A munkaközeg melegítési igényének kielégítése kazán alkalmazásával.

I. KAZÁNOK A kazán tüzelõberendezésbõl és a füstgázzal (égéstermékkel) munkaközeget (vízet) melegítő hõcserélõbõl áll. A tüzelési folyamatot jelenleg csak az anyag és energiamérleg meghatározása céljából vizsgáljuk, a témakör részletesebb tanulmányozására az Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Tüzeléstechnika illetve Tüzelõ és kazánszerkezetek tárgyainak keretében a következõ félévekben van lehetõség. A munkaközeg melegítési igényének kielégítése kazán alkalmazásával. Az igény lehet: Helyiség fűtés: melegvíz kazán:(tvízki<115 C, p>ps(tvízki)) a legolcsóbb, nem veszélyes és a legjobb hatásfokú: Tvízki alacsony és T=Tfgki-Tvízki 25-50 C. Forróvíz kazán: (Tvízki>115 C) távfűtés esetén használatos. p>ps(tvízki) Technológiai folyamat fűtése: Melegvíz, forróvíz és telített gőzt termelő kazán. A hőmérséklet pontos tartására a telített gőz különösen alkalmas. p=ps(tgőz) Villamosenergia termelése: Nagy nyomású és jelentősen túlhevített gőz (Ez ad jó körfolyamat hatásfokot, lásd a Carnot körfolyamatot: hőbevezetés és hőelvonás közepes hőmérséklete.) Kombinált hő- és villamosenergia termelés is lehetséges. Számítási feladatok: 1./ Határozza meg a oktán égéséhez szükséges levegõ-, valamint a keletkezõ égéstermék fajlagos (1kg tüzelõanyagra vonatkozó) mennyiségét elméleti λ=1 és valóságos pl. λ=1.2 esetben! Elméleti az égés, ha az teljes és tökéletes: összes: C CO 2 valamint az összes H H 2 O lesz. (A harmadik éghető elem a kén, ami most S=0 ) Az égési (sztöchiometriai) egyenlet: 1 C H + 12 O = 8CO + 9H O 8 18 2 2 2 2 Molszámokkal: 1kmol +12.5kmol 8kmol+9kmol Reagensek = 13.5 kmol 17kmol = Termékek (Az égés során =3.5 kmol térfogat növekedés állandó hőmérséklet mellett!) Az égés tömegekkel(m C =12kg/kmol, M H =1kg/kmol, M O =16kg/kmol, M N =14kg/kmol) 114kg + 400kg = 352kg + 162kg 514kg = 514kg (Tömeg nem változik!) Az energetikai tüzelés nem oxigénnel hanem levegõvel történik. A levegõ összetétele: térfogat %: 21 % oxigén 79% nitrogén (atmoszférikus ) tömeg%: 23.2% " 76.8% " A levegõt ilyen módon leírva: 1 O2 figyelembe. 76. 8 * + * N térfogat, és 1* O2 + * N tömeg szerinte összetétellel vehetõ 79 21 2 23. 2 2 D:\Konczol\Oktatás\kalorgep\kggy01_.doc 1

A sztöchiometriai (kémiai) egyenlet levegõvel tüzelve az oktánt: 1 79 1 79 Molszámokkal: C H + 12 *( O + N ) = 8 * CO + 9* H O + 12 * * N 8 18 2 2 21 2 2 2 2 21 2 1kmolC 8 H 18 +12.5kmolO 2 +47.02kmol N 2 8kmolCO 2 + 9kmolH 2 O + 47.02kmol N 2 Összesen: 60.52 kmol 64.02 kmol (növekmény 3.5kmol változatlan!) Tömeggel: 114kgC 8 H 18 + 400kgO 2 + 1316.67kg N 2 352kgCO 2 + 162kgH 2 O + 1316.67kg N 2 Összesen: 1830.67 kg = 1830.67 kg (Nem változik!) Mindkét oldalt elosztva az oktán moltömegével (114 kg/kmol): 1kgC 8 H 18 + 15.06kg levegõ = 3.09kgCO 2 + 1.42kgH 2 O +11.55kgN 2 Összesen: 16.06kg = =16.06kg Az 1kg oktán tüzelõanyag égéséhez fajlagosan szükséges elméleti levegõ mennyisége: µ Lo =15.06kg, szokásos jelölés még: L 0 a keletkezõ elméleti fajlagos égéstermék alkotók mennyisége pedig: µ CO2 = 3.09 kg/kg szokásos jelölés még: V CO2 µ H2O = 1.42 kg/kg szokásos jelölés még: V H2O µ N2 = 11.55 kg/kg szokásos jelölés még: V N2 Az elméleti fajlagos égéstermék mennyisége: µ fgo = µ CO2 + µ H2O +µ N2 = 16.06kg. Szokásos jelölés még: V fg0 Az energetikai tüzelés az elméletileg szükségesnél több levegővel eredményez tökéletes és teljes elégést. A többlet levegő mennyiségét jellemzi a λ>1 légfelesleg tényező: λ = µ L / µ Lo vagy λ=l/l 0 Az 1kg oktán tüzelõanyag égéséhez fajlagosan bevezetett tényleges levegõ mennyiség µ L : µ L =λ µ Lo A keletkező fajlagos égéstermék tényleges mennyisége : Például az oktánra λ=1.2 érték esetén: µ fg = µ fgo + (λ-1) µ Lo µ L =λ µ Lo =15.06*1.2=18.07 kg/kg és: µ fg = µ fgo + (µ L - µ Lo ) =µ fgo + (λ-1) µ Lo = 16.06+(1.2-1) 15.06=19.07 kg/kg A kazán hőmérlege: A kazánba bevezetett hőteljesítmény: Q be =Q hasznos +Q veszteségek A kazán veszteségei: Q veszteségek = Q füstgázhőv +Q elégetlenv +Q falv A tüzelésbe bevezetett hőteljesítmény: D:\Konczol\Oktatás\kalorgep\kggy01_.doc 2 Q tüzbe =B F+Q tüza. előmelegítés +Q lev.külső előmelegítés

2./ Határozza meg egy háztartási melegvízkazánra a jellemzõ tömeg- és energiaáramokat! (Tüzelőanyag: oktán) A kazánba belépõ víz hõmérséklete: t 3 =55 C A kazánból kilépõ víz hõmérséklete: t 4 =70 C A kazánba belépõ víz tömegárama: G 3 =18 kg/perc A kazánt elhagyó füstgáz hõmérséklete: t 2 =145 C A tüzelõanyag oktán, légfeleslegtényezõ: λ=1.2 Az oktán fûtõértéke kalorimetrálás szerint: F1=44630kJ/kg A környezõ levegõ hõmérséklete: t 1 =20 C A kazán külsõ felülete: A k =1 m² A kazán külsõ felületének hõmérséklete: t wk =50 C és ott az átlagos hõátadási tényezõ: αk=15 W/m² C t4 t2 Füstgáz ki tw Égõ t1 Fûtõfelület Qfal B1, F1 Tûztér Pvill t3 Víz be G3 Megoldás: A kazán állandósult üzemállapotában a be- és kilépõ tömeg- és entalpia áramok megegyeznek (tömeg és energia megmaradás): G 3 =G 4 és B1 + B1*λ*µ Lo = B1*[µ fgo + (λ-1) µ Lo ] valamint: Qtüza+Qlevbe+Qvízbe+Pvill = Qvizki+Q2fgki+Qfalv+Qéghetőv Átrendezés után a vízáram felmelegítésével a kazán hasznos hőteljesítménye: Qhasznos = Qvízki - Qvízbe = G 3 *(h v 4-h v 3) ahol: h v =c víz *t víz és c víz = 4.2 kj/kg C, amivel: Qhasznos=G 3 *c víz *(t 4 t 3 )=(18/60)*4.2*15=18.9kW A tüzelőanyag fűtőértékével bevezetett (Fizetünk érte!) hőteljesítmény: Qtüza=B1*F1=B1*44630kJ/kg A kazánban eltüzelt B1 tüzelőanyag tömegáramot még nem ismerjük! D:\Konczol\Oktatás\kalorgep\kggy01_.doc 3

Tüzelőanyag tömegáram meghatározása a kazán energia mérlegéből: A H levo (t)=µ Lo c plev t és H fg (t)=[µ fgo c pfg + (λ-1) µ Lo c plev ] t további jelölésekkel valamint P vill 0, c plev = 1.01kJ/kg C, c pfg = 1.08kJ/kg C felvételével: Belépő = Kilépő B1*F1 + B1*λ*H levo (t 1 ) + G 3 *h v3 = B1*H fg (t 2 )+ G 3 *h v4 +αk*a k *(t wk -t 1 ) A fenti entalpia mérlegben egyedül a B1 tüzelõanyagáram ismeretlen, így az kiszámítható. B1= [G 3 *(h v4 - h v3 )+αk*a k *(t wk -t 1 ) ]/[F1 + λ*h levo (t1) - H fg (t 2 )] B1=0.00046kg/s = 1.657 kg/h A még hiányzó entalpiaáramok: Q 1 =B1*F1 = 20.54 kw tüzelési teljesítmény vagy hőterhelés Q levbe =B1*λ*H levo (t 1 ) = 0.167 kw Q 2fgki =B1*H fg (t 2 ) = 1.359 kw Qfgv=Q2fgki - Qlevbe=B1*[Hfg(t2) - λ*hlevo(t1)] =1.192 kw füstgázveszteség Q falv =αk*a k *(t wk -t 2 )=0.015*1*(50-20)=0.45 kw fal-hõveszteség: A tömegáramok közül a még ismeretlen égési levegõ és égéstermék tömegáram: G lev = B1* µ L = 0.008317 kg/s =29.94 kg/h G fg = B1[µ fgo + (λ-1)* µ Lo ] = 0.008778kg/s= 31.6 kg/h Égéslevegõ térfogatárama: V lev =G lev /ρ lev = 23.16 m³/h Égéstermék térfogatárama: V fg =G fg /ρ fg = 24.89 m³/h A kazán hatásfoka az entalpiaáramokkal (direkt meghatározási módszer, ha a számítást mérési adatok alapján végezzük el): η= Q hasznos / Q tüza = 18.9/20.54= 0.92 azaz 92%. A mért mennyiségek: t 3, t 4, B1, G 3, F1. és η= Qhasznos/Q be = G 3 *c víz *(t 4 t 3 )/B1*F1 Mind az öt mennyiség relatív mérési hibáját ±1%-ra becsülve, a kazán hatásfok értéke a becsült hibakorláttal: η=92% ±4.5%. (!) Meghatározás módszeréből adódik ekkora hiba. A kazán hatásfok indirekt meghatározása a veszteségek alapján: η= [Q tüza - Q fgv - Q falv ]/ Q tüza =1 (Q fgv - Q falv )/ Q tüza η=1-[h fg (t 2 )-λ*h levo (t 1 )]/F1 - Q falv /B1*F1 A veszteségtényezők összege a kazánhatásfok szokásos értéktartományában kereken 0.08 azaz 8%. A mért mennyiségek: t1, t2, λ, F1, falveszteség, melyek mérési hibáját egyenként ±5%-ra (összesen 25%) becsülve, a kazán hatásfok értéke a hibakorláttal: η=92% ±2%. Az indirekt kazánhatásfok meghatározási módszer hibája kisebb! D:\Konczol\Oktatás\kalorgep\kggy01_.doc 4

Nagyvízterű lángcsöves-füstcsöves gőzkazán robbantott képe: Nagyvízterű gőzkazán vázlata: biztonsági szelep gõz kilépés vízszint 2. füstcsõ huzam 1. füstcsõ huzam lángcsõ kazándob nyomás mérõ p Füstgáz forduló kamra füstgáz kilépés tápszivattyú lúgozó tápszelep fõgõz tolózár lángcsõ G gõz 2. füstcsõ huzam 1. füstcsõ huzam iszapoló p gõz Víz tükör vízállásmutató Lángcsöves kazán kiterített vázlata a hőtechnikai és áramlástechnikai számításokhoz: LÁNGCSÕ Tfal Tvíz α víz HÕSUGÁRZÁS Qlcs TÜZELÕANYAG F [kj/kg] ÉGÕ LEVEGÕ Tlev Ptûztér LÁNG I.FORDULÓKAMRA Ttüki QIfk ÉGÉSTERMÉK T1 p1 II. FORDULÓKAMRA GYÛJTÕKAMRA Q2fcs QIIfk α α víz fg δ1 λ1 Q1fcs T3 T4 p3 p4 T2 p2 d1, L1, n1 d2, L2, n2 1. FÜSTCSÕHUZAM 2. FÜSTCSÕHUZAM Tfgki, pfgki TÁVOZÓ ÉGÉSTERMÉK D:\Konczol\Oktatás\kalorgep\kggy01_.doc 5

.3. Példa: Ipari technológia fűtés igénye: pg=12bar nyomású ts=188 C hőmérsékletű száraz telített gőz Ggőz=5t/h tömegáramban. A gőzt termelő kazán a gáztalanítóból 105 C hőmérsékletű tápvizet kap. A kazánvíz sótartalmának csökkentésére lelúgozott tömegáram a termelt gőz 3%-a. A kazán lángcsöves-füstcsöves kialakítású. A tárolt víz tömege mvíz=9000kg. A tüzelőanyag fűtőértéke: F=41000kJ/kg, légfeleslegtényező: λ=1.16 µ Lo =14.31 kg/kg µ fgo = 15.31 kg/kg c plev =1.04 kj/kg.k c pfg =1.1 kj/kg.k A távozó füstgáz hőmérséklete: t fgki =230 C Környezeti hőmérséklet: t k = 20 C A víz jellemzői: h sf =h =798 kj/kg v =0.001137 m3/kg h sg =h =2783 kj/kg v =0.166m3/kg h tv =440 kj/kg r=1985 kj/kg Kazándob átmérője: Dd=2500 mm Kazándob hossza: Ld=3445 mm A kazán külső felületén a hőveszteség: Q falv =32.4 kw (A tüzelési teljesítmény 1%-a) Kérdések: Mekkora az igényelt gőzárammal képviselt hőteljesítmény? Mekkora a lelúgozással okozott hőveszteség? Mekkora a kazánban a füstgázból a víznek átadott hőteljesítmény? Mekkora a kazán tüzelési teljesítménye (terhelése)? Mekkora a kazán hatásfoka? Mekkora kazán tárolóképessége? Megoldás: A gőzkazán hőteljesítményei állandósult üzem esetén A hasznos hőteljesítmény: Q hasznos Q gõz Q tápv G gõz h sg h tv A lelúgozás hőteljesítménye: ( ) 5000 2783 440 3600 ( ). Q lúgv P G gõz ( h sf h tv ) 0.03 5000 ( 798 440) 3600 14.9kW 3255kW D:\Konczol\Oktatás\kalorgep\kggy01_.doc 6

A hőmérleg állandósult üzemben: Q tüz.a Belépõ = Kilépõ + Q lev + Q tápv Q gõz + Q fgki + Q falv + Q lúgv Átrendezve a hõleadó és hõfelvevõ közeg szerint: Tüzelés oldali hõleadás = Vízoldali hõfelvétel Q tüz.a. + Q lev Q fgki Q gõz Q tápv + Q falv + Q lúgv A kazánban a füstgáz-víz közötti hőcsere teljesítmény:. Q hõcsere Q hasznos + Q lúgv + Q falv 3300kW A szükséges tüzelőanyag tömegáram a kazán hőmérlegéből számítható:. B λ µ Lo c plev t k + F µ fgo + λ 1 amiből kifejezve: B=322 kg/h A füstgáz hővesztesége: ( ) µ Lo ( ) µ Lo c pfg t fgki Q hõcsere. Q fgv Q fgki Q levbe B µ fgo + λ 1 c pfg t fgki λ µ Lo c plev t k. Qfgv=369 kw A kazán tüzelési teljesítménye: Ez a legnagyobb vesztesége a kazánnak! A kazán hatásfoka:. Q tüz B F 3667kW. azaz: 90% Q fgv Q falv η k 1 0.9 Q tüz Q tüz A kazándob szükséges falvastagsága ha σ meg =450N/m2, k=2.6:. ( ) D d p d p k s o 3.06mm 2 σ meg A k biztonsági tényezővel és a feltételezett korrózió pótlásával: A választott falvastagság: s=10 mm.. s s o k + c korr 9.5mm D:\Konczol\Oktatás\kalorgep\kggy01_.doc 7

Vízcsöves gőzkazán elvi sémája: A vízcsöves gőzkazánban lejátszódó állapotváltozást a T-s diagramban a 2-3 pontok közötti szakasz mutatja: A gőzkazánban lejátszódó 2 3 pontok közötti állapotváltozás három tartományra bontható: vízhevítés: s 2 -s, elgőzölögtetés: s -s és túlhevítés: s -s 3 Az álapotváltozások elméleti határpontjai: vízhevítés telített folyadék állapotig, (2 s ) elgőzölögtetés száraz telített gőz állapotig (s s ). Így lehet meghatározni az egyes szakaszok elméleti hőszükségletét az igényelt túlhevített gőz tömegáramhoz (G thg ) és állapotjelzőkhöz (h tv, p, h thg ). A vízhevítés elméleti hőszükséglete: Q vh0 = G thg (h -h tv ) Az elgőzölögtetés elméleti hőszükséglete: Q elg0 =G thg (h -h ) A túlhevítés elméleti hőszükséglete: Q th0 =G thg (h thg -h ) A vízcsöves kazánban lejátszódó állapotváltozásokat (vízhevítés, elgőzölögtetés, túlhevítés) általában szerkezetileg és kapcsolásilag is elkülönülő fűtőfelületekben célszerű léterehozni. Ennek oka egyrészt a szerkezeti anyagokban kialakuló legmagasabb hőmérsékletek korlátozása, másrészt a kazán hatásfokának javítása a szabályozhatóság mellett. A vízcsöves gőzkazán fűtőfelületei a munkaközeg melegítésében betöltött szerepük szerint két csoportba sorolhatóak: gőztermelést és D:\Konczol\Oktatás\kalorgep\kggy01_.doc 8

túlhevítést eredményezők. A két fűtőfelület csoportot a kazándob mint fix pont választja el egymástól. A dodos kazán működésének az a kötöttsége, hogy a dobot csak (telített) gőz fázis hagyhatja el, és abban a folyadék szint közel állandó kell legyen. Ez annyit jelent, hogy a kazándobba annyi tápvizet lehet csak bevezetni, amennyi gőz onnan kilép, vagyis amennyit megtermeltünk. A gőztermelést eredményező hőteljesítmények: Q gőzterm.=q vh +Q elg. Az ezzel megtermelt és a kazándobból kilépő gőzáram időben változatlan folyamatnál: G gőzt =(Q vh +Q elg )/(h -h tv ) Az egyes fűtőfelületek hőteljesítményének aránya egy működő berendezésnél nem marad változatlan (állandó), mert a kazán fűtőfelület tisztasága, terhelése és a tüzelőanyag minősége, vagy a belépő közegek állapotjelzői különböznek a tervezési (névleges) értéktől. A hőfelvétel arányának üzem közbeni megváltozása beavatkozási lehetőség nélkül azt eredményezné, hogy a kazán nem az igényelt állapotú (hőmérsékletű) munkaközeget állítaná elő, ami technológiai kárt illetve hatásfok csökkenést okozhat. Annak érdekében, hogy a vízcsöves kazánból a megkívánt állapotú fűtött közeg lépjen ki, szabályozási beavatkozásra van szükség. A szabályozást tervezéskor úgy lehet figyelembe venni, hogy pozitív és negatív (+/-) irányban egyaránt biztosítson beavatkozási lehetőséget. Pl: a befecskendezéses gőzhűtő névleges üzemállapotban 4-5% tápvizet kap, mert ennek csökkentésére (zérusig) és növelésére (szelep max. áteresztéséig) is van lehetőség. A szabályozás megoldásánál figyelembe kell venni, hogy a fűtőfelületek hőfelvételi arányának sajátos karakterisztikája van a terhelés függvényében. Ez a fűtőfelületek füstgáz áramút menti elhelyezkedésével függ össze. A vízhevítő célszerűen az alacsonyabb hőmérsékletű füstgázázáramba kerül, mert a tápvíz tömegárama 0 Gtvmax között változhat, ami a csőfal hőmérsékletét csak alacsony füstgázhőmérséklet mellett garantálhatja. Továbbá a vízhevítő a kazán hatásfokának javításában is jelentős hatású, mivel a leghidegebb fűtött munkaközegről van szó, ami a füstgáz lehűtésének mértékét is meghatározza. (Innen az ECO vagy EKO: Ekonomiser elnevezés.) D:\Konczol\Oktatás\kalorgep\kggy01_.doc 9

Az elgőzölögtető fűtőfelületet a legnagyobb hőáramsűrűségű helyre, a tűztérbe szokták elhelyezni, mert a cső falának hőmérsékletét a víz nagy értékű forrásos hőátadási tényezőjével a legolcsóbb korlátozni. (Alacsony ötvözésű acél tmax=450-500 C-ig olcsó!) A túlhevítő elhelyezését több szempont határozza meg: Egyik a csőanyag hőmérséklet állósága, a másik a túlhevítő hőteljesítményének változási jellege a kazán terheléssel. (u.n. karakterisztika) A besugárzott túlhevítő a tűztérhez közvetlenül csatlakozik, így hőfelvételét a láng-test hősugárzása döntő mértékben befolyásolja. A lángtest hősugárzásából származó hőáramsűrűség a terhelés kb. négyzetgyökével arányos, míg a konvektív hőáramsűrűség a terheléssel kb. lineárisan változik. Ebből adódóan a besugárzott túlhevítő hőfelvételének aránya a konvektív túlhevítővel ellentétben a terhelés csökkenésével növekszik. Újrahevítéses gőzkazán kapcsolódása a gőz-körfolyamatba: A kazánban a 2 3 állapotváltozás a nagynyomású túlhevített gőz termelése, a 4 5 állapotváltozás a gőz kisnyomású újrahevítése. A kazánban a nyomás növelésének nincsen elvi korlátja. Ennek megfelelően elterjedt megoldás a nyomást a kritikus feletti értére választani (szuperkritikus kazán). Ezzel már kétszeres újrahevítés is megvalósítható (7 8 és 9 10 állapotváltozás), ami a körfolyamat hatásfokát további 1.5-2%-kal növeli: D:\Konczol\Oktatás\kalorgep\kggy01_.doc 10

Orientáló kérdések Kazán témakör 1. Milyen igényt elégít ki a kazán? 2. Mi a kazán? 3. Mire szolgál a kémiai (sztöchiometriai) egyenlet? 4. Mi az elméleti fajlagos égési levegő mennyiség? 5. Mi az elméleti fajlagos égéstermék mennyiség? 6. Mi a légfelesleg tényező? 7. Mi a kazán hasznos hőteljesítménye? 8. Mi a kazán tüzelési teljesítménye vagy hőterhelése? 9. Milyen veszteségei vannak a kazánnak? 10. Mi a kazán hatásfoka? 11. Mi a különbség a direkt és indirekt kazánhatásfok meghatározás között? 12. Miért szükséges a kazándobon vízállás mutató? 13. Miért szükséges mérni a kazándobban a nyomást? 14. Mi a gőzkazán tárolóképessége? 15. Mit fejez ki a kazán-képlet? 16. Mi a kazánvíz, a tápvíz és a kondenzvíz? 17. Mi a lelúgozás? 18. Mi a tápvíz előkészítés? 19. Milyen állapotváltozás játszódik le egy erőművi gőzkazánban? (h-s, T-s diagram) 20. Mi a vízhevítés, elgőzőlögtetés és túlhevítés elméleti hőszükséglete? (lgp-h vagy T-s diagram) 21. Miért van szükség a túlhevített gőz hőmérsékletének szabályozására? 22. Hogyan határozható meg a kazándobból kilépő gőzáram? 23. Milyen állapotváltozás jön létre a tápvíz befecskendezéses gőzhűtőben? 24. Mit értünk a gőz minőségén (x) és a gőz tisztaságán (S) a kazándob után? 25. Mi a kazándobban a tükör-terhelés és a gőztér-terhelés? 26. Mi az ejtőcső és a forrcső funkciója a vízcsöves kazánban? 27. Mi a keringési szám és milyen a kapcsolata a forrcsőből kilépő közeg gőztartalmával? 28. Miből adódik a természetes cirkuláció hajtóereje? 29. Mi fékezi a természetes cirkuláció sebességét? 30. Miért alkalmaznak keringető szivattyút a cirkulációs körben? D:\Konczol\Oktatás\kalorgep\kggy01_.doc 11