Gerse Károly

Kazánok

2., javított kiadás

2.2.2.4. Kényszerített keringtetés

A természetes cirkuláció előnyei, hátrányai: Az elgőzölögtető csőrendszer hűtéséhez folyamatosan hőelvonás kell, amely a folyadék, illetve a belőle keletkező folyadék-gőz keverék folyamatos, a megengedett csőfalhőmérséklet betartását garantáló áramoltatásával biztosítható. Az előbbiekben részletesen bemutatott, sűrűségkülönbségen alapuló természetes cirkuláció előnye, hogy:

segédenergia nélkül üzemeltethető,
tetszőlegesen kis terhelésen is üzemben tartható,
a csőrendszer az indulás előtt az alsó kamrákba történő gőzbefújással vagy hőn tartó (kis teljesítményű segéd-) égővel melegen tartható,
a felhasználó gőzigényéhez könnyen igazodik.

A természetes cirkuláció hátránya, hogy

az elgőzölögtető csőfelületek hűtése a terhelés függvényében lényegesen változhat,
a párhuzamosan kapcsolt, különbözőképpen fűtött elgőzölögtető csöveknél az áramlás megállhat, megfordulhat,
a megfelelő áramlási sebesség eléréséhez, esetenként a hőátadás, kazánkonstrukció szempontjából optimális csőméreteknél nagyobb csőátmérőt kell alkalmazni,
az elgőzölögtető rendszer adott méretei miatt a nyomásváltozást a frissgőz-hőmérséklet változásával kompenzálja,
érzékeny a gyors nyomáscsökkenésre,
a terhelés-, nyomásváltozás vízszint- és tápvízmennyiség-lengésekhez vezethet.

Kényszerített keringtetés mint megoldás: A minden üzemállapotban stabil áramlás, megfelelő csőfalhűtés (tömegáram-sűrűség) az elgőzölögtető körbe beépített, keringtetőszivattyúval – kényszerített keringtetéssel – biztosítható. Ennél a közegáramlást nemcsak a sűrűségkülönbségből adódó felhajtóerő, hanem részben vagy teljesen a keringtetőszivattyú emelőmagassága hozza létre. Nyilvánvaló azonban, hogy a villamos motorral vagy kis gőzturbinával hajtott keringtetőszivattyú működtetése energiát igényel, ami a kazán (ezzel a körfolyamat) hatásfokát csökkenti (<0,6%-kal). Ezért a szivattyú teljesítményigényének minimalizálására a kazán fűtőfelületeit optimálisan, a tömegáram lehetőség szerinti minimalizálásával kell kialakítani.

A gyakorlatban többféle elvi megoldás alakult ki:

Alapvetően természetes cirkulációval tervezett kazánoknál is lehetnek olyan – elsősorban konvektív elgőzölögtető – felületek, amelyek megfelelő hűtését kényszerített keringtetéssel kell biztosítani (2.97. ábra (b)). Ebben az esetben a természetes és a kényszerített keringtetés párhuzamosan működik, a két rendszer között az átjárás a kazándobon keresztül lehetséges [2.2].
A besugárzott fűtőfelület hűtése kényszerített keringtetéssel (2.97. ábra (c)).
A párhuzamosan kapcsolt besugárzott és konvektív elgőzölögtető felületek hűtése kényszerített keringtetéssel (2.97. ábra (d)).
Konvektív (például gázturbina utáni hőhasznosító kazán) elgőzölögtető felület hűtése kényszerített keringtetéssel (2.97. ábra (e)).

A rendszer működésének előfeltétele, hogy a kazándobban – az elgőzölgési fix pont helyén – a fázisok szétválása megtörténjen. Így a kényszerített keringtetés is csak mintegy 195 bar frissgőz-nyomásig (szubkritikus frissgőz-paramétertartományban) alkalmazható, és az elgőzölögtetési fix pontból adódóan összefüggő nyomás- és hőmérséklet-változás jellemzi.

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m713kaz_991/#m713kaz_991 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m713kaz_991/#m713kaz_991)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m713kaz_991/#m713kaz_991)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

2.97. ábra. Cirkulációs rendszerek. 1: tápvíz-előmelegítő, 2: tűztéri elgőzölögtető, 3: konvektív elgőzölögtető, 4: utó-elgőzölögtető, 5: túlhevítő

Általános megoldás: Kényszerített áramlásnál (2.97. ábra (f), amely a szuperkritikus nyomástartományban is alkalmazható, az álladó gőzparaméterek a tüzelési teljesítmény változtatásával minden esetben biztosíthatók. Ennek a rendszernek a hátránya, hogy a kazánkialakítástól függő minimális teljesítmény alatt az elgőzölögtető csőrendszer megfelelő hűtése nincs biztosítva, a kazánteljesítmény a névleges teljesítmény 40%-a alá általában nem csökkenthető. Ez a hátrány a belső cirkulációval (2.97. ábra (g) vagy a szuperponált cirkulációval (2.97. ábra (h) ellátott kényszerített átáramlás alkalmazásával szüntethető csak meg. Ezeket részletesen a 2.2.2.5. fejezetben ismertetjük.

Konstrukciós elvárások: A kényszerített keringtetésű (feltalálójuk után: La-Mont1) kazánok cirkulációs rendszerének kialakítását két lényeges szempont határozza meg:

A kavitáció elkerülése érdekében, a keringtetőszivattyú szívócsonkján kellő túlnyomást (aláhűtést) kell biztosítani. Ez egyrészt legalább 7–8 m ráfolyási magassággal, másrészt – amennyiben erre a fűtőfelületek hőfelvételének kiosztása lehetőséget ad – a telítésinél hidegebb tápvíz kazándobba (esetenként a keringtetőszivattyú szívócsövébe [7]) vezetésével valósítható meg.
Az elgőzölögtető csövekben legalább a 2.91. ábrán bemutatott, illetve a csőanyagra megengedett falhőmérséklet elkerüléséhez szükséges áramlási sebességet (tömegáram-sűrűséget) el kell érni. Ez a tömegáram (teljesítményigény) minimalizálására kis áramlási keresztmetszetet igényel. Ebből adódóan általában 32–38 mm külső átmérőjű csöveket alkalmaznak. A csövekben a sebesség elérheti a 15–20 m/s értéket is [2.2]. A nagyobb közegsebesség következtében az áramlási ellenállás a geodetikus nyomáskülönbséghez viszonyítva lényegesen nagyobb.

Miután a csövek elrendezését a legkisebb áramlási ellenállás elérésére törekvés nem korlátozza, tetszőleges (függőleges – akár fel-le –, vízszintes, meander, csőkígyó) vonalvezetés választható (2.98. ábra). Ugyanakkor kívánatos, hogy az áramlási veszteségekből adódó nyomásesés az 1 bar értéket lehetőleg ne haladja meg, miközben a keringtetőszivattyú emelőmagassága 2,5–3 bar tartományban szokásos.

Az egyenletes, illetve a kívánatos közegeloszlás érdekében a forrcsöveket belépésüknél egyenkénti, az áramlási ellenállás-különbségek figyelembevételével méretezett fojtótárcsákkal, esetenként állítható fojtóelemekkel látják el. Ezek nyomásvesztesége a forrcsövek nyomásveszteségének nagyságrendjében van. Az üzembiztonság érdekében 2-3 keringtetőszivattyút építenek be párhuzamosan, melyek közül az egyik tartalék. A keringtetőszivattyúk hozzáfolyó vezetékeiben az áramlási sebesség 1,5–3,5 m/s, a nyomóvezetékekben 2–4 m/s tartományban van [1]. Ledinegg [7] nagyobb értékeket is megengedhetőnek tartott. A nagyobb teljesítményű, kényszerített keringtetésű kazánoknál a villamosmotor-hajtású, tömszelencementes keringtetőszivattyút a nagy átmérőjű külső ejtőcsövekbe építik be. A nagyobb áramlási sebességből adódóan a kazándobban nagyobb fröcsköléssel kellene számolni, a bekötőcsövek beömlő nyílásait tartalmazó dobtér lehatárolásával és vízleválasztó ciklonok beépítésével azonban a cseppelragadás minimalizálható. Kis teljesítményű berendezéseknél függőleges tengelyű dobot is alkalmaznak, amelybe a gőz-víz keveréket érintőlegesen vezetik be, így a dob a cseppleválasztó ciklon szerepét is betölti. A tápvíz-előmelegítők, túlhevítők, újrahevítők kialakítása (a telítésinél hidegebb tápvíz-előmelegítő utáni közeghőmérséklet-igénytől eltekintve) a természetes cirkulációjú kazánokéval azonos.

A kényszerített keringtetésű csőrendszer jelleggörbéje: A kényszerített keringtetésű elgőzölögtető rendszer a természetes cirkulációhoz hasonlóan két szakaszra osztható: a helyi nyomáshoz tartozó telítési hőmérsékletnél hidegebb folyadékot telítési hőmérsékletre melegítő ekó- és a tényleges elgőzölögtető szakaszra. Előbbire a keringtetőszivattyú kavitációjának megelőzése érdekében mindenképpen szükség van.

ekószakasz belépő és kilépő pontja közötti áramlási nyomáskülönbséget (

) a belépési (

), csősúrlódási (

) és irányelterelési (

) nyomásveszteségek figyelembevételével felírva:

(2.80)

Behelyettesítve, a szokásos felírásmóddal:

(2.80/a)

ahol

search	a belépési veszteségtényező,
search	az irányelterelési veszteségtényező,
search	tömegáram-sűrűség [kg/m2s],
search	a folyadékfázis fajtérfogata [m3/kg],
search	csősúrlódási tényező,
search	a cső belső átmérője [mm].

elgőzölögtető szakasz belépő és kilépő pontja közötti áramlási nyomáskülönbség (

) a csősúrlódási (

), irányelterelési (

), gyorsítási (

) és kilépési (

), nyomásveszteségek figyelembevételével:

(2.81)

Kifejtve:

(2.81/a)

ahol

search	a kilépési veszteségtényező,
search	a kilépő keresztmetszetre vonatkoztatott kétfázisú korrekciós tényező,
search	a folyadékfázis sűrűsége [kg/m3],
search	a gőzfázis sűrűsége [kg/m3],
search	a cső search helyére vonatkozó kétfázisú korrekciós tényező,
search	a cső kilépő keresztmetszetére vonatkozó gőzkitöltési tényező (térfogathányad),
search	gőztartalom a kilépő keresztmetszetben.

A szokásos nagy áramlási sebesség mellett az előresietési sebesség általában elhanyagolható. Függőleges, ferde csöveknél a geodetikus nyomáskülönbséget is figyelembe kell venni:

(2.82)

ahol

search	a cső z helyére vonatkozó keresztmetszet-kitöltési tényező (térfogathányad),
search	az elgőzölögtető cső hossza [m],
search	a cső vízszinteshez mért hajlásszöge [fok].

Így az eredő nyomáskülönbség:

(2.83)

A geodetikus nyomáskülönbség függ a kazán szerkezeti kialakításától, az elgőzölögtető csövek elrendezésétől. A 2.98. ábrán vázolt, függőleges vonalvezetésű elgőzölögtető csöveknél a számítás a természetes cirkulációval azonos. A csőkígyó elrendezésű felületnél a forrcsövek íves szakaszai és a bekötőcső, a konvektív elgőzölögtetőnél pedig csak a konvektív felület íves szakaszai és a bekötőcsövek számítanak. A többi függőleges csőszakaszon folyadékfázis áramlik (így nincs vagy alig van sűrűségkülönbség), a vízszintes csőszakaszokon pedig nincs magasságkülönbség. Az előbbi, (2.82) képlet alapján végzett számítás természetesen helyes eredményt ad.

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m713kaz_1019/#m713kaz_1019 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m713kaz_1019/#m713kaz_1019)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m713kaz_1019/#m713kaz_1019)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

2.98. ábra. Kényszerített áramlású keringési rendszerek

Az áramlás stabilitásának vizsgálatához elterjedt gyakorlat, hogy a belépési, kilépési, irányelterelési, gyorsítási veszteséget a hosszú csőszakasz csősúrlódási veszteségéhez képest elhanyagolják (mintegy vízszintes csőszakaszt feltételezve), a geodetikus nyomáskülönbség csőelrendezéstől függő alakulását pedig külön vizsgálják. Homogén áramlás feltételezésével (kétfázisú szakaszokon a ténylegesen szeparált áramlásból adódó eltérések elhanyagolásával), az előmelegítő szakaszon a közeg sűrűségét a telítettfolyadék-sűrűséggel, az elgőzölögtető szakaszon pedig a folyadék és a csőből kilépő víz-gőz keverék átlagos sűrűségével helyettesítve, az ekó- és elgőzölögtető szakaszra azonos súrlódási veszteségtényezőt feltételezve:

(2.84)

ahol

search	átlagos fajtérfogat [m3/kg],
search	kilépő gőztartalom,
search	átlagos hőterhelés (egyenletes hossz menti fűtést feltételezve) [kW/m],
search	tömegáram [kg/s],
search	az ekószakasz hossza [m],
search	a csőbe belépő, aláhűtött folyadék entalpiája [kJ/kg].

A tömegáram-sűrűséget tömegárammal helyettesítve és a

állandót bevezetve:

(2.85)

További állandókat kiemelve és az

tényezőt bevezetve:

(2.86)

(2.87)

(2.88)

illetve

(2.89)

(2.90)

(2.91)

Ezekkel kényszerített áramlású elgőzölögtető csövekre:

(2.85/a)

Az áramlás stabilitása: Az előbbiek alapján a kényszerített keringtetésű elgőzölögtető cső csősúrlódási nyomásveszteség-jelleggörbéjét harmadfokú polinom írja le. Az egyéb nyomáskülönbségek ezt torzítják, de érdemben nem változtatják. Miután a tömegáram növekedésekor a kilépő gőztartalom csökken, a görbe lefutása stabil (a tömegáram függvényében folyamatosan emelkedő) és instabil (a tömegáram függvényében emelkedő, majd süllyedő) jellegű is lehet (2.99. ábra). Az utóbbi lehetőségét az első derivált:

(2.92)

lefutása [1] határozza meg.

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m713kaz_1040/#m713kaz_1040 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m713kaz_1040/#m713kaz_1040)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m713kaz_1040/#m713kaz_1040)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

2.99. ábra. Kényszerátáramlású elgőzölögtető csövek lehetséges jelleggörbéi

Valós zérus helyek esetén a nyomásveszteség-görbe maximum, minimum szélsőértékekkel rendelkezik, így az áramlás instabil. Valós számtartományban nem létező zérus hely esetén az áramlás stabil. A másodfokú összefüggést megoldva:

(2.93)

Amennyiben

( search ) < 0	nincs szélsőérték, az áramlás stabil,
( search ) = 0	a két szélsőérték azonos, az áramlás még stabil,
( search ) > 0	két szélsőérték adódik, az áramlás instabil (2.99. ábra).

A levezetést [1] nem részletezve, az áramlás stabilitása csak

(2.94)

Illetve átrendezve a

(2.95)

egyenlőtlenségekből kiadódó tartományban várható.

Leegyszerűsítve, a stabilitás a nyomástól, illetve az aláhűtéstől függ. Egy adott gőznyomásnál az aláhűtésnek (2.100. ábra, ahol az aláhűtést a telített és a csőrendszerbe belépő folyadékentalpia

különbsége jellemzi) egy, az előbbi összefüggésből számítható minimális értéket el kell érni, és nem léphet túl egy maximális értéket, amely a nyomás növekedésével egyre nagyobb lesz.

A felhajtóerő javíthatja a jelleggörbe stabilitását, de az instabilitás biztos megelőzése csak az elgőzölögtető csövek ekószakaszába (rendszerint a csövek belépő keresztmetszetébe) elhelyezett, már említett fojtóelemekkel lehetséges. Ezek megfelelő meredekségű, másodfokú jellegű jelleggörbéjét az instabil harmadfokú elgőzölögtető cső jelleggörbéjével összegezve stabil harmadfokú jelleggörbe adódik. A fojtóelemek átmérője a cső belső átmérőjének mintegy harmada, és a hőterhelés-eloszlástól, vonalvezetéstől függően csőről csőre változhat. Méretezésük, elhelyezésüktől függően, a (3.180) és a (3.181) képletek szerinti veszteségtényezők felhasználásával történhet. Az eldugulás megelőzésére egyedi vagy – a kamrák lehatárolásával – csoportos szűrőket kell eléjük beépíteni.

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m713kaz_1053/#m713kaz_1053 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m713kaz_1053/#m713kaz_1053)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m713kaz_1053/#m713kaz_1053)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

2.100. ábra. A stabil működés tartománya

A keringtetési szám: A kényszerített keringtetésű kazánoknál a szokásos keringtetési szám 3–6 között van [3]. A kisebb szám a nagyobb nyomású, teljesítményű kazánokra vonatkozik. Ebből adódóan a forráskrízis valószínűsége esetenként nagyobb lehet, mint a természetes cirkulációjú elgőzölögtetőknél. Erre a nyomásváltozásnak is lényeges befolyása lehet, ugyanis mint a 2.101. ábra mutatja, a nyomás növekedésével (adott csőkeresztmetszetben az entalpia állandó marad) az amúgy is nagy gőztartalom (2-vel jelölt nyilak) tovább nő. Kis gőztartalom esetén (1-gyel jelölt nyilak) a gőztartalom csökken. Mivel a gőznyomás-szabályozó a nyomás növekedésével csökkenti a tüzelési teljesítményt (amely a gőztartalom csökkenésével jár), kis gőztartalom esetén a két változás iránya azonos, nagy gőztartalom esetén ellenkező. Így nagy keringtetési számnál az elgőzölögtető stabil, az előbbi, kisebb keringtetési szám esetén labilis lehet.

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m713kaz_1056/#m713kaz_1056 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m713kaz_1056/#m713kaz_1056)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m713kaz_1056/#m713kaz_1056)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

2.101. ábra. A nyomásváltozás hatása a gőzfejlődésre [3]

A folyamat a változás előtti és utáni állapot entalpianövekedésnek felírásával vizsgálható. Állandó tömegáramot, belépő (

) entalpiát feltételezve az elgőzölögtető egy adott helyén:

(2.96)

Feltételezve, hogy a változások a nyomás függvényében lineárisak:

(2.97)

Kis gőztartalomnál a szögletes zárójel első tagja arányaiban nagyobb, így a gőztartalom csökken. Nagy gőztartalomnál a második tag megnő, túlszárnyalja az elsőt, így a gőztartalom növekszik. Nagyobb nyomásoknál

is lecsökken, így a növekedés még nagyobb, a nyomásgradiens tovább nő. Az

megengedett értékét az előbbi egyenletből

= 0 feltételezésével lehet meghatározni:

(2.98)

A különféle nyomásokra kiadódó értékek 30–220 bar nyomástartományában

= 0,474 érték felett vannak, így az előbbi

> 3 keringési számok valószínűsítik az áramlás stabilitását.

Lehetséges-e numerikus megoldás? A gőzfejlesztő cső jelleggörbéjének előbbi felírása alapján úgy tűnhet, hogy a cirkulációt leíró egyenlet az ejtő- és emelőcsövek nyomáskülönbségét leíró összefüggések egyenlővé tételével numerikusan is megoldható. A valóságban erre nincs lehetőség, mivel az előbbi – csak a folyamatok jellegét bemutató – levezetések során számos elhanyagolással, közelítéssel éltünk. A megbízható szerkezeti kialakítás érdekében a cirkulációs számításokat minden esetben a természetes cirkulációra néhány példával bemutatott módszerekkel, a 3. fejezetben részletezett összefüggések, ellenállás-tényezők, korrekciós tényezők figyelembevételével kell elvégezni, függetlenül az elgőzölögtető rendszerbeli keringtetés jellegétől.

Az Amerikai Egyesült Államokban élő Walter Douglas Lamont sorhajóhadnagy az 1920-as években szabadalmaztatta a kényszerített cirkulációjú kazánt, amelyet hazájában nem fogadtak be. Kiváló tulajdonságai (kis tömeg, gyors indíthatóság, megbízható üzem stb.) miatt kezdetben elsősorban a német és a japán hadihajókon alkalmazták [2.68]. A név eredetitől eltérő írásmódja emiatt került az európai gyakorlatba.

Tartalomjegyzék

Kiadó: Akadémiai Kiadó

Online megjelenés éve: 2020

ISBN: 978 963 454 492 0

Műszaki tudományok BME GPK tankönyvek

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//

BibTeX EndNote Mendeley Zotero