HŐTERMELŐKRŐL KAZÁNOKRÓL BŐVEBBEN
HŐTERMELŐK Közvetlen hőtermelők olyan berendezések, amelyekben fosszilis vagy nukleáris tüzelőanyagok kötött energiájából használható hőt állítanak elő a hőfogyasztók számára. Ezek a berendezések lehetnek kályhák, kazánok és atomreaktorok. Tágabb értelemben vett hőtermelők csoportjához tartoznak még a: Hőszivattyúk, napkollektorok, hőcserélők.
Atomreaktorok maghasadás elvén működő, nukleáris hőtermelők, amelyek elsősorban gáz és vízhűtésűek. A Paksi atomreaktor könnyűvizes reaktor, amely azt jelenti a moderátor és a hűtés szerepét könnyű víz (H2O) tölti be, ezen belül is nyomottvízes reaktor, amelyben a víz mindvégig folyadékfázisban marad. Kályhák olyan berendezések, amelyek alkalmazásakor a hőtermelés ott történik ahol a hő hasznosítás. Ide soroljuk az egy és kétaknás kályhákat, cserépkályhákat, kandallókat, tűzhelykazánokat, villanykályhákat, gázkonvektorokat. A kazánok kialakítását nagymértékben befolyásolja a tüzelő berendezések nagysága, és az alkalmazott tüzelőanyag fajtája. A berendezésekkel szemben támasztott követelmények a minél jobb tüzelési hatásfok és a minél kisebb szennyezés kibocsátás.
KAZÁN
HŐSZIVATTYÚ
NAPKOLLEKTOR
Kazánok csoportosítása A kazánok csoportosítása többféle szempont szerint történhet. A felhasznált tüzelőanyag szerint: -szilárd (fa, szén koksz, hulladék..) -olaj -gáz (földgáz, kémiai folyamatok során keletkezett gázok) -különleges tüzelőanyagok (biomassza) -villamosenergiával működő berendezések Alkalmazott hőhordozó közeg szerint: -forróvíz -melegvíz -gőz -olaj melegítésre alkalmas készülékek
A kazántest alapanyaga szerint: -öntöttvas -acél -nemesacél -alumínium ötvözet -rézötvözet -egyéb ötvözetek Üzemi túlnyomás szerint: -kisnyomású (1 bar túlnyomásig, 120 Co-ig) -nagynyomású (1 bar nyomás és 120 Co feletti)
Teljesítményük alapján: -kis (50 kw-ig), háztartási kazánok -közepes(500 kw-ig), ipari és kommunális létesítményi kazánok -nagy(500 kw felett), fűtőművi, erőművi kazánok A tűztérnyomás alapján: -atmoszférikus -túlnyomásos Füstgáz terelés szerint: -kettős huzamú -hármas huzamú -részáramú és ezek kombinációja
Jellegzetes szerkezeti kialakítás bemutatása egyszerű ábrákkal. függőleges vízcsöves vízszintes vízcsöves bordázott vízcsöves
rézből készült csőkígyós füstcsöves kondenzációs
Öntöttvas kazánok Öntöttvas tagos kazánok jellemzői: -1960-ig uralkodó típus volt. Jelenleg ismét reneszánszát éli. A kazán üreges öntvényekből tagokból áll, amelyeket kúpos közhüvelyekkel kapcsolják össze. Ezek a közhüvelyek biztosítják a hidraulikai és erőtani kapcsolatot az egyes tagok között. Létezik elő utó és változtatható számú köztag. Az elő és utó tagot kivéve minden tag egyforma és tartalmazza a nagy kazán valamennyi elemét: töltőgarat, rostély, füstjárat, (a szilárd tüzelésűnél) víztér, füstcsatorna. -csekély huzatigényű, -korrózióálló kazánanyag, -fűtőfelület a tagok számával változtatható.
Forgórostélyos szilárdtüzelésű Automatikus üzemű, begyújtása az előremenő víz hőmérsékletéről, vagy a helyiség hőmérsékletéről vezérelt.
Pellet kazán Kompakt pellet kazánok: egy készülékegységben foglalják magukba a kazántestet, a pellet tároló tartályt és az adagoló csigát. A különálló tároló-szerkezetű pellet kazánok, ahogy a neve is mutatja két különálló részből áll és egymáshoz képest önállóan elhelyezhető. Ettől eltérő pellet kazán típus a tárolóegység nélküli, ahol a pellet tárolására általában egy külön épülethelyiség, vagy tároló szolgál, ahonnan adagoló csigával juttatják el a kazánhoz a tüzelőanyagokat.
Faelgázosító kazán A VIGAS kazánok nagymértékben különböznek az átlagos szilárd tüzelésű kazánoktól. Az égési folyamat az úgynevezett elgázosítás elvén működik. Az elgázosítási eljárás a szerves és szervetlen anyagok zárt kamrában történő hőbomlásán alapul, amely a befúvóventilátor által létrehozott elsődleges levegő kismértékű túlnyomásánál megy végbe. Az faelgázosítás a hőálló betonfúvóka felett, a kazán tüzelőanyag terében történik. Az első fázisban a tüzelőanyag szárítása és a nedvesség kivonása történik. A keletkező gázok összekeverednek az előfűtött szekunder levegővel és ezek alkotják az égési gázok elegyét a második fázisban. A gázok elégetése a kazán égésterében megy végbe és a harmadik fázisban az égéstermék a hőcserélő csövön keresztül távozik a kéménybe
Stirling-motorral kibővített kazán A stirling motor nem belsőégésű motorként működik (mint az Otto- vagy diesel motorok), hanem külső hőátadóként. A fa égésekor képződő hő egy részét a stirling motorhoz vezetik. Ott kívülről felhevíti a henger egyik felét, melyben a munkagázt kitágítja és egy dugattyút eltol. Eközben a munkagáz a henger egy hűvösebb részébe kerül, ahol lehűl és összehúzódik. A dugattyú így visszakerül a kiindulási helyzetében és az egész folyamat ismétlődik. A dugattyú mozgását egy forgattyús tengely forgó mozgásúvá alakítja, ami egy generátort hajt meg és áramot termel.
A csonkagúla szerű tüskék között áramló füstgázból ha időszakosan vízgőz csapódik le az intenzívebb hőelvonású felületrészeken, az a magasabb hőmérsékletű tüskéken elgő- zölög.
Acéllemez kazánok Nagyobb hőmérsékletű, mennyiségű és nyomású fűtőközeg előállítására alkalmas. Fajlagos terhelhetőségük nagyobb az ÖV kazánokhoz képest. A hagyományos acéllemez kazánok kevésbé korrózióállóak, a tápvíz minőséggel szemben támasztott követelmény nagyobb.
Kishőmérsékletű acéllemez ill. speciális öntvényacéllemez kazánok Kazánon belül két vízkör van. A két kör hihraulikai viszonyainak függvényében alakulnak ki az üzemi viszonyok. A tűztérrel érintkező primer, kis vízkörből injektoron keresztül áramlik a szekunder, nagy vízkörbe a tulajdonképpeni fűtőkörbe a víz. A primer körben a víz 100 sec elteltével a harmatponti hőmérséklet fölé emelkedik, így a füstgázban lévő vízgőz nem tud kondenzálódni.
Két csövet egymásba tolnak és a hővezetés javítása érdekében egymásnak préselnek. A belső cső hajtogatással bordázott acél, mely 2,5-ször nagyobb hőátadó felületet ad, mint egy sima falú cső. A préselési ill. sajtolási helyek különböző távolságra vannak elhelyezve,ezzel a hőátbocsátást befolyásolják,ahol az alacsonyabb hőmérsékletű füstgáz áramlik kevesebb hő adódik át, és így magasabb hőmérsékleten tud távozni a füstgáz, így a kondenzáció megakadályozása biztosított.
A kombinált két rétegű fűtőfelület radiális bordákkal ellátott gyűrű alakú öntvényt, acél veszi körül, ez érintkezik a víztérrel. Az öntöttvas a füstgáz oldalon magasabb hőmérsékletű lesz, mint a kazánvízzel körülvett acélhenger, a két különböző anyag eltérő hővezető képessége miatt. A füstgázban lévő vízgőz kondenzációjának megakadályozását célozza a speciális kialakítású kazántest.
A nagy teljesítményű modern acéllemez három huzamú kazán, nagy hőátadó felületét a speciális, szabadalommal védett bemélyedésekkel ellátott füstcsövek biztosítják.
Kondenzációs kazánok A füstgáz harmatponti hőmérséklet alatti hőfokon hagyja el a berendezést, amelynek következtében a füstgázban lévő vízgőz lekondenzálódik leadva kondenzációs hőjét. Az alacsony távozó füstgázhőmérséklet és hasznosuló kondenzációs hő miatt jelentős hatásfok javulás jön létre. Az utóbbi a füstgázban lévő vízgőz mennyiségétől (tüzelőanyag fajtájától, légcsereszámtól, égéslevegő nedvességtartalmától) és a kondenzáció mértékétől függ. H minőségű 1 Nm3 gáz elégetésekor több mint 1 kg vízgőz keletkezik. A vízgőz rejtett hője 2500 kj/kg. A gáz fűtőértékének 11 %-t teszi ki a vízgőz hőtartalma. Az olaj tüzelőanyag fűtőértékének közel 6 %-t teszi ki a vízgőz hőtartalma.
A hatásfok javulás feltételei: -Alacsony, 60 Co alatti fűtővíz hőmérséklettel tudjuk kihasználni a berendezés előnyös tulajdonságait. -A kazán anyagának rozsdamentes acélból, vagy korrúzióálló ötvözetből kell lennie. -A keletkező kondenzátum elvezetéséről gondoskodni kell. -A füstgáz gravitációsan a berendezésből az alacsony hőmérséklete miatt nem tud távozni, gépi úton történő elvezetéséről gondoskodni kell. A kondenzációs kazánok lehetnek: -égésterméket egy lépcsőben lehűtő berendezés, -kazán után kapcsolható kondenzációs hőcserélő
Kondenzációs kazán tűztér kialakítása szerint: -Száraz tűzterű, amelyben a füstgázt szakaszosan hűtik le, több különálló hőcserélővel. Az első hőcserélő a tűzteret veszi körül és harmatponti hőmérséklet felett dolgozik, míg a második esetleg a harmadik hőcserélő a harmatponti hőmérséklet alá hűti a füstgázt. -Nedves tűzterű, amelyben a füstgáz vízgőz tartalmának jelentős része lekondenzálódik. A tűztér alján gyűlik össze a kondenzátum, amelynek elvezetéséről gondoskodni kell. Az égőt a tűztér felső részén kell elhelyezni, hogy a forró égőre ne csöpögjön a kondenzátum.
Nedves tűzterű kondenzációs kazán
Száraz tűzterű kondenzációs kazán
Kondenzáció a kazán után kapcsolt füstgáz-víz hőcserélőben történik meg
Fali kondenzációs kazán
Vízgőz harmatponti hőmérséklete- széndioxid tartalom tf %-ban
Rendszer hőmérséklete, és annak részaránya a fűtési idényben a külső hőmérséklet függvényében
Az előző ábrával megegyező, más fűtőközeg hőfokkal.
Kazánhatásfok
Füstgáz veszteség R m 3 /kg c Kj/m 3 o C
12644 kj/m 3 Szénmonoxid fűtőértéke R m 3 /kg (CO) kg/m 3
P Q sug sug Sugárzási veszteség Qsug = Ai αi i = Q Q i sug névh [ ] ( t t ) [ W] int burkolaton keresztüli hőveszteség [W] A i i-ik felületelemének mérete [m 2 ] α i i-ik felületelem hőátadási tényezője [W/m 2 K] t i t int i-ik felületelem felületi hőmérséklete [ C] kazánház belső hőmérséklete [ C] P sug burkolaton keresztüli fajlagos hőveszteség [-] Q névh kazán névleges hőterhelése [W]
Kazánhatásfok és keletkezett kondenzátum mennyisége a visszatérő fűtővíz hőmérséklet függvényében
Tüzeléstechnikai hatásfok a kazánvízhőmérséklet függvényében
Összes készenléti veszteség P = Psug + kémény 0 P [ ] P 0 az összes készenléti veszteség [-] P kémény az égéstermék rendszeren keresztüli veszteség [-] P sug a burkolaton keresztüli fajlagos hőveszteség [-] Mérési módszerek: Kazán készenléti állapotban való üzemeltetése Segédfűtés módszere
Készenléti veszteség a kazánvíz-hőmérséklet függvényében
Kazánterhelés és túlméretezés ( th tk ) Qnévt ϕ = [ ] L = ( t t ) [ ] ϕ kor h ϕ = L km [ ] Q éphő t h a helyiséghőmérséklet [ C] t k a pillanatnyi külső hőmérséklet [ C] t km a méretezési külső hőmérséklet [ C] φ a kazánterhelés [-] Q névt a kazán névleges teljesítménye [W] Q éphő az épület méretezési hővesztesége [W] φ kor a korrigált kazánterhelés [-]
Kazánhatásfok részterhelésen η g, x = 1 ϕ kor η100 1 P t + 1 [%] η g,x a kazán hatásfoka φ kor részterhelésen [-] η 100 a kazán hatásfoka teljes terhelésen [-] φ kor a korrigált kazánterhelés [-] P t a kazán fajlagos készenléti vesztesége a φ kazánterheléshez tartozó t köz kazánvíz hőmérsékleten [-]
Fűtővíz szabályozása t t e v = = ( ) 1+ M t t ϕ + ( t t ) viz, m h 1 1 ϕ 2 ϕ 2 ( ) 1+ M tviz, m th ϕ ( tem tvm ) + th em t h a helyiséghőmérséklet [ C] t k a pillanatnyi külső hőmérséklet [ C] t km a méretezési külső hőmérséklet [ C] φ a kazánterhelés [-] t em a fűtővíz előremenő hőm. méretezési állapotban [ C] t vm a fűtővíz visszatérő hőm. méretezési állapotban [ C] t viz,m a átlagos hőmérséklete méretezési állapotban [ C] t e a fűtővíz előremenő hőmérséklete [ C] t v a fűtővíz visszatérő hőmérséklete [ C] M a radiátor hőmérséklet kitevője [-] vm + t h
η B = 1 b 1 b a vh q B + 1 ahol b a /b vh hányados nem más mint a kazán kiterhelésének (φ-nek) reciproka. q = B hõleadás üzemszüneti állapotban teljes terhelésû kazán teljesítmény A q B értékét kísérletekkel határozzák meg. Modern nagy kazánoknál az értéke 0,001-0,01; kis kazánoknál 0,008-002; tárolós kazánoknál 0,02-0,03; nagyon öreg kazánoknál 0,06-0,09.
Hőtermelők elhelyezése
Hőszivattyúk teljesítménytényezője
Carnot körfolyamat Q c = T c s P v =W v = (T c -T o ) s Teljesítmény mutató: Q c / W v = T c / (T c -T o )
Hűtés fajlagos teljesítménytényezője ε hg T = T h T 0 h = 1 T 1 T 0 h ahol T o a környezeti hőmérséklet T h a hűtési hőmérséklet EER (Energy Efficiency Ratio) = Hűtés energetikai hatékonysága Hasznos hűtőteljesítmény / Előállításához szükséges gépi effektív teljesítményfelvétel Gép teljes (100 %) terhelésén, szabványosított paraméterek mellett ε hsz Hőszivattyú fajlagos teljesítménytényezője T = 1 T c = T c T T c a hőelvezetés hőmérséklete 0 1 T 0 c COP(Coefficient of Performance)=Hőszivattyúzás energetikai hatékonysága Hasznos fűtőteljesítmény / Előállításához szükséges gépi effektív teljesítményfelvétel Gép teljes (100 %) terhelésén, szabványosított paraméterek mellett
Valóságos hőszivattyú körfolyamat a lgp-h diagram
Villamos hajtású hőszivattyú hőtermelése ε y Q eff HS f = = Q P = Q f HS 1 ε a f = η = + P HS hsz P Q HS f T f T f T 0 η hsz = 0,5 0,6 y HS a fajlagos villamosenergia felhasználás
Gázmotoros hőszivattyú hőtermelése f ü HS GM HS f ü GM m GM ü m GM ü GM f GM f HS Q Q q Q Q Q Q W Q Q Q W Q = + = = = = = ) ( µ η η µ ε ε Fajlagos tüzelőhőfelhasználás