Gerse Károly

Kazánok

2., javított kiadás


5.7. Falazatok, hőszigetelések

A hőtechnikai számítás része a láng kialakulását, a felületek hőfelvételét, a kazán hőveszteségét befolyásoló falazatok, védőborítások, hőszigetelések hőtechnikai tervezése is.
 
Hagyományos falazatok: Nehéz kazánfalazat kialakításra új konstrukcióknál csak előtét- tüzelőberendezéseknél, hőhasznosító kazánoknál, biomassza-, hulladéktüzelésű kazánok tűztérrészleteinél, illetve régi kazánok felújításánál kerül sor. Kialakítását befolyásolja, hogy az egyes részfeladatoknak [7] – láng terelése, tűzállóság, vegyi és koptató hatásoknak történő ellenállás, hőszigetelés, szilárdság, légtömörség – milyen módon kívánunk eleget tenni, valamint hogy a falazat önhordó vagy felfüggesztett kivitelben készül. A nehéz falazat alapvetően, mint a 2.62. ábra (a) mutatja, három – tűzálló, hőszigetelő, teherbíró – rétegből áll:
  • A minden esetben tűzálló téglából készült belső réteg feladata a láng terelése, a nagy hőmérsékletnek, vegyi és koptató hatásoknak történő ellenállás, a falhőmérsékletnek a hőszigetelő réteg megengedett alkalmazási hőmérséklete alá csökkentése. Erre a célra tűzálló (≥17 SK1, >1500 °C), illetve erősen tűzálló (≥37 SK, >1830 °C) anyagokat alkalmaznak (5.38. táblázat). A falazatot érő hatások lényegesen eltérőek attól függően, hogy a falazat a kazán melyik részén helyezkedik el. A tüzelőanyag feladásánál elsősorban a koptató hatással, gyakori hőmérséklet-ingadozásokkal, az égési zónában nagy hőmérséklettel, az esetlegesen falra tapadó tüzelési maradványok vegyi hatásaival, a füstgázjáratokban az égéstermékek alkotóinak korróziós hatásával kell számolni. Ezek a hatások a tüzelőanyagoktól függően változhatnak. A leggyakrabban alkalmazott, jó hőingadozás-tűrőképességű samott a legtöbb tüzelőanyagnak megfelel, de nagyobb koptató igénybevétel esetén korund, erősen lúgos tüzelési maradványok esetén magnezit, szeméttüzelés esetén szilícium-karbid alkalmazására van szükség [5.34], [5.41]. Különleges (például hulladék-, lúgtüzelésű, vegyipari hőhasznosító stb.) kazánoknál a gyakorlatban bevált, tűzállóanyag gyártók által ajánlott anyagokat kell beépíteni. Korábban a tűzálló falazat készítésére általában idomtéglákat alkalmaztak (régi kazánok felújításánál esetenként ezek pótlása is szükséges), ma általános a kisméretű falazótégláknak megfelelő méretű tűzálló téglák felhasználása. Amennyiben a várható szilárdsági igénybevétel alacsony (mennyezeteknél, tűztérfenék-takarásoknál, visszaszívó aknáknál stb.), az úgynevezett könnyű anyagok is felhasználhatók. A falazat egyes rétegeinek eltérő felmelegedéséből adódó hőtágulást lehetővé kell tenni, ezért vízszintesen 1,5–2 méterenként, függőlegesen legalább 3 méterenként tágulási hézagokat kell készíteni [5.34]. A tágulási hézagokat a várható hőmérsékletnek megfelelően ásványgyapot, alumínium-szilikát vattával, filccel tömíteni kell. Olyan esetben, amikor a falazat állékonyságát a három réteg együttműködése nem biztosítja – különösen a felfűtésnél, lehűlésnél bekövetkező lényegesen eltérő hőtágulás következtében – a tűzálló réteget az eltérő hőtágulásból adódó elmozdulást lehetővé tevő, megfelelő távolságokra elhelyezett, a várható hőmérsékleten még kellő szilárdságú, az előforduló füstgáz korróziós hatásának ellenálló anyagból készített tartó-, kihorgonyzó vasalással kell a teherbíró réteghez kapcsolni. Erre a célra 350 °C hőmérsékletig betonvas, öntöttvas, 560 °C hőmérsékletig melegszilárd acélöntvény, efelett hőálló acél, acélöntvény alkalmazása jöhet szóba [5.34].
  • A hőszigetelő réteg feladata a hőmérséklet külső, teherbíró réteg szilárdsági tulajdonságainak megfelelő értékre csökkentése, a hőveszteség minimalizálása. Ennek a jó hőszigetelő tulajdonságú anyagféleségek (kovaföld, kalciumszilikát, perlitbeton, 5.39. táblázat) felelnek meg. Ezen anyagok teherbíró képessége kicsi, így az erőhatások közvetítésében alig vesznek részt. Tartó-, kihorgonyzó vasalással épített tűzálló falazatok esetén gyakori a levegő mint szigetelőréteg alkalmazása is, amely a tartógerendák, vasalás hűtését is biztosíthatja.
  • A teherbíró réteg feladata a tűzálló, hőszigetelő rétegek megtámasztása, állékonyságuk biztosítása és a konstrukciós kialakításból adódó terhelések alapozásba vezetése, valamint a légtömörség biztosítása. Utóbbira a 6. fejezetben térünk ki részletesebben. Leggyakrabban hagyományos kisméretű tömör téglából, esetenként (régebbi kazánok felújításánál) klinkertéglából készül.
 
5.38. táblázat [5.34], [5.35]
 
Alkalmazási hőmérséklet
SK
(1000 °C-nál)
Nyomó-szilárdság
 
°C
 
kg/m3
W/mK
N/mm2
10–6/°C
Téglák, idomdarabok
Samott
1100–1350
28–34
1800–2200
1,2–1,4
10–50
4–6
Korund
1600–1850
38–41
2950–3200
2,0–3,5
>50–70
6–9
Szilícium-karbid
1500–1600
37–39
2400–2500
5,2–13,0
>50
4
Magnezit
1650
>42
2900–3000
4,0
>60
13–14
Könnyű samott
1200–1250
17–32
495–1200
0,21–0,6
1,2–8
4–6
Tűzálló masszák
Samottbeton
1200–1400
 
1900–2300
0,8–1,4
 
 
Könnyű beton, samott
1100–1450
 
700–1400
0,3–0,7
 
 
Korundbeton
1400–1700
 
2300–3000
1,4–3,3
 
 
Szilícium-karbid massza
1700
 
2600–2700
8–12
 
 
Magnezitmassza
1600
 
2700–2800
1,5–3,5
 
 
 
Félnehéz, felfüggesztett falazatoknál (2.62. ábra (b)) a tűzálló réteg igénybevétele a forrcsövek árnyékoló hatása miatt kisebb, így a falazat vastagsága lényegesen kisebb lehet, a teherbíró réteg elhagyható. Az őrlő-szárító berendezéseknél alkalmazott füstgázvisszaszívó aknák, a felfüggesztett gyújtó-, terelőboltozatok is félnehéz falazattal készülhetnek. A kazánfenék fedésére (olaj-, gáztüzelésű stb. kazánoknál), égőnyílások bélelésére, elgőzölögtető csövek irányeltereléseinek, fűtött kamrák védelmére a kisméretű téglától eltérő méretű lapok, idomdarabok alkalmazhatók.
A falazatokon történő átvezetéseknél, a vasból készült szerkezeti elemek és a falazat találkozásánál kellő nagyságú hézagokat kell kialakítani. Ezek elhagyása, kedvezőtlen kialakítása repedésekhez, tömörtelenségekhez vezet. A tömörséget a falazati hézagoknál alkalmazott szálas anyagokkal kell biztosítani.
 
5.39. táblázat [5.35]
 
Alkalmazási hőmérséklet
Nyomó-szilárdság
200 °C-nál
400 °C-nál
600 °C-nál
 
°C
kg/m3
W/mK
N/mm2
Szilárd építőanyagok
Kovaföld lap
<1000
400–500
0,12–0,13
0,135–0,15
0,155–0,18
0,5–1
Kovaföld-beton granulátum
<1000
800–900
0,175–0,2
0,185–0,21
0,21–0,23
6–8
Kalcium-szilikát lap
650–1000
175–300
0,065–0,07
0,09–0,095
0,12–0,13
0,5–1,2
Perlitbeton massza
<800
90–300
0,095–0,12
0,13–0,14
0,175–0,18
0,3–0,9
Benézőüveg
<430
140–150
0,1
 
 
0,65
 
Öntött, döngölt, tapasztott falazatok: A nagy hőterheléstől, koptató, vegyi hatástól történő védelemre általános gyakorlat az előregyártott öntött idomdarabok vagy helyszínen kiöntött, döngölt, tapasztott tűzálló anyagok felhasználása (fluidtüzeléseknél például [5.38]). A leggyakrabban alkalmazott tűzálló betonféleségeket az 5.38. táblázat mutatja. A felhasználási célnak megfelelően tűzálló habarcsok és kittek is alkalmazhatók. Miután a kerámiaanyagok hőszigetelő képességét alapvetően a levegővel kitöltött pórusok mérete, száma határozza meg, az öntött, tapasztott anyagok hővezető képessége a gyártás sajátosságaiból adódó nagyobb levegőtartalom miatt 20–50%-kal kisebb lehet [5.39], mint a gyárban formázott, kiégetett anyagoké. Emellett a kötési mód is befolyásolhatja a hővezető képességet. További eltérést jelent, hogy a késztermékeknél a kiégetés a gyártás során egyenletesen történik, a téglák, lapok, idomdarabok tulajdonságai homogénnek tekinthetők, ezzel szemben az öntött, döngölt, vakolt falazatok kiégetése (szinterizálódása) a berendezésben előforduló hőmérséklettől függ, és a falazatbeli hőmérséklet eltérések miatt inhomogén, ami a falazatban eltérő hővezető képességet eredményez. Tüskézett felületeknél figyelemmel kell arra is lenni, hogy a vakoláshoz felhasznált anyag hőtágulási tényezője lényegesen eltérhet a csőanyag hőtágulási tényezőjétől. Emellett a tapasztás a felfűtés, lehűlés során a szerkezeti elemtől lényegesen eltérő hőmérsékletű lehet. Az ebből adódó hőfeszültségek a tüskézett csövek idő előtti kifáradására vezethetnek [5.40].
A frissen épített, döngölt falazatok nedvességet tartalmazhatnak, ezért a berendezések üzembe helyezése előtt szárításukra van szükség. Ezt olyan sebességgel kell végezni, hogy a kerámiaanyagok, habarcsrétegek pórusaiban visszamaradt víz az anyagok megrepesztése nélkül tudjon eltávozni. A szárítás nemcsak a nedvesség eltávozását biztosítja, hanem ennek során megy végbe a helyszínen készített falazatok, döngölések, takarások, vakolatok kiégetése is.
 
Hőszigetelések: A kazánköpenyeknél, membránfalaknál, füstcsatornáknál alkalmazott szálas hőszigetelő anyagok néhány jellemzőjét az 5.40. táblázat foglalja össze. Adott esetben mindig célszerű a gyártók által ajánlott (garantált) értékek figyelembevétele. Ezek hiányában további anyagjellemzők az irodalomban (pl. [5.47]) találhatók. A méretezésnél figyelembe kell venni, hogy a tényleges hővezetési tényező a hőszigetelések felerősítésére alkalmazott konstrukciós elemek, illetve a tömör zárófelülettel nem rendelkező hőszigetelő rétegekben kialakuló konvekció következtében lényegesen nagyobb lehet a táblázati értékeknél. A hőszigetelések vastagságának, kialakításának megválasztásánál, különösen holt terek (például kamra, dobterek), füstcsatornák szigetelésénél a hőveszteség minimalizálása mellett a korrózió megelőzése [5.45] a legfontosabb feladat. A hőszigetelést úgy kell kialakítani, hogy a fémrészek hőmérséklete még a legkedvezőtlenebb üzemállapotokban is a felületekkel érintkező füstgáz savharmatpontja felett legyen. A külső hőszigeteléseket minden esetben (0,5–1 mm vastagságú, mindkét oldalán horganyzott acéllemez, 0,5–1,2 mm vastagságú alumíniumlemez, kivételes esetben műanyag bevonatú, mindkét oldalán horganyzott acéllemez) fémborítással kell ellátni [5.35]. A kazánfalazat, -burkolat megengedett külső falhőmérséklete 45 °C, de a maximális hőmérsékletnek a kritikus helyeken sem szabad a 60 °C értéket meghaladni.
 
5.40. táblázat [5.35]
 
Alkalmazási hőmérséklet
200 °C-nál
300 °C-nál
500 °C-nál
800 °C-nál
 
°C
kg/m3
W/mK
Szálas hőszigetelő anyagok
Ásványgyapot vatta
700
100–150
0,07–0,095
0,095–0,12
 
 
Ásványgyapot paplan
700
100–130
0,07–0,095
0,095–0,12
 
 
Ásványgyapot lap
700
240–300
0,06–0,08
0,08–0,10
0,12–0,14
 
Alumínium-szilikát paplan, szövet
1250
130–160
0,058
0,07
0,105
0,175–0,2
 
A hőszigetelés vastagsága: A falazat [W/m2K] hőáramát egybefüggő, közbenső hőelvezetés nélküli falazatoknál a külső felületén elvezetett hőáram határozza meg, így hőtechnikai méretezése a
 
(5.242)
 
egyenlet alapján lehetséges, ahol
közeghőmérséklet a falazat belső oldalán [°C],
környezeti levegő hőmérséklete [°C],
falazat külső hőmérséklete [°C],
hőátadási tényező a falazat belső oldalán [W/m2K],
kazánburkolat hőátadási tényezője [W/m2K],
a falazat i-edik rétegének vastagsága [m],
a falazat i-edik rétegének hővezetési tényezője a réteg átlagos hőmérsékletén [W/mK].
 
Az az 5.6.1. fejezetben és az 5.6.2. fejezetben ismertetett összefüggésekkel határozható meg. Nagy lángsugárzás esetén (rostélyok mellett, tűztérben, elgőzölögtető rácsok hiányában) a () belső falhőmérséklet közelítőleg a lánghőmérséklettel azonosnak vehető, és 1/ a képletből elhagyható, így
 
(5.242/a)
 
Az összefüggésből egy adottnak feltételezett falazatkialakítás esetén (miután függ a külső falhőmérséklettől) iterációval a várható külső falhőmérséklet vagy előre felvett külső falhőmérséklet esetén (a tűzálló belső és a teherhordó külső réteg falvastagságának szokásos falméretekhez (12, 25, 38, 51 cm) igazodó felvétele után) a hőszigetelő réteg szükséges falvastagsága adódik.
A közbenső hűtéssel rendelkező falazatoknál a hőáramsűrűség nem lesz a teljes falazatban azonos. A 2.62. ábrán (b), illetve az 5.31. ábra jobb oldali részén vázolt megoldásoknál például a rossz hőszigetelő képességű tűzálló falazaton az ejtőcsövek hőfelvételének megfelelően nagyobb hőáramsűrűség alakul ki, mint a külső hőszigetelő rétegen, így a tűzálló falazatban lényegesen nagyobb lesz a hőmérséklet-csökkenés, mint az egybeépített falazatnál. A hőszigetelő falazatrész belső hőmérséklete gyakorlatilag az ejtőcsövek hőmérsékletével lesz azonos. Ebből adódóan ilyen megoldásnál kisebb hőmérséklet-tűrésű, vékonyabb hőszigetelő falazat készíthető. Hasonló, de kisebb hatás érhető el a falazatba épített levegőhűtő csatornákkal is.
 
Falazatok, hőszigetelések hőleadása: A kazánburkolaton kialakuló természetes légáramlás melletti konvektív hőátadás, valamint a kazánfelület és környezete közötti sugárzásos hőcsere számítására az alábbi összefüggések használhatók:
  • [5.4] a természetes légáramlás hatására hűlő kazánburkolat [W/m2K] hőátadási tényezőjére az
 
(5.243)
 
kifejezést javasolja, ahol
a burkolat külső hőmérséklete [°C],
a környezeti levegő hőmérséklete [°C],
jellemző méret [m].
  • A VDI-Wärmeatlas [5.36] a természetes légáramlás hatására bekövetkező konvektív hőátadásra középértékként
    1. beltéri, szigetelt felületekre az
 
(5.244)
 
    1. szigetelt csővezetékekre nyugvó levegőben az
 
(5.245)
 
közelítő összefüggést adja meg. A sugárzásos hőveszteség a
 
(5.246)
 
képlettel számítható, ahol
a hőfelvevő, környezeti tárgyak hőmérséklete [K].
Az (5.246) képlet használata helyett gyakori az kifejezéssel történő közelítés is.
  • A VGB [5.42] kiadványában 15 °C levegő-hőmérsékletre megadott falazati veszteségekre illesztett közelítő görbe (R2 = 0,99906) alapján az eredő hőátadási tényező
 
(5.247)
 
  • A kemencetechnikában [5.37] a falazati veszteség számításához a konvektív és a sugárzásos hőátadás együttes figyelembevételével az alábbi kifejezések alkalmazása szokásos:
    1. függőleges téglafal, függőleges acéllemez-borítás:
 
(5.248/a)
 
    1. vízszintes téglafal, vízszintes acéllemez-borítás:
 
(5.248/b)
 
    1. függőleges alumíniumlemez-borítás:
 
(5.248/c)
 
    1. vízszintes alumíniumlemez-borítás:
 
(5.248/d)
 
Az egyes összefüggésekkel 45 °C falhőmérsékletre elvégzett számítások eredménye közel azonos: értékére az (5.244) és (5.245) képletek alapján 8,99 W/m2K, az (5.247) képlet alapján 9,35 W/m2K, az (5.248/a) képlet alapján függőleges acéllemez felületre 9,34 W/m2K érték adódik. A hagyományos falazatokban kialakuló hőmérséklet lefutásra az 5.31. ábra mutat példát. Látható, hogy a falazat hűtése nélkül a tűztérben csak nagyon vastag, nehéz falazat lenne kialakítható. Membránfalas tűztér kialakításnál a külső falhőmérséklet már 10–15 cm vastagságú ásványgyapot szigeteléssel is 45 °C-ra csökkenthető. A valóságban a kazánfalazatok előtt általában elgőzölögtető hűtőrácsok vannak, így a füstgázoldali hőátadással is számolni kell, és a belső falhőmérséklet sokkal kisebb lesz a fal melletti lánghőmérsékletnél.
 
5.31. ábra. Hagyományos falazatok vázlatos kialakítása
 
Amennyiben a kazánházban huzat van vagy a kazán szabadtéri kialakítású, a falazati veszteség meghatározására különböző légáramlások esetén az [5.36] irodalomban megadott értékek ajánlhatók.
A falazatokat a felfűtésnél, terhelésváltozásnál fellépő instacioner üzemállapotokra is vizsgálni kell, különös tekintettel arra, hogy a gyorsabban melegedő és táguló belső rétegekben az esetlegesen szűk fugák miatt kialakul-e gátolt alakváltozás és várható-e a falazat repedezése, letöredezése. Ennek megelőzésére a fugaméretek megfelelő megválasztásán túlmenően a felfűtési teljesítményt, sebességet a falazat méretei, anyaga, kialakítása figyelembevételével kell megválasztani, szükség esetén a szárítást követő üzemi mérésekkel ellenőrizni. Átmeneti állapotra vonatkozó számítások a vonatkozó szakirodalom (például [5.43]) felhasználásával, illetve ilyen célra kifejlesztett véges elemes számítógép-programok futtatásával végezhetők. Az előbbi, elméletileg 1,35 m vastagságú nehéz falazat felmelegedése, lehűlése hosszú időt venne igénybe. Ez nagyon lelassítaná az ilyen falazattal ellátott kazán indítását, az esetleges javítások elvégzését. Ezért hűtőrácsok beépítésével, közbenső hűtőcsatornák kialakításával, más lehetőség hiányában az érintésnek ki nem tett helyeken a 45 °C külső hőmérséklet, ezzel a hőáram megnövelésével a falazat vastagságát az indítás, leállítás szempontjából elfogadható értékre kell csökkenteni. Például 60 °C külső falhőmérsékletet megengedve a nehéz falazat eredetileg 60 cm-es kovaföld rétegvastagsága 30 cm alá csökkenne. A nehéz falazatok vastagsága 10–20 cm méretű levegőrétegek kialakításával, elgőzölögtető csövek fal előtti elhelyezésével a gyakorlatban a 40–80 cm értéket nem haladta meg.
A kazánok vázlattervének elkészítését, hőszigetelés megtervezését követően utolsó lépésként ellenőrizni kell, hogy a sugárzási, vezetési veszteség várható értéke megfelel-e a kazánhatásfok becslésénél feltételezett értéknek. Eltérés esetén a veszteség értékét az (5.96) összefüggésben pontosítani vagy a megrendelő által elvárt jobb hatásfok elérésére a hőszigetelést javítani kell.
 
Biomassza-, hulladéktüzelésű kazánok falazatai: Mint a fejezet elején említettük, biomassza-, hulladéktüzelésű kazánok esetében új berendezéseknél is készülnek falazatok. Ezek feladata a tüzelőanyag száradásának, gyújtásának elősegítése mellett a fűtőfelületek korrózió elleni védelme is. A falazat kialakítása az égéstérben elsősorban az igényelt belső falhőmérséklettől és a várható eróziós, korróziós hatásoktól (6.3.3. fejezet), az utóégető térben a korróziós hatásoktól függ.
 
5.32. ábra. Tűzálló idomtéglával burkolt falazat
 
Szokásos megoldások:
  • Kisebb hősugárzásigény esetén a falazat tűz- és szükség szerint korrózióálló idomtéglákból készíthető, amelyeket a membránfalaktól a felületi egyenlőtlenségek kiegyenlítésére kittréteg választ el (5.32. ábra).
  • Hűtendő terek (például utóégető tér) vagy nagyobb korróziós igénybevételek esetén döngölt massza, tűzálló beton alkalmazása célszerű (5.33. ábra (a)). Tűzálló beton esetén a falazattal való kapcsolat bekötővasakkal is biztosítható, döngölés esetén mindig tüskézésre van szükség. A tüskék száma a falazat hűtésének szükséges mértékétől függ, 500–3000 tüske/m2 között változhat.
  • Szárítóboltozatok, égésterek esetén a tűzálló falazat a nagyobb belső falhőmérséklet biztosítására rendszerint kétrétegű (5.33. ábra (b)). A belső, tűzálló téglából készült falazatot a szokásos, 75 mm osztású membránfalból kihúzott, elgőzölögtető csövek tartják. A külső, tűzálló betonréteg és a belső idomtéglaréteg között levegővel átjárt rés van.
 
5.33. ábra. Korrózió ellen védő falazatok kialakítása [5.50]
 
Az egyes rétegek anyaga, vastagsága a tüzelés, illetve a várható korróziós igénybevételek függvényében a tűzállóanyag-gyártókkal, -szállítókkal folytatott gondos konzultáció, valamint a már működő berendezésekkel szerzett tapasztalatok alapján határozható meg.
1 Seger-kúp (gúla) (SK): Seger német keramikus által feltalált, és róla elnevezett agyag, mészkő, földpát, és más anyagok különböző keverékéből készült, a több komponensből álló, fokozatosan lágyuló, olvadó anyagok hőmérsékletének jelzésére használt 2,5–6 cm magasságú, karcsú gúlasorozat elemeinek sorszáma. Az eltérő keverési arányból adódóan a kúpok különböző hőmérsékleten lágyulnak meg. A sorszámozás 1000 °C-tól indul, az elemek között mintegy 20–30 °C hőfoklépcső van. A sorszámhoz tartozó hőmérséklet elérését a csúcs lekonyulása jelzi.

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