Gerse Károly

Kazánok

2., javított kiadás


2.1. Történeti fejlődés

A gőzkazánok fejlesztését az ipari forradalom, a szénbányászat igényei kényszerítették ki a XVIII. század második felétől kezdődően [2]. Ezt megelőzően csak néhány, inkább érdekességként, mint gyakorlati alkalmazásként szolgáló említés fordul elő.
Az első gőzkazán valószínűleg az időszámítás előtti második században élt Alexandriai Hérón, nemzetközileg közismert nevén Hero által leírt aeolipila (2.1. ábra) vagy hasonló szerkezetek hajtására szolgált. A következő említésre méltó szerkezet az olasz Giovanni Branca által a XVII. század elején készített, lapátozott kereket hajtó, fúvókán keresztül vezetett gőzt előállító, a Hérón által leírthoz hasonló kazán. A francia Denis Papin e század vége felé találta fel a nyomás alatti főzőedényt (kuktafazekat), amelyen biztonsági szelepet is alkalmazott.
 
2.1. ábra. Az Alexandriai Hérón által leírt aeolipila
 
A bányaszivattyúkhoz alkalmazott kazánok a XVIII. század elején még összeszegecselt rézlemezekből készültek, alakjuk sem volt mindig ideális (gömb, henger vagy ezekből összeállított formájú), fűtésük a palást egy részén történt, a tüzelőanyagot nagyon rosszul hasznosították. A hatékonyság javítására az első vizsgálatokat, hatásfokszámítást John Allen végezte 1730 körül. Ő javasolta a füstjáratok víztér belsejében történő menetszerű elhelyezését és az égéshez szükséges levegő rostély alá történő befúvását.
Az első, nagyobb nyomásra alkalmas berendezést az angol Richard Thevithick készítette 1804-ben, a kazán (mintegy 2 láb maximális méretű) kovácsolt lemezekből (a hengerelt lemezek csak a XIX. század végén terjedtek el) összeszegecselt hengeres vastartály volt, sík fenekekkel, lángcsővel, az ebben elhelyezett rostéllyal. Ezzel megjelent a mai, nagy vízterű kazán őse, jóllehet a lángcsöves konstrukció csak a XIX. század utolsó harmadában vált általánossá. Az úgynevezett vízcsöves kazánokra vonatkozó első ismert javaslat William Blakey-től, 1766-ból származik, gyakorlati alkalmazására azonban csak évtizedekkel később került sor.
A korabeli berendezések rendkívül balesetveszélyesek voltak, miután a felhasznált anyagok minősége egyenlőtlen volt, a gyártás és a berendezések méretezése gyakorlati alapon, anyagvizsgálatok, megbízható számítási módszerek nélkül történt. Ezek mellett a kazánba bevezetett vízből a fűtőfelületeken kiváló lerakódások is hozzájárultak a felületek túlmelegedéséhez, esetenkénti gyors meghibásodásához. A gyakori kazánrobbanások (víztér-felhasadások) sok halálos és sebesült áldozatot követeltek.
A fejlődés a hengerelt lemezek megjelenésével, nagy térfogatú tartályok helyett vízcsövek alkalmazásával az 1800-as évek második felében gyorsult fel [2.1]. Az egyik leggyakrabban alkalmazott kazántípus a 2.2. ábrán látható úgynevezett Cornwall-kazán volt, amelynek fűtőfelületét a rostély elhelyezését is biztosító nagyobb átmérőjű lángcső, valamint a kazánköpeny képezte. A füstgáz rendszerint három huzamban távozott a berendezésből, a lángcsőből kilépve, a kazántest alá, középre beépített falazat egyik oldalán áramlott előre, a másikon vissza.
 
2.2. ábra. Két lángcsöves, szegecselt, falazott kazán [2.1]
 
A 2.2. ábra szerinti, túlhevítővel is ellátott, 8 atü1 engedélyezési nyomású, 97,87 m2 fűtő- és 3,14 m2 rostélyfelületű gőzkazánt a „CYCLOP” Mehlis & Behrens Gépgyár Berlinben gyártotta. A lángcső lemezövekből került összeállításra, az egyes szakaszok összekapcsolása úgynevezett Adamson-féle kivitelben, a merevítést is elősegítő, vaslemez tárcsák közbeiktatásával történt. Az oldalnézeten megfigyelhető, hogy a kazánfalazat megfelelő kialakításával a füstgáz csak a kazánköpeny vízzel hűtött részével érintkezhetett, a kazántest súlyát a köpenyt fűtő füstgázzal érintkező, öntöttvas bölcsők továbbították az alap felé. A gőztisztaság biztosítására (cseppelragadás csökkentésére) csaknem minden kazánnál alkalmaztak gőzdómot, miután a korabeli kazánokba még mindennemű előkészítés nélkül adagolták a tápvizet.
A kazán működésének ellenőrzésére részletes vizsgálatokat végeztek, ez alapján lehetőség van a korabeli hatásfok megítélésére is. A távozó füstgázhőmérséklet − 1,8–2,2 nagyságú légfelesleg-tényező mellett – 275–360 °C között volt, miközben a 4,9–5,5 atm üzemnyomáshoz tartozó telítési hőmérséklet csak mintegy 150 °C. A kazánhatásfok 1,47 t/h gőztermelésnél, 4555 kcal/kg fűtőértékű2 cseh barnaszénnel 62,4, míg 1,15 t/h gőztermelésnél, 6866 kcal/kg fűtőértékű sziléziai kockaszén eltüzelésével 71% volt. A tápvizet környezeti hőmérsékleten táplálták a kazánba. A fajlagos gőztermelés 19,3–29,3 kg/m2 volt. A salakéghető-tartalom 10–53%(!) között változott (a szén hamutartalma csak néhány százalék volt).
A kazánok teljesítményének növelése csak a fűtőfelület megnagyobbításával volt lehetséges, ezt a berendezések egy részénél egy második, rendszerint füstcsöves kazántest alkalmazásával oldották meg. A 2.3. ábra a Maschinenbau – Anstalt Humboldt (Kalk Köln mellett) által gyártott 170 m2 fűtő-, 3,3 m2 rostélyfelületű, max. 9,5 atü nyomású kazánt mutatja, amelynél a fűtőfelület növelésére a kazán lángcsövében elhelyezett ferde, nagy átmérőjű, lemezből kovácsolt, szegecselt Galloway-csöveket is alkalmaztak. A cső beépítése lángcsöves kazánoknál is szokásos volt.
 
2.3. ábra. Kétdobos Tischbein-gőzkazán [2.1]
 
A 2.3. ábrán a korabeli kettőskazán-konstrukciók számos jellegzetessége megfigyelhető. Egyrészt a felső kazándobon a vízszint ellenőrzésére kezdetben csaknem minden gyártó külön előrenyúló nyúlványt alkalmazott. A vízszintet a felső és alsó kazándobban külön tartották, azaz külön-külön gőztér volt, amelyet a vegyi vízelőkészítés hiánya, a cseppelragadás csökkentése tett szükségessé. A cseppelragadást a gőzátvezető csőre elhelyezett sapkával is csökkentették. Gondosan ügyeltek az alsó térrészben keletkezett gőz átvezetésére a felső gőztérbe. A felső kazándob vízszintjének állandó értéken tartására – a nagy átmérőjű gőzátvezető csőben elhelyezett – túlfolyócsövet alkalmaztak. Rendszerint fűtött volt az alsó kazándob gőztere is (ezt a felső dobban elhelyezett füstcsövekben lehűlt füstgázok tették lehetővé).
Már a korai konstrukcióknál megjelent a lángcsöves, füstcsöves kialakítás. A 2.4. ábrán látható hajókazánt a Dresdner Maschinenfabrik und Schiffswerft AG készítette, rostélyfelülete 3,04 m2, fűtőfelülete ~69 m2, engedélyezési nyomása 12 atm volt; 104 db 83 mm átmérőjű, 3,5 mm falvastagságú, valamint 48 db 6,5 mm falvastagságú (úgynevezett horgony-) csővel rendelkezett. Megfigyelhető a mellső és hátsó kazánfal, valamint a hátsó fordulókamra gondos merevítése. A tüzelés minőségének javítására a rostély végén a terelőjáratokban felmelegedett szekunder levegő befúvására volt lehetőség. A tengeri hajókazánokat, a kazánkőképződés minimalizálására, általában desztillált vízzel táplálták. Levegőbefúvással (50 vízoszlop-mm túlnyomásnál) 1 m2 rostélyfelülettel 202 LE teljesítményt is elértek.
 
2.4. ábra. Láng- és füstcsöves hajókazán [2.1]
 
A vasúti mozdonykazánoknál tűzszekrényt, ehhez csatlakozó füstcsöveket alkalmaztak (2.5. ábra). A későbbi típusoknál a hatásfok javítására a füstcsövekbe a kémény felől bedugott túlhevítő felületeket is elhelyeztek.
 
2.5. ábra. Mozdonykazán hosszmetszete
Forrás: Wikipedia
 
A fűtőfelületek további növelésére stabil kazánoknál a vízzel hűtött csövek alkalmazása adott lehetőséget. Ennek egyik változata az L.&C. Steinmüller (Gummersbach) által kifejlesztett lemezkamrás (lemeztáskás) kazán volt, amely a 2.6. ábrán látható. A gőzfejlesztő fűtőfelülete 155,6 m2, a túlhevítő fűtőfelülete 36,6 m2volt. A 95 mm átmérőjű, 3,5 mm vastagságú forrcsöveket keresztirányban 180 mm, függőleges irányban 150 mm osztással helyezték el, sakktáblás elrendezésben. (A rajzon engedélyezési nyomásra utaló adatok nincsenek.)
A mellső és hátsó lemeztáskák átmeneti idommal közvetlenül csatlakoztak a kazándobhoz (ez volt a Steinmüller-féle szabadalom lényege). A mellső kamrából a gőz-víz keverék egy részét a hosszdob alján elhelyezett csövön keresztül, közvetlenül a hátsó kamracsonkhoz vezették, más része az egyenletes, cseppelragadás-mentes gőz-víz keverék szétválásának érdekében a vízszint fölé elhelyezett tálcára került, amelyből a víz az alsó felületen elhelyezett furatokon távozhatott. A gőzelvezetés a dob felső alkotója alatt hosszirányban elhelyezett perforált csövön történt.
 
2.6. ábra. Lemeztáskás gőzkazán [2.1]
 
A tápvíz bevezetése elöl, a kamra csatlakozás előtt történt. Leiszapolásra a dob hátsó részéből, illetve a hátsó lemezkamrából volt mód. A kazán alátámasztása a lemezkamrákon történt, az első lemezkamránál volt a fix pont, a hátsó gördülő alátámasztással rendelkezett. (A dobot a falazat is alátámasztotta.) A túlhevítőt falazattal elválasztott szekrényben helyezték el, a hőmérséklet szabályozására kívülről állítható csappantyúk voltak elöl és hátul a füstgázáramba beépítve.
A lemezkamrák lezárására kezdetben a kívülről csavarokkal lefogott megoldásokat alkalmazták. Ezeknél azonban a csavarok gyakori törése után a fedél elszabadult, és a nyíláson kiömlő forró víz, illetve víz-gőz keverék veszélyeztette a személyzet életét. Ezért a későbbiekben belülről kúposan beszoruló vagy belső élen felfekvő zárófedelet alkalmaztak, amely a belső nyomás hatására biztosan tömített.
Az ábrán láthatónál kisebb, egy másik kazángyár által készített (112 m2 fűtőfelületű, 2,56 m2 rostélyfelületű) kazánon 1897-ben elvégzett „gőzfejlesztési” vizsgálat során – 7747 kcal/kg fűtőértékű szénnel, 8,33 atü gőznyomásnál, 13,3 °C átlagos túlhevítéssel, 17,1 °C tápvízhőmérséklet mellett – 76,6% (direkt módon, hőmérleg alapján meghatározott) hatásfokot, 2155 kg/h teljesítményt, 19,11 kg/m2h fajlagos gőztermelést értek el. A távozó füstgázhőmérséklet átlagosan 336,7 °C, a huzat 9,19 vízoszlop-milliméter volt.
A vízcsöves kazánok fejlődésben mérföldkő volt az a ferde vízcsöves, elemkamrás (gyakorlatban a gyártó után Babcock & Wilcox, rövidítve BW) kazánokra vonatkozó szabadalom, amelyet az amerikai Stephen Wilcox jelentett be 1856-ban. A 2.7. ábra (a) és 2.7. ábra (b) szerinti hosszdobos, BW-kazán 12 atü nyomásra, 182 m2 fűtő- és 3,46 m2 rostélyfelülettel készült. A hosszú ideig alkalmazott konstrukcióból Európában 1867-ben építették az első változatot.
 
2.7. ábra. a) Hosszdobos, elemkamrás BW-kazán hosszmetszete. b) A BW-kazán keresztmetszete. c) Elemkamrák lezáró szerelvénye [2.1]
a)
 
b)
 
c)
 
A 102 mm átmérőjű, 15° hajlásszöggel elhelyezett forrcsöveket a 2.7. ábra (c) szerinti elemkamrákba hengerelték be, melyek külön-külön bekötőcsövekkel csatlakoztak a kazándobba. A megoldás a nagyméretű lemezből készült hegesztett vagy szegecselt lemezkamrákhoz képest nagyobb rugalmasságot biztosított, a gyártás, ellenőrzés, minőségbiztosítás egyszerűbbé, ezáltal a kazán biztonságosabbá vált. Az elemkamrák csövekkel szembeni nyílásait lezáró szerkezet is különös gondossággal készült, a tömítőfelület a peremezett homloklapon volt, a csövek hengerlésénél, tisztításánál nem sérülhetett meg. Így tömítőanyag alkalmazására nem volt szükség. Az elemkamrák vízszintes irányú osztása 173 mm, a sakktáblásan elhelyezett forrcsövek függőleges irányú osztása 152 mm volt.
Az ábrán bemutatott változatnál a forrcsöveket összefogó – a 2.7. ábra (c) felső része szerinti – elemkamrák bekötőcsövei még kovácsolt, alakos keresztidomok közbeiktatásával csatlakoztak a kazándobba, a keresztidomok méretének csökkentésére kis átmérőjű dobokat alkalmaztak, emiatt a bemutatott kazánhoz is két hosszdobra volt szükség (2.7. ábra (b)). A keresztidomot a csövek függőleges be‑, illetve elvezetésének biztosítása tette indokolttá. A későbbiekben az alakos idomot elhagyták, a bekötőcsöveket közvetlenül a hosszdobba hengerelték (a bekötés nem párhuzamosan, hanem a dob tengelyének irányába történt), majd a kazán szélességének növelésére a hosszdobok helyett keresztdobokat alkalmaztak.
Ezen konstrukciónál is nagy gondot fordítottak a gőztisztaság biztosítására. Ezt célozta az elemkamra-bekötőcsövek párhuzamos bevezetése is. A mellső bekötőcsövek fölé ütközőlemezt építettek, ezzel a gőz-víz keveréket a dob hossztengelyével egyirányú áramlásra kényszerítették, mely egyenletesebb gőzkiválást eredményezett. A homlokfal felőli vízszintes tápvízbevezetés is a dob hossztengelye menti áramlást segítette elő. Leiszapolásra a hátsó elemkamrák alá beépített, iszapgyűjtő kamrából volt lehetőség.
Külön meg kell említeni a kazánszerkezet felfüggesztését, alátámasztását. A kazándobokat a 2.7. ábrán (a) és 2.7. ábrán (b) látható módon nem alátámasztották, hanem a kazán állványszerkezetére függesztették kovácsolt acélpántokkal. Ezek közvetlenül a mellső és hátsó kazánfenekek közelében voltak elhelyezve. A jelenlegi kazándob-felfüggesztéseknél is ez a leggyakrabban alkalmazott megoldás azzal, hogy a kazándob egyenletes alakváltozása érdekében a függesztőpántok függőleges irányú elhelyezését a tömegeloszlás figyelembevételével optimalizálják. A mellső és hátsó elemkamrák a kovácsolt keresztkamrákon, bekötőcsöveken keresztül a felső kazándobokon függtek; a hátsó, rugalmasabban csatlakozó elemkamráknál (csatlakozó iszapgyűjtő kamránál), illetve a falazat-csőrendszer csatlakozásoknál volt alsó segédmegtámasztás is.
Szokatlan megoldás volt, hogy a domborított kazánfenekek közül az elsőn a vízállásmutató tápvízcsonk csatlakoztatására sima felfekvő felületeket alakítottak ki, így kihúzásokra nem volt szükség.
Az egységteljesítmény további növelésére csak a forrcsövek számának növelésével volt mód. Ennek egyik megoldása a Herman Garbe (Berlin – Pankow) által szabadalmaztatott Garbe-kazán, melyet a 2.8. ábra mutat. A szabadalom lényege az alsó és felső kazándobra szegecselt, alakos, úgynevezett Garbe-lemezek közé beépített egyenes forrcsőelrendezés, illetve a külső ejtőcsővel kialakított cirkulációs rendszer. Az ábrán látható kazán 12 atü nyomásra készült, 140 m2 fűtő-, 3,4 m2 rostélyfelülettel. A csőrendszer 57 mm átmérőjű csövekből készült, hosszirányban 200, 90, 200 mm, keresztirányban 100 mm csőosztással. A szokatlan csőosztást a kazán könnyű javíthatósága tette szükségessé.
A 2.3. ábrán, 2.4. ábrán, 2.5. ábrán, 2.6. ábrán, 2.7. ábrán bemutatott füstcsöves, ferde csöves kazánoknál a kazán előtt vagy mögött alakítottak ki elegendő nagyságú helyet, hogy az esetlegesen meghibásodott csöveket kihúzzák, illetve az újakat beépítsék. A csőtisztításhoz, csőcseréhez a lemezkamrákon minden csőnyílás zárófedelét el kellett távolítani. A Garbe-kazánnál a két kazándobon lévő búvónyílást, illetve a kazánfalazaton lévő bemászóajtót kellett csak kinyitni. A kettős, 90 mm osztású csősorokat követő 200 mm-es osztás lehetővé tette minden cső megtekintését, a meghibásodott csövek eltávolítását, a falazaton kialakított bemászóajtón a belső térbe (füstjáratokba) bevihető, új csövek beépítését. Így a tisztítás vagy bármilyen javítás sokkal gyorsabban volt elvégezhető, mint a ferde csöves kazánoknál.
 
 
A kazánrendszert az alsó dob alatti öntöttvas bölcsőkre támasztották, a falazat terhet nem viselt. A tápvizet a felső kazándobba vezették, egyenletes elosztását egy hosszirányú cső biztosította. Miután az előkészítetlen, hideg tápvíz a telítési hőmérsékletű kazánvízzel keveredve a dobban felmelegedett, a keverék az egyetlen, nagy átmérőjű (az ábrán 250 mm) ejtőcsövön került át az alsó kazándobba, ahol a csapadék, a csőfalakról esetlegesen levált kazánkő kiválhatott, így a forrcsövekben minimális lerakódás keletkezett, amely hosszú élettartamot valószínűsített. Az egyenes csövek a felső kazándobból könnyen tisztíthatók voltak, a kitisztított szennyeződés az alsó kazándobból eltávolítható volt.
 
 
A fejlődés következő lépését az amerikai Allan Stirling 1880-as szabadalma alapján, a Garbe-lemez elhagyásával épített, az alul és felül elhelyezett dobokat fűtött, meredek (akár függőlegesen vezetett), hajlított csövekkel összekötő kazánok jelentették. Erre példaként a The Stirling Company, Chicago által készített hajókazánt (2.9. ábra) mutatjuk. A több dob alkalmazását a fűtőfelület növelése tette szükségessé, miután adott dobátmérő és dobhosszúság mellett csak korlátozott számú forrcsövet, így korlátozott nagyságú fűtőfelületet tudtak elhelyezni. A Stirling-kazán abban is továbblépést jelent a Garbe-kazánhoz viszonyítva, hogy a csövek kazándobhoz csatlakoztatása a csövek végeinek sugárirányú hajlításával történt.
Az előzőekben bemutatott lángcsöves, lokomobil, Steinmüller-, BW-, Stirling-kazántípusokat kisebb módosításokkal a huszadik század első felében is nagy számban építették. Kialakításukat lényegesen befolyásolta, hogy rostélytüzelésre készültek. Csak elvétve építettek olajtüzelésű lángcsöves vagy Stirling- kazánt.
A kazánkonstrukciókban áttörést a rostélytüzelés szénportüzeléssel történő kiváltása (első alkalmazás 1918-ban az Amerikai Egyesült Államokban), ezzel az úgynevezett besugárzott tűztér megjelenése, a rostélyméretektől független kazánméretek lehetősége hozott. Emellett a varrat nélküli acélcsövek, villamos ívhegesztés széles körű elterjedésével, a nagyobb hőmérsékleteknek is tartósan ellenálló, ötvözött acélanyagok kifejlesztésével a lehetőségek tovább bővültek, ezt jelzi
  • a szuperkritikus nyomás, kényszerátáramlás alkalmazására vonatkozóan a szudétanémet származású Mark Benson (eredeti nevén Müller) szabadalma [2.71] (1922), illetve az „egycsöves” kazánra vonatkozó Sulzer-szabadalom (1933),
  • a hegesztett membránfal alkalmazása a 60-as évek végén,
  • a gyárilag készre szerelt, úgynevezett csomagolt (package) ipari kazánok megjelenése a 60-as években,
  • a toronykazán-konstrukció, szuperponált keringtetés alkalmazása a 70-es évek elején.
 
A fejlesztés nem állt meg. A legfontosabb cél az erőmű hatásfok-javítása érdekében a kezdő paraméterek (gőznyomás, gőzhőmérséklet) növelése, de emellett a felhasználók számára fontos az üzembiztonság javítása, a gyártási költségek, az időtartam csökkentése, az egyre szigorodó környezetvédelmi előírások legolcsóbb teljesítési lehetősége is.
A hazai kazánparkot a közelmúltig a vegyes előfordulás jellemezte. A szezonális működésű élelmiszeripari üzemekben, elsősorban cukorgyárakban még az 1900-as évek elején gyártott kazánok is előfordultak, de az erőművekben is találkozni lehetett az évszázad első feléből való, időközben többször felújított, tüzelőberendezést váltott, de az alapvető jellemzőket megőrző berendezésekkel. Mára – különösen a 1990-es évek elején bekövetkezett gazdasági szerkezetváltás, illetve a környezetvédelmi elvárások, műszaki fejlődés miatti erkölcsi avulás következtében – a régebbi berendezéstípusok mind az ipari üzemekből, mind az erőművekből eltűntek, így a következőkben elsősorban a jelenlegi berendezéstípusokkal, szerkezeti jellemzőkkel foglalkozunk. Ugyanakkor, miután a jelenlegi, „korszerű” berendezések számtalan megoldást, szerkezeti részletet átvettek a korábbi típusoktól, néhány esetben ezekre is utalunk.
1 atü, att: régi nyomásmértékegység, a légköri nyomáshoz viszonyított túlnyomás, 1 at = 1,01325 bar.
2 kcal: régi hőmennyiség-mértékegység, 1 kcal = 4,1868 kJ.

Kazánok

Tartalomjegyzék


Kiadó: Akadémiai Kiadó

Online megjelenés éve: 2020

ISBN: 978 963 454 492 0

Háztartásokban, ipari üzemekben, erőművekben széleskörűen alkalmaznak tüzelőanyag elégetésével vagy más módon bevezetett hőmennyiség hőhordozó közeggel történő hasznosítására szolgáló berendezéseket: kazánokat. A könyv ezek tervezésének, üzemeltetésének, vizsgálatának szerteágazó konstrukciós, hőtechnikai, áramlástani, szilárdságtani, vegyészeti és más ismereteit foglalja össze, az egyetemi oktatásban és a gyakorlati életben is hasznosítható módon. Az elméletet élő gyakorlattal ötvözve elsősorban erőműi, ipari, távhőszolgáltató kazánokkal foglalkozik, de a folyamatokra, szerkezeti kialakításra, gyakorlati viselkedésre vonatkozó utalások kisebb berendezéseknél is alkalmazhatók.

Hivatkozás: https://mersz.hu/gerse-kazanok//

BibTeXEndNoteMendeleyZotero

Kivonat
fullscreenclose
printsave