyezést, és ebben az esetben az adódó hőmérséklet-különbséget jelentősen csökkenteni kell.
fűtő nyomása, bar 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 hőteljesítmény (a maximálishoz viszonyítva) fűtő nyomása kondenzátumnyomás 60 C 8 bar 170,4 C termék 40 C kondenzátum 1,5 bar 3. ábra A fűtő nyomásesése szelepfojtásos fűtőteljesítmény esetében A kondenzlevezetés-szabályozásnál a nyomás nem csökken, így elegendő nyomás áll rendelkezésre a kondenzátum elvezetéséhez. A szabályozó szelep kisebb, így kisebb volumenű kondenzátum nagyobb nyomáskülönbség mellett áramlik. A kondenzelvezető elmaradhat. A kondenzlevezető szabályozás legnagyobb hátránya, hogy a hőteljesítményt nem közvetlenül, hanem közvetett módon szabályozza a hőcserélőben, egy lassú kondenzátumszintváltozás útján. Fontos, hogy a kondenzelvezetés konstrukciója lehetőleg vízlökésmentes megoldást biztosítson, ezzel is csökkentve a feltöltődés veszé-
lyét, továbbá a szabályozó szelepek elrendezése lehetővé tegye a kiengedését. A lecsapódó és a keletkező forró víz révén kialakuló egyenlőtlen fűtés bizonyos hátrányokat jelent: A különböző fűtőzónák eltérő hőmérséklete miatt a termék hevítése nem egyenletes. Termoszifon-elpárologtatóknál a folyamat még inkább egyenlőtlen fűtőteljesítményt eredményez. Járulékos hőfeszültségek. A hőcserélőt a kondenzátum az irányváltó lemezházig eláraszthatja, aminek következtében az egyenletes szabályozás nehezebbé válik, és vízlökések léphetnek fel. A szabályozó szelep nem képes egyidejűleg szabályozni és kondenzelvezetőként működni, ezért kell időnként a kondenzátumot friss bevezetésével eltávolítani. A P állandó előremenő hőmérséklet + túlfolyószelep A háromutas szeleppel csatlakozó fogyasztó hátrány: magas előremenő hőmérséklet minden felhasználónál 4. ábra Primer fűtőkörös folyadékos fűtés
Folyadékkal való fűtés Fűtőközegként a víz 150 C hőmérsékletig (5 bar) jöhet számításba, szerves hőközlő közegek nagyobb hőmérsékletig; egészen 320 C-ig. A szerves hőközlő közegek előnye, hogy a fűtőrendszer és a berendezés még magas hőmérséklet esetén is kisnyomáson üzemel. Figyelembe kell azonban venni, hogy a szerves hőközlő közegek a rosszabb hővezetésük révén lényegesen rosszabb hőátadási tényezővel rendelkeznek, mint a és a víz. A folyadék hőközlő közeg hátránya, hogy nem állandó hőmérsékletű a fűtés. A P szekunder kör pontos hőmérséklet-beállításhoz A H 2 O P szekunder kör fűtéssel és hűtéssel előnye, hogy minden felhasználó a szükséges előremenő hőmérsékletet kapja, kíméletes fűtés 5. ábra Szekunder fűtőkörös folyadékos fűtés A lehetséges fűtési rendszereket a 4. és 5. ábrák szemléltetik. A 4. ábrán ún. primer fűtőkörös rendszer szerepel, ahol minden hőcserélő a hevítőből
kilépő magas hőmérsékletű közegre kapcsolódik. Ez a termék hőkárosodását okozhatja. A hevítő hőteljesítménye az összes felhasználó hőigényétől függően változik. A berendezésbe belépő hőközlő közeg áramlását fojtószeleppel lehet szabályozni, amivel együtt a hőátadási tényező is változik, a Reynoldsszámnak megfelelően. T 1 t 2 E V F - E t 2 V F Q t E E t 1 T 2 a Q hőteljesítményhez szükséges tárolt közeg mennyisége: E Q E = ) C (1) F ( ) ( kg / t t h E 2 a Q hőteljesítményhez szükséges áramló közeg térfogata: V F V Q = ) (2) C ( ) ( t t kg h F / F 1 2 az előremenő hőmérséklet: t 1 ( V E) t E t t F + = 2 E 1 ( C) (3) V F Az alkalmazott jelölések: A = a hőcserélő felülete (m 2 ) C F = a hőközlő fajhője (Wh/kg K) E = a szekunder körben tárolt közeg mennyisége (kg/h) K = a hőátadási tényező (W/m 2 K) Q = hőteljesítmény (W) T 1 = a fűtőközeg belépési hőmérséklete ( C) T 2 = a fűtőközeg kilépési hőmérséklete ( C) T E = a tárolt közeg hőmérséklete ( C) V F = a körfolyamatban áramló közeg mennyisége (kg/h) 6. ábra Egy szekunder fűtőkör elrendezése
Lényegesen kedvezőbb az 5. ábrán bemutatott szekunder fűtőkör, amellyel messzemenően egyenletes fűtés biztosítható. Különleges előnye a szekunder kör rendkívül rugalmas alkalmazkodása a fűtőfolyadék hőmérsékletéhez és a hőigényhez. Adott hőigény mellett beállítható a fűtőközeg és a termék közötti legkisebb hőmérséklet-különbség. A szekunder kör áramlási sebessége, valamint a hőátadási tényező állandó. A szekunder körös folyadék hőközlő közeges fűtési rendszer legfontosabb képletét (3) szemlélteti a 6. ábra, amely szerint a hőközlő közeg előremenő hőmérséklete (t 1 ) nagymértékben függ a szekunder körben tárolt hőközlő közeg mennyiségétől (E), és ennek hőmérsékletétől (t E ). A hőközlő közeg előremenő hőmérsékletének állandósága a következő intézkedésekkel javítható: Nagy átáramló térfogat V F, kis hőmérséklet-különbség t = t 1 t 2. Nagyobb tárolt hőközlő közeg mennyiség E, kis hőmérséklet-különbséggel t = t E t 2. A tárolt mennyiség (E) pontos szabályozása. A tárolt hőközlő közeg hőmérsékletének állandó értéken tartása; t E = konst. A minimális nyomáskülönbség tartása A hőközlő körfolyamat tervezésénél ügyelni kell arra, hogy az előremenő vezeték és a visszatérő vezeték között fenn kell tartani egy minimális nyomáskülönbséget, hogy a felhasználás okozta legnagyobb nyomásveszteség mellett is megfelelő mennyiségű közeg áramolhasson. Ehhez mind a szivattyúk, mind a hőcserélő, valamint a szabályozó- és túlfolyószelepek vonatkozásában az adott nyomásértékek tartása szükséges, amint a következő példa mutatja: 1. felhasználó 2. felhasználó P szabályozószelep 1,0 bar 1,1 bar P berendezés 0,5 bar 0,9 bar P teljes rendszer 1,5 bar 2,0 bar A túlfolyószelepnél szükséges minimális nyomáskülönbség P = 2 bar. A túlfolyószelepnél a nyomást nagyobb értéken kell tartani, mint egyes felhasználók legnagyobb nyomásvesztesége. (Szentpály Tibor) Nitsche, M.: Dampfförmig oder flüssig; Auswahl von Beheizungssystem. = Verfahrens Technik, 36. k. 7/8. sz. 2002. p. 24 27. Gambert, R.: Modellregelung für Heiz-/Kühlkreislauf. Temperaturkaskaden an Batchreaktoren. = Verfahrens Technik, 36. k. 7/8. sz. 2002. p. 28 30.