MeRSZ online
okoskönyvtár
Több száz tankönyv egy helyen.
Online. Bárhol. Bármikor.
Kazánok
2., javított kiadás
6.1. Lángpulzáció, gázlengések, felületek rezgése
A kazánoknál a szerkezeti elemek élettartamát befolyásoló, környezetet zavaró rezgésekkel a gázlengésekből, a csövek közötti, körüli örvénylő áramlásból (Kármán-féle örvényleválásból), az égési folyamatok gyors változásából adódóan lehet találkozni. A rezgéseket kiváltó jelenségek a tüzeléstechnika illetékességi körébe tartoznak, így csak a folyamatok megértéséhez, a kazánszerkezet megfelelő kialakításához szükséges mértékben foglalkozunk velük. Gázlengések, állóhullámok korábban is kialakulhattak, kedvezőtlen következmények (erős zaj, felületek, tartószerkezetek rezgése) a gyakorlatban azonban nagyobb számban csak a membránfalak és különösen a földgáztüzelések 1960-as években történő elterjedését követően jelentkeztek.
Lángpulzáció: Az égés a kazánok nagy részénél alkalmazott turbulens lángok esetén nem folyamatos, hanem a tüzelőanyag minőségtől, a szemcseösszetételtől, a cseppképzéstől, a gáz-térfogatelemek keveredésétől, méretétől függően periodikus, pulzál. A pulzáció sajátfrekvenciája elsősorban a tüzelőanyagtól függ [6.1]:
|
Barnaszéntüzelésnél
|
≈ 1–3 Hz,
|
|
Kőszéntüzelésnél (salakolvasztó ciklonban):
|
≈ 20–60 Hz,
|
|
Olajtüzelésnél:
|
≈ 80–100 Hz,
|
|
Gáztüzelésnél:
|
≈ 60–120 Hz.
|
Tűztéri lengések: A pulzáció mellett (4–10 Hz nagyságrendben) a tüzelés instabilitásából adódó kis frekvenciás tűztéri lengések is megfigyelhetők. Széntüzelésnél az egyenlőtlen, visszacsatolódó szénbevezetésből adódóan nagyon lassú (3–8 hullám/perc) lengések is gyakoriak [6.2]. A tüzelés sajátfrekvenciája e nyomáshullámokra szuperponálódik, de a tűztéri lengések eltérő amplitúdójából, frekvenciájából adódóan a kétféle lengés – mint a 6.1. ábra mutatja – jól megkülönböztethető.
Harvard
(): . : .
: /hivatkozas/m713kaz_4384/#m713kaz_4384 ()
Chicago
. . . : .
(: /hivatkozas/m713kaz_4384/#m713kaz_4384)
APA
(). . .
(: /hivatkozas/m713kaz_4384/#m713kaz_4384)
6.1. ábra. Lángpulzáció, tűztéri lengés
A tűztéri lengés azzal magyarázható, hogy a tűztéri nyomás változása ellentétes irányban befolyásolja a tűztérbe kerülő tüzelőanyag, illetve égési levegő mennyiségét, amely önmagában a nyomás stabilizálódását eredményezné, a gyulladási késedelem (keveredés, kigázosodás, gyulladási hőmérsékletre melegedés stb.) időigénye következtében azonban a folyamat önfenntartóvá válhat. A gerjesztést a levegő-, tüzelőanyag-áram nyomásingadozás hatására bekövetkező előbbi lengése mellett többek között [6.2]:
-
az instabil gyújtás,
-
a sebesség-, koncentrációváltozásból adódó leszakadás, visszagyulladás,
-
a lángfront égők előtti vándorlása,
-
a perdítő-, torlasztótárcsa által biztosított recirkuláció instabilitása,
-
az égők perdületének kedvezőtlen egymásra hatása [6.3]
idézheti elő. A gáztüzelésű kazánok nagyobb érzékenysége azzal is magyarázható, hogy az egyéb tüzelőanyagoknál a tűztérben kigázosodási, kiégési fázisban lévő, relatíve nagyobb mennyiségű tüzelőanyag kiegyenlítő hatása csökkenti a hőbevezetési egyenlőtlenség mértékét [6.2]. A hagyományos tüzelőanyagok rostélytüzelésénél, a rostélyon lévő nagy tüzelőanyag mennyiségből adódóan, lengés alig fordul elő. Hulladéktüzelésű berendezéseknél a tüzelőanyag egyenlőtlen összetétele következtében rendszeresen megfigyelhetők pulzációk, ezek azonban a szabályszerűség hiányában általában nem vezetnek tűztéri lengés kialakulására.
Állóhullámok, gázlengések: A tüzelés előbb említett instabilitása, illetve más gerjesztések hatására az áramlási irányban előre haladó, longitudinális hullámok jöhetnek létre. Amennyiben az előrehaladó hullám azonos frekvenciájú, visszaverődő hullámmal találkozik, állóhullám alakulhat ki. Állóhullámok elméletileg minden két szemközti fal (két végén zárt síp), egy fal és egy szemközti nyílás (egyik végén nyitott síp), illetve két szemközti kazánfalon lévő nyílás között (két végén nyitott síp) létrejöhetnek. Az állóhullámokban egyidejűleg nyomás- és ezekhez képest szimmetrikusan eltolódott áramlási hullámok figyelhetők meg. Zárt felületről visszaverődő hullámok esetén a visszaverődés helyén (a fázisváltozás következtében) mindig áramlási csomópont, nyílásról visszaverődő hullám esetén (a fázisok azonossága következtében) áramlásazonosság alakul ki. A nyomáscsomópontok az áramlási csomópontokhoz képest 90 fokos fázisszöggel eltoltan jelentkeznek. Az állóhullámok megfigyelhetők a tűztér, a levegőcsatornák, a gázvezetékek, a füstjáratok hossza mentén, a tűztérben (lángcsöves kazánoknál is), a füstjáratokban a fő áramlási irányra merőlegesen is. A sorba kapcsolt elemekben egyidejűleg kialakuló, azonos frekvenciájú állóhullámok egymás hatását erősítik.
Harvard
(): . : .
: /hivatkozas/m713kaz_4390/#m713kaz_4390 ()
Chicago
. . . : .
(: /hivatkozas/m713kaz_4390/#m713kaz_4390)
APA
(). . .
(: /hivatkozas/m713kaz_4390/#m713kaz_4390)
6.2. ábra. Állóhullámok kialakulása a rezonátor-„cső” függvényében [6.1]
Ugyanazon rezonátorelemben a hullám alakja, lefutása a rezonátorelem kialakításától, felharmonikusoktól függően különböző lehet (6.2. ábra). Jellemzésükre a nyomáshullám maximális értéke és a rezgés frekvenciája szokásos. A nyomásamplitúdó nagysága gyakorlati tapasztalatok alapján ±6–120 mbar nagyságrendben lehet, de rövid ideig, 80 Hz rezonanciafrekvencia mellett, ±160 mbar értéket is megfigyeltek [6.2]. A hanghullámok frekvenciatartományában rezgő állóhullámok zavaró hangjelenségekkel (brummogás) is járhatnak. Gázlengések nemcsak a berendezések indításakor, üzem közben, hanem a hideg állapotban végzett üzemi próbák során is felléphetnek, és súlyos sérülésekre vezethetnek [6.2]. Ezért bármilyen rezgés (lengés, zaj) esetén a folyamatot meg kell szakítani, és meg kell kezdeni az előidéző okok vizsgálatát, kiküszöbölését.
Az állóhullámban kialakuló nyomásváltozás a részecskék periodikus elmozdulásának függvényében [6.1] a
összefüggéssel közelíthető, ahol
Egy adott üzemállapotban kialakuló állóhullám hullámhossza
a gázösszetételtől, hőmérséklettől függő
hangsebességtől függ. Ezzel magyarázható, hogy az egyik üzemállapotban (átlaghőmérsékletnél) zavartalanul működő berendezés egy másik üzemállapotban erős rezgésbe jön: A gerjesztő frekvenciának (vagy felharmonikusának) megfelelő hullámhosszúság ekkor (az új átlaghőmérsékletnél) egyezik meg a berendezés belső terének egyik méretével. Miután az adott méretekhez tartozó sajátfrekvencia a terheléssel (hőmérséklet, sebesség nő) növekszik, így nagyobb terhelésen a rendszer a magasabb rendű felharmonikusokkal kerülhet visszacsatolt rezgésbe. A hangsebességet a hőmérséklet mellett (a politropikus kitevő változásán keresztül) a füstgázösszetétel változása is befolyásolja, bár az 5. fejezetben megadott összetételű, jellemző (lignit, kőszén, fűtőolaj, földgáz) tüzelőanyagokra elvégzett számítás csak minimális eltérést mutat (6.3. ábra).
Harvard
(): . : .
: /hivatkozas/m713kaz_4405/#m713kaz_4405 ()
Chicago
. . . : .
(: /hivatkozas/m713kaz_4405/#m713kaz_4405)
APA
(). . .
(: /hivatkozas/m713kaz_4405/#m713kaz_4405)
6.3. ábra. A hangsebesség a füstgázokban
Az egyes, [m] mérettel jellemezhető szerkezeti elemekben lehetséges sajátfrekvenciák (6.2. ábra) egyik végén zárt „síp” (kazánfal és szemben fekvő nyílás) esetén az
mindkét végén zárt (két szemben fekvő kazánfal) vagy nyitott (két szemben fekvő nyílás) „síp” esetén a
kifejezéssel, a hőmérséklet ismeretében számíthatók. Az tényező értéke tetszőleges egész szám lehet, = 0, 1, 2 értékekre a hullámok alakja a 6.2. ábrán látható. Az összefüggésekből látható, hogy az méret változtatásával a lehetséges sajátfrekvencia megváltoztatható. Erre a gyakorlatban elsősorban füstgázhuzamokban van szükség, ahol elválasztólemezek (gázturbinák utáni hőhasznosító kazánoknál csőtartó falak, 2.181. ábra) beépítésével a sajátfrekvencia lényegesen megnövelhető. A frekvencia mérésével, az előbbi összefüggések felhasználásával, az átlaghőmérséklet ismeretében, lehetőség van az jellemző méret (melyik felületek között alakul ki a lengés) meghatározására (felharmonikus kitalálására) is. Nyílások esetén azonban gondolni kell arra is, hogy a lengés a nyílásokon keresztül a csatornákra is kiterjedhet [6.2], és sorba kapcsolt elemek együtt lengése fordul elő.
Rezgések örvénylő áramlásból: A csőköteges hőcserélőkben kialakuló, áramlás indukálta lengések és az ezekhez kapcsolódó zajok a csőkötegen átáramló közeg akusztikus rezgéséből vagy a csövek mechanikus rezgéséből származnak. Akusztikus rezgést a csövekről történő Kármán-féle örvénylést (6.4. ábra) eredményező leválás vagy a csövek közötti keskeny járatokbeli áramlási instabilitás idézhet elő. A domináns okot a csőkötegek kereszt- és hosszirányú osztásviszonyai mellett az áramlási sebesség határozza meg.
Harvard
(): . : .
: /hivatkozas/m713kaz_4413/#m713kaz_4413 ()
Chicago
. . . : .
(: /hivatkozas/m713kaz_4413/#m713kaz_4413)
APA
(). . .
(: /hivatkozas/m713kaz_4413/#m713kaz_4413)
6.4. ábra. Kármán-féle örvény
Eltolt csőelrendezésre végzett vizsgálatok alapján [6.3], nagyobb hosszirányú osztás esetén elegendő hely van a Kármán-féle örvények kialakulásához, kisebb csőosztások esetén a füstgáz azonban csak irányt változtat a csövek mögött, de örvény nem tud létrejönni. Egészen szűk hosszirányú osztások esetén a csöveken bekövetkező torlódás, periodikus irányváltoztatás ingázó mozgásra késztetheti az áramló közeget, és ezzel gerjesztheti annak rezgését (6.5. ábra). A gerjesztő mechanizmusok, mint az ábra mutatja, a csőosztások függvényében a Kármán-féle örvényleválástól, az örvényleválás nélküli áramlási irányváltoztatáson, az előző csősorokból kilépő sugarak hullámzásán, felütközésén keresztül, a sugár instabilitásáig vezethetnek.
Harvard
(): . : .
: /hivatkozas/m713kaz_4416/#m713kaz_4416 ()
Chicago
. . . : .
(: /hivatkozas/m713kaz_4416/#m713kaz_4416)
APA
(). . .
(: /hivatkozas/m713kaz_4416/#m713kaz_4416)
6.5. ábra. A Strouhal-szám eltolt csőelrendezésnél az áramlás jellege függvényében [6.3]
A kísérletek fontos megfigyelése, hogy a kisebb csőosztásokhoz tartozó nagy Strouhal- (értelmezését lásd később) számoknál − a nagy sebességingadozás ellenére − a csövek alig jönnek rezgésbe. Ennek az a magyarázata, hogy a gyorsan irányt változtató gázáramlás esetén csak nagyon kis örvények válnak le a csövekről, és alig vagy nem alakul ki a csőrezgést előidéző ellenáramlás. Így az erős akusztikus rezonancia (zaj) ellenére a csövek meghibásodásának veszélyével nem kell számolni. A gerjesztések szempontjából mértékadó csőosztástartományok eltolt (sakktáblás) csőosztásra [6.3] alapján a 6.6. ábrán láthatók. A csövek rezgése elsősorban a Kármán-féle örvényleválással, a csövek mögötti örvényléssel egybekötött áramlási anomáliából adódik.
Harvard
(): . : .
: /hivatkozas/m713kaz_4419/#m713kaz_4419 ()
Chicago
. . . : .
(: /hivatkozas/m713kaz_4419/#m713kaz_4419)
APA
(). . .
(: /hivatkozas/m713kaz_4419/#m713kaz_4419)
6.6. ábra. A gerjesztő hatás a csőosztások függvényében [6.3]
Soros csőelrendezések esetén, a megfigyelések alapján, a 2,1–4,2 közötti keresztirányú csőosztásoknál a zaj a tényleges rezgés felharmonikusaként jelenik meg. Kisebb csőosztásoknál az eredetileg többféle felharmonikussal is lehetséges nagyfrekvenciás rezgés a ≥ 6–6,4104 elérésekor, 0,035–0,07 Strouhal- számmal jellemezhető mély frekvenciás rezgésre vált át. Az azonos csőelrendezésnél lehetséges rezgésekre jellemző többféle Strouhal-szám arra mutat, hogy ez esetben is a turbulens gázáramlás és nem a csövek mögötti örvényleválás okozza a gerjesztést. Nagyobb Reynolds-számok esetén a csőkerület menti leválási pontok vándorlásával ismét megjelenő (csőkerületek mentén eltolódó) örvényleválások veszik át az elsődleges gerjesztő szerepet. Szűk csőosztások esetén a csövek közötti gázáramlás áramlási irányban erősödő örvénylése adja a gerjesztést.
ahol
Bordázott csöveknél korrigált csőátmérőt kell figyelembe venni [6.9]:
ahol
Az esetben, ha borda a hőátadás javítására örvénykeltő elemekkel rendelkezik, a borda vastagságaként a teljes szélességet kell figyelembe venni.
Harvard
(): . : .
: /hivatkozas/m713kaz_4432/#m713kaz_4432 ()
Chicago
. . . : .
(: /hivatkozas/m713kaz_4432/#m713kaz_4432)
APA
(). . .
(: /hivatkozas/m713kaz_4432/#m713kaz_4432)
6.7. ábra. A Strouhal-szám különféle csőelrendezésekre [6.1]
A Strouhal-szám meghatározására zajmérések alapján összeállított diagramokkal (például 6.7. ábra) óvatosan kell eljárni. A Kármán-féle örvényleválások okozta gerjesztésekre a 6.7. ábrán (b) megadott Strouhal-számok jó egyezést mutatnak a [6.3] irodalomban ismertetett, sebességingadozásokból meghatározott későbbi eredményekkel. Soros csőelrendezésnél a 6.7. ábrán (a) megadott értékek 2,1-nél nagyobb keresztirányú osztás esetén használhatók azzal, hogy a kiszámított érték a várható hangfrekvenciának felel meg és a csövek gerjesztését okozó frekvencia a (6.7) összefüggésből kiszámított érték felének közelében van.
Harvard
(): . : .
: /hivatkozas/m713kaz_4435/#m713kaz_4435 ()
Chicago
. . . : .
(: /hivatkozas/m713kaz_4435/#m713kaz_4435)
APA
(). . .
(: /hivatkozas/m713kaz_4435/#m713kaz_4435)
6.8. ábra. A Strouhal-szám különféle csőelrendezésekre [6.9]
Amennyiben az örvénylés hatására a cső kitérése az átmérő 2%-ánál nagyobb, öngerjesztés is felléphet. Periodikus gerjesztés hatására akusztikus rezonanciával nem kell számolni [6.10], amennyiben
és mindig számolni kell akusztikus rezonanciával, ha
A közbenső tartományban nem lehetséges az egyértelmű megítélés. Az előbbi összefüggésben a -számot az osztásközre meghatározott sebességgel kell számítani. Az akusztikus rezonancia megelőzésére az irodalomban (pl. [6.9]) más számítási módszerek is találhatók.
|
a cső feltételezett lengésalakra vonatkozó sajátfrekvenciája [1/s],
|
|
|
cső külső átmérője [m],
|
|
|
a cső hosszegységre vonatkoztatott fajlagos tömege [kg/m],
|
|
|
a cső csillapítása,
|
|
|
az áramló közeg sűrűsége [kg/m3],
|
|
-
a cső anyagától, megfogásának kialakításától függő csillapítást,
-
a csöveket körülvevő közeg fékező hatásából adódó (gázoknál elhanyagolható) csillapítást, illetve
-
a szerkezeti elrendezésből (alátámasztások számától, felfekvési felület méretétől függően) adódó csillapítást
vesznek figyelembe.
Határolófelületek rezgése: Amennyiben a kis frekvenciájú tűztéri lengés nem csillapodik, állóhullám alakul ki, a csőkötegekben nem csillapodó lengések jönnek létre, és ha ezek frekvenciája a füstjáratok, a kazántest sajátfrekvenciája közelében van, a kazántest is rezgésbe jöhet. Falazott kazánoknál a merevségből adódóan rezonancia nem jelentkezik, csak a kevésbé merev, füstgázoldali nyomásingadozás hatására deformálódó membránfalaknál, lemezcsatornáknál. Ezeknél, súlyosabb esetekben, az igénybevételek ciklusszáma a kis frekvencia ellenére akár néhány nap alatt elérheti a kifáradást eredményező értéket, és az érintett szerkezeti elem meghibásodhat.
Harvard
(): . : .
: /hivatkozas/m713kaz_4454/#m713kaz_4454 ()
Chicago
. . . : .
(: /hivatkozas/m713kaz_4454/#m713kaz_4454)
APA
(). . .
(: /hivatkozas/m713kaz_4454/#m713kaz_4454)
6.9. ábra. A tartók lengése [6.6]
Az esetleges rezgések kialakulása a kazánfalazat, illetve elsősorban a bandázsszerkezet merevségétől függ. A bandázsszerkezet kéttámaszú tartókból álló keretrendszernek tekinthető, amelyben az egyes elemek általában csuklósan kapcsolódnak egymáshoz, de befogott kialakítás is előfordul. Az egyenes rúdnak tekinthető kéttámaszú tartók [1/s] saját- (kör-) frekvenciája az
|
a tartó egy adott lengésalakjához tartozó sajátfrekvencia [1/s],
|
|
|
a tartó alátámasztásától, lengésalakjától függő állandó, melyet néhány jellemző esetre a 6.9. ábra mutat,
|
|
|
a szerkezeti anyag rugalmassági állandója [N/m2],
|
|
|
a tartó másodrendű nyomatéka [m4],
|
|
|
a tartó tömege [kg],
|
|
|
a tartó hossza [m].
|
Az összefüggésből látható, hogy a merevség () növelése növeli, a tömeg (), karcsúság () növelése csökkenti a sajátfrekvenciát. Az előbbi, ideális esettől eltérően a gyakorlatban a segédbandázsok, a szigetelés növelheti a merevséget, ugyanakkor tömegük ellentétes irányban hat a sajátfrekvenciára. Emiatt, még a véges elemes programokkal meghatározott sajátfrekvenciák hihetőségével kapcsolatban is, óvatosan kell eljárni. A [N/m] egyenletesen megoszló terheléssel terheltnek tekinthető, csuklós befogású bandázs lehajlása [6.7]:
Ebből a tartó merevségét a (6.12) összefüggés felhasználásával kiszámítva
megállapítható, hogy minél kisebb a tartó tömege és sajátfrekvenciája, annál nagyobb kilengések várhatók [6.1]. Miután a tűztéri lengések nem zárhatók ki, kisebb-nagyobb amplitúdójú gerjesztésekkel mindig számolni kell. Ezért a kazántest sajátfrekvenciáját kell kellő mértékben elhangolni, hogy a szerkezeti elemek rezonanciája minden várható üzemállapotban elkerülhető legyen. A tartó másodrendű nyomatékának növelésével a sajátfrekvencia megnövelhető [6.1]:
A sajátfrekvencia a tartók merevítése mellett rúgós megfogások, lengéscsillapítók beépítésével is növelhető.
Harvard
(): . : .
: /hivatkozas/m713kaz_4467/#m713kaz_4467 ()
Chicago
. . . : .
(: /hivatkozas/m713kaz_4467/#m713kaz_4467)
APA
(). . .
(: /hivatkozas/m713kaz_4467/#m713kaz_4467)
6.10. ábra. A rezonancia kialakulása [6.4]
A kazántest rezgését csak akkor lehet biztonságosan elkerülni, ha a berendezés elemeinek (legkisebb) sajátfrekvenciája a 6.10. ábrán bemutatott, csillapítástól függő amplitúdónövekedésre vezető gerjesztő/sajátfrekvencia-tartományon ±20–30%-kal kívül esik [6.9]. A gyakorlatban általában elfogadható, ha a szerkezet sajátfrekvenciája 20–25%-kal nagyobb a várható gerjesztő frekvenciánál. A [2] alapján a bandázsszerkezetet úgy kell méretezni, a bandázstávolságot úgy kell megválasztani, hogy a membránfali csövek sajátfrekvenciája ≥6 Hz, a bandázstartók sajátfrekvenciája (kéttámaszú tartóként számítva) pedig ≥3 Hz értékű legyen. Az európai gyakorlatban az állóhullámok (hallható) frekvenciatartományában bekövetkező kazántestrezgések megelőzésére is fel kell készülni. A tüzelőberendezés és a kazán elhangolására számos, jól bevált megoldást fejlesztettek ki [6.2].
A tüzelési folyamatra hatással levő szerelvényeket, mérőeszközöket, beavatkozó elemeket az esetleges visszacsatolás elkerülésére fix, nem rezonáló szerkezeti elemekre kell felerősíteni olyan esetekben is, amikor a tervező nem tart a berendezés rezonanciából adódó meghibásodásától, de a rezonancia bizonyos üzemállapotokban felléphet.
A tüzelés begyújtása: Az előzőekben bemutatott, üzem közben kialakuló lengések mellett a kazánok indulásakor, leállásakor is jelentős nyomásingadozások jöhetnek létre. Az indítást megelőzően a kazánok tűzterét általában környezeti hőmérsékletű (esetleg gőzfűtésű kaloriferrel kismértékben előmelegített) levegő tölti ki. Üzem közben kiesett kazánoknál is az égőgyújtást megelőző – a teljes kazántérfogat 3–5-szörösét kitevő – előszellőztetés hatására a tűzteret kitöltő közeg hőmérséklete lényegesen kisebb a tűztérfalak hőmérsékleténél. A begyújtáshoz, amely égőnként külön-külön történik, üzembe kell helyezni a gyújtóberendezést (szénportüzeléseknél a gyújtóégőket), majd ezt követően megkezdeni a tüzelőanyag bevezetését. Normál esetben a tüzelőanyag azonnal meggyullad, és nagyobb nyomáshullám nem alakul ki. Kedvezőtlen esetben a tüzelőanyag a biztonsági időn belül, amely fűtőolaj-tüzelésnél ≤5, gáztüzelésnél ≤2 másodperc [8], égés nélkül áramolhat a tűztérbe, és előfordulhat, hogy csak a biztonsági idő legvégén, egyidejűleg lobban be. Ekkor a rövid időn belül lejátszódó égés nyomáshullámot eredményezhet [6.12].
Harvard
(): . : .
: /hivatkozas/m713kaz_4472/#m713kaz_4472 ()
Chicago
. . . : .
(: /hivatkozas/m713kaz_4472/#m713kaz_4472)
APA
(). . .
(: /hivatkozas/m713kaz_4472/#m713kaz_4472)
6.11. ábra. A tüzelés begyújtása
Az utóbbi folyamat leegyszerűsítve az Otto-motorokban lejátszódó égési folyamathoz hasonlítható. A tűztérbe bejutó tömegű tüzelőanyag (6.11. ábra) az elégéséhez szükséges levegővel az elméleti égési hőmérsékletre melegszik, térfogata a környező gáztömeget mozgásba hozva, azzal keveredve az eredeti többszörösére nő. Miután a tűztérből – a felmelegedett égéstermék térfogat-növekedése hatására – kiszoruló közeg csak fokozatosan tud távozni, gyors nyomásnövekedés következik be. A nyomásnövekedés visszahat a levegő- és tüzelőanyag-bevezetésre, így a tűztéri lengéseknél említett folyamat is kialakulhat. Normál esetben az égési folyamat stabilizálódása után a tűztérnyomás egyensúlyi értékre áll be. A térfogat-növekedés csak a fajlagos füstgázmennyiségnek megfelelő közegmennyiség felmelegedését feltételezve
ahol
|
a tűztérbe bejutó tüzelőanyag-mennyiség [kg],
|
|
|
a fajlagos füstgázmennyiség [kg/kg],
|
|
|
a füstgáz sűrűsége [kg/m3],
|
|
|
az elméleti égési hőmérséklet (meghatározását lásd az (5.124), (2.45/a) képleteknél az 5.5. fejezetben) [°C],
|
|
|
a tűzteret a belobbanás előtt kitöltő közeg hőmérséklete [°C],
|
|
|
a tüzelőanyag sűrűsége [kg/m3],
|
|
|
a tűzteret a belobbanás előtt kitöltő közeg (levegő) sűrűsége [kg/m3].
|
A nyomásnövekedés akkor lenne maximális, ha a tűztérből semennyi közeg sem tudna távozni, állandó térfogatú állapotváltozás következne be. A valóságban a közeg részbeni távozása, a tűztérfal és a közeg közötti hőcsere miatt a tényleges nyomás az ilyen módon számítható értéknél bizonyosan kisebb lesz. Így gyakorlati szempontból az állandó térfogatú állapotra kiadódó érték figyelembevétele erősen konzervatív megközelítést jelent:
ahol
A gyakorlatban lehetséges értékek érzékeltetésére a 6.1. táblázat egy olaj-, földgáztüzelésű besugárzott tűzterű és egy olajtüzelésű lángcsöves kazánra végzett számítás eredményeit mutatja be.
6.1. táblázat
|
|
|
Besugárzott tűzterű kazán
|
Lángcsöves kazán
|
|
|
Tűztér-térfogat
|
m3
|
1625,5
|
10,9
|
|
|
Biztonsági idő
|
s
|
5 |
2 |
5 |
|
Tüzelőanyag-mennyiség
|
kg
|
2 ,77 |
0 ,78 |
0 ,22 |
|
Térfogat növekedés
|
m3
|
224 ,2 |
72 ,5 |
17 ,9 |
|
Hőmérséklet-növekedés
|
°C
|
51 ,5 |
16 ,0 |
567 ,5 |
|
Elméleti nyomásnövekedés
|
mbar
|
178 ,0 |
55 ,2 |
1962 ,5 |
Az elméleti értékekből látható, hogy míg nagyobb tűztereknél, a több égőből adódóan, viszonylag kis teljesítménnyel végzett begyújtás a membránfalak szokásos, 500–600 mbar méretezési nyomásánál lényegesen kisebb nyomáshullámot idéz elő, addig lángcsöves kazánoknál a nagy térfogati hőterhelésű, fajlagosan kisebb tűztérbe a tüzelőberendezésen bejutó tüzelőanyag-mennyiség, az égőt még minimális (a példában 20%-os) teljesítményre visszaszabályozva is, elméletileg csaknem 2 bar nagyságú túlnyomást eredményezhet. A ténylegesen várható túlnyomás mérlegeléséhez figyelembe kell venni azt is, hogy a besugárzott tűzterű kazánoknál a bőséges keresztmetszetű és térfogatú füstjáratok a lángcsöves kazánok füstcsöveinek szűk keresztmetszetéhez viszonyítva lényegesen gyorsabb tágulást tesznek lehetővé, így arányaiban is kisebb nyomáshullám alakul ki.
Tűztéri robbanás: Az égők begyújtásánál kedvezőtlen esetben jelentkező belobbanáshoz hasonló folyamat tömörtelen tüzelőanyag-adagoló szelepek esetén is előfordulhat: a kellő ideig, levegőmennyiséggel végzett előszellőztetés érdemben eredménytelen lesz, mivel folyamatos tüzelőanyag-bevezetés történik égés nélkül. Így a begyújtás megkezdésekor arányaiban lényegesen nagyobb tüzelőanyag belobbanására kerülhet sor a tűztérben, amely a tűztér felszakadásával (hétköznapi elnevezéssel tűztérrobbanással) járhat. Korábban ezek ellen kellő felületű, számú robbanóajtó (a tűztéri nyomás megengedett értékre növekedésekor kinyíló, majd visszazáródó súly, rúgós terhelésű fedél, 6.12. ábra) beépítésével, illetve felhasadó, felnyíló lemezzel fedett nyílás kialakításával védekeztek, amelyeket a környezet, a kezelőszemélyzet sérülésének elkerülésére terelőburkolatokkal láttak el, vagy a személyzet tartózkodási helyén kívül helyeztek el. Membránfalas kazánoknál felhasadó sarkok (két oldalfal csatlakozásánál történő) kialakítása is szóba jöhet [2]. A fűtőfelületek mögött elhelyezett robbanófedeleket a hőveszteség, a deformáció csökkentésére tűzálló anyagból készített árnyékoló tárcsákkal is védeni kell. Nagyobb tűztéri nyomásoknál nehézséget jelent a légtömör zárás megfelelő kialakítása, mivel az esetleges folyamatos, meleg közegkiáramlás deformálhatja a fedelet, szennyezi a kazánház légterét, szénportüzelés esetén kiporzást is előidézhet.
Harvard
(): . : .
: /hivatkozas/m713kaz_4487/#m713kaz_4487 ()
Chicago
. . . : .
(: /hivatkozas/m713kaz_4487/#m713kaz_4487)
APA
(). . .
(: /hivatkozas/m713kaz_4487/#m713kaz_4487)
6.12. ábra. Robbanófedelek
Különösen kedvezőtlen esetben a robbanóajtó beépítése sem nyújt elég védelmet, az égőszekrény lángcsöves kazánoknál bekövetkező leszakadása halálos balesetet is eredményezett. A biztonságos megoldást az ellenőrzött tüzelőanyag-bevezetés (kettőzött, közbenső tehermentesítéssel ellátott tüzelőanyag-szelepek), a tüzelőanyag-bevezetés megkezdése előtt működésbe hozott gyújtóberendezés, olajtüzelésnél a biztonsági idő csökkentése jelenti, amellyel a begyújtásnál jelentkező nyomáshullámok megelőzhetők, a tűztérrobbanások pedig nagy valószínűséggel kizárhatók. Mindezek ellenére az európai biztonsági szabályzatok (1.2. fejezet, [8]) jelenleg is előírják kellően méretezett robbanóajtók kialakítását. A tengeren túli gyakorlatot összefoglaló [2] irodalom azonban már múlt időben beszél a kisebb kazánoknál egykor alkalmazott robbanóajtókról. Az esetleges túlnyomásokat robbanásálló kialakítás esetén a megfelelően méretezett szerkezeti elemeknek, bandázsoknak kell felvenni.
A robbanás nemcsak a tűztérben, hanem a tüzelőberendezés, kazán egyéb részeiben is bekövetkezhet. Ezek védelmére [6.13] robbanásbiztos kialakítás, robbanófedelek elhelyezése, illetve automatikusan vezérelt, robbanáselnyomó rendszerek beépítése alkalmazhatók. Robbanásbiztos kialakítás esetén a szilárdsági méretezést a maximális robbanási nyomásra kell elvégezni. A robbanófedeleknek meg kell felelni a vonatkozó előírásoknak, minőségüket kísérletekkel ellenőrizni kell [6.14]. Méretezésüket a vonatkozó szabványok (a könyv összeállításának idején például [6.15], [6.16]) alapján kell elvégezni. A hatályos szabványokban ismertetett számítások a térfogat mellett a maximális robbanási nyomásból, robbanási nyomásnövekedési sebességből, a robbanófedél alkalmazásával elérni kívánt csökkentett robbanási nyomásból és a robbanófedél nyitási nyomásából indulnak ki. A robbanónyílások minimális keresztmetszetét az előbbi jellemzőktől, tartályalaktól függő empirikus képletekből lehet kiszámítani. Az anyagjellemzőktől, keveredési arányoktól, kezdő nyomástól, hőmérséklettől függő maximális robbanási nyomás, illetve a robbanási nyomásnövekedési sebesség megállapítása kísérleti vizsgálatok alapján történik [6.17]. Néhány jellemző tengerentúli szénféleségre [6.18] alapján a 6.2. táblázat tartalmaz adatokat, amelyekből látható, hogy még azonos osztályba (5.1. táblázat) tartozó szenek esetén is nagy eltérés mutatkozhat a robbanási jellemzőkben. A szenek illó- és nedvességtartalmának maximális robbanási nyomásra és nyomásnövekedési sebességre gyakorolt hatására [6.19] közöl diagramokat.
Földgázra [6.17] 1 bar kezdőnyomás, 10 mol% metán-levegő keverési arány, 20–240 °C gyulladási hőmérséklet esetén 75,3–78,9 bar·m/s robbanási nyomásnövekedési sebességet ad meg, amely 5 bar kezdőnyomás esetén 194,3–285,2 bar·m/s értékre emelkedik. A maximális robbanási nyomás 1 bar (atmoszférikus) kezdőnyomásnál, 20 °C gyulladási hőmérsékletnél 8,3 barra adódott.
A tüzelés kiesése, leállítása: A tüzelőberendezések leállításánál, üzem közbeni kiesésénél a begyújtással ellentétes folyamat játszódik le: a tűzteret, füstjáratokat kitöltő közeg gyors lehűlése, térfogatcsökkenése. Miután a térfogat-kiegyenlítődés a hőmérséklet csökkenéséhez viszonyítva lassúbb folyamat, átmenetileg gyors nyomáscsökkenés következik be, amely néhány lengést követően megszűnik.
A 6.13. ábra egy olajtüzelésű, besugárzott tűzterű toronykazánon elvégzett kísérlet [6.4] eredményét mutatja vázlatosan. A tűztérben bekövetkező gyors nyomáscsökkenés kiegyenlítődése természetes úton a kémény felől (a kémény kilépési pontján a nyomás nem változik), illetve mesterségesen (aláfúvó ventilátorral segítve) a levegőrendszer felől következhet be. Utóbbi a levegőcsappantyúk záró állásba kerülése, levegő- aláfúvó ventilátor visszaszabályozása, leállása miatt azonban általában elhanyagolható jelentőségű. Kedvezőtlen füstgázelszívó ventilátor vezérlés kialakításnál a (például terelőlapátok zárása következtében) lecsökkenő áramlási keresztmetszetek miatt a kémény felőli kiegyenlítődés is lassulhat [2]. Az ábrán bemutatott esetben a kémény felőli kiegyenlítődés magyarázza, hogy a kémény előtti nyomás minimuma időben megelőzi a tűztéri nyomás minimumát.
Harvard
(): . : .
: /hivatkozas/m713kaz_4496/#m713kaz_4496 ()
Chicago
. . . : .
(: /hivatkozas/m713kaz_4496/#m713kaz_4496)
APA
(). . .
(: /hivatkozas/m713kaz_4496/#m713kaz_4496)
6.13. ábra. Nyomáshullám a tüzelés leállítása után [6.4]
A két terhelésen elvégzett mérések alapján [6.4] a 6.14. ábrán vázolt nyomáslefutást ismerteti. Az ábra alapján látható, hogy a berendezések leterhelésével, a tüzelőberendezések visszaszabályozásával, fokozatos leállításával végzett normál leállítások esetén a nyomásingadozás és ezzel a berendezés meghibásodásának veszélye csökken.
Harvard
(): . : .
: /hivatkozas/m713kaz_4499/#m713kaz_4499 ()
Chicago
. . . : .
(: /hivatkozas/m713kaz_4499/#m713kaz_4499)
APA
(). . .
(: /hivatkozas/m713kaz_4499/#m713kaz_4499)
6.14. ábra. Nyomásingadozás a tüzelés leállítása esetén [6.4]
A nyomás minimumának elméleti értéke állandó térfogat melletti nyomásváltozást feltételezve számítható:
ahol
A (6.17/a) képletből kiadódó érték a ténylegesen várható minimális nyomásnál lényegesen kisebb, mivel a gyakorlatban a hőmérséklet-csökkenés nem ugrásszerű, és a nyomás kiegyenlítődése azonnal megkezdődik. A valóságot jól közelítő [N/m2] értékek meghatározására [6.4] a következő összefüggések felhasználását javasolja:
ahol
|
az áramlási út mentén súlyozott átlagos közegsűrűség [kg/m3],
|
||
|
az áramlási út mentén súlyozott átlagos áramlási sebesség [m/s],
|
||
|
az áramlási út mentén súlyozot átlagos hangsebesség [m/s],
|
||
|
az i-edik, eltérő hőmérséklettel, sebességgel jellemezhető áramlási szakasz (tűztér, fűtőfelületek, levegő, füstgázcsatornák, kémény stb.) hossza [m],
|
||
|
átlagos sűrűség az i-edik, eltérő hőmérséklettel, sebességgel jellemezhető áramlási szakaszban [kg/m3],
|
||
|
átlagos sebesség az i-edik, eltérő hőmérséklettel, sebességgel jellemezhető áramlási szakaszban [m/s],
|
||
|
átlagos hőmérséklet az i-edik, eltérő hőmérséklettel, sebességgel jellemezhető áramlási szakaszban [K].
|
||
Tartalomjegyzék
- Kazánok
- Impresszum
- Előszó a második kiadáshoz
- Bevezetés
- 1. Kazánok általános jellemzői
- 2. Kazántípusok általános ismerte
- 3. Kétfázisú hőátadás, áramlás fűtött felületen
- 3.1. A gőzképződés alapvető folyamatai [3.1]
- 3.2. Forrás végtelen térben [3.1]
- 3.3. Hőátadás és gőzfejlesztés csőben
- 3.4. A kétfázisú közeg áramlásának alapjai
- 3.1. A gőzképződés alapvető folyamatai [3.1]
- 4. Vízoldali folyamatok, vízelőkészítés, gőztisztaság
- 5. Hőtechnikai számítások
- 6. Füstgázoldali folyamatok, légtechnikai számítások
- 7. Gőzkazánok elemeinek szilárdsági számítása
- 8. A gőzkazánok üzemeltetése
- Függelék
- 1. függelék
- 2. függelék
- 3. függelék
- 4. függelék
- 5. függelék
- Szerkezeti anyagok
- a) Szerkezeti anyagok összetétele
- b) Hagyományos lemezanyagok folyáshatára [7.63]
- c) Növelt szilárdságú lemezanyagok folyáshatára [7.63]
- d) Jellemző dobanyagok tartamszilárdsága [7.63]
- e) Kamrák lemezanyagainak tartamszilárdsága [7.63]
- f) Rozsdamentes lemezanyagok folyáshatára [7.65]
- g) Rozsdamentes lemezanyagok tartamszilárdsága [7.65]
- h) Ötvözetlen, gyengén ötvözött csőanyagok folyáshatára [7.70]
- i) Ötvözetlen, gyengén ötvözött csőanyagok tartamszilárdsága [7.70]
- j) Hagyományos csőanyagok folyáshatára [7.70]
- k) Hagyományos csőanyagok tartamszilárdsága [7.70]
- l) Növelt szilárdságú csőanyagok folyáshatára [7.70]
- m) Növelt szilárdságú csőanyagok tartamszilárdsága [7.70]
- n) Rozsdamentes csőanyagok folyáshatára [7.71]
- o) Rozsdamentes csőanyagok tartamszilárdsága [7.71]
- p) Korszerű anyagok folyáshatára [7.30], [7.74, 7.75, 7.76], [7.79, 7.80], [7.83]
- q) Korszerű anyagok tartamszilárdsága [7.25], [7.74, 7.75], [7.79, 7.80, 7.81, 7.82, 7.83]
- a) Szerkezeti anyagok összetétele
- Szerkezeti anyagok
- Irodalom
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
gomb segítségével választhatsz, hogy fejezetről fejezetre lapozva vagy inkább folyamatosan görgetve olvasnád-e a könyvet.
