ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. 1. Γενικά Ορισµός ιαδικασίες κατά την παραγωγή του ατµού Νερό ατµός Παραγωγή ατµού 16

Transcript

1 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ Α: ΚΑΥΣΗ ΟΡΥΚΤΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ 3 1. Στοιχειοµετρική ανάλυση ενός χιλιόγραµµου καυσίµου 3 2. Ανωτέρα και κατωτέρα θερµογόνος δύναµη (θερµαντική ικανότητα) του καυσίµου 3 3. Εξισώσεις για την στοιχειοµετρική καύση και ποσότητα θερµότητας, που απελευθερώνεται κατ αυτήν Τέλεια καύση άνθρακα Ατελής καύση άνθρακα Ολοκλήρωση της καύσης του µονοξειδίου του άνθρακα Kαύση Θείου Καύση υδρογόνου 4 4. Αναγκαίος αέρας για την τέλεια καύση ενός καυσίµου (θεωρητικός αέρας) 5 5. Παραγόµενα ξηρά καυσαέρια κατά την στοιχειοµετρική καύση καυσίµου µε θεωρητικό αέρα 5 6. Περίσσεια αέρα 6 7. Πραγµατική κατανάλωση αέρα κατά την καύση 6 8. Αναγωγή κατά βάρος και κατ όγκον προσδιορισµών σε mol ανά kgr καυσίµου ιόγκωση καύσης Κατ όγκον περιεκτικότητα αέρα του καυσαερίου Αναπτυσσόµενη θερµοκρασία κατά την καύση 13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ B: ΑΤΜΟΛΕΒΗΤΕΣ Γενικά Ορισµός ιαδικασίες κατά την παραγωγή του ατµού Νερό ατµός Παραγωγή ατµού Παράµετροι που περιγράφουν την αποδοτικότητα ατµολεβητών Εξατµιστική ικανότητα καυσίµου Ειδική ατµοποίηση Συντελεστές φόρτισης Βαθµός απόδοσης ατµολεβητών Γενικά Ανάλυση απωλειών Κατάταξη ατµολεβητών Γενικά Κατάταξη µε βάση το µέγεθος του υδροθαλάµου Κατάταξη µε βάση τον τρόπο κυκλοφορίας του «εργαζόµενου µέσου» Κατάταξη µε βάση τον αριθµό διαδροµών καυσαερίων Κατάταξη µε βάση τη διάταξη των καυστήρων Κατάταξη µε βάση τη θέση της εγκατάστασης Τύποι ατµολεβητών Κυλινδρικοί ατµολέβητες ή ατµολέβητες µε µεγάλο υδροθάλαµο Υδραυλωτοί ατµολέβητες ή ατµολέβητες µε µικρό υδροθάλαµο 46

2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Γ: ΥΠΕΡΘΕΡΜΑΝΤΗΡΕΣ Γενικά Τύποι υπερθερµαντήρων Υπερθερµαντήρας ακτινοβολίας Υπερθερµαντήρας επαφής Αναθερµαντήρας Ρύθµιση της θερµοκρασίας υπερθέρµανσης Θερµικός υπολογισµός υπερθερµαντήρων Υπολογισµός ενός υπερθερµαντήρα 66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ : ΠΡΟΘΕΡΜΑΝΤΗΡΕΣ ΤΡΟΦΟ ΟΤΙΚΟΥ ΝΕΡΟΥ Γενικά Τύποι προθερµαντήρων τροφοδοτικού νερού Οικονοµητήρας Προθερµαντήρες τροφοδοτικού νερού µε ατµό 84 ΚΕΦΑΛΑΙΟ E: ΠΡΟΘΕΡΜΑΝΤΗΡΕΣ ΑΕΡΑ ΚΑΥΣΗΣ Γενικά Τύποι προθερµαντήρων αέρα καύσης Προθερµαντήρας επιφάνειας µε αυλούς Προθερµαντήρας επιφάνειας µε επίπεδα τοιχώµατα Περιστρεφόµενος προθερµαντήρας Θερµικός υπολογισµός προθερµαντήρων αέρα καύσης Υπολογισµός ενός προθερµαντήρα αέρα καύσης 97 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΣΤ: ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΑΤΜΟΛΕΒΗΤΩΝ Γενικά Υπολογισµός σωληνώσεων Σωλήνωση µε παχύ τοίχωµα Σωλήνωση µε λεπτό τοίχωµα Υπολογισµός κυλινδρικών περιβληµάτων ατµολεβήτων Υπολογισµός κοίλων καθρεπτών Κοίλοι καθρέπτες µε υπερπίεση στην εσωτερική πλευρά Κοίλοι καθρέπτες µε υπερπίεση στην εξωτερική πλευρά Υπολογισµός φλογοσωλήνων ατµολεβήτων Υπολογισµός καθρεπτών φλογοσωλήνων Υπολογισµός επίπεδων τοιχωµάτων 114

3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Α: ΚΑΥΣΗ ΟΡΥΚΤΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ 1. Στοιχειοµετρική ανάλυση ενός χιλιόγραµµου καυσίµου Άνθρακας C % Υδρογόνο H % Οξυγόνο O % Άζωτο N % Θείο S % Άκαυστα A % Υγρασία W % C + H + O + N + S + A + W = 100 % Οι συνθέσεις µερικών τυπικών καυσίµων δίδονται στον Πίνακα Ανωτέρα και κατωτέρα θερµογόνος δύναµη (θερµαντική ικανότητα) του καυσίµου Η O = Η U (9 H % + W %) Εµπειρικοί τύποι προσδιορισµού της κατωτέρας θερµογόνου δύναµης από την στοιχειοµετρική ανάλυση ενός καυσίµου : [kcal/kg] [kcal/kg] Σελ. 3/115

4 3. Εξισώσεις για την στοιχειοµετρική καύση και ποσότητα θερµότητας, που απελευθερώνεται κατ αυτήν 3.1. Τέλεια καύση άνθρακα [kcal/kg] 3.2. Ατελής καύση άνθρακα [kcal/kg] 3.3. Ολοκλήρωση της καύσης του µονοξειδίου του άνθρακα [kcal/kg] 3.4. Kαύση Θείου [kcal/kg] 3.5. Καύση υδρογόνου H U = kcal/kg H H O = kcal/kg H Σελ. 4/115

5 4. Αναγκαίος αέρας για την τέλεια καύση ενός καυσίµου (θεωρητικός αέρας) [kg/kg καυσίµου] ή σε όγκο υπό κανονικές συνθήκες [Νm 3 /kg καυσίµου] Ο ειδικός όγκος του ξηρού αέρα σε κανονικές συνθήκες είναι 0,775Nm 3 /kg 5. Παραγόµενα ξηρά καυσαέρια κατά την στοιχειοµετρική καύση καυσίµου µε θεωρητικό αέρα [kg/kg καυσίµου] ή σε όγκο υπό κανονικές συνθήκες Παραγόµενη ποσότητα υδρατµών : [Νm 3 /kg καυσίµου] [kg/kg καυσίµου] ή σε όγκο υπό κανονικές συνθήκες (v= 1,244 Nm 3 /kg) [Νm 3 /kg καυσίµου] Παραγόµενα υγρά καυσαέρια: G wt = G t + G w Ο ειδικός όγκος των καυσαερίων µπορεί να λαµβάνεται κατά προσέγγιση ίσος µε 1,34 kg/nm 3,ή για ακριβέστερους υπολογισµούς να προσδιορίζεται µε τη βοήθεια του Πίνακα 2. Σελ. 5/115

6 6. Περίσσεια αέρα Ως περίσσεια αέρα (λ) ορίζεται ο λόγος του αέρα που διοχετεύεται κατά την καύση µιας ποσότητας καυσίµου προς τον θεωρητικά απαιτούµενο, σύµφωνα µε τις εξισώσεις της παραγράφου 4. Άρα : 7. Πραγµατική κατανάλωση αέρα κατά την καύση Πραγµατική παραγόµενη ποσότητα καυσαερίων G = G wt + L L t Η µεταβολή της περιεκτικότητας διοξειδίου / µονοξειδίου του άνθρακα και οξυγόνου των καυσαερίων µε την περίσσεια αέρα δίδεται στο Σχήµα 1. Στα Σχήµατα 2, 3, 4, 5, 6 δίδονται τυπικά διαγράµµατα προσδιορισµού του αναγκαίου όγκου αέρα και του όγκου των καυσαερίων, που παράγονται κατά την καύση αερίων, υγρών και στερεών καυσίµων, ανάλογα µε την θερµική τους δύναµη και την περίσσεια του αέρα. Σελ. 6/115

7 Σελ. 7/115

8 Σελ. 8/115

9 Σελ. 9/115

10 Σελ. 10/115

11 Σελ. 11/115

12 8. Αναγωγή κατά βάρος και κατ όγκον προσδιορισµών σε mol ανά kgr καυσίµου Όλοι οι κατά βάρος ή κατ όγκο προσδιορισµοί, που αναπτύχθηκαν στα προηγούµενα µπορούν να αναχθούν σε γραµµοµόρια (Mol) ανά kg καυσίµου (ή στοιχείου) προσδιορίζοντας τα µοριακά βάρη των ενώσεων που συµµετέχουν στις αντιδράσεις ή τους αντίστοιχους µοριακούς όγκους των αερίων. Ειδικά για τον ατµοσφαιρικό αέρα, ένα γραµµοµόριό του ισούται µε 28,98 kg και 22,4 Νm 3 υπό κανονικές συνθήκες. Χρησιµοποιώντας τον δείκτη m για τις ποσότητες αέρα και καυσαερίων σε γραµµοµόρια, ισχύουν οι σχέσεις: G m = G mwt + (λ 1) L mt G m = L m + 0,25 H 9. ιόγκωση καύσης 10. Κατ όγκον περιεκτικότητα αέρα του καυσαερίου Το µέγεθος αυτό φ χρησιµεύει στον προσδιορισµό της ειδικής θερµότητας C p και της ενθαλπίας των καυσαερίων. Τα πραγµατικά µεγέθη L,G συνδέονται επίσης µε τα θεωρητικά L wt, G wt µε τη βοήθεια των σχέσεων: Σελ. 12/115

13 11. Αναπτυσσόµενη θερµοκρασία κατά την καύση Η θερµοκρασία που αναπτύσσεται στην εστία κατά την καύση, γνωστή ως αδιαβατική θερµοκρασία φλόγας, δίνεται από τη σχέση: όπου θ l και C pl είναι η θερµοκρασία και η ειδική θερµότης του αέρα καύσης, ενώ C pg είναι η ειδική θερµότης των καυσαερίων, η οποία µπορεί να προσδιορισθεί µε τη βοήθεια του Πίνακα 3. Η πραγµατική όµως θερµοκρασία της εστίας είναι µικρότερη από την αδιαβατική θερµοκρασία της φλόγας, αφού σηµαντικό µέρος (R) της παραγόµενης θερµότητας αµέσως ακτινοβολείται στα περί την εστία θερµαινόµενα µέρη. όπου B η παροχή του καυσίµου. Σελ. 13/115

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ B: ΑΤΜΟΛΕΒΗΤΕΣ 1. Γενικά Ορισµός Ατµολέβητες ορίζονται γενικά τα κλειστά εκείνα δοχεία, όπου µε πίεση µεγαλύτερη από την ατµοσφαιρική παράγεται ατµός για οποιαδήποτε χρήση. Στους ατµολέβητες, η χηµική ενέργεια του καυσίµου µετατρέπεται κατά την καύση σε θερµική ενέργεια. Μέσα από διάφορες επιφάνειες η παραγόµενη θερµική ισχύς µεταφέρεται στο "εργαζόµενο µέσο" νερό-ατµός, µε στόχο την παραγωγή ατµού συγκεκριµένης επιθυµητής κατάστασης (πίεσης και θερµοκρασίας). Το "εργαζόµενο µέσο" είναι πια ο φορέας της θερµικής ενέργειας. Αυτή µπορεί να µετατραπεί σε µια άλλη ενεργειακή µορφή, για παράδειγµα µηχανικό έργο, που αποδίδεται από έναν ατµοστρόβιλο ή µια παλινδροµική ατµοµηχανή. 2. ιαδικασίες κατά την παραγωγή του ατµού Για να γίνουν αντιληπτές οι φυσικές διεργασίες µέσα στον ατµολέβητα, κρίνεται απαραίτητο να αναπτυχθούν στη συνέχεια ορισµένες θεωρητικές αρχές, που αφορούν στην ατµοποίηση Νερό ατµός Εκτός από τα διαγράµµατα p,v, T,s και i,s που έχουν περιγραφεί στα προηγούµενα, υπάρχει η δυνατότητα παρουσίασης και άλλων διαγραµµάτων µε διαφορετικό συνδυασµό των καταστατικών µεγεθών στους άξονες. Έτσι, για παράδειγµα, στο σχήµα Β-1 παρουσιάζεται ένα διάγραµµα i,v για υδρατµό, µε την καµπύλη κορεσµού και διάφορες ισοβαρείς καµπύλες. Σελ. 14/115

15 Στο διάγραµµα αυτό είναι δυνατή η παρακολούθηση της εξέλιξης της θερµοκρασίας και του όγκου του "εργαζόµενου µέσου", όταν αυτό προθερµαίνεται, εξατµίζεται και υπερθερµαίνεται µε σταθερή πάντα πίεση. Όπως είναι γνωστό, υπάρχει άµεση συσχέτιση µεταξύ της πίεσης και της θερµοκρασίας βρασµού. Τα δύο αυτά καταστατικά µεγέθη παραµένουν σταθερά σε όλη τη διάρκεια της εξάτµισης. Στο σχήµα Β-2 παρουσιάζεται αυτή η συσχέτιση σε ένα διάγραµµα p,t. Η χαρακτηριστική καµπύλη στο διάγραµµα αυτό δίνει τα ζεύγη τιµών για καταστάσεις βρασµού-εξάτµισης. Η καµπύλη πίεσης εξάτµισης καταλήγει στο κρίσιµα σηµείο. Ακριβή χαρακτηριστικά του κρίσιµου σηµείου αναφέρονται στον ακόλουθο πίνακα Β-1 ΠΙΝΑΚΑΣ Β-1 Χαρακτηριστικά του Κρίσιµου Σηµείου (ΚΣ) Πίεση Θερµοκρασία Ειδ. Όγκος Ενθαλπία Εντροπία Στη συνέχεια θα αναπτυχθεί σε συντοµία η διαδικασία προθέρµανσης και εξάτµισης του νερού και υπερθέρµανσης του ατµού και θα δοθούν, µε σκοπό την ανανέωση των γνώσεων, οι αντίστοιχο ορισµοί. Η ποσότητα θερµότητας, που προσδίδεται στο νερό, όταν αυτό βρίσκεται σε θερµοκρασία χαµηλότερη από την αντίστοιχη θερµοκρασία βρασµού, έχει σαν αποτέλεσµα την αύξηση της Σελ. 15/115

16 θερµοκρασίας του. Όσο µε την προθέρµανση αυτή δεν αποκτάται η θερµοκρασία Βρασµού, το νερό βρίσκεται σε "υπόψυξη" και χαρακτηρίζεται "υπόψυκτο". Η εξίσωση της θερµοκρασίας µε την αντίστοιχη θερµοκρασία βρασµού, ενώ η Φάση παραµένει πάντα υγρή, δίνει το χαρακτηριστικό εκείνο σηµείο επάνω στο σκέλος της καµπύλης κορεσµού x=0, που ονοµάζεται "νερό σε θερµοκρασία βρασµού". Όταν συνεχίζεται η πρόσδοση θερµότητας, ένα τµήµα της υγρής φάσης εξατµίζεται. Η νέα αυτή κατάσταση ονοµάζεται "υγρός ατµός" και είναι µίγµα νερού σε θερµοκρασία βρασµού και ξηρού κορεσµένου ατµού, που βρίσκεται σε θερµοδυναµική ισορροπία. Χαρακτηριστική µεταβλητή για τη συµµετοχή της µάζας του ξηρού κορεσµένου ατµού στην ολική µάζα είναι η "ποιότητα" ή ο "βαθµός ξηρότητας" x του υγρού ατµού. Στο τέλος της εξάτµισης, εκεί δηλαδή που έχει εξαφανισθεί και το τελευταίο ίχνος της υγρής Φάσης, το χαρακτηριστικό σηµείο επάνω στο σκέλος της καµπύλης κορεσµού x=1 αναφέρεται σε "ξηρό κορεσµένο ατµό". Η συνέχιση της πρόσδοσης θερµότητας θα οδηγήσει σε υπερθέρµανση του ατµού, οπότε θα διαπιστωθεί µια αύξηση της θερµοκρασίας. Αυτή η διαδικασία της ατµοποίησης ισχύει µόνον όταν η πίεση λειτουργίας του ατµολέβητα είναι µικρότερη από την κρίσιµη πίεση, δηλαδή την πίεση του κρίσιµου σηµείου. Όταν ο ατµολέβητας λειτουργεί µε µεγαλύτερη πίεση (υπερκρίσιµη πίεση), τότε η ατµοποίηση είναι ένα συνεχές φαινόµενο χωρίς τα παραπάνω περιγραφόµενα σαφή όρια Παραγωγή ατµού Ατµός παράγεται θεωρητικά µε δύο τρόπους: α) µε πτώση της πίεσης β) µε παροχή θερµότητας Ατµοποίηση µε πτώση της πίεσης Αν µειωθεί απότοµα η πίεση ποσότητας νερού, που βρίσκεται σε θερµοκρασία Βρασµού, παράγεται ατµός χωρίς εξωτερική παροχή θερµότητας. Η διαφορά της ενθαλπίας µεταξύ της αρχικής και της τελικής κατάστασης είναι εκείνη η ποσότητα θερµότητας, που διατίθεται εσωτερικά στο σύστηµα για την παραγωγή του ατµού. Η παραγωγή ατµού σταµατάει, όταν η θερµοκρασία εξισωθεί µε την θερµοκρασία βρασµού, που αντιστοιχεί στη µειωµένη τελική πίεση. Ενώ µε τον τρόπο αυτό δεν µπορεί να αντιµετωπισθεί συνεχής παραγωγή ατµού, όπως άλλωστε είναι ευκολονόητο, το φαινόµενο αυτό έχει ουσιαστική σηµασία για τη λειτουργία του ατµολέβητα. Όταν η λήψη ατµού από έναν ατµολέβητα αυξάνει απότοµα, χωρίς να αυξάνεται αντίστοιχα και η προσδιδόµενη θερµική ισχύς, χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή, γιατί ακολουθεί µια απότοµη πτώση της πίεσης και µη ελεγχόµενος βρασµός του περιεχόµενου του ατµολέβητα. ηµιουργούνται τότε φυσαλίδες ατµού, που προκαλούν συνήθως προβλήµατα κυκλοφορίας. Πρέπει τότε να είναι δυνατή η αποθήκευση ατµού, για να ξεπερασθεί το χρονικό διάστηµα, που απαιτείται για να καλυφθεί η καθυστέρηση της ατµοποίησης µε την αύξηση της προσδιδόµενης θερµικής ισχύος. Αντίθετα, όταν αυξηθεί η πίεση, η παραγωγή ατµού µε σταθερή θερµική ισχύ µειώνεται. Σελ. 16/115

17 Παραγωγή ατµού µε παροχή θερµότητας από εξωτερική πηγή Κατά την καύση, η χηµική ενέργεια του καυσίµου µετατρέπεται σε θερµική ενέργεια. Είτε µε ακτινοβολία στον άµεσο χώρο της καύσης είτε µε επαφή, η παραγόµενη θερµότητα µεταδίδεται στο "εργαζόµενο µέσο" νερό-ατµός. Το νερό θερµαίνεται και εξατµίζεται και ο ατµός υπερθερµαίνεται σε ανεξάρτητα µεταξύ τους τµήµατα µέσα στον ατµολέβητα. Ένα µέρος από την ποσότητα θερµότητας, που απαιτείται για τη θέρµανση του νερού µέχρι το σηµείο βρασµού µεταδίδεται από τα καυσαέρια στο νερό στον προθερµαντήρα του ατµολέβητα, που ονοµάζεται και οικονοµητήρας (Economizer). Το υπόλοιπο µέρος της παραπάνω θερµότητας, όπως και η θερµότητα, που απαιτείται για την εξάτµιση του νερού, µεταφέρεται µέσα από τη θερµαινόµενη επιφάνεια εξάτµισης του ατµολέβητα. Η θερµότητα, που απαιτείται για την υπερθέρµανση του ατµού, µεταβιβάζεται σ' αυτόν µέσα από τη θερµαινόµενη επιφάνεια υπερθέρµανσης» τον υπερθερµαντήρα. Το µέγεθος των θερµαινόµενων επιφανειών του ατµολέβητα εξαρτάται από τα παρακάτω κριτήρια: από την αντίστοιχη ποσότητα θερµότητας, που πρέπει να µεταδοθεί και που είναι µια άµεση συνάρτηση της πίεσης λειτουργίας από τη γεωµετρική διαµόρφωση των θερµαινόµενων επιφανειών, που επιδρά άµεσα στις συνθήκες µετάδοσης θερµότητας και από τη θέση των θερµαινόµενων επιφανειών µέσα στον ατµολέβητα, επειδή από αυτήν εξαρτάται άµεσα η διαφορά θερµοκρασίας καυσαερίων και εργαζόµενου µέσου. Με βάση τα παραπάνω στοιχεία, στο σχήµα Β-3 παρουσιάζεται σον παράδειγµα µια απλουστευµένης µορφής απεικόνιση σε τοµή ενός υδραυλωτού ατµολέβητα, όπου εµφανίζονται οι αντίστοιχες θερµαινόµενες επιφάνειες. Σελ. 17/115

18 Στον απεικονιζόµενο ατµολέβητα εµφανίζεται εγκατεστηµένος και ένας προθερµαντήρας αέρα καύσης. Η προθέρµανση του αέρα καύσης επιταχύνει την επίτευξη της θερµοκρασίας ανάφλεξης του καυσίµου και αυξάνει το θερµοκρασιακό επίπεδο στο χώρο της καύσης και στον υπόλοιπο ατµολέβητα. Γι" αυτό το λόγο µειώνεται ο χρόνος» που απαιτείται για την καύση, όπως επίσης µειώνεται και το µέγεθος των θερµαινόµενων επιφανειών, αφού βελτιώνονται µε την αύξηση της θερµοκρασίας οι συνθήκες µετάδοσης θερµότητας. 3. Παράµετροι που περιγράφουν την αποδοτικότητα ατµολεβητών Η αποδοτικότητα γενικά ενός µεταλλάκτη θερµότητας κρίνεται από το ποσό θερµότητας, που µεταφέρεται από το θερµαίνον ρευστό στο θερµαινόµενο κατά τη ροή τους µέσα οπό τη συσκευή. Στη συγκεκριµένη περίπτωση των ατµολεβητών, η εφαρµογή της παραπάνω γενικής αρχής για τη µεγιστοποίηση της αποδοτικότητας επηρεάζεται ουσιαστικά από δύο βασικούς περιορισµούς. Ο πρώτος είναι, ότι τα καυσαέρια δεν επιτρέπεται να ψυχθούν κάτω από ορισµένες ελάχιστες θερµοκρασίες, όπως θα διαπιστωθεί και αιτιολογηµένα στη συνέχεια. Ο δεύτερος εντοπίζεται στο. ότι επειδή πρόκειται για ακριβές κατασκευές, η έννοια της αποδοτικότητας πρέπει να συνδεθεί και µε οικονοµικά κριτήρια, όπως αρχική επένδυση, απόσβεση και κόστος αντικατάστασης σε περίπτωση φθοράς. Η τεχνολογία κατασκευής ατµολεβητών έχει εξελιχθεί σε τέτοιο βαθµό, ώστε να δίνεται η δυνατότητα του καθορισµού διαφόρων παραµέτρων από στατιστικά στοιχεία κατασκευών, που περιγράφουν το µέγεθος των ατµολεβητών ή και τµηµάτων τους. Έτσι η αποδοτικότητα των κατασκευών αυτών κυµαίνεται σε ανεκτά όρια βαθµού απόδοσης, χωρίς όµως οι κατασκευές να επιβαρύνονται οικονοµικά σε απαράδεκτο βαθµό, ούτε και να κινδυνεύουν από υπερβολική καταπόνηση. Αυτές οι παράµετροι βοηθούν άµεσα στον πρώτο κατά προσέγγιση υπολογισµό ενός ατµολέβητα. Μπορούν όµως και να χρησιµοποιηθούν σαν στοιχεία σύγκρισης µεταξύ διάφορων κατασκευών ατµολεβήτων, όπως και σαν στοιχεία κρίσης κατά την παραλαβή και εγκατάσταση ενός ατµολέβητα Εξατµιστική ικανότητα καυσίµου Σαν πρώτη παράµετρος χρησιµοποιήθηκε η εξατµιστική ικανότητα του καυσίµου, δηλαδή ο λόγος της ωριαίας ατµοπαραγωγής προς την ωριαία κατανάλωση καυσίµου, και εκφράζεται µε τη σχέση: (β - 1) όπου µε χαρακτηρίζεται η παροχή ατµού από τον ατµολέβητα, µε η παροχή καυσίµου, µε ο βαθµός απόδοσης του ατµολέβητα, µε Η η θερµογόνος δύναµη του καυσίµου και µε i η ενθαλπιακή αύξηση του "εργαζόµενου µέσου" νερό-ατµός από την είσοδο στον ατµολέβητα µέχρι την έξοδο από αυτόν. Αν και η εξατµιστική ικανότητα του καυσίµου εµφανίζεται σαν ένα ορθολογικό κριτήριο χαρακτηρισµού ατµολεβητών, στην εφαρµοσµένη τεχνική έχει αποδειχθεί, ότι δεν είναι το κατάλληλο µέγεθος σύγκρισης µεταξύ διάφορων κατασκευών, ούτε δίνει τη δυνατότητα υπολογισµού, έστω και κατά προσέγγιση, του µεγέθους του ατµολέβητα ή και τµηµάτων του. Σελ. 18/115

19 3.2. Ειδική ατµοποίηση Η παράµετρος αυτή, που µπορεί να χρησιµοποιηθεί σαν ένα γενικό µέτρο σύγκρισης µεταξύ διάφορων. κατασκευών ατµολεβητών, εκφράζει την ωριαία ατµοπαραγωγή αναγόµενη στη µονάδα επιφάνειας συναλλαγής θερµότητας στον ατµολέβητα, και προσδιορίζεται µε τη σχέση: (β - 2) όπου µε Α χαρακτηρίζεται η επιφάνεια συναλλαγής θερµότητας. Είναι ευνόητο, ότι η παράµετρος αυτή δίνει µια γενική εικόνα του µεγέθους του ατµολέβητα, δεν µπορεί όµως να χρησιµοποιηθεί για τον υπολογισµό των διάφορων τµηµάτων του, έστω και κατά προσέγγιση Συντελεστές φόρτισης Συντελεστές θερµικής φόρτισης Συντελεστές θερµικής φόρτισης, που αναφέρονται στην εκλυόµενη θερµότητα στο χώρο καύσης Οι δύο συντελεστές θερµικής φόρτισης, που θα αναπτυχθούν στη συνέχεια, χαρακτηρίζουν τη διαδικασία της καύσης και αποτελούν κριτήριο για το µέγεθος του χώρου, όπου συντελείται η καύση. Πρώτα απ 'όλα όµως θα αναλυθεί η ολική προσδιδόµενη θερµότητα στο χώρο καύσης. Αυτή υπολογίζεται από τη σχέση: (β - 3) όπου µε χαρακτηρίζεται η κατώτερη θερµογόνος δύναµη του καυσίµου, µε m k και µε m α η παροχή καυσίµου και αέρα καύσης αντίστοιχα και µε και σι ενθαλπιακές διαφορές αέρα και καυσίµου µεταξύ της κατάστασης εισόδου στον ατµολέβητα και µιας κατάστασης αναφοράς, που συνήθως είναι η κατάσταση του περιβάλλοντος. Εννοείται, ότι όταν δεν προθερµαίνεται ο αέρας καύσης ή και το καύσιµο τότε τα αντίστοιχα µέλη στην εξίσωση (8-3)µηδενίζονται. Στο σχήµα Β-4 παρουσιάζονται σε απλουστευµένη µορφή για έναν ατµολέβητα οι ενεργειακές ροές, που αντιστοιχούν στις ποσότητες θερµότητας, που "εισέρχονται" στο χώρο καύσης. Σελ. 19/115

20 Ειδική φόρτιση Θαλάµου καύσης Ο συντελεστής αυτός χρησιµοποιείται ιδιαίτερα σε ατµολέβητες υγρού ή αερίου καυσίµου, ή σε λέβητες όπου χρησιµοποιείται µεν στερεό καύσιµο αλλά σε κονιοποιηµένη µορφή, που εκτοξεύεται στο χώρο καύσης, όπου δηλαδή διαµορφώνεται µια φλόγα µεγάλου όγκου, που καταλαµβάνει ένα µεγάλο µέρος του Θαλάµου καύσης. Η ειδική Θερµική φόρτιση του Θαλάµου καύσης εκφράζει το ποσό της Θερµικής ισχύος, που αποδίδεται στη µονάδα όγκου του Θαλάµου καύσης, χαρακτηρίζει λοιπόν το µέγεθος του και είναι ένα µέτρο για το χρόνο παραµονής του καυσίµου στο θάλαµο καύσης. Ορίζεται µε τη σχέση: (β - 4) όπου µε χαρακτηρίζεται ο όγκος του θαλάµου καύσης. Στον πίνακα Β-2 αναφέρονται κατά προσέγγιση τιµές ειδικής θερµικής φόρτισης του θαλάµου καύσης. Σελ. 20/115

21 ΠΙΝΑΚΑΣ Β-2 Κατά προσέγγιση τιµές ειδικής θερµικής φόρτισης θαλάµου καύσης Α) Εστίες κονιοποιηµένων γαιανθράκων Γαιάνθρακες 0,17 0,23 Λιθάνθρακες 0,17 0,35 Εστίες απαγωγής της τέφρας σε υγρή κατάσταση 0,7 0,9 Κυκλωνικές εστίες και απαγωγή τέφρας σε υγρή κατάσταση 2,3 4,6 Β) Άλλες εστίες Κινητή σχάρα 0,23 0,46 Υγρά καύσιµα 0,17 0,46 Αέρια καύσιµα 0,23 2,3 Εστία υπό πίεση µε υγρό καύσιµο 0,35 0, Ειδική Φόρτιση σχάρας Η ειδική θερµική φόρτιση της σχάρας εκφράζει το ποσό της θερµικής ισχύος, που αποδίδεται στη µονάδα επιφάνειας της σχάρας, όπου είναι τοποθετηµένα τα καύσιµα και συντελείται η καύση. Είναι ευνόητο λοιπόν, ότι ο συντελεστής αυτός έχει νόηµα µόνο για ατµολέβητες, που χρησιµοποιούν στερεό καύσιµο σε µορφή κοµµατιών, που καίγονται επάνω σε σχάρα και είναι ένα µέτρο για το χρόνο παραµονής του στερεού καυσίµου στη σχάρα. Η ειδική θερµική φόρτιση της σχάρας ορίζεται µε τη σχέση: (β - 5) όπου µε χαρακτηρίζεται το εµβαδόν της επιφάνειας της σχάρας. Η τιµή, εκλεγµένη κατάλληλα από παρόµοιες κατασκευές ατµολεβητών, αποτελεί τη βάση νια τον κατά προσέγγιση υπολογισµό της επιφάνειας της σχάρας, όταν είναι γνωστή η ολική προσδιδόµενη θερµότητα στο χώρο καύσης. Στην περίπτωση, που ο αέρας καύσης δεν προθερµαίνεται, τότε είναι δυνατό να αντικατασταθεί ο αριθµητής στην εξίσωση (β-5} µε το πρώτο µόνο µέλος της εξίσωσης (β-3). Επειδή η θερµογόνος δύναµη µπορεί να θεωρηθεί γνωστή, αναφέρεται συχνά στη βιβλιογραφία η ειδική θερµική φόρτιση της σχάρας και στη µορφή: (β - 6) Σελ. 21/115

22 Οι τιµές, µε τις οποίες υπολογίζονται σήµερα οι επιφάνειες των µικρών λεβήτων, κυµαίνονται µεταξύ 60 και 80 για φυσικό ελκυσµό στην καπνοδόχο και µεταξύ 80 και 110 για τεχνητό ελκυσµό Ειδική φόρτιση διατοµής του θαλάµου καύσης Αντίστοιχα µε την ειδική θερµική φόρτιση του θάλαµοι καύσης, η ειδική θερµική φόρτιση της διατοµής του θαλάµου καύσης αποτελεί ένα µέτρο σύγκρισης της ροής στο χώρο καύσης και χαρακτηρίζει έµµεσα την εφικτή ταχύτητα των καυσαερίων µέσα σ αυτόν. Αυτή η ειδική θερµική φόρτιση ορίζεται µε τη σχέση: (β - 7) όπου µε Α Κ. χαρακτηρίζεται η αντίστοιχη επιφάνεια διατοµής του θαλάµου καύσης Συντελεστής θερµικής φόρτισης, που αναφέρεται στην παραλαµβανόµενη από το "εργαζόµενο µέσο" θερµότητα µέσα από τη θερµαινόµενη επιφάνεια Ο βαθµός ατµοπαραγωγής, ή η ειδική φόρτιση της θερµαινόµενης επιφάνειας είναι ένα µέτρο για τη θερµική καταπόνηση της και χαρακτηρίζει την ανά µονάδα θερµαινόµενης επιφάνειας µεταφερόµενη ποσότητα θερµότητας, που συντελεί στην ατµοποίηση της παροχής. Εάν µε i χαρακτηρισθεί η ενθαλπιακή αύξηση του νερού, που ατµοποιείται, και µε η αντίστοιχη θερµαινόµενη επιφάνεια, µέσα από την οποία µεταφέρεται η θερµότητα στο "εργαζόµενο µέσο", τότε η ειδική φόρτιση της θερµαινόµενης επιφάνειας εκφράζεται µε τη σχέση: (β - 8) Μια άλλη πιο γενική µορφή της ειδικής φόρτισης της θερµαινόµενης επιφάνειας έχει προαναφερθεί σαν ειδική ατµοποίηση, βλ. εξίσωση (Β-2). Με τη βοήθεια της ειδικής φόρτισης της θερµαινόµενης επιφάνειας αποκτάται µια πρώτη εικόνα του µεγέθους της επιφάνειας αυτής, όταν είναι γνωστές οι συνθήκες ατµοπαραγωγής και όταν επιλεγεί µια κατάλληλη τιµή του συντελεστή αυτού από παρόµοιες εγκαταστάσεις. Στον πίνακα Β-3 καταγράφονται περιοχές, µέσα στις οποίες κινείται στις συνήθεις κατασκευές ατµολεβητών η ειδική φόρτιση της θερµαινόµενης επιφάνειας, όταν αυτή εκφράζεται στη γενική µορφή της ειδικής ατµοποίησης Φ. Σελ. 22/115

23 ΠΙΝΑΚΑΣ Β-3 Ειδική ατµοποίηση Φ [kg/hm 2 ] Φλογαυλωτός ατµολέβητας Αεριαυλωτός ατµολέβητας Ατµολέβητας ατµάµαξας Φλογαυλωτός Αεριαυλωτός ατµολέβητας τριών διαδροµών καυσαερίων Υδραυλωτός ατµολέβητας µε πλάγιους ή όρθιους αυλούς Ατµολέβητας ακτινοβολίας Συντελεστές φόρτισης, που αναφέρονται στον ατµοθάλαµο Ο ατµοθάλαµος, ο χώρος δηλαδή όπου συλλέγεται ο ξηρός κορεσµένος ατµός και διοχετεύεται είτε στο δίκτυο κατανάλωσης, είτε στον υπερθερµαντήρα, µε σκοπό τη συνέχιση της παραλαβής θερµότητας και την υπερθέρµανση του είναι ένα τµήµα του ατµολέβητα, όπου µπορεί να προκληθούν διάφορα προβλήµατα, όταν δεν έχει τις κατάλληλες διαστάσεις. Προηγούµενα, αναφέρθηκε για παράδειγµα, ότι σε εγκαταστάσεις, όπου διαπιστώνεται έντονα µεταβαλλόµενη λήψη του ατµού, είναι απαραίτητη η αποθήκευση, για να αποφευχθεί µια µη ελεγχόµενη ατµοποίηση, που προκαλείται όταν µειώνεται απότοµα η πίεση. Ένας έντονος βρασµός του περιεχοµένου του ατµοθαλάµου έχει πιθανό αποτέλεσµα να παρασυρθούν από τον ατµό και σταγονίδια υγρού στις επόµενες σωληνώσεις. Η παραπάνω παρατήρηση ισχύει ιδιαίτερα σε υψηλές πιέσεις λειτουργίας, αφού µε την αύξηση της πίεσης η διαφορά του ειδικού όγκου υ" του ξηρού κορεσµένου ατµού και υ' των σταγονιδίων µειώνεται και ο αποχωρισµός των σταγονιδίων είναι εποµένως δυσκολότερος. ύο είναι τα στοιχεία, που καθορίζουν τις διαστάσεις του ατµοθαλάµου και που πρέπει να ληφθούν υπόψη, στην αντιµετώπιση του παραπάνω προβλήµατος: η ποσότητα του αποθηκευµένου ατµού και η διαχωριστική επιφάνεια νερού - ξηρού κορεσµένου ατµού, µέσα από την οποία διέρχονται οι φυσαλίδες του ατµού γιο να καταλήξουν στο χώρο αποθήκευσης Ειδική φόρτιση όγκου ατµοθαλάµου Η ειδική φόρτιση του όγκου του ατµοθαλάµου προδιαγράφει την παροχή όγκου του ατµού, που µπορεί να παραληφθεί από τη µονάδα όγκου του ατµοθαλάµου και αποδίδεται µε τη σχέση: (β - 9) όπου µε χαρακτηρίζεται ο ειδικός όγκος του ξηρού κορεσµένου ατµού και µε ο όγκος του ατµοθαλάµου. Όπως προαναφέρθηκε, η ειδική φόρτιση του όγκου του ατµοθαλάµου εξαρτάται άµεσα από την πίεση λειτουργίας του ατµολέβητα. Η εξάρτηση αυτή παρουσιάζεται διαγραµµατικά στο σχήµα Β-5. Σελ. 23/115

24 Ειδική φόρτιση στάθµης νερού Το πρόβληµα του αποχωρισµού ξηρού κατά το δυνατόν ατµού από τη µάζα του νερού χωρίς να υπάρχει κίνδυνος βίαιης αναταραχής της στάθµης του νερού στον ατµοθάλαµο, αντιµετωπίζεται όταν δοθούν σωστές διαστάσεις στην επιφάνεια της στάθµης του νερού. Η ειδική φόρτιση της στάθµης νερού, που είναι και µέτρο για την ταχύτητα, µε την οποία διέρχονται οι φυσαλίδες ατµού από τη στάθµη του νερού, εκφράζει την παροχή όγκου του ατµού, που πρέπει να διέρχεται από τη µονάδα επιφάνειας της στάθµης και δίνεται µε τη σχέση: (β - 10) όπου µε l και β χαρακτηρίζονται το µήκος και το πλάτος αντίστοιχα της στάθµης του νερού στον ατµοθάλαµο. Επιτρεπτά όρια της ειδικής φόρτισης στάθµης νερού σε συνήθεις κατασκευές ατµολεβητών είναι: Σελ. 24/115

25 4. Βαθµός απόδοσης ατµολεβητών 4.1. Γενικά Ο ατµολέβητας είναι σε γενική µορφή µια συσκευή, όπου η εκλυόµενη κατά την καύση θερµότητα µεταφέρεται στο "εργαζόµενο µέσο" νερό-ατµός. Όπως σε κάθε αντίστοιχη συσκευή, έτσι και εδώ διαπιστώνεται, ότι η µεταφορά της θερµικής ενέργειας δεν µπορεί να πραγµατοποιηθεί σε ποσοστό 100%. Ένα µέρος της αρχικής θερµικής ενέργειας χάνεται στο περιβάλλον µε τη µορφή διάφορων θερµικών απωλειών. Εάν µε i χαρακτηρισθεί η ενθαλπιακή αύξηση του "εργαζόµενου µέσου" από την είσοδο του στον ατµολέβητα µέχρι την έξοδο του από αυτόν, µε η παροχή ατµού από τον ατµολέβητα, µε η παροχή καυσίµου σ' αυτόν και µε η κατώτερη θερµογόνος δύναµη του χρησιµοποιούµενου καυσίµου, τότε ο βαθµός απόδοσης του ατµολέβητα περιγράφεται µε τη σχέση: (β - 11) όπου µε χαρακτηρίζεται η ωφέλιµη παραγόµενη θερµική ισχύς και µε η αντίστοιχη καταναλισκόµενη χηµική-θερµική ισχύς. Ένας άλλος τρόπος παρουσίασης του βαθµού απόδοσης του ατµολέβητα διαµορφώνεται, όταν ορισθούν ποιοτικά και ποσοτικά οι διάφορες απώλειες της συσκευής αυτής. Με το σκεπτικό αυτό ισχύει η σχέση: (β - 12) όπου µε χαρακτηρίζονται οι διάφορες συγκεκριµένες απώλειες. Οι απώλειες αυτές είναι µια άµεση συνάρτηση της παροχής του καυσίµου ή και της εκλυόµενης κατά την καύση ποσότητας θερµότητας, οπότε η εξίσωση (3-12) µετατρέπεται στη µορφή: (β - 13) όπου µε χαρακτηρίζονται οι αναγόµενες στη µονάδα παροχής καυσίµου απώλειες. Ο εντοπισµός και η λεπτοµερέστερη ανάλυση των απωλειών αυτών θα οδηγήσει σε µια κριτική αντιµετώπιση της κατασκευής ατµολεβήτων. Οι απώλειες κατανέµονται στις παρακάτω κατηγορίες: 1. : Απώλειες, που διαπιστώνονται κατά την καύση, ή και ονοµαζόµενες απώλειες εστίας. 2. : Απώλειες θερµότητας κατά την εξαγωγή των καυσαερίων στο περιβάλλον. 3. : Απώλειες θερµότητας κατά την αποµάκρυνση των κατάλοιπων της καύσης. 4. : Απώλειες θερµότητας, που προκαλούνται µε ακτινοβολία και µεταφορά θερµότητας µε επαφή από το εξωτερικό περίβληµα του ατµολέβητα προς το περιβάλλον. Σελ. 25/115

26 Η έκφραση στην εξίσωση (3-13) χαρακτηρίζει ένα βαθµό απόδοσης, που µπορεί να διατυπωθεί για την εστία (η Ε ), για την εξαγωγή των καυσαερίων στο περιβάλλον (η κ ), για την αποµάκρυνση των καταλοίπων της καύσης (η Α ) και τέλος για την απώλεια θερµότητας προς το περιβάλλον (η Μ ) Ανάλυση απωλειών Απώλειες εστίας Οι απώλειες της εστίας κατανέµονται σε διάφορες υποκατηγορίες. Συµβαίνει στερεό καύσιµο να διαφεύγει από τα διάκενα της σχάρας και να πέφτει στην τεφροδόχο χωρίς να καεί. Παρατηρείται άλλοτε στερεό καύσιµο να παραµένει άκαυστο, είτε γιατί δεν αναµοχλεύθηκε αρκετά, είτε γιατί δεν του δόθηκε ο απαιτούµενος χρόνος για να καεί. ιαπιστώνεται τέλος ατελής καύση, είτε από έλλειψη επαρκούς παροχής αέρα, είτε από έντονη φόρτιση του χώρου καύσης, οπότε ορισµένη ποσότητα του καυσίµου εγκαταλείπει άκαυστη το χώρο καύσης, παρασυρόµενη από τα καυσαέρια προς την ατµόσφαιρα. Μέσες τιµές για ένα βαθµό απόδοσης η Ε της εστίας, που χαρακτηρίζει τις απώλειες αυτές, δίνονται στη συνέχεια για διάφορες περιπτώσεις: για εστίες κονιοποιηµένου άνθρακα η Ε = 0,95-0,98 για εστίες υγρών καυσίµων η Ε = 0,98-0,99 για εστίες αερίου καυσίµου η Ε = 1,0 για εστίες µε µηχανικές.σχάρες η Ε = 0,90-0,96 για εστίες µε µόνιµες σχάρες η Ε = 0,80-0, Απώλειες θερµότητας κατά την εξαγωγή, των καυσαερίων στο περιβάλλον Κατά την έξοδο τους από τον ατµολέβητα τα καυσαέρια περιέχουν µια ποσότητα θερµότητας που αποβαλλόµενη στο περιβάλλον χαρακτηρίζει τη σηµαντικότερη θερµική απώλεια του ατµολέβητα. Η απώλεια αυτή είναι συνάρτηση της θερµοκρασίας εξόδου των καυσαερίων, της θερµοκρασίας του περιβάλλοντος, της χρησιµοποιούµενης ποιότητας καυσίµου και της ποσότητας των καυσαερίων. Η τελευταία εξαρτάται άµεσα από το λόγο ή και συντελεστή περίσσειας αέρα η κατά την καύση. Μείωση των απωλειών αυτών, που θα είχε σαν αποτέλεσµα τη βελτίωση του βαθµού απόδοσης του ατµολέβητα, πραγµατοποιείται µε ψύξη των καυσαερίων, που σηµαίνει όµως: α) πολύ µεγάλη θερµαινόµενη επιφάνεια στο τελευταίο τµήµα του ατµολέβητα και β) κίνδυνο υγροποίησης του τριοξειδίου του θείου, που περιέχεται σε αέρια µορφή στα καυσαέρια και δηµιουργία θειικού οξέως, µε αποτέλεσµα την οξειδωτική διάβρωση των µεταλλικών κατασκευών. Ανάλογα µε την πίεση των καυσαερίων, το σηµείο υγροποίησης των διαβρωτικών αυτών ουσιών κυµαίνεται µεταξύ 110 C και 180 C, γεγονός που προκαθορίζει την ελάχιστη θερµοκρασία εξόδου των καυσαερίων από 120 C µέχρι 200 C αντίστοιχα. Οι µέσες τιµές για το βαθµό απόδοσης η Κ που χαρακτηρίζει τις απώλειες κατά την εξαγωγή των καυσαερίων στο περιβάλλον κυµαίνονται από 6% µέχρι 15%. Σελ. 26/115

27 Στα σχήµατα Β-6 και Β-7 παρουσιάζονται διαγράµµατα για τον ακριβή υπολογισµό των απωλειών αυτών σε λέβητες στερεών και υγρών καυσίµων αντίστοιχα Απώλειες θερµότητας κατά την αποµάκρυνση, των κατάλοιπων της καύσης Κατά την καύση στερεών καυσίµων, τα κατάλοιπα της καύσης όταν αποµακρύνονται από τον ατµολέβητα, αποδίδουν ποσότητα αισθητής θερµότητας στο περιβάλλον. Οι απώλειες αυτές είναι συνάρτηση της ποσότητας, της θερµοκρασίας και της ειδικής θερµότητας των κατάλοιπων, οπωσδήποτε όµως δεν επηρεάζουν ουσιαστικά το βαθµό απόδοσης του ατµολέβητα Απώλειες θερµότητας από το εξωτερικό περίβληµα του ατµολέβητα στο περιβάλλον Οι απώλειες αυτές παρατηρούνται επειδή το σώµα του ατµολέβητα βρίσκεται σε υψηλότερη θερµοκρασία από τη θερµοκρασία του περιβάλλοντος. Η διαφορά αυτή της θερµοκρασίας επιβάλλει µια ροή θερµότητας, που εξαρτάται βέβαια άµεσα από τη θερµική µόνωση του ατµολέβητα. Οι απώλειες αυτές δεν καθορίζονται σε θεωρητική βάση, επειδή εξαρτώνται από µια πληθώρα παραµέτρων. Από µετρήσεις όµως διαπιστώθηκε η εξάρτισή τους από το µέγεθος του ατµολέβητα, από το φορτίο λειτουργίας του και από το είδος του χρησιµοποιούµενου καυσίµου. Στο σχήµα Β-3 παρουσιάζεται σχετικά διάγραµµα, που επιτρέπει τον υπολογισµό των απωλειών αυτών Ολικός βαθµός απόδοσης Από τον υπολογισµό των απωλειών προκύπτει και ο βαθµός δόσης του ατµολέβητα, σύµφωνα µε την εξίσωση (β-13). Αυτός ο βαθµός απόδοσης κυµαίνεται συνήθως, ανάλογα µε την κατασκευή και τις συνθήκες λειτουργίας, από 80% µέχρι 92%. Ο ολικός ή και "καθαρός" βαθµός απόδοσης υπολογίζεται κατά 1% µέχρι 3% µικρότερος από τον παραπάνω επειδή καλύπτει και τη λειτουργία των απαραίτητων βοηθητικών µηχανηµάτων, που συνοδεύουν µια τέτοια κατασκευή, όπως για παράδειγµα τροφοδοτικές αντλίες, ανεµιστήρες και απορροφητήρες. Στο σχήµα Β-9 παρουσιάζεται ένα διάγραµµα ενεργειακής ροής (διάγραµµα SΑΝΚΕΥ) σε έναν ατµολέβητα. 5. Κατάταξη ατµολεβητών 5.1. Γενικά Οι ατµολέβητες µπορούν να καταταγούν σε ορισµένες κατηγορίες. Κριτήρια για την κατάταξη αυτή αποτελούν: το µέγεθος του υδροθαλάµου ή καλλίτερα η σχετική µε την αποδιδόµενη θερµική ισχύ χωρητικότητα σε νερό ο τρόπος κυκλοφορίας του "εργαζόµενου µέσου" Σελ. 27/115

28 η γεωµετρική τους µορφή, που διαµορφώνεται κύρια από τον αριθµό διαδροµών των καυσαερίων, αλλά και επηρεάζεται από τον αριθµό των ατµοθαλάµων, των υδροθαλάµων και των θαλάµων καύσης η θέση της εγκατάστασης 1: Ολική προσδιδόµενη θερµότητα, βλ. εξίσωση (β-3) 2: Μεταφερόµενη θερµότητα στον ατµό µε ακτινοβολία 3, 5: Παραλαµβανόµενη θερµότητα από τον ατµό στις εξατµιστικές επιφάνειες 4: Παραλαµβανόµενη θερµότητα από τον ατµό στον υπερθερµαντήρα 6: Παραλαµβανόµενη θερµότητα από τον ατµό στον οικονοµητήρα 7: Ολική παραλαµβανόµενη θερµότητα από τον ατµό 8: Παραλαµβανόµενη θερµότητα από τον αέρα καύσης στον προθερµαντήρα 9: Απώλεια θερµότητας κατά την εξαγωγή των καυσαερίων στο περιβάλλον 10: Υπολειπόµενη απώλεια θερµότητας 5.2. Κατάταξη µε βάση το µέγεθος του υδροθαλάµου Είναι ευνόητο, ότι ένας βασικός παράγοντας, του καθορίζει τις δυνατότητες ενός ατµολέβητα, είναι η περιεκτικότητα του υδροθαλάµου σε νερό, που αποτελεί και άµεση συνάρτηση της δυνατότητας αποθήκευσης ατµού. Ατµολέβητες, για παράδειγµα, µε µεγάλο υδροθάλαµο µπορούν ευκολότερα να αντεπεξέλθουν σε απότοµες αυξοµειώσεις της παροχής ατµού στην κατανάλωση. Εννοείται, ότι η περιεκτικότητα σε νερό αποτελεί ένα συγκριτικό µέγεθος, όταν γίνεται αναγωγή στην αποδιδόµενη θερµική ισχύ, δηλαδή σε τελευταία ανάλυση στην ολική παραγωγή ατµού από τον ατµολέβητα. Με βάση το κριτήριο αυτό, υπάρχουν δύο γενικές κατηγορίες ατµολεβητών: Σελ. 28/115

29 α) οι ατµολέβητες µε µεγάλο υδροθάλαµο και β) οι ατµολέβητες µε µικρό υδροθάλαµο Ατµολέβητες µε µεγάλο υδροθάλαµο Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι φλογαυλωτοί, οι αεριαυλωτοί και οι φλογαυλωτοί - αεριαυλωτοί ατµολέβητες, δηλαδή εκείνοι οι ατµολέβητες, όπου φλόγα και καυσαέρια διοχετεύονται µέσα από αυλούς, που περιβάλλονται από το προς ατµοποίηση νερό. Στο σχήµα Β-10 παρουσιάζεται ενδεικτικά ένας ατµολέβητας µε µεγάλο υδροθάλαµο, µε ένα φλογοσωλήνα και αεριαυλούς. Σχήµα Β-10. Ατµολέβητες µε µεγάλο υδροθάλαµο, τύπου Σκοτίας 1: εξωτερικό περίβληµα του ατµολέβητα 2: µπροστινός καθρέπτης 3: πίσω καθρέπτης, χώρος αναστροφές καυσαερίων 4: φλογοσωλήνας 5: θάλαµος καύσης 6: αεριαυλοί 7: καπνοθάλαµος 8: στηρίξεις 9: πρόσθετος ατµοθάλαµος, λήψη ξηρού κορεσµένου ατµού 10: σχάρα για καύση στερεών καυσίµων 11: καπνοδόχος Οι ατµολέβητες της κατηγορίας αυτής παρουσιάζουν τα παρακάτω πλεονεκτήµατα: Υπάρχει δυνατότητα αποθήκευσης ατµού, που συνεπάγεται τη σχετικά αδιάφορη συµπεριφορά τους σε µεταβαλλόµενη λήψη ατµού. Ο καθαρισµός της εσωτερικής πλευράς του περιβλήµατος και της εξωτερικής πλευράς φλογοσωλήνων και αεριαυλών, όπου δηλαδή µπορούν να επικαθίσουν άλατα (λεβητόλιθος), είναι σχετικά απλός, είτε µε µηχανικά µέσα είτε µε χρησιµοποίηση χηµικών ουσιών. Το µεγαλύτερο ποσοστό των επιφανειών αυτών είναι προσιτό. Σελ. 29/115

30 Ο καθαρισµός εσωτερικά αεριαυλών και φλογοσωλήνα και γενικότερα του χώρου διέλευσης των καυσαερίων (εκκαπνισµός του ατµολέβητα) δεν παρουσιάζει κανένα ιδιαίτερο πρόβληµα Από τα παραπάνω συµπεραίνεται, ότι µπορεί να χρησιµοποιηθεί και νερό τροφοδοσίας, που δεν είναι απόλυτα απαλλαγµένο από άλατα, χωρίς αυτό να συνεπάγεται καταστροφή του ατµολέβητα. Οι χειρισµοί είναι απλοί, είτε κατά την έναυση, είτε κατά τη ρύθµιση λειτουργίας, είτε κατά τη σβέση. Τα µειονεκτήµατα των ατµολεβητών της κατηγορίας αυτής είναι: Η δυσκολία επίτευξης υψηλών πιέσεων λειτουργίας. Επειδή η πίεση αυτή ασκείται σε µεγάλες επιφάνειες (εξωτερικό περίβληµα, φλογοσωλήνας), µια αύξηση της πίεσης συνεπάγεται αύξηση του πάχους των τοιχωµάτων και οδηγεί γρήγορα σε απαγορευτικά πάχη και αντίστοιχα σε απαγορευτικά µεγέθη ατµολεβητών. Η ταχύτητα κυκλοφορίας των στρωµάτων του νερού, που έρχονται σε άµεση επαφή µε την θερµαινόµενη επιφάνεια, είναι µικρή, µε αποτέλεσµα να µειώνεται η αποδοτικότητα κατά τη µετάδοση θερµότητας (µικρή ειδική φόρτιση θερµαινόµενης επιφάνειας και ειδική ατµοποίηση). Ο µεγάλος όγκος αποθηκευµένου νερού στον υδροθάλαµο είναι η αιτία της µεγάλης καθυστέρησης που παρουσιάζεται, για να φθάσει ο ατµολέβητας από την έναυσή του σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας. Σαν ουσιαστικό κατασκευαστικό πρόβληµα αντιµετωπίζεται η ευαισθησία των φλογοσωλήνων, που καταπονούνται σε πολύ υψηλές θερµοκρασίες και παρουσιάζουν µεγάλες διαστολές Ατµολέβητες µε µικρό υδροθάλαµο Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι υδραυλωτοί ατµολέβητες, µε κύριο χαρακτηριστικό τη χρησιµοποίηση αυλών για την κυκλοφορία του προς ατµοποίηση νερού. Τα καυσαέρια περιβάλλουν τους υδραυλούς αυτούς. Στο σχήµα Β-11 παρουσιάζεται ενδεικτικά ένας υδραυλωτός ατµολέβητας. Σελ. 30/115

31 1: προθερµαντήρας τροφοδοτικού νερού (οικονοµητήρας) του δευτερεύοντος ατµοπαραγωγού 2: θάλαµος καύσης 3: αυλοί ανόδου του κυρίως ατµολέβητα 4: θερµαντική επιφάνεια του δευτερεύοντος ατµοπαραγωγού 5: επιστροφή συµπυκνωµένου ατµού στον υδροθάλαµο 6: αυλοί καθόδου, εξωτερικά στο σώµα του ατµολέβητα, αµόνωτοι 7: ατµο-υδροθάλαµος ατµοπαραγωγού 8: υπερθερµαντήρας Σαν πλεονεκτήµατα των υδραυλωτών ατµολεβητών µπορούν να αναφερθούν: Η δυνατότητα επίτευξης υψηλών πιέσεων λειτουργίας. Αυτό επιτυγχάνεται εύκολα, επειδή η θερµαινόµενη επιφάνεια του ατµολέβητα αποτελείται από σωληνώσεις µικρής διατοµής. Αντίστοιχα, σχετικά µικρές είναι και οι διατοµές ατµοθαλάµου και υδροθαλάµου, όπου ασκείται η πίεση του "εργαζόµενου µέσου". Έτσι προκύπτουν ακόµη και σε υψηλές πιέσεις πάχη τοιχωµάτων, που µπορούν να κατασκευασθούν. Η ταχύτητα κυκλοφορίας του "εργαζόµενου µέσου" στους αυλούς είναι µεγάλη, έτσι ώστε να βελτιώνονται σηµαντικά οι συνθήκες µεταφοράς θερµότητας (αυξηµένη ειδική φόρτιση θερµαινόµενης επιφάνειας). Ο µικρός όγκος νερού συσχετιζόµενος µε τη µεγάλη θερµαινόµενη επιφάνεια επιτρέπει γρήγορη ατµοποίηση. Όλα τα παραπάνω πλεονεκτήµατα συνδυαζόµενα επιτρέπουν να κατασκευάζονται οι λέβητες αυτοί µε µικρό ειδικό βάρος και µικρό ειδικό όγκο, άρα και µικρό ειδικό κόστος, µεγέθη αναγόµενα στη µονάδα παροχής ατµού. Τα µειονεκτήµατα των υδραυλωτών ατµολεβητών είναι: Η ευπάθεια τους σε ακάθαρτο τροφοδοτικό νερό. Εδώ απαιτείται η χρησιµοποίηση νερού απόλυτα απαλλαγµένου από άλατα, όπως επίσης και ο συνεχής έλεγχος της ποιότητας του. Ας σηµειωθεί, ότι ο εσωτερικός καθαρισµός των υδρύαλων δεν µπορεί να γίνει µε µηχανικά µέσα, αλλά ούτε και ενδείκνυται να γίνεται µε χηµικές ουσίες. Αντίθετα βέβαια, Σελ. 31/115

32 ο εκκαπνισµός του ατµολέβητα αυτού, δηλαδή η αποµάκρυνση της αιθάλης από την εξωτερική επιφάνεια των υδρύαλων, δεν παρουσιάζει κανένα πρόβληµα. Ο χώρος των υδρύαλων καθαρίζεται σε τακτικά διαστήµατα µε ψεκασµό ατµού υψηλής πίεσης. Ο περιορισµένος όγκος νερού και ο αντίστοιχα περιορισµένος όγκος αποθηκευµένου ατµού είναι οι παράγοντες, που αιτιολογούν προβλήµατα λειτουργίας αυτών των ατµολεβητών σε έντονα µεταβαλλόµενη λήψη ατµού στην κατανάλωση Κατάταξη µε βάση τον τρόπο κυκλοφορίας του «εργαζόµενου µέσου» Η κυκλοφορία του «εργαζόµενου µέσου» στον ατµολέβητα αποσκοπεί από το ένα µέρος στην ψύξη των θερµαινόµενων επιφανειών και την ταυτόχρονη µεταφορά θερµότητας στο «εργαζόµενο µέσο» και από το άλλο µέρος σε µια οµοιόµορφη θερµοκρασιακή κατάσταση σε όλον τον ατµολέβητα, έτσι ώστε να αποφεύγονται θερµικές τάσεις από µεγάλες διαφορές θερµοκρασιών. Με κριτήριο τον τρόπο κυκλοφορίας του «εργαζόµενου µέσου» οι ατµολέβητες κατατάσσονται σε τρεις γενικές κατηγορίες: α) σε ατµολέβητες φυσικής κυκλοφορίας β) σε ατµολέβητες τεχνητής κυκλοφορίας και γ) σε ατµολέβητες εξαναγκασµένης ροής Ατµολέβητες φυσικής κυκλοφορίας Στο σχήµα Β-11 παρουσιάσθηκε ένας ατµολέβητας φυσικής κυκλοφορίας. Στους ατµολέβητες αυτής της κατηγορίας εξασφαλίζεται η κυκλοφορία του «εργαζόµενου µέσου» χωρίς τη βοήθεια αντλίας. Η διαφορά πυκνότητας, που διαµορφώνεται µεταξύ της ροής σε έντονα θερµαινόµενους αυλούς ανόδου και της ροής σε ψυχόµενους ή ελάχιστα θερµαινόµενους αυλούς καθόδου, δηµιουργεί την ανακύκλωση του «εργαζόµενου µέσου». Στο σχήµα Β-12 παρουσιάζεται ενδεικτικά ατµοθάλαµος και υδροθάλαµος, που συνδέονται µε ένα θερµαινόµενο αυλό ανόδου και έναν αυλό καθόδου. Εάν µε και µε χαρακτηρισθούν οι µέσες τιµές της πυκνότητας του «εργαζόµενου µέσου» στον αυλό ανόδου και στον αυλό καθόδου αντίστοιχα, τότε το µανοµετρικό ύψος αυτής της «φυσικής αντλίας» εκφράζεται µε τη σχέση: (β - 14) Σελ. 32/115

33 Σε κατάσταση ισορροπίας, εξισώνεται αυτή η διαφορά πίεσης p 1, που διαπιστώνεται στη βάση των αυλών ανόδου και καθόδου µε τις αντιστάσεις ροής p 2, που δηµιουργούνται υπό τις τριβές τις αποκλίσεις της ροής και τις τυχόν διαφοροποιήσεις των διατοµών, έτσι που να σταθεροποιείται µια ταχύτητα ροής. Μεγαλύτερη ταχύτητα ροής, που συνεπάγεται αύξηση των αντιστάσεων, είναι εφικτή µόνο όταν αυξηθεί η πρόσδοση θερµότητας, άρα η διαφορά πυκνότητας ή και το αντίστοιχο µανοµετρικό ύφος της «φυσικής αντλίας». Η ποσότητα ατµού, που παράγεται στον αυλό ανόδου και που επιδρά εποµένως στη διαµόρφωση της µέσης τιµής της πυκνότητας εξαρτάται πρωταρχικά από την πρόσδοση της θερµότητας αλλά και από τη διαφορά πίεσης µεταξύ ατµοθαλάµου και υδροθαλάµου και από τη σχετική ταχύτητα του ατµού προς την ταχύτητα του νερού στον αυλό ανόδου. Επειδή µεταξύ ατµοθαλάµου και υδροθαλάµου υπάρχει υψοµετρική διαφορά, η πίεση στον υδροθάλαµο είναι µεγαλύτερη από την πίεση στον ατµοθάλαµο. ιαπιστώνεται έτσι, ότι κατά τη ροή στον αυλό ανόδου η πίεση µειώνεται. Η εξάτµιση ενισχύεται από αυτό το γεγονός (αυτεξάτµιση). Ενώ αντίθετα, στον αυλό καθόδου η αύξηση της πίεσης στην κατεύθυνση της ροής παρεµποδίζει την εξάτµιση του νερού. Και οι δύο αυτές διαπιστώσεις επενεργούν θετικά στην αύξηση της ταχύτητας κυκλοφορίας. Μια πολύ έντονη εξάτµιση στον αυλό ανόδου θα είχε σαν αποτέλεσµα τη δηµιουργία φυσαλίδων ατµού, που να καλύπτουν όλη την επιφάνεια διατοµής του αυλού ανόδου. Το γεγονός αυτό επιδρά αρνητικά στην κυκλοφορία του «εργαζόµενου µέσου», και προκαλεί κρουστικά φαινόµενα και κραδασµούς στους αυλούς ανόδου. Ο λόγος του µήκους, του αυλού ανόδου προς τη διάµετρο του είναι το κατάλληλο κριτήριο για να αποφεύγονται οι παρενέργειες αυτές. Οι απόψεις νια την τοποθέτηση θερµαινόµενων ή µη θερµαινόµενων αυλών καθόδου διχάζονται. Υπάρχουν κατασκευές, όπου οι αυλοί καθόδου τοποθετούνται χωρίς µόνωση έξω από το περίβληµα του ατµολέβητα, ενώ σε άλλες κατασκευές χρησιµοποιείται και η επιφάνεια Σελ. 33/115

34 των αυλών καθόδου σαν επιφάνεια µεταφοράς θερµότητας, όταν αυτοί είναι εγκατεστηµένοι µέσα στον ατµολέβητα. Τέλος υπάρχουν και κατασκευές, όπου συνδυάζονται οι δύο παραπάνω µέθοδοι. Το πλεονέκτηµα της αύξησης της θερµαινόµενης επιφάνειας αντισταθµίζεται κατά περίπτωση µε το µειονέκτηµα της µειωµένης ταχύτητας κυκλοφορίας του «εργαζόµενου µέσου». Οπωσδήποτε όµως η διατήρηση της υγρής φάσης στον υδροθάλαµο πρέπει να εξασφαλίζεται. Μια τυχόν ατµοποίηση στους αυλούς καθόδου θα µπορούσε να φράξει την εισαγωγή του νερού από τον υδροθάλαµο στους αυλούς ανόδου και να παρεµποδίσει την κυκλοφορία. Με την αύξηση της πίεσης λειτουργίας ενός ατµολέβητα φυσικής κυκλοφορίας, µικραίνει η διαφορά πυκνότητας µεταξύ του περιεχόµενου των αυλών ανόδου και καθόδου, άρα µικραίνει και η δηµιουργούµενη διαφορά πίεσης και εποµένως η ταχύτητα του νερού στο κύκλωµα. Το ανώτατο όριο πίεσης του παραγόµενου υπέρθερµου ατµού για εξασφαλισµένη λειτουργία ενός ατµολέβητα φυσικής κυκλοφορίας είναι περίπου 175 at. Με την πίεση αυτή µπορεί να εξασφαλισθεί επαρκής ταχύτητα ροής στους αυλούς ανόδου, ώστε και η ψύξη τους να είναι ικανοποιητική. Ο λόγος των επιφανειών των αυλών ανόδου και καθόδου εξαρτάται από την πίεση λειτουργίας του ατµολέβητα. Σαν µέσες ρυθµιστικές τιµές µπορούν να ληφθούν: για πίεση λειτουργίας <50 at 5 :1 για πίεση από 50 at µέχρι 100 at 4 :1 για πίεση από 100 at µέχρι 150 at 3 : Ατµολέβητας τεχνητής κυκλοφορίας Στο σχήµα 8-13 παρουσιάζεται ενδεικτικά ένας ατµολέβητας τεχνητής κυκλοφορίας. Στους ατµολέβητες αυτής της κατηγορίας η κυκλοφορία του «εργαζόµενου µέσου» συντελείται µε τη βοήθεια αντλίας. Με τον τρόπο αυτό επιτρέπεται η εκλογή της διατοµής και η διάταξη των αυλών της θερµαινόµενης επιφάνειας, τόσο της έµµεσης όσο και της ακτινοβολίας, κατά το σκοπιµότερο για τη µετάδοση της θερµότητας τρόπο. Ταυτόχρονα παρέχεται και η διευκόλυνση να δοθεί στον ατµολέβητα κάθε επιθυµητό σχήµα, προσαρµοσµένο δηλαδή στις συνθήκες χώρου της εγκατάστασης. α: συλλέκτες εισαγωγής β: συλλέκτες επιστροφής 1: τροφοδοτική αντλία 2: βαλβίδα αντεπιστροφής στη γραµµή τροφοδοσίας 3: οικονοµητήρας 4: αντλία ανακύκλωσης 5, 6, 7: εξατµιστικές επιφάνειες 8: υπερθερµαντήρας 9: βαλβίδα αντεπιστροφής Σελ. 34/115

35 Εκτός από την τροφοδοτική αντλία, ο ατµολέβητας τεχνητής κυκλοφορίας διαθέτει και µια αντλία ανακύκλωσης, που µέσα από το σύστηµα των αυλών, ανακυκλώνει ποσότητα νερού κατά 8 µέχρι 10 φορές µεγαλύτερη από την εξατµιζόµενη. Όπως διαπιστώνεται και από το σχήµα Β-13, υπάρχει ένας ατµοϋδροθάλαµος, ένα τύµπανο, όπου διαχωρίζεται ο ξηρός κορεσµένος ατµός από το υγρό. Αυτός διοχετεύεται στη συνέχεια στον υπερθερµαντήρα. Το νερό περισυλλέγεται σε θερµοκρασία βρασµού και αναµιγνύεται µε το τροφοδοτικό νερό για να ανακυκλωθεί στο ατµολέβητα. Άρα λοιπόν πρέπει να υπάρχει σαφής διαχωρισµός νερού και ατµού στο τύµπανο. Αυτή είναι και η αιτία του καθορισµού ανώτατου ορίου πίεσης λειτουργίας στους λέβητες της κατηγορίας αυτής. Η πίεση πρέπει να είναι οπωσδήποτε µικρότερη από την πίεση του κρίσιµου σηµείου. Έτσι, έχει προκύψει, ότι η µέγιστη πίεση παραγόµενου υπέρθερµου ατµού από έναν ατµολέβητα τεχνητής κυκλοφορίας είναι περίπου 200 at, δηλαδή κατά 25 at µεγαλύτερη από τη µέγιστη πίεση λειτουργίας ατµολεβητών φυσικής κυκλοφορίας Ατµολέβητες εξαναγκασµένης ροής Στο σχήµα Β-14 παρουσιάζεται ενδεικτικά ένας ατµολέβητας εξαναγκασµένης ροής. 1: τροφοδοτική αντλία 2: στραγγαλιστική διάταξη στη γραµµή τροφοδοσίας 3: είσοδος τροφοδοτικού νερού 4: οικονοµητήρας 5: πρόσθετος προθερµαντήρας τροφοδοτικού νερού 6, 7: εξατµιστική επιφάνεια 8: υπερθερµαντήρας 9: καυστήρας 10: έξοδος υπέρθερµου ατµού Σελ. 35/115

36 Όπως διαπιστώνεται και στο παράδειγµα, στην κατηγορία αυτή των ατµολεβητών υπάρχει εγκατεστηµένη µόνο µια τροφοδοτική αντλία, που καταθλίβει µια παροχή νερού στον ατµολέβητα χωρίς δυνατότητα ανακύκλωσης. Έτσι η παροχή υπέρθερµου ατµού στην έξοδο του ατµολέβητα είναι ίση µε την παροχή τροφοδοτικού νερού στην είσοδο του. Στην πραγµατικότητα, για τη ρύθµιση της θερµοκρασίας του υπέρθερµου ατµού, ψεκάζεται µικρή παροχή νερού στο σύστηµα υπερθέρµανσης, µε αποτέλεσµα η ροή στις σωληνώσεις ατµοποίησης να είναι λίγο µικρότερη από τη ροή του υπέρθερµου ατµού. Αφού δεν υπάρχει ουσιαστικά διαχωρισµός του νερού από τον ατµό, ο ατµοθάλαµος καταργείται σ' αυτή την κατηγορία ατµολεβητών. Έτσι και η πίεση του παραγόµενου υπέρθερµου ατµού δεν έχει ανώτατο όριο. Οι ατµολέβητες εξαναγκασµένης ροής, ονοµαζόµενοι και «ατµογεννήτριες», είναι κατάλληλοι για κάθε πίεση, ακόµη και στην υπερκρίσιµη περιοχή Κατάταξη µε βάση τον αριθµό διαδροµών καυσαερίων Στο σχήµα Β-15 παρουσιάζονται τυπικές διατάξεις των θερµαινόµενων επιφανειών σε σχέση µε τη διαδροµή των καυσαερίων. Η τελευταία αποτελεί και κριτήριο για την κατάταξη των διαφόρων ατµολεβητών σε δύο γενικές κατηγορίες: α) στους ατµολέβητες µε µία διαδροµή καυσαερίων β) στους ατµολέβητες µε δύο ή και περισσότερες διαδροµές καυσαερίων Το βασικό στοιχείο, που διαφοροποιεί τις δύο αυτές γενικές κατηγορίες, είναι η τελικά αποκτώµενη γεωµετρική µορφή του ατµολέβητα. Ατµολέβητες µιας διαδροµής καυσαερίων έχουν τη µορφή πύργων µε µεγάλο ύψος και µικρή σχετικά επιφάνεια βάσης. Σελ. 36/115

37 Οι θερµαινόµενες επιφάνειες που διαρρέονται από τα καυσαέρια είναι εγκατεστηµένες σε κατακόρυφη σειρά και έτσι αιτιολογείται η µια διαδροµή των καυσαερίων. Σπανιότερα απαντάται οριζόντιος ατµολέβητας µιας διαδροµής καυσαερίων, που έχει τότε µικρό ύψος αλλά και µεγάλο µήκος. Ατµολέβητες δύο ή και περισσότερων διαδροµών καυσαερίων κατασκευάζονται µε καλλίτερες αναλογίες βάσης και ύφους, απ' ότι οι προηγούµενοι. Προσφέρεται έτσι το πλεονέκτηµα καλλίτερης στήριξης και θεµελίωσης της κατασκευής και γι αυτό το λόγο προτιµάται η κατηγορία αυτή για εγκατάσταση σε σεισµογενείς περιοχές Κατάταξη µε βάση τη διάταξη των καυστήρων Στο σχήµα Β-16 παρουσιάζονται τυπικές διατάξεις καυστήρων, που αποτελούν και το κριτήριο για την κατάταξη των ατµολεβητών στις παρακάτω κατηγορίες: α) Σε ατµολέβητες, όπου όλοι οι καυστήρες είναι εγκατεστηµένοι στη µια πλευρά του θαλάµου καύσης. Η µετωπική αυτή διάταξη προσδιορίζει, το βάθος του θαλάµου καύσης σαν άµεση συνάρτηση του µήκους της φλόγας. Σε καµία περίπτωση δεν επιτρέπεται η φλόγα να έρχεται σε επαφή µε το απέναντι τοίχωµα του θαλάµου καύσης. β) Σε ατµολέβητες, όπου οι καυστήρες είναι εγκατεστηµένοι σε δύο αντικριστές πλευρές του θαλάµου καύσης. Με την αντικριστή ή συµµετρική διάταξη των καυστήρων επιτυγχάνονται καλλίτερες συνθήκες στροβιλισµού της φλόγας και ανάµιξης καυσίµου και αέρα απ' ότι µε την µετωπική διάταξη. γ) Σε ατµολέβητες, όπου οι καυστήρες είναι εγκατεστηµένοι στις τέσσερις γωνίες του θαλάµου καύσης. Η γωνιακή αυτή διάταξη ρυθµίζεται έτσι ώστε οι φλόγες να εφάπτονται σε κύκλο στο κέντρο της διατοµής,του θαλάµου καύσης. δ) Σε ατµολέβητες, όπου οι καυστήρες είναι εγκατεστηµένοι στην οροφή ή στον πυθµένα του θαλάµου καύσης. Η διάταξη αυτή οροφής ή πυθµένα είναι προβληµατική από πλευράς στροβιλισµού των καυσαερίων στο θάλαµο καύσης και χρησιµοποιείται µόνο για καυστήρες µε µεγάλη παροχή καυσίµου. Σελ. 37/115

38 5.6. Κατάταξη µε βάση τη θέση της εγκατάστασης Ένα κριτήριο, που χαρακτηρίζει τη γεωµετρική µορφή ενός ατµολέβητα, είναι η θέση, όπου προβλέπεται να εγκατασταθεί. Με βάση αυτό το κριτήριο οι ατµολέβητα κατατάσσονται σε δύο γενικές κατηγορίες: α) στους ατµολέβητες ξηράς β) στους ναυτικούς ατµολέβητες. Ενώ για τους πρώτους δεν υπάρχει ουσιαστικά κανένας περιορισµός χώρου, η διαµόρφωση του πλοίου περιορίζει απόλυτα τη γεωµετρική µορφή των δεύτερων. Στα σχήµατα Β-17 και Β-18 παρουσιάζονται ενδεικτικά δύο τύποι ναυτικών ατµολεβητών, που παράγουν ατµό για εγκαταστάσεις πρόωσης σκάφους. Σελ. 38/115

39 Σελ. 39/115

40 Σελ. 40/115

41 6. Τύποι ατµολεβητών Στη συνέχεια θα γίνει µια σύντοµη αναφορά στους διάφορους τύπους ατµολεβητών, που θα επέχει ταυτόχρονα και θέση ιστορικής εξέλιξης των κατασκευών αυτών Κυλινδρικοί ατµολέβητες ή ατµολέβητες µε µεγάλο υδροθάλαµο Κυλινδρικοί ατµολέβητες µε φλογοσωλήνα Οι πρώτοι ουσιαστικά ατµολέβητες, που κατασκευάζονται, είναι κυλινδρικά δοχεία, όπου υπάρχουν εγκατεστηµένοι, παράλληλα µε τον κεντρικό άξονα του δοχείου, ένας, δύο ή και περισσότεροι φλογοσωλήνες. Ατµολέβητες µε τρεις και τέσσερις φλογοσωλήνες απαντώνται µόνο σαν ναυτικοί ατµολέβητες. Ο υπερθερµαντήρας σ αυτόν τον τύπο ατµολεβητών τοποθετείται µέσα στον καπνοθάλαµο. Το ίδιο συµβαίνει και µε τον οικονοµητήρα. Στο σχήµα Β-19 παρουσιάζονται ορισµένες διατάξεις ατµολεβητών µε φλογοσωλήνα. Στον πίνακα Β-4 αναφέρονται κατασκευαστικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά ατµολεβητών µε φλογοσωλήνα. Σελ. 41/115

42 ΠΙΝΑΚΑΣ Β-4 Κατασκευαστικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά ατµολεβήτων µε φλογοσωλήνα Ατµολέβητες µε ένα Ατµολέβητες µε δύο φλογοσωλήνα φλογοσωλήνες Θερµαινόµενη επιφάνεια m Πίεση λειτουργίας at ιάµετρος τυµπάνου D m 1,5 1,8 2 2,6 Μήκος τυµπάνου m 4,1 9 5,8 12,4 Μέγιστη / ελάχιστη διάµετρος φλογοσωλήνα m 0,8 / 0,7 0,9 / 0,8 0,8 / 0,7 1,1 / 1,0 Ύψος κατώτερης στάθµης νερού από υψηλότερο σηµείο της επιφάνειας του m 0,1 D + 0,01 0,1 D + 0,02 φλογοσωλήνα Απόσταση κέντρων τυµπάνου και φλογοσωλήνα: Α) οριζόντια m 0,1 D 0,25 D 0,035 Β) κάθετα m 0,1 D 0,1 D 0,07 Λόγος µάζας περιεχοµένου νερού προς ατµοπαραγωγή kg : kg/h ,2 8,8 Λόγος όγκου περιεχοµένου νερού προς θερµαινόµενη επιφάνεια m 3 : m 2 0,2 0,25 0,18 0,22 Ειδική ατµοποίηση kg / m 2 h Ατµοπαραγωγή kg / h Κυλινδρικοί ατµολέβητες µε φλογοσωλήνα και αεριαυλούς Η προσπάθεια βελτίωσης του βαθµού απόδοσης µε αύξηση της θερµαινόµενης επιφάνειας, οδήγησε σε µεταγενέστερες κατασκευές, όπου τα καυσαέρια εγκαταλείποντας το φλογοσωλήνα διοχετεύονται µέσα από αεριαυλούς, µικρής σχετικά διαµέτρου για να καταλήξουν στον καπνοθάλάµο και στην καπνοδόχο. Οι αεριαυλοί όπως και ο φλογοσωλήνας ψύχονται από το προς ατµοποίηση νερό. Οι πρώτες κατασκευές του τύπου αυτού ήταν µε µια διαδροµή καυσαερίων. Εδώ εντοπίζονται οι συγκεκριµένοι τύποι: α) Ο ατµολέβητας τύπου ΗΟLLΑΝD (βλ. παράσταση στο σχήµα Β-20 και γενικά χαρακτηριστικά στοιχεία στον πίνακα Β-5) β) Ο ατµολέβητας ατµάµαξας (βλ. παράσταση στο σχήµα Β-21 και γενικά χαρακτηριστικά στοιχεία στον πίνακα Β-6). Σελ. 42/115

43 ΠΙΝΑΚΑΣ Β-5 Γενικά χαρακτηριστικά στοιχεία ατµολεβήτων τύπου HOLLAND Χαρακτηριστικό Μονάδα Συνήθεις τιµές Θερµαινόµενη επιφάνεια m και άνω Πίεση λειτουργίας at µέχρι 15 ιάµετρος τυµπάνου m 2,1 2,85 Μήκος m 4 5,5 ιάµετρος φλογοσωλήνα m 1,25 / 1,35 1,9 / 2 ιάµετρος αεριαυλών mm 108 / 100,5 121 / 113 Ειδική ατµοποίηση kg / m 2 h Ατµοπαραγωγή t / h µέχρι περίπου 4,1 ΠΙΝΑΚΑΣ Β-6 Γενικά χαρακτηριστικά στοιχεία ατµολεβήτων ατµάµαξας Χαρακτηριστικό Μονάδα Συνήθεις τιµές Θερµαινόµενη επιφάνεια m (Γερµανία), 750 (ΗΠΑ) Πίεση λειτουργίας at 20, συνήθως 16 Θερµοκρασία ατµού ο C µέχρι 400 Μέγιστη ατµοπαραγωγή t / h 18 (Γερµανία), 47 (ΗΠΑ) Ειδική ατµοποίηση kg / m 2 h Σελ. 43/115

44 Μερική βελτίωση του βαθµού απόδοσης, αλλά και µερική επαύξηση της ατµοπαραγωγής, διαπιστώθηκε σε µεταγενέστερες κατασκευές ίδιου τύπου αλλά δύο διαδροµών καυσαερίων. Στο σχήµα Β-22 παρουσιάζεται ο ατµολέβητας τύπου Σκοτίας, που χρησιµοποιήθηκε σαν ναυτικός ατµολέβητας µε καλές αποδόσεις. Το σχήµα έχει επαναληφθεί σαν σχήµα Β-10, όπου εµφανίζονται, και οι αντίστοιχες επεξηγήσεις Οι ατµολέβητες τύπου CAPUS και τύπου HOWDEN-JOHNSEN είναι ο πρώτοι ατµολέβητες όπου εµφανίζονται υδραυλοί. Ενώ στη γενική τους µορφή διατηρούν τον ατµολέβητα τύπου Σκοτίας, στους λέβητες αυτούς και στο χώρο αναστροφής των καυσαερίων, τοποθετούνται υδραυλοί για τη βελτίωση της κυκλοφορίας του νερού και την αύξηση της απόδοσης. Ο ατµολέβητας τύπου CAPUS βελτιώνει την κυκλοφορία σε εγκάρσια φορά, ενώ ο ατµολέβητας τύπου HOWDEN-JOHNSEN, µε διαφορετική σύνδεση των υδραυλών, δίνει τη δυνατότητα της ανακύκλωσης κατά µήκος του ατµολέβητα. Σελ. 44/115

45 Λεπτοµέρεια του χώρου αναστροφής των καυσαερίων παρουσιάζεται για τους δύο αυτούς τύπους ατµολεβητών στο σχήµα Β Βοηθητικοί ατµολέβητες Οι βοηθητικοί ατµολέβητες µε µεγάλο υδροθάλαµο κατασκευάζονται συνήθως όρθιοι όταν ιδιαίτερα υπάρχει πρόβληµα χώρου. Στο σχήµα Β-24 παρουσιάζεται ένας βοηθητικός όρθιος ατµολέβητας µε θάλαµο καύσης και αεριαυλούς. Σελ. 45/115

46 6.2. Υδραυλωτοί ατµολέβητες ή ατµολέβητες µε µικρό υδροθάλαµο Οι πρώτες κατασκευές υδραυλωτών ατµολεβήτων παρουσιάζουν χρονικά µια φάση καθυστέρησης συγκριτικά µε την εξέλιξη των κυλινδρικών ατµολεβήτων. Η επιτακτική ανάγκη όµως για υψηλότερες πιέσεις λειτουργίας, µεγαλύτερη ατµοπαραγωγή και καλλίτερους βαθµούς απόδοσης, οδήγησε σχετικά σύντοµα στην κατασκευή υδραυλωτών ατµολεβήτων φυσικής κυκλοφορίας µε την παρακάτω χρονολογική σειρά Υδραυλωτοί ατµολέβητες µε στοιχεία και υδροθάλαµο τοποθετηµένο κατά µήκος των στοιχείων Εδώ έγινε υποδιαίρεση του µεγάλου υδροθαλάµου σε µια σειρά µικρότερων υδροθαλάµων σε υδραυλούς, που συνδέονται παράλληλα µεταξύ τους µε συλλέκτες. Ο συλλέκτης διανοµής (κάτω συλλέκτης στοιχείου) συνδέεται µε αυλούς καθόδου µε τον υδροθάλαµο. Ο ατµοσυλλέκτης (πάνω συλλέκτης στοιχείου) συνδέεται µε αυλούς ανόδου µε τον ατµοθάλαµο. Σελ. 46/115

47 Στο σχήµα Β-25 παρουσιάζεται ενδεικτικά ένας υδραυλωτός ατµολέβητας µε στοιχεία και υδροθάλαµο τοποθετηµένο κατά µήκος των στοιχείων. Στον πίνακα Β-7 δίνονται ορισµένα γενικά χαρακτηριστικά στοιχεία ατµολεβητών του τύπου αυτού. ΠΙΝΑΚΑΣ Β-7 Γενικά χαρακτηριστικά ατµολεβήτων µε στοιχεία και υδροθάλαµο τοποθετηµένο κατά µήκος των στοιχείων Χαρακτηριστικό Μονάδα Συνήθεις τιµές Επιφάνεια συναλλαγής θερµότητας (για ατµολέβητα µε έναν υδροθάλαµο) m Ειδική ατµοποίηση kg / m 2 h µέχρι 50 Πίεση λειτουργίας at µέχρι 40 ιάµετρος τυµπάνου υδροθαλάµου mm Μήκος τυµπάνου υδροθαλάµου m µέχρι 7 Εξωτερική / εσωτερική διάµετρος υδραυλών mm 101,6 / 94,4 82,5 / 16,1 Μήκος υδραυλών m µέχρι 5,5 Κατακόρυφο βήµα υδραυλών Α) για κανονική διάταξη δέσµη mm 170 Β) για ροµβοειδή διάταξη δέσµης mm 152 Λόγος όγκου περιεχοµένου νερού προς επιφάνεια συναλλαγής θερµότητας m 3 / m 2 0,06 0,1 Λόγος µάζας περιεχοµένου νερού προς ατµοπαραγωγή kg : kg /h 1,2 2 Ατµοπαραγωγή t / h 2 12,5 Αριθµός σειρών υδραυλών (κατά τη διεύθυνση ροής των καυσαερίων) Υδραυλωτοί ατµολέβητες µε στοιχεία και υδροθάλαµο τοποθετηµένο εγκάρσια στα στοιχεία ιαπιστώθηκε, ότι µε µια απλή παραλλαγή του προηγούµενου τύπου ατµολεβητών, εγκαθιστώντας δηλαδή τον υδροθάλαµο εγκάρσια προς τη δέσµη των υδραυλών, αποκτάται µία κατασκευή µε αυξηµένη ειδική φόρτιση θερµαινόµενης επιφάνειας. Ο ατµολέβητας αυτός αποτελεί ουσιαστικά την απαρχή κατασκευής µεγάλων ατµολεβητών και πρωτοκατασκευάστηκε από τον αµερικανικό οίκο ΒΑΒCΟCΚ & WILCOX. Στο σχήµα Β-26 παρουσιάζεται ένας εξελιγµένου τύπου υδραυλωτός ατµολέβητας µε στοιχεία και υδροθάλαµο τοποθετηµένο εγκάρσια στα στοιχεία. Στον πίνακα Β-8 αναφέρονται ορισµένα κατασκευαστικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά στοιχεία ατµολεβητών του τύπου αυτού. Σελ. 47/115

48 1: εξατµίστηκα στοιχεία ακτινοβολίας 2, 3: εξατµίστηκα στοιχεία 4: υπερθερµαντήρας 5: προθερµαντήρας αέρα καύσης 6, 12: συλλέκτης διανοµής (κάτω συλλέκτης στοιχείων) 7, 13: ατµοσυλλέκτης (κάτω συλλέκτης στοιχείων) 8, 11: αυλοί καθόδου (χωρίς µόνωση) 9: σηµεία περισυλλογής καθιζήµατος 10: αυλοί ανόδου (υγρός ατµός) ΠΙΝΑΚΑΣ Β-8 Κατασκευαστικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά υδραυλωτών ατµολεβήτων µε στοιχεία και υδροθάλαµο τοποθετηµένο εγκάρσια στα στοιχεία Χαρακτηριστικό Μονάδα Απλής διαδροµής καυσαερίων ιπλής διαδροµής καυσαερίων Τριπλής διαδροµής καυσαερίων Επιφάνεια συναλλαγής θερµότητας m 2 µέχρι 2400 µέχρι 2400 µέχρι 2400 Ειδική ατµοποίηση kg /m 2 h Πίεση λειτουργίας at µέχρι 125 µέχρι 125 µέχρι 125 ιάµετρος υδροθαλάµου m 1 1,8 1 1,8 1 1,8 Μήκος υδροθαλάµου m µέχρι Εξωτερική διάµετρος υδραυλών ατµοποίησης Μήκος υδραυλών ατµοποίησης Αριθµός σειρών υδραυλών (κατά τη διεύθυνση ροής των καυσαερίων) Λόγος όγκου περιεχοµένου νερού προς επιφάνεια συναλλαγής θερµότητας mm 82,5 101,6 82,5 101,6 82,5 101,6 m 5 5, , m 3 / m 2 0,05 0,05 0,05 Λόγος µάζας περιεχοµένου νερού προς ατµοπαραγωγή kg : kg / h 0,8 0,5 0,8 0,7 1,2 0,7 Ατµοπαραγωγή t / h µέχρι 240 µέχρι 240 µέχρι 240 Σελ. 48/115

49 Ατµολέβητες µε όρθιους αυλούς Αντίθετα µε την προηγούµενη κατηγορία υδραυλωτών ατµολεβητών, όπου οι ευθείς υδραυλοί παρουσίαζαν µεγάλη απόκλιση από την κατακόρυφο, στη συγκεκριµένη κατηγορία ατµολεβητών οι αυλοί, που συνδέουν ατµοθάλαµο και υδροθάλαµο, τοποθετούνται κατακόρυφοι ή σχεδόν κατακόρυφοι. Η κατασκευή, που προκύπτει έχει τη δυνατότητα να παραλάβει πολύ µεγαλύτερες διαστολές στους υδραυλούς από ότι η προηγούµενη κατασκευή στα στοιχεία. Έτσι, η θερµική φόρτιση των ατµολεβητών αυτών µπορεί να αυξηθεί ουσιαστικά. Οι ατµολέβητες της κατηγορίας αυτής εµφανίζονται σε τρεις τύπους, ανάλογα µε τον αριθµό των τύµπανων (ατµοθαλάµων - υδροθαλάµων), που διαθέτουν. Στα σχήµατα Β-27, Β-28, Β-29 παρουσιάζονται τρεις τυπικοί ατµολέβητες µε όρθιους αυλούς, ο πρώτος µε τρία τύµπανα, ο δεύτερος µε δύο και ο τρίτος µε ένα τύµπανο. Στον πίνακα Β-9 αναφέρονται κατασκευαστικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά στοιχεία ατµολεβητών µε όρθιους αυλούς. Σελ. 49/115

50 Σελ. 50/115

51 Σελ. 51/115

52 ΠΙΝΑΚΑΣ Β-9 Κατασκευαστικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά στοιχεία ατµολεβήτων µε όρθιους αυλούς και ατµολεβήτων ακτινοβολίας Χαρακτηριστικό Επιφάνεια συναλλαγής θερµότητας Ειδική ατµοποίηση Μονάδα m 2 kg /m 2 h Ατµολέβητες µε τρεις ή δύο υδροθαλάµους και άνω (τρεις υδροθάλαµοι) (δύο υδροθάλαµοι) Ατµολέβητες µε έναν υδροθάλαµο και ατµολέβητες ακτινοβολίας Πίεση λειτουργίας at 8 40 και άνω Θερµοκρασία υπέρθερµου ατµού o C ιάµετρος υδροθαλάµου m 1,2 1,9 1,2 1,9 Μήκος υδροθαλάµου m µέχρι 16 µέχρι 16 Εξωτερική διάµετρος υδραυλών επιφάνειας ατµοποίησης Εξωτερική διάµετρος σωλήνων υπερθερµαντήρα Εξωτερική διάµετρος σωλήνων προθερµαντήρα νερού Όγκος περιεχοµένου νερού ανά m 2 επιφάνειας συναλλαγής θερµότητας mm 70 82, ,5 mm 38 31, ,8 mm 38 31, ,8 m 3 / m 2 0,08 0,05 0,042 Μάζα περιεχοµένου νερού προς ατµοπαραγωγή kg : kg / h 1,6 0,63 0,3 Ατµοπαραγωγή t / h 5 30 και άνω και άνω Θερµική φόρτιση θαλάµου καύσης για κονιοποιηµένο στερεό καύσιµο kcal / m 3 h Ατµολέβητες ακτινοβολίας Οι ατµολέβητες ακτινοβολίας δεν διαφέρουν κατασκευαστικά από τους ατµολέβητες µε όρθιους αυλούς και µε ένα τύµπανο (ατµοϋδροθάλαµος). Εδώ ο χώρος καύσης µεγαλώνει και επενδύεται µε τους αυλούς, έτσι ώστε ένα µεγάλο µέρος της θερµότητας να µεταφέρεται στο «εργαζόµενο µέσο» µε ακτινοβολία. Ενδεικτικά παρουσιάζεται ένας ακόµη ατµολέβητας ακτινοβολίας στο σχήµα Β-30. Στον πίνακα Β-9 αναφέρονται χαρακτηριστικά στοιχεία των ατµολεβητών της κατηγορίας αυτής. Σελ. 52/115

53 Ατµολέβητες εξαναγκασµένης ροής Όπως αναπτύχθηκε ήδη στο αντίστοιχο κεφάλαιο της κατάταξης ατµολεβητών, οι ατµολέβητες εξαναγκασµένης ροής είναι οι µόνοι, που είναι σε θέση να λειτουργήσουν σε υπερκρίσιµες πιέσεις. Κι αυτό επειδή δεν διαθέτουν ατµοθάλαµο ή υδροθάλαµο. εν υπάρχει λοιπόν η ανάγκη διαχωρισµού των δύο φάσεων ατµού-νερού. Οι ατµολέβητες αυτοί, έχοντας µικρή περιεκτικότητα σε νερό, παρουσιάζουν µεν το πλεονέκτηµα του µικρού χρόνου ατµοποίησης. αλλά και το µειονέκτηµα να είναι πολύ ευαίσθητοι σε απότοµες µεταβολές φορτίου. Για την προστασία τους απαιτούνται διατάξεις ρύθµισης τροφοδοτικού νερού και καυσίµου µεγάλης ακρίβειας και ευαισθησίας. Χαρακτηριστικοί τύποι της κατηγορίας αυτής ατµολεβητών ύψιστης θερµικής ισχύος είναι ο ατµολέβητας ΒΕΝS0Ν και ο ατµολέβητας SULZER, που παρουσιάζονται στα σχήµατα Β-31 και Β-32 αντίστοιχα. Στον πίνακα Β-10 αναφέρονται ορισµένα χαρακτηριστικά στοιχεία ατµολεβητών τύπου ΒΕΝS0Ν. Σελ. 53/115

54 Σελ. 54/115

55 Σελ. 55/115

56 Σελ. 56/115

57 ΠΙΝΑΚΑΣ Β-10 Κατασκευαστικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά στοιχεία ατµολεβήτων εξαναγκασµένης ροής τύπου BENSON Χαρακτηριστικό Μονάδα Συνήθεις τιµές Ατµοπαραγωγή t / h µε δυνατότητες και µεγαλύτερης ατµοπαραγωγής Πίεση λειτουργίας at Θερµοκρασία υπέρθερµου ατµού o C µέχρι 650 Εξωτερική διάµετρος υδραυλών mm 32,38 Πτώση πίεσης στον ατµολέβητα at Σελ. 57/115

58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Γ: ΥΠΕΡΘΕΡΜΑΝΤΗΡΕΣ 1. Γενικά Ο ατµός, που παραλαµβάνεται από τον ατµοθάλαµο ενός λέβητα, όπου και έρχεται σε άµεση επαφή µε νερό, που δεν έχει ατµοποιηθεί, είναι ξηρός κορεσµένος. Κατά τη γενική αντιµετώπιση του θερµικού κύκλου κινητήριων µηχανών, που λειτουργούν µε ατµό, διαπιστώθηκε ότι ο θερµικός βαθµός απόδοσης των εγκαταστάσεων βελτιώνεται σηµαντικά, όταν ο ατµός υπερθερµαίνεται. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασµό µε το ότι η εκτόνωση από κατάσταση ξηρού κορεσµένου ατµού µέσα στην περιοχή του υγρού ατµού συνεπάγεται σοβαρά προβλήµατα σπηλαιώσεων καθιστά απαραίτητη την ύπαρξη υπερθερµαντήρων σε εγκαταστάσεις ισχύος. Στον υπερθερµαντήρα λοιπόν η θερµοκρασία του ξηρού κορεσµένου ατµού αυξάνεται πάνω από τη θερµοκρασία κορεσµού, ενώ η πίεση παραµένει σχεδόν σταθερή. Οι θερµοκρασίες υπερθέρµανσης κυµαίνονται σε συνήθεις εγκαταστάσεις µεταξύ 350 o C και 550 o C, µε ανώτατο όριο θερµοκρασίας 625 o C, όριο που καθορίζεται από την αντοχή σε µηχανική και θερµική καταπόνηση των χρησιµοποιούµενων υλικών. Η θερµότητα, που είναι απαραίτητη για την υπερθέρµανση του ατµού, παραλαµβάνεται από τα καυσαέρια. Η θερµότητα υπερθέρµανσης αποτελεί τµήµα της ολικής παραλαµβανόµενης θερµότητας από τον ατµό. Έτσι, όταν αυξάνει η πίεση λειτουργίας, αυξάνεται το ποσοστό συµµετοχής της θερµότητας υπερθέρµανσης στην ολική θερµότητα, επειδή τότε µειώνεται η αντίστοιχη θερµότητα εξάτµισης (λανθάνουσα θερµότητα). Σ' ό,τι αφορά την κατασκευή, αυτό σηµαίνει, πως σε υψηλότερες πιέσεις λειτουργίας το µέγεθος του υπερθερµαντήρα αυξάνεται ή πως αυτός τοποθετείται σε περιοχές του ατµολέβητα, όπου η θερµοκρασία των καυσαερίων είναι υψηλότερη και η συναλλαγή θερµότητας εντονότερη. Έτσι µπορούν να διαµορφωθούν δύο γενικές κατηγορίες υπερθερµαντήρων. Για µικρές µέχρι και µέσες πιέσεις λειτουργίας, µέχρι περίπου 70 at, χρησιµοποιούνται υπερθερµαντήρες επαφής, ενώ σε υψηλές πιέσεις λειτουργίας και υπερθερµαντήρες ακτινοβολίας. Για να µειωθεί η έντονη θερµική καταπόνηση, οι υπερθερµαντήρες κατασκευάζονται συνήθως σε δύο τµήµατα. Στο πρώτο τµήµα στην κατεύθυνση ροής του ατµού, επικρατεί αντιρροή σε σχέση προς τη ροή των καυσαερίων, ενώ στο δεύτερο τµήµα οµορροή. Η διάταξη αυτή παρουσιάζει πλεονεκτήµατα και στη ρύθµιση της θερµοκρασίας του ατµού, επειδή η συναλλαγή θερµότητας στο τµήµα της οµορροής είναι ηπιότερη. Ο υπερθερµαντήρας είναι κατασκευασµένος από χαλύβδινες σωληνώσεις. Σε σηµεία, όπου επικρατεί υψηλή θερµοκρασία, χρησιµοποιούνται περιορισµένα σωληνώσεις από κράµατα χάλυβα, υψηλής αντοχής αλλά και υψηλού κόστους, ενώ οι υπόλοιπες σερπαντίνες είναι από κοινό χάλυβα. Οι σωληνώσεις κατασκευάζονται συνήθως σε µήκος περίπου 50 m και µε διάµετρο από 30/36 mm µέχρι 36/45 mm. Οι σωληνώσεις αναχωρούν από συλλέκτες και καταλήγουν πάλι σε συλλέκτες διαµέτρου 100 mm µέχρι 180 mm µε πάχος ελάσµατος από 15 mm µέχρι 20 mm. Πολλές φορές διαπιστώνεται η έλλειψη του συλλέκτη εισαγωγής στον υπερθερµαντήρα. Στις περιπτώσεις αυτές οι αντίστοιχες σωληνώσεις αναχωρούν άµεσα από τον ατµοθάλαµο του λέβητα. Η διαµόρφωση και η στήριξη των σωληνώσεων υπερθερµαντήρων εµφανίζεται στα σχήµατα Γ-1 και Γ-2. Σελ. 58/115

59 ιαµόρφωση και στήριξη υπερθερµαντήρων σε ατµολέβητα φυσικής κυκλοφορίας α: ανεξάρτητη στήριξη σωληνώσεων υπερθερµαντήρα β: στήριξη οµάδων σωληνώσεων υπερθερµαντήρα γ: στήριξη οµάδων σωληνώσεων υπερθερµαντήρα σε κατακόρυφο υδραυλό Σχήµα Γ-2. Λεπτοµέρεια στήριξης σωληνώσεων υπερθερµαντήρα σε πλάκα συγκολληµένη σε υδραυλό Σελ. 59/115

60 2. Τύποι υπερθερµαντήρων 2.1. Υπερθερµαντήρας ακτινοβολίας Όπως διαπιστώθηκε προηγούµενα και όπως άλλωστε συµπεραίνεται και από την ονοµασία του υπερθερµαντήρα αυτού, εδώ η θερµότητα µεταφέρεται στον ατµό κατά κύριο λόγο µε ακτινοβολία. Για να πραγµατοποιηθεί αυτό πρέπει ο υπερθερµαντήρας να είναι τοποθετηµένος σε περιοχές του ατµολέβητα, όπου η θερµοκρασία είναι υψηλή. Έτσι οι υπερθερµαντήρες ακτινοβολίας τοποθετούνται άµεσα στο χώρο καύσης, πριν από κάθε άλλη θερµαινόµενη επιφάνεια. Όσο υψηλότερη είναι η θερµοκρασία των καυσαερίων, τόσο πιο έντονη είναι και η µεταφορά θερµότητας, γεγονός που εκφράζεται µε το ότι οι υπερθερµαντήρες ακτινοβολίας διαθέτουν σχετικά µικρή θερµαινόµενη επιφάνεια συγκρινόµενοι µε τους υπερθερµαντήρες επαφής Υπερθερµαντήρας επαφής Αντίθετα προς τον υπερθερµαντήρα ακτινοβολίας, στον υπερθερµαντήρα επαφής η θερµότητα µεταφέρεται από τα καυσαέρια στον ατµό κατά κύριο λόγο µε επαφή. Αφού λοιπόν η µεταφερόµενη µε ακτινοβολία θερµότητα είναι µικρή, συγκριτικά µε τη µεταφερόµενη µε επαφή, ο υπερθερµαντήρας του τύπου αυτού πρέπει να είναι εγκατεστηµένος σε περιοχές του ατµολέβητα, όπου επικρατούν σχετικά χαµηλές θερµοκρασίες καυσαερίων. Κατά την εκκίνηση του ατµολέβητα πρέπει να υπάρχει η δυνατότητα να αποµονώνεται ο υπερθερµαντήρας από τη ροή των θερµών καυσαερίων. Εάν δεν υπάρχει τέτοια κατασκευαστική διάταξη, τότε ο υπερθερµαντήρας πρέπει να γεµίζει µε νερό, ώστε να αποφεύγεται η καταστροφή των σωληνώσεων από υπερθέρµανση, αφού δεν έχει δηµιουργηθεί ακόµη ατµός, που θα έψυχε επαρκώς τις σωληνώσεις. Υπερθερµαντήρες επαφής κατασκευάζονται µε µορφή σερπαντίνας, είτε οριζόντιοι, είτε κατακόρυφοι. Σε υδραυλωτούς ατµολέβητες µε όρθιους αυλούς προτιµάται η εγκατάσταση κατακόρυφων υπερθερµαντήρων, ενώ αντίθετα σε υδραυλωτούς ατµολέβητες µε πλάγιους αυλούς η εγκατάσταση οριζόντιων υπερθερµαντήρων. Αντίθετα προς τους υπερθερµαντήρες ακτινοβολίας, οι υπερθερµαντήρες επαφής δεν τοποθετούνται άµεσα στο χώρο καύσης, πριν από κάθε άλλη θερµαινόµενη επιφάνεια. Εδώ διαπιστώνεται, ότι πριν από τον υπερθερµαντήρα επαφής, σε υδραυλωτούς ατµολέβητες µε όρθιους αυλούς, υπάρχει εγκατεστηµένο ποσοστό από 38% µέχρι 45% της εξατµιστικής επιφάνειας. Το αντίστοιχο ποσοστό για υδραυλωτούς ατµολέβητες µε πλάγιους αυλούς είναι περίπου 42% Αναθερµαντήρας ιαπιστώθηκε σε προηγούµενο κεφάλαιο, ότι σε εγκαταστάσεις ισχύος, όπου πραγµατοποιείται πολλαπλή εκτόνωση του ατµού σε στροβίλους υψηλής, µέσης και χαµηλής πίεσης, επιδιώκεται µια ενδιάµεση υπερθέρµανση ή αλλιώς αναθέρµανση του ατµού µεταξύ των διαφόρων εκτονώσεων. Σελ. 60/115

61 Με την αναθέρµανση αυτή αυξάνεται η αποδιδόµενη ισχύς στον άξονα των στροβίλων, αλλά και ο θερµικός βαθµός απόδοσης της εγκατάστασης (βλ. κεφ. Α-2.7.). Ο ατµός µπορεί να αναθερµανθεί στον ατµολέβητα, διοχετευόµενος µέσα από µεταλλάκτες παρόµοιους µε τον υπερθερµαντήρα επαφής, παραλαµβάνοντας θερµότητα από τα καυσαέρια. Σπανιότερα χρησιµοποιείται σαν αναθερµαντήρας ένας µεταλλάκτης ατµού-ατµού, όπου ο ατµός αναθερµαίνεται παραλαµβάνοντας θερµότητα από "ενεργό" ατµό υψηλής πίεσης και θερµοκρασίας. 3. Ρύθµιση της θερµοκρασίας υπερθέρµανσης Για τη ρύθµιση της θερµοκρασίας του υπέρθερµου ατµού στην έξοδο του υπερθερµαντήρα χρησιµοποιούνται διάφορες µέθοδοι. Οι πιο αντιπροσωπευτικές από αυτές θα αναφερθούν στη συνέχεια. α) Μια ποσότητα του υπέρθερµου ατµού οδηγείται σε σερπαντίνες µέσα στον υδροθάλαµο ή στον ατµοθάλαµο, όπου και ψύχεται (ψυγείο επιφάνειας υπέρθερµου ατµού). β) Σταγονίδια νερού ψεκάζονται µέσα στον υπέρθερµο ατµό στο συλλέκτη εξόδου ή σε ιδιαίτερο τύµπανο (ψυγείο ανάµιξης υπέρθερµου ατµού). γ) Μια ποσότητα του υπέρθερµου ατµού ψεκάζεται στο νερό, που βρίσκεται αποθηκευµένο στον ατµοθάλαµο του ατµολέβητα. δ) Μια ποσότητα του ξηρού κορεσµένου ατµού από τον ατµοθάλαµο διοχετεύεται στην έξοδο του υπερθερµαντήρα, χωρίς να διοχετευθεί µέσα από αυτόν. Εκεί αναµιγνύεται µε τον υπέρθερµο ατµό και τον ψύχει. Η µέθοδος αυτή χρησιµοποιείται µόνο σε χαµηλές θερµοκρασίες υπερθέρµανσης, επειδή διαφορετικά υπάρχει κίνδυνος καταστροφής των σωληνώσεων του υπερθερµαντήρα, αφού µειώνεται η παροχή του ατµού µέσα από τις σωληνώσεις του, άρα και η ψύξη των σωληνώσεων. ε) Μια ποσότητα τροφοδοτικού νερού διοχετεύεται µέσα από σερπαντίνα, που βρίσκεται εγκατεστηµένη στο συλλέκτη του υπερθερµαντήρα. Εκεί, παραλαµβάνοντας θερµότητα και ψύχοντας τον υπέρθερµο ατµό, το νερό εξατµίζεται ή ακόµη και υπερθερµαίνεται και διοχετεύεται στη συνέχεια στον ατµοθάλαµο του ατµολέβητα. 4. Θερµικός υπολογισµός υπερθερµαντήρων Ο θερµικός υπολογισµός των υπερθερµαντήρων, όπως άλλωστε και γενικότερα ο θερµικός υπολογισµός όλων των υπολοίπων τµηµάτων ενός ατµολέβητα, δηλαδή του προθερµαντήρα τροφοδοτικού νερού µε καυσαέρια, του εξατµιστήρα και του προθερµαντήρα του αέρα καύσης, είναι σχετικά πολύπλοκος. Ο περιορισµένος χώρος του συγγράµµατος αυτού και οι ελλείπεις γνώσεις του αναγνώστη σχετικά µε ειδικά θέµατα µετάδοσης θερµότητας και καύσης δεν επιτρέπουν µια ολοκληρωµένη παρουσίαση του. Στη συνέχεια θα γίνει µια προσπάθεια απλοποίησης του θερµικού υπολογισµού µε βάση διάφορες παραδοχές, που επαληθεύονται στην πρακτική εφαρµογή. ιαπιστώνεται άλλωστε και στην πράξη, ότι σπάνια µια εγκατάσταση υπερθερµαντήρα θα αποδώσει µε ακρίβεια τα αναµενόµενα αποτελέσµατα λεπτοµερειακών υπολογισµών. Αυτό οφείλεται στο γεγονός, ότι πολλοί αστάθµητοι παράγοντες επηρεάζουν τη λειτουργία των υπερθερµαντήρων, όπως για παράδειγµα η σύνθεση και η θερµοκρασία των καυσαερίων, η ταχύτητα ροής τους, το ποσοστό υγρού, που συµπαρασύρεται στη µορφή σταγονιδίων στον υπερθερµαντήρα από τον Σελ. 61/115

62 ξηρό κορεσµένο ατµό, η επικάθιση αιθάλης και αλάτων στην εξωτερική και εσωτερική πλευρά των σωληνώσεων του υπερθερµαντήρα αντίστοιχα. Για τους παραπάνω λόγους διαπιστώνεται συχνά, ότι εγκατεστηµένοι υπερθερµαντήρες διαθέτουν στους συλλέκτες εισαγωγής και εξαγωγής του ατµού εφεδρικές οπές, κατ' αρχήν κλειστές, όπου όµως σε κάποια φάση, που θα διαπιστωθεί µείωση της αποδοτικότητας του υπερθερµαντήρα, µπορούν εύκολα να προστεθούν νέες σωληνώσεις. Η θερµοκρασία των καυσαερίων στην είσοδο των υπερθερµαντήρων κυµαίνεται συνήθως από 700 o C µέχρι 1000 o C. Η µέση ταχύτητα ροής των καυσαερίων παίρνει τιµές από 5 m/s µέχρι 15 m/s, ενώ η πτώση της πίεσης των καυσαερίων µέσα από τους υπερθερµαντήρες είναι από 5 µέχρι 15 mm ΥΣ. Η ταχύτητα ροής του ατµού σε σωληνώσεις υπερθερµαντήρων δίνεται στον πίνακα Γ-1 σαν συνάρτηση της πίεσης και της θερµοκρασίας του υπέρθερµου ατµού. Στον πίνακα Γ-2 αναγράφεται η ταχύτητα ροής του ατµού σε µη θερµαινόµενες σωληνώσεις προσαγωγής του ατµού στον υπερθερµαντήρα και απαγωγής από αυτόν σαν συνάρτηση της πίεσης λειτουργίας. ΠΙΝΑΚΑΣ Γ-1 Ταχύτητα ροής του ατµού σε σωληνώσεις υπερθερµαντήρων Πίεση λειτουργίας [at] Θερµοκρασία λειτουργίας [ o C] Ταχύτητα εξόδου του ατµού από τον υπερθερµαντήρα [m/s] ΠΙΝΑΚΑΣ Γ-2 Ταχύτητα ροής του ατµού σε µη θερµαινόµενες σωληνώσεις προσαγωγής και απαγωγής υπερθερµαντήρων Πίεση λειτουργίας [at] Ταχύτητα ροής [m/s] Ο συντελεστής µεταβίβασης της θερµότητας k είναι µια συνάρτηση της ειδικής φόρτισης της θερµαινόµενης επιφάνειας q θ ή και στη γενική µορφή της ειδικής ατµοποίησης Φ (βλ. κεφ.β και Β ). Για ειδική ατµοποίηση από 15 µέχρι 60 kg/hm 2 ο συντελεστής k κυµαίνεται από 20 µέχρι 40 kcal/m 2 hk ενώ για υψηλότερες τιµές της ειδικής ατµοποίησης η τιµή του συντελεστή k µπορεί να φθάσει µέχρι και 70 kcal/m 2 hk. Σελ. 62/115

63 Τα προαναφερόµενα ισχύουν για τη µεταφορά θερµότητας σε υπερθερµαντήρες επαφής. Οι υπερθερµαντήρες ακτινοβολίας υπολογίζονται µε βάση τη θεωρία της µεταφοράς θερµότητας µε ακτινοβολία. Εδώ ισχύει ο νόµος SΤΕΡΗΑΝ - ΒΟLΤΖΜΑΝΝ: (γ - 1) όπου µε Q A χαρακτηρίζεται η παροχή θερµότητας, που µεταφέρεται µε ακτινοβολία στον ατµό, µε c ο συντελεστής ακτινοβολίας, που παίρνει τιµή περίπου 3,5 kcal/m 2 hk σε συνήθεις κατασκευές και µε Α η επιφάνεια συναλλαγής θερµότητας. Τ 1 και Τ 2 είναι οι θερµοκρασίες σε Κ του σώµατος, που ακτινοβολεί και του σώµατος, που παραλαµβάνει την ακτινοβολία αντίστοιχα. Η θερµοκρασία του εξωτερικού τοιχώµατος των σωληνώσεων λαµβάνεται µε ικανοποιητική προσέγγιση κατά 50 C υψηλότερη από τη µέση θερµοκρασία του ατµού, που ρέει στις σωληνώσεις του υπερθερµαντήρα. Επειδή οι υπερθερµαντήρες ακτινοβολίας χρησιµοποιούνται µόνο σε ειδικές περιπτώσεις, όπου απαιτείται ατµός πολύ υψηλής θερµοκρασίας και επειδή συνδυάζονται συνήθως µε υπερθερµαντήρες επαφής, θα εξετασθούν στη συνέχεια πιο αναλυτικά οι υπερθερµαντήρες επαφής. Όπως είναι γνωστό, η συναλλασσόµενη ποσότητα θερµότητας σε µεταλλάκτες υπολογίζεται µε τη γενική εξίσωση: (γ - 2) όπου µε k χαρακτηρίζεται ο συντελεστής µεταβίβασης θερµότητας, µε Α η επιφάνεια συναλλαγής και µε t η θερµοκρασιακή διαφορά των ρευστών. Είναι γνωστό επίσης, ότι στους µεταλλάκτες θερµότητας µπορεί να διαπιστωθεί οµορροή, αντιρροή, διασταυρούµενη ροή ή τέλος και µικτή ροή των ρευστών. Είναι εµφανές λοιπόν, ότι η θερµοκρασιακή διαφορά t δεν παραµένει κατά τη ροή µέσα από τον µεταλλάκτη σταθερή, όπως επίσης ότι η θερµοκρασιακή αυτή διαφορά εξαρτάται και από την κατεύθυνση της ροής των δύο ρευστών. Έτσι, αντί της θερµοκρασιακής διαφοράς t στην εξίσωση (γ-2) χρησιµοποιείται σε περιπτώσεις οµορροής και αντιρροής µια ισοδύναµη θερµοκρασιακή διαφορά t m, που αντιστοιχεί στο λογαριθµικό µέσο των θερµοκρασιακών διαφορών t 1 και t 2, όπως αυτές διαπιστώνονται στις δύο πλευρές του µεταλλάκτη αντίστοιχα. Ο λογαριθµικός µέσος αυτός υπολογίζεται από τη σχέση: (γ - 3) Σελ. 63/115

64 Στο σχήµα Γ-3 εµφανίζονται διαγράµµατα µεταβολής της θερµοκρασίας των ρευστών στις διάφορες περιπτώσεις ροής τους µέσα από ένα µεταλλάκτη. Ο λογαριθµικός µέσος t m των θερµοκρασιακών διαφορών µπορεί να προσδιορισθεί απλά, εκτός από τον υπολογισµό µε βάση την εξίσωση (γ-3), και µε χρησιµοποίηση του νοµογράµµατος, που παρατίθεται στο σχήµα Γ-4. Στο αριστερό σκέλος της καµπύλης στο σχήµα Γ-4 σηµειώνεται η θερµοκρασιακή διαφορά t 1 στη µια πλευρά του µεταλλάκτη, ενώ στο δεξιό σκέλος η αντίστοιχη θερµοκρασιακή διαφορά t 2 στην άλλη πλευρά του. Η τοµή της ευθείας, που ενώνει τις δύο αυτές ενδείξεις, µε το µεσαίο άξονα των θερµοκρασιών, προσδιορίζει το λογαριθµικό µέσο t m. Σελ. 64/115

65 Σε περιπτώσεις µεταλλακτών, όπου επικρατεί διασταυρούµενη ροή είναι δύσκολος ο υπολογισµός της ισοδύναµης θερµοκρασιακής διαφοράς, γιατί η θερµοκρασία των δύο ρευστών µεταβάλλεται ακόµη και στα διάφορα σηµεία της διατοµής εξόδου τους από το µεταλλάκτη. Για τις περιπτώσεις αυτές, όπως και για περιπτώσεις µικτής ροής, έχουν διαµορφωθεί διάφορες µέθοδοι υπολογισµού της ισοδύναµης θερµοκρασιακής διαφοράς, που εξ αιτίας του όγκου και της πολυπλοκότητας τους δεν µπορούν να εξετασθούν αναλυτικά στο παρόν σύγγραµµα. Πολλές φορές η ισοδύναµη θερµοκρασιακή διαφορά διασταυρούµενης ροής προσεγγίζεται µε τον αριθµητικό µέσο των θερµοκρασιακών διαφορών, όπως αυτός δίνεται από τη σχέση: (γ - 4) Ο αριθµητικός µέσος t α είναι πάντοτε µεγαλύτερος από το λογαριθµικό µέσο t m. Εάν ο λόγος της µικρότερης θερµοκρασιακής διαφοράς προς τη µεγαλύτερη είναι µεγαλύτερος του 0,6 ( t min / t max > ο,6), η διαφορά αριθµητικού από λογαριθµικό µέσο είναι µικρότερη από 3%, τιµή που καθιστά για µηχανολογικούς υπολογισµούς απόλυτα αποδεκτή τη χρησιµοποίηση σ' αυτές τις περιπτώσεις του αριθµητικού µέσου. Από τις τρεις διατάξεις ροών, που αναφέρθηκαν, η διάταξη αντιρροής απαιτεί τη µικρότερη σχετικά επιφάνεια για τη µεταφορά ορισµένης θερµικής ισχύος. Αυτή είναι και η διάταξη, που συνήθως χρησιµοποιείται στην κατασκευή υπερθερµαντήρων, προθερµαντήρων ή εξατµιστήρων. Σελ. 65/115

66 Η θερµότητα, που µεταφέρεται από τα καυσαέρια στον ατµό, έχει σαν αποτέλεσµα την αύξηση της ενθαλπίας του ατµού. Εάν µε ι 1 χαρακτηρίζεται η ενθαλπία του ατµού στην είσοδο του υπερθερµαντήρα και µε i 2 η ενθαλπία του ατµού στην έξοδο απ αυτόν, τότε ισχύει η σχέση (γ - 5) Από την εξίσωση (γ-5) µπορεί να υπολογισθεί η θερµαντική επιφάνεια του υπερθερµαντήρα σε: (γ - 6) Επιλέγοντας την κατάλληλη ταχύτητα ροής w του ατµού στις σωληνώσεις του υπερθερµαντήρα σύµφωνα µε τους πίνακες Γ-1 και Γ-2 και υπολογίζοντας µια µέση παροχή όγκου V του ατµού για µια µέση θερµοκρασία (αριθµητικός µέσος των θερµοκρασιών εισόδου και εξόδου του ατµού), καθορίζεται η διατοµή των σωληνώσεων του υπερθερµαντήρα, από την εξίσωση της συνέχειας, µε τη σχέση: (γ - 7) Οι συνήθεις διατοµές των σωληνώσεων υπερθερµαντήρων κυµαίνονται µεταξύ 25 και 40 mm. Μερικές φορές συνιστάται να γίνεται και υπολογισµός της πτώσης της πίεσης στις σωληνώσεις των υπερθερµαντήρων, επειδή ο υπολογισµός της διατοµής των σωληνώσεων µε βάση την ταχύτητα ροής και µόνο µπορεί να οδηγήσει σε λανθασµένα αποτελέσµατα. 5. Υπολογισµός ενός υπερθερµαντήρα Ζητείται να υπολογισθεί υπερθερµαντήρας για ατµολέβητα µε ολική θερµαινόµενη επιφάνεια: Ο ατµολέβητας αυτός πρέπει να είναι σε θέση να παράγει ατµό: σε µια πίεση: και µια θερµοκρασία υπέρθερµου ατµού: Σελ. 66/115

67 Προϋποτίθεται ότι ο ατµός εισέρχεται στον υπερθερµαντήρα, προερχόµενος από τον ατµοθάλαµο του ατµολέβητα, µε υγρασία 5%, δηλαδή µε βαθµό ξηρότητας: Γνωστή είναι επίσης και η κατανάλωση στερεού καυσίµου όπως επίσης και η περιεκτικότητα του σε άνθρακα Η σύνθεση των καυσαερίων στην περιοχή, που θα εγκατασταθεί ο υπερθερµαντήρας, δίνεται µε: 12% CO 2, 8% O 2, 0% CO, 80% N 2 Στο σχήµα Γ-5 παρουσιάζεται ένα απόσπασµα του διαγράµµατος h, s (ΜOLLIER), όπου εµφανίζονται οι καταστάσεις του ατµού στην είσοδο του υπερθερµαντήρα και στην έξοδο από αυτόν. Σελ. 67/115

68 Με τα στοιχεία, που προσδιορίζονται από το διάγραµµα h,s η µεταφερόµενη θερµική ισχύς στον υπερθερµαντήρα υπολογίζεται µε τη σχέση: Με την παραδοχή, ότι κατά τη µεταφορά της θερµότητας από τα καυσαέρια στον ατµό υπάρχει απώλεια ακτινοβολίας στον περιβάλλοντα χώρο 10%, η θερµική ισχύς που εκλύεται από τα καυσαέρια υπολογίζεται σε: Για να υπολογισθεί η θερµοκρασία των καυσαερίων, πρέπει να παρατεθούν ορισµένα θεωρητικά στοιχεία της καύσης. Στον πίνακα Γ-3 καταγράφεται η µέση ειδική θερµότητα cp σε µια πίεση p=0 ata διάφορων χηµικών στοιχείων, που συναπαντώνται στα καυσαέρια. ΠΙΝΑΚΑΣ Γ-3 Μέση ειδική θερµότητα αερίων και υδρατµού για πίεση p = 0 Θερµ. [ o C] CO 2 O 2 N 2 Αέρας CO H 2 SO 2 H 2 O CH 4 0 0,387 0,312 0,311 0,310 0,311 0,306 0,425 0,356 0, ,412 0,315 0,311 0,311 0,311 0,309 0,445 0,358 0, ,434 0,319 0,313 0,313 0,313 0,310 0,464 0,363 0, ,452 0,324 0,314 0,315 0,315 0,311 0,480 0,367 0, ,467 0,330 0,317 0,318 0,318 0,311 0,495 0,372 0, ,483 0,335 0,319 0,321 0,321 0,312 0,507 0,378 0, ,496 0,339 0,322 0,324 0,325 0,313 0,518 0,384 0, ,507 0,343 0,325 0,328 0,328 0,313 0,527 0,390 0, ,517 0,347 0,328 0,331 0,332 0,315 0,535 0,397 0, ,526 0,351 0,331 0,334 0,335 0,316 0,543 0,404 0, ,534 0,354 0,334 0,337 0,338 0,317 0,548 0,410 0, ,548 0,359 0,340 0,343 0,344 0,321 0,559 0, ,559 0,364 0,345 0,347 0,349 0,325 0,567 0, ,569 0,368 0,359 0,352 0,353 0,328 0,573 0, ,577 0,372 0,353 0,355 0,356 0,332 0,579 0,455 Οι τιµές αυτές της ειδικής θερµότητας cp δεν διαφοροποιούνται ουσιαστικά για p = 1ata Σελ. 68/115

69 Η µέση ειδική θερµότητα των καυσαερίων υπολογίζεται σαν άθροισµα των υποπολλαπλασίων του ποσοστού της περιεκτικότητας και της αντίστοιχης µέσης ειδικής θερµότητας καθενός στοιχείου χωριστά, που περιέχεται στα καυσαέρια. Με την παραδοχή, για παράδειγµα, ότι τα καυσαέρια, µε την παραπάνω δοσµένη σύνθεση, εισέρχονται στον υπερθερµαντήρα µε µια θερµοκρασία: η µέση ειδική θερµότητα C P,εις των καυσαερίων υπολογίζεται µε τη βοήθεια του πίνακα Γ-3 σε: Με την παραδοχή, ότι τα καυσαέρια εγκαταλείπουν τον υπερθερµαντήρα µε µια θερµοκρασία: µε το ίδιο σκεπτικό υπολογίζεται η αντίστοιχη µέση ειδική θερµότητα σε: Η θερµική ισχύς, που µεταφέρεται από τα καυσαέρια στον ατµό, υπολογίζεται από τη σχέση: (γ - 8) όπου µε V υκ χαρακτηρίζεται ο όγκος, που καταλαµβάνεται σε κανονικές συνθήκες, από 1 kg "υγρών" καυσαερίων, καυσαερίων δηλαδή, που στα πτητικά συστατικά τους συµµετέχει υδρογόνο και νερό. Ο όγκος αυτός των "υγρών" καυσαερίων καθορίζεται για στερεά και υγρά καύσιµα από τη σχέση: (γ - 9) και για αέρια καύσιµα από τη σχέση: (γ - 10) Στις εξισώσεις (γ-9) και (γ-10) χαρακτηρίζεται µε c, h, w, co,co 2, ch 4, c n h m η ποσοστιαία συµµετοχή µάζας των αντίστοιχων χηµικών στοιχείων ή ενώσεων στο καύσιµο, ενώ µε CO 2, Σελ. 69/115

70 O, CH 4, C n H m η ποσοστιαία συµµετοχή όγκου των αντίστοιχων χηµικών ενώσεων στα καυσαέρια. Επειδή το ποσοστό της υγρασίας στα καυσαέρια, ιδιαίτερα όταν χρησιµοποιούνται στερεά και υγρά καύσιµα, είναι συχνά πολύ µικρό, η εξίσωση (γ-9) µπορεί για πρακτικούς λόγους να απλοποιηθεί στη µορφή: (γ - 11) Με τα παραπάνω δεδοµένα και µε τη βοήθεια της εξίσωσης (γ-11) υπολογίζεται ο όγκος των καυσαερίων ανά kg καυσίµου σε: Από την εξίσωση (γ-8) µπορεί τώρα να υπολογισθεί η θερµοκρασία εξόδου των καυσαερίων t κ,εξ, από τον υπερθερµαντήρα και να διαπιστωθεί κατά πόσο η εκτίµηση, που έχει γίνει γι' αυτή τη θερµοκρασία, που υπεισέρχεται στον υπολογισµό της ειδικής θερµότητας των καυσαερίων, είναι σωστή. Σε περίπτωση σοβαρής απόκλισης πρέπει να επαναληφθεί ο υπολογισµός µε νέα εκτίµηση της t k,ej. Η εξίσωση (γ-8) λοιπόν µετατρέπεται σε: (γ - 12) Η θερµοκρασία εξόδου των καυσαερίων t κ,εξ, έχει λοιπόν εκτιµηθεί µε ικανοποιητική ακρίβεια. Έτσι οριστικοποιούνται για τον υπολογισµό του υπερθερµαντήρα οι παρακάτω θερµοκρασίες: θερµοκρασία εισόδου των καυσαερίων t k, εισ = 800 ο C θερµοκρασία εξόδου των καυσαερίων t k, εξ = 545,6 ο C θερµοκρασία εξόδου υπέρθερµου ατµού t Y = 400 ο C θερµοκρασία εισόδου υγρού ατµού t A = 203,4 ο C Η τελευταία καθορίζεται στους πίνακες κορεσµού σαν η θερµοκρασία βρασµού για τη δοσµένη πίεση 17 ata. Σε περίπτωση υπερθερµαντήρα αντιρροής καθορίζονται οι θερµοκρασιακές διαφορές t 1 και t 2 στις δύο πλευρές του υπερθερµαντήρα, όπως αυτές εµφανίζονται στο σχήµα Γ-6. Σελ. 70/115

71 Η χρησιµοποίηση του νοµογράµµατος (βλ. σχ. Γ-4) οδηγεί στον καθορισµό του λογαριθµικού µέσου t m των θερµοκρασιακών διαφορών σε: Με επίλυση της εξίσωσης (γ-3),υπολογίζεται αναλυτικά ο λογαριθµικός µέσος t m και για σύγκριση τιµών και ο αριθµητικός µέσος των θερµοκρασιακών διαφορών: Τέλος, µόνο για σύγκριση τιµών υπολογίζεται ο αριθµητικός µέσος των θερµοκρασιακών διαφορών: ιαπιστώνεται, ότι η απόκλιση από το λογαριθµικό µέσο είναι πολύ µικρή, επειδή, όπως προαναφέρθηκε, για τη συγκεκριµένη περίπτωση υπολογισµού ισχύει: Η ειδική ατµοποίηση στο συγκεκριµένο ατµολέβητα υπολογίζεται σε: Σελ. 71/115

72 Για αυτή την ειδική ατµοποίηση ο συντελεστής µεταβίβασης της θερµότητας k εκτιµάται σε: Με τη βοήθεια της εξίσωσης (γ-5), η θερµαινόµενη επιφάνεια του υπερθερµαντήρα υπολογίζεται σε: Επιλέγονται σωληνώσεις διαµέτρου 32/38 mm σε τέσσερις οµάδες των 40 σωληνώσεων. ύο οµάδες έχουν µήκος σωλήνωσης 8,5 m, ενώ οι άλλες δύο 19 m. Το συνολικό µήκος των σωληνώσεων είναι 2200 m και η θερµαινόµενη επιφάνεια περίπου 240 m 2. Με αυτή την επιλογή υπάρχει περιθώριο να καλυφθούν και οι µη θερµαινόµενες σωληνώσεις προσαγωγής του ατµού στον υπερθερµαντήρα και απαγωγής από αυτόν. Ο υπερθερµαντήρας αποτελείται από δύο τµήµατα. Το δεύτερο τµήµα στην κατεύθυνση ροής του ατµού, που είναι εκτεθειµένο σε υψηλότερες θερµοκρασίες καυσαερίων και που έχει και το µικρότερο µήκος, κατασκευάζεται µε σωληνώσεις από κράµατα χάλυβα υψηλής αντοχής σε θερµικές καταπονήσεις. Για µια µέση θερµοκρασία ατµού: Η συνολική επιφάνεια, που διατίθεται στις δύο οµάδες σωληνώσεων για τη ροή του ατµού, υπολογίζεται µε εσωτερική διάµετρο σωληνώσεων 32 mm σε: και µια πίεση 17 ata, δίνεται από το διάγραµµα h,s (ΜΟLLIER) µια τιµή για τον ειδικό όγκο: Με αυτή την τιµή του ειδικού όγκου, η µέση παροχή όγκου του ατµού υπολογίζεται σε: Σελ. 72/115

73 Η µέση ταχύτητα ροής του ατµού στις σωληνώσεις υπολογίζεται µε τη βοήθεια της εξίσωσης (γ-7) σε: Αν συγκριθεί αυτή η ταχύτητα ροής µε τα στοιχεία του πίνακα Γ-1, διαπιστώνεται ότι βρίσκεται στα κατώτατα όρια. Θα µπορούσε να επιλεγεί µικρότερη διατοµή σωληνώσεων, ώστε να αυξηθεί λίγο η ταχύτητα ροής. Κάτι τέτοιο όµως δεν είναι στο συγκεκριµένο υπολογισµό απαραίτητο, επειδή µε τη λειτουργία του υπερθερµαντήρα και την επικάθιση αλάτων στο εσωτερικό τοίχωµα των σωληνώσεων αναµένεται µια σχετική στένωση της διατοµής. Σελ. 73/115

74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ : ΠΡΟΘΕΡΜΑΝΤΗΡΕΣ ΤΡΟΦΟ ΟΤΙΚΟΥ ΝΕΡΟΥ 1. Γενικά Η προθέρµανση του τροφοδοτικού νερού βελτιώνει, όπως είναι γνωστό, το θερµικό βαθµό απόδοσης της εγκατάστασης και στοχεύει σε καλλίτερες συνθήκες λειτουργίας του ατµολέβητα, είτε σε σχέση µε την καλλίτερη εκµετάλλευση της θερµότητας των καυσαερίων, είτε σε σχέση µε την αποφυγή µεγάλων θερµικών καταπονήσεων στην είσοδο του τροφοδοτικού νερού. Προθέρµανση του τροφοδοτικού νερού µπορεί να γίνει είτε µε εκµετάλλευση της θερµότητας των καυσαερίων, είτε µε παραλαβή θερµότητας από παροχή ατµού σε µεταλλάκτες επιφάνειας ή µεταλλάκτες ανάµιξης. Στην πρώτη περίπτωση οι προθερµαντικές συσκευές ονοµάζονται προθερµαντήρες τροφοδοτικού νερού µέσω καυσαερίων ή αλλιώς και οικονοµητήρες (σε σύντµηση ΕCO) και στη δεύτερη περίπτωση προθερµαντήρες ανάµιξης ή προθερµαντήρες επαφής. 2. Τύποι προθερµαντήρων τροφοδοτικού νερού 2.1. Οικονοµητήρας Λειτουργία οικονοµητήρων Είναι ευνόητο, ότι η χρησιµοποίηση οικονοµητήρων βελτιώνει το βαθµό απόδοσης του ατµολέβητα, επειδή αυξάνεται η παραλαµβανόµενη θερµότητα από τα καυσαέρια και µειώνεται η αντίστοιχη απώλεια θερµότητας του ατµολέβητα προς το περιβάλλον. Η εκµετάλλευση της θερµότητας των καυσαερίων περιορίζεται από το γεγονός, ότι σε χαµηλές θερµοκρασίες το τριοξείδιο του θείου, που περιέχεται στα καυσαέρια υγροποιείται, δηµιουργείται θειικό οξύ και προκαλούνται οξειδώσεις όχι µόνο στον οικονοµητήρα αλλά γενικότερα σε όσες µεταλλικές επιφάνειες βρίσκονται σ' αυτήν την περιοχή. Η θερµοκρασία υγροποίησης εξαρτάται από την επικρατούσα πίεση και το χρησιµοποιούµενο καύσιµο. Για µια φυσική απαγωγή των καυσαερίων στο περιβάλλον, σε µια σχετικά χαµηλή πίεση, η θερµοκρασία υγροποίησης εκτιµάται σε 110 o C περίπου. Αντίθετα, σε περίπτωση εξαναγκασµένης απαγωγής των καυσαερίων µε κατάλληλη διάταξη ανεµιστήρων, η θερµοκρασία υγροποίησης αυξάνεται σε 180 o C περίπου. Για το λόγο αυτό η κατώτερη θερµοκρασία εξόδου των καυσαερίων από τον οικονοµητήρα επιλέγεται συνήθως από 180 µέχρι 200 o C. Η θερµοκρασία εισαγωγής των καυσαερίων στον οικονοµητήρα κυµαίνεται σε παλαιότερες εγκαταστάσεις από 260 µέχρι 300 o C, ενώ σε νεότερες από 380 µέχρι 600 o C. Το τροφοδοτικό νερό ρέει µέσα από τις σωληνώσεις του οικονοµητήρα, ενώ τα καυσαέρια περιβάλλουν εξωτερικά τις σωληνώσεις αυτές. Για να αποφευχθεί ατµοποίηση του τροφοδοτικού νερού, η µέγιστη θερµοκρασία εξόδου του από τον οικονοµητήρα περιορίζεται σε µια τιµή κατά 25 µέχρι 50 o C χαµηλότερη από τη θερµοκρασία βρασµού στην αντίστοιχη πίεση λειτουργίας του οικονοµητήρα. Τυχόν παρουσιαζόµενη ατµοποίηση θα είχε σαν αποτέλεσµα τη µειωµένη ψύξη των σωληνώσεων του οικονοµητήρα και την τοπική καταστροφή τους. Σελ. 74/115

75 Ιδιαίτερα έντονο παρουσιάζεται το πρόβληµα της ατµοποίησης κατά την εκκίνηση του ατµολέβητα. Όπως και στον υπερθερµαντήρα, έτσι και εδώ, πρέπει να υπάρχει η δυνατότητα να απoµονώνεται µε ένα διάφραγµα ο οικονοµητήρας από τη ροή των θερµών καυσαερίων. Εάν δεν παρέχεται αυτή η δυνατότητα, τότε πρέπει κατά την εκκίνηση του ατµολέβητα ο οικονοµητήρας να διαρρέετε µε νερό, ώστε οι σωληνώσεις να ψύχονται ικανοποιητικά. Απ' όσα προαναφέρονται συµπεραίνεται, ότι το µέγεθος του οικονοµητήρα εξαρτάται από τους παρακάτω δύο παράγοντες: α) από την πίεση λειτουργίας του ατµολέβητα, που καθορίζει τη θερµοκρασία βρασµού του τροφοδοτικού νερού, άρα και τη µέγιστη θερµοκρασία εξόδου του από τον οικονοµητήρα και β) από τη θερµοκρασία εισαγωγής του τροφοδοτικού νερού στον οικονοµητήρα, που πρέπει να είναι αρκετά µικρότερη από τη θερµοκρασία υγροποίησης των καυσαερίων. Σχετικά µε το δεύτερο παράγοντα πρέπει να τονισθεί, ότι εάν η προθέρµανση του τροφοδοτικού νερού καλύπτεται κατά µεγάλο βαθµό από προθερµαντήρες µε ατµό στο κύκλωµα πριν από τον ατµολέβητα, υπάρχει περίπτωση να µην µπορεί να εγκατασταθεί οικονοµητήρας. Για την ανάκτηση µέρους της θερµότητας των εξερχόµενων καυσαερίων χρησιµοποιείται τότε µόνο προθερµαντήρας του αέρα καύσης, που περιγράφεται σε επόµενο κεφάλαιο Κατασκευαστικά στοιχεία οικονοµητήρων Οικονοµητήρας από σωληνώσεις µε πτερύγια Στο σχήµα -1 παρουσιάζονται δύο τύποι σωληνώσεων προθερµαντήρων µε πτερύγια. Στον πίνακα -1 αναφέρονται ορισµένα χαρακτηριστικά στοιχεία σωληνώσεων µε πτερύγια για οικονοµητήρες. Είναι ευνόητο, ότι µε την προσθήκη των πτερυγίων γίνεται µια ουσιαστική επαύξηση της θερµαινόµενης επιφάνειας, που µπορεί κατά µέσον όρο να εκτιµηθεί σε 2,25 m 2 ανά µέτρο µήκους σωλήνωσης. Οι σωληνώσεις συνδέονται µεταξύ τους µε χυτοσιδηρές καµπύλες. Ο οικονοµητήρας συναρµολογείται από ένα µεγάλο αριθµό σωληνώσεων και τοποθετείται στο τελευταίο τµήµα της διαδροµής των καυσαερίων στον ατµολέβητα. Ένας συναρµολογηµένος οικονοµητήρας αυτού του τύπου παρουσιάζεται στο σχήµα -2, ενώ στο σχήµα -3 εµφανίζεται η τοποθέτηση του οικονοµητήρα στην έξοδο των καυσαερίων σε ατµολέβητα στοιχείων. Σελ. 75/115

76 Σελ. 76/115

77 Οικονοµητήρας µε ίσιες χυτοσιδηρές σωληνώσεις Ο οικονοµητήρας αυτός αποτελείται από σωληνώσεις µήκους µέχρι 4 m και διαµέτρου από 60 µέχρι 80 mm. Ο ι σωληνώσεις αυτές διαµορφώνονται κωνικές στα άκρα τους και στηρίζονται σε χυτοσίδηρο κιβώτια. Οικονοµητήρες αυτού του τύπου βρίσκονται εγκατεστηµένοι σε παλαιότερες εγκαταστάσεις. Αν και παρουσιάζουν ιδιαίτερη αντοχή σε οξειδωτική διάβρωση, αποφεύγεται η τοποθέτηση τους σε σύγχρονες κατασκευές ατµολεβητών επειδή έχουν µειωµένη αποδοτικότητα. Σελ. 77/115

78 Οικονοµητήρας µε ίσιες χαλύβδινες σωληνώσεις Ο οικονοµητήρας αυτός κατασκευάζεται, όπως και ο υπερθερµαντήρας, από χαλύβδινες σωληνώσεις διαµέτρου από 30 µέχρι 40 mm σε σερπαντίνα. Οι σωληνώσεις αυτές καταλήγουν σε συλλέκτες τετραγωνικής ή κυκλικής διατοµής. Οπωσδήποτε οι χαλύβδινες σωληνώσεις παρουσιάζουν µεγαλύτερη ευαισθησία σε οξείδωση από τις χυτοσιδηρές. Γι' αυτό, σε περίπτωση εγκατάστασης οικονοµητήρα αυτού του τύπου, πρέπει να είναι βέβαιο, ότι τα καυσαέρια δεν υγροποιούνται. Αντίστοιχη ευαισθησία διαπιστώνεται και στο εσωτερικό των σωληνώσεων, όπου νερό µε µεγάλη περιεκτικότητα σε οξυγόνο ή αέρας µέσα στη ροή του τροφοδοτικού νερού δηµιουργούν σοβαρά προβλήµατα. Για την αποφυγή των προβληµάτων αυτών επιδιώκεται η ταχύτητα του νερού να είναι µεγαλύτερη από 0,25 m/s, ενώ η περιεκτικότητα σε οξυγόνο να µην υπερβαίνει την τιµή 0,1 mg/l. Οι χαλύβδινες σωληνώσεις έχουν το πλεονέκτηµα να αντέχουν σε υψηλότερες πιέσεις από τις χυτοσιδηρές. Έτσι χρησιµοποιείται µερικές φορές ο οικονοµητήρας αυτού του τύπου και σαν προεξατµιστήρας, όπου επιτρέπεται µια τµηµατική εξάτµιση από 5 µέχρι 25% του τροφοδοτικού νερού σε υψηλές πιέσεις. Σ' αυτές τις περιπτώσεις τροφοδοτείται ο χαλύβδινος οικονοµητήρας µε νερό, που προθερµαίνεται σε χυτοσίδηρο οικονοµητήρα σε χαµηλότερες πιέσεις λειτουργίας. Εννοείται, ότι τότε µεταξύ των δύο οικονοµητήρων είναι εγκατεστηµένη τροφοδοτική αντλία για την αύξηση της πίεσης. Στο σχήµα -4 παρουσιάζεται η εγκατάσταση οικονοµητήρων του τύπου αυτού σε ατµολέβητα ΒΕΝS0Ν, που λειτουργεί σε πίεση 206 ata. Σελ. 78/115

79 Θερµικός υπολογισµός οικονοµητήρων Επειδή ο ακριβής θερµικός υπολογισµός ιδιαίτερα των οικονοµητήρων από σωληνώσεις µε πτερύγια είναι πολύπλοκος, θα δοθεί στη συνέχεια, όπως και στον θερµικό υπολογισµό των υπερθερµαντήρων, µια απλοποιηµένη µέθοδος υπολογισµού, που επαρκεί σε ικανοποιητικό βαθµό για την πρακτική εφαρµογή. Στη βάση του ο θερµικός υπολογισµός των οικονοµητήρων είναι ο ίδιος µε το θερµικό υπολογισµό των υπερθερµαντήρων, όπως αυτός αναλύεται στα κεφ. Γ-4 και Γ-5. Η µεταφερόµενη θερµική ισχύς από τα καυσαέρια στο τροφοδοτικό νερό υπολογίζεται από τη σχέση: (δ - 1) Σελ. 79/115

80 όπου µε m N χαρακτηρίζεται η παροχή του τροφοδοτικού νερού και µε ι N,ΕΞ, και ι Ν,ΕΙΣ οι ενθαλπίες του νερού στην έξοδο και την είσοδο του οικονοµητήρα αντίστοιχα. Α 0 είναι η θερµαινόµενη επιφάνεια του οικονοµητήρα, k ο συντελεστής µεταβίβασης της θερµότητας και t m ο λογαριθµικός µέσος των θερµοκρασιακών διαφορών των δυο ρευστών στα άκρα του οικονοµητήρα. Η µεγαλύτερη δυσκολία στον υπολογισµό εντοπίζεται στον προσδιορισµό του συντελεστή k. Στον πίνακα -2 δίνονται ορισµένες τιµές του συντελεστή k για συγκεκριµένες κατασκευές σωληνώσεων οικονοµητήρων και για ταχύτητα ροής καυσαερίων από 4 µέχρι 8 m/s. Η ταχύτητα ροής του τροφοδοτικού νερού, που επηρεάζει άµεσα το συντελεστή k, αλλά όχι όµως τόσο έντονα όσο η ταχύτητα ροής των καυσαερίων, έχει επιλεγεί για τις συγκεκριµένες κατασκευές οικονοµητήρων σε: W = 0,1 µέχρι 0,2 m/s για χυτοσιδηρές σωληνώσεις ίσιες ή µε πτερύγια w = 0,4 µέχρι 0,6 m/s για χαλύβδινες σωληνώσεις ΠΙΝΑΚΑΣ -2 Συντελεστής µεταβίβασης θερµότητας k σε οικονοµητήρες Τύπος σωλήνωσης Συντελεστής k Ίσια χυτοσιδηρή σωλήνωση 12 µέχρι 16 Χυτοσιδηρή ή χαλύβδινη σωλήνωση µε µεγάλα πτερύγια 10 µέχρι 15 Χυτοσιδηρή ή χαλύβδινη σωλήνωση µε µικρά πτερύγια 13 µέχρι 18 Χυτοσιδηρή ή χαλύβδινη σωλήνωση µε ακίδες 16 µέχρι 22 Ίσια χαλύβδινη σωλήνωση 18 µέχρι 25 Είναι ευνόητο, ότι σε περίπτωση αύξησης της ταχύτητας ροής των καυσαερίων ή του τροφοδοτικού νερού, αυξάνεται αντίστοιχα και η τιµή του συντελεστή k. Μια κατά προσέγγιση τιµή της θερµαινόµενης επιφάνειας σωληνώσεων µε πτερύγια δίνεται στον πίνακα -3.0ι τιµές αυτές αναφέρονται σε σωλήνωση εσωτερικής διαµέτρου 80 mm και µεγάλα πτερύγια. ΠΙΝΑΚΑΣ -3 Θερµαινόµενη επιφάνεια σε σωληνώσεις µε πτερύγια Μήκος σωλήνωσης (m) 1,5 2,0 2,5 Θερµαινόµενη επιφάνεια µε απόσταση µεταξύ δύο πτερυγίων 23 mm (m 2 ) 3,25 4,5 5,75 Θερµαινόµενη επιφάνεια µε απόσταση µεταξύ δύο πτερυγίων 20 mm (m 2 ) 4,0 5,6 7,2 Η επιφάνεια επαφής του τροφοδοτικού νερού εκτιµάται συνήθως σε ποσοστό 10% της επιφάνειας επαφής των καυσαερίων. Για µια απόσταση µεταξύ δύο πτερυγίων 23 mm η χωρητικότητα της σωλήνωσης σε νερό είναι 2 µέχρι 3 1 ανά m 2 επιφάνειας επαφής των καυσαερίων. Σελ. 80/115

81 Για τον υπολογισµό της αποδιδόµενης θερµικής ισχύος από τα καυσαέρια, όπως επίσης και τον υπολογισµό της θερµοκρασίας και της ειδικής θερµότητας των καυσαερίων χρησιµοποιούνται τα στοιχεία, που παρατίθενται στον υπολογισµό των υπερθερµαντήρων. Το ίδιο ισχύει και για τον υπολογισµό του λογαριθµικού µέσου των θερµοκρασιακών διαφορών Υπολογισµός ενός οικονοµητήρα Ζητείται να υπολογισθεί ο οικονοµητήρας του ίδιου ατµολέβητα, για τον οποίο έγινε ο υπολογισµός του υπερθερµαντήρα στο κεφ. Γ-5. Επαναλαµβάνονται σε συντοµία τα χαρακτηριστικά στοιχεία του ατµολέβητα: παροχή ατµού: m A = 22,5 t/h συνεχής πίεση ατµού: p A = 17 ata παροχή καυσίµου: m K = 2900 kg/h συνεχής περιεκτικότητα καυσίµου σε άνθρακα: c = 77% σύσταση καυσαερίων: CO 2 = 12 % Ο 2 = 8 % CO = 0 % Ν 2 = 80 % Η θερµοκρασία εισόδου των καυσαερίων στον οικονοµητήρα εκτιµάται σε: Η θερµοκρασία εισόδου του τροφοδοτικού νερού στον οικονοµητήρα τίθεται σε: ενώ είναι επιθυµητό η θερµοκρασία εξόδου του τροφοδοτικού νερού από τον οικονοµητήρα να είναι: Με την προϋπόθεση, ότι η ενθαλπία εισόδου και εξόδου του τροφοδοτικού νερού, για τις συγκεκριµένες συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας του, ισούται αριθµητικά µε την αντίστοιχη θερµοκρασία (c N = 1 kcal/kgk) η µεταφερόµενη θερµική ισχύς στον οικονοµητήρα υπολογίζεται µε τη βοήθεια της εξίσωσης (δ-1) σε: Με την παραδοχή, ότι κατά τη µεταφορά της θερµότητας από τα καυσαέρια στο τροφοδοτικό νερό υπάρχει απώλεια ακτινοβολίας στον περιβάλλοντα χώρο της τάξης του 4% περίπου, η θερµότητα, που εκλύεται από τα καυσαέρια, υπολογίζεται από τη σχέση: Σελ. 81/115

82 Με τη βοήθεια του πίνακα Γ-3 υπολογίζεται η µέση ειδική θερµότητα των καυσαερίων στην είσοδο του οικονοµητήρα, δηλαδή για µια θερµοκρασία 500 o C σε: Η θερµοκρασία εξόδου των καυσαερίων από τον οικονοµητήρα εκτιµάται σε t k,εξ = 300 C. Για τη θερµοκρασία αυτή η µέση ειδική θερµότητα των καυσαερίων υπολογίζεται σε: Ο όγκος των "υγρών" καυσαερίων σε κανονικές συνθήκες ανά kg καυσίµου υπολογίζεται µε την εξίσωση (γ-11) σε: Η θερµότητα, που αποδίδεται από τα καυσαέρια στο τροφοδοτικό νερό, µπορεί να υπολογισθεί από την εξίσωση (γ-8). (δ - 2) Χρησιµοποιώντας µια µέση ειδική θερµότητα καυσαερίων, που υπολογίζεται από τον αριθµητικό µέσο των αντίστοιχων τιµών στην είσοδο και την έξοδο των καυσαερίων στον οικονοµητήρα, µπορεί από την εξίσωση (γ-8) να υπολογισθεί κατά προσέγγιση η θερµοκρασιακή διαφορά εισόδου-εξόδου των καυσαερίων. Η εξίσωση (γ-8) τροποποιείται µε το σκεπτικό αυτό σε Η θερµοκρασιακή διαφορά t K υπολογίζεται τότε σε: Η θερµοκρασία εξόδου των καυσαερίων από τον οικονοµητήρα υπολογίζεται σε: Άρα η εκτίµηση της θερµοκρασίας αυτής, που είχε γίνει για να υπολογισθεί η αντίστοιχη µέση ειδική θερµότητα των καυσαερίων, ήταν σωστή και δεν χρειάζεται να επαναληφθεί ο υπολογισµός µε νέα εκτίµηση της t K,Εξ. Έτσι οριστικοποιούνται για τον υπολογισµό του οικονοµητήρα οι παρακάτω θερµοκρασίες: Σελ. 82/115

83 θερµοκρασία εισόδου των καυσαερίων t K,εισ = 500 o C θερµοκρασία εξόδου των καυσαερίων t K, εξ = 308 o C θερµοκρασία εισόδου του νερού t N,εισ = 45 o C θερµοκρασία εξόδου του νερού t N,εξ = 140 o C Στο σχήµα -5 εµφανίζεται το διάγραµµα µεταβολής της θερµοκρασίας των ρευστών (καυσαερίων - τροφοδοτικού νερού) σε έναν οικονοµητήρα αντιρροής. Επειδή στη συγκεκριµένη περίπτωση ισχύει: ο λογαριθµικός µέσος t m των θερµοκρασιακών διαφορών µπορεί να αντικατασταθεί µε ικανοποιητική προσέγγιση από τον αριθµητικό µέσο: Η θερµαινόµενη επιφάνεια του οικονοµητήρα υπολογίζεται από την εξίσωση (δ-1), µε την παραδοχή ενός σχετικά χαµηλού συντελεστή µεταβίβασης θερµότητας k = 10 kcal/m 2 hk, Επιλέγεται σωλήνωση µε µεγάλα πτερύγια, µε εσωτερική διάµετρο 80 mm και µήκος 2,5 m. Η απόσταση µεταξύ δύο πτερυγίων καθορίζεται σε 20 mm. Σελ. 83/115

84 Από τον πίνακα -3 προσδιορίζεται η θερµαινόµενη επιφάνεια για την επιλεγείσα σωλήνωση σε: Ο απαραίτητος αριθµός των σωληνώσεων υπολογίζεται από τα παραπάνω δεδοµένα σε: Ο οικονοµητήρας κατασκευάζεται σε δύο συστοιχίες των 56 σωληνώσεων, σε διάταξη 7 σωληνώσεων σε µια σειρά και 8 σειρές αντίστοιχα. Οι δύο αυτές συστοιχίες είναι συνδεµένες σε σειρά. Η αύξηση κατά 15% της θερµαινόµενης επιφάνειας προσφέρει ένα ικανοποιητικό περιθώριο ασφάλειας. Το τροφοδοτικό νερό εισέρχεται ταυτόχρονα σε 7 σωληνώσεις. Η διατοµή, που διατίθεται για τη ροή του νερού υπολογίζεται σε: Η ταχύτητα ροής του τροφοδοτικού νερού στις σωληνώσεις υπολογίζεται µε την εξίσωση της συνέχειας σε: Η ταχύτητα αυτή είναι ικανοποιητική Προθερµαντήρες τροφοδοτικού νερού µε ατµό Προθερµαντήρας ανάµιξης Η αρχή λειτουργίας του προθερµαντήρα ανάµιξης στηρίζεται στην παραλαβή θερµότητας και την προθέρµανση του τροφοδοτικού νερού από παροχή ατµού, η οποία προσµιγνυόµενη στο νερό συµπυκνώνεται. Στο σχήµα -6 παρουσιάζεται αυτή η αρχή λειτουργίας. Σελ. 84/115

85 Παροχή νερού m N εισέρχεται µε θερµοκρασία t εισ σε ένα δοχείο, όπου και αναµιγνύεται µε µια παροχή ατµού m a µε ενθαλπία. i a Ο ατµός συµπυκνώνεται αποδίδοντας θερµότητα και θερµαίνοντας την παροχή (m N +m a ) σε θερµοκρασία t εξ. Γι' αυτή την απλή σχηµατική διάταξη αναγράφεται ο ενεργειακός ισολογισµός στη µορφή: (δ - 3) Η ανάµιξη των δύο παροχών γίνεται µε σταθερή πίεση. ιαφορά πίεσης στις δύο παροχές, έστω και µικρή, θα είχε σαν επακόλουθο την εισροή του ενός ρευστού, µε την υψηλότερη πίεση, στη σωλήνωση του άλλου ρευστού. Η πραγµατοποίηση της απόλυτης εξίσωσης των πιέσεων και µάλιστα για µεγάλες παροχές, όπως αυτές διαµορφώνονται σε εγκαταστάσεις ισχύος, είναι προβληµατική. Αυτός είναι και ο λόγος, που ενώ σαν συσκευή προθέρµανσης του τροφοδοτικού νερού, δεν παρουσιάζει ουσιαστικά θερµικές απώλειες κατά τη συναλλαγή θερµότητας, δεν χρησιµοποιείται όµως στο βαθµό που χρησιµοποιούνται οι προθερµαντήρες επαφής σε κυκλώµατα ατµού. Σε ό,τι αφορά την κατασκευή, η ανάµιξη.αντιµετωπίσθηκε µε διασκορπισµό του νερού σε ρεύµα ατµού. Κατά την κατασκευαστική αυτή λύση διαπιστώθηκε ένα γεγονός, που επέβαλε τελικά την εγκατάσταση τουλάχιστον ενός προθερµαντήρα ανάµιξης στις εγκαταστάσεις ατµού. Το τροφοδοτικό νερό διασκορπίζεται διερχόµενο µέσα από ακροφύσια. Εδώ διαπιστώνεται µια µεγάλη πτώση πίεσης, ενώ η ταχύτητα ροής αυξάνεται σηµαντικά. Με τη σχεδόν ταυτόχρονη θέρµανση του νερού από το ρεύµα του ατµού, αποχωρίζεται από το νερό ο αέρας, που έχει διεισδύσει στο κύκλωµα από µη στεγανά σηµεία και απάγεται στο περιβάλλον. Το τροφοδοτικό νερό, απαλλαγµένο πλέον από αέρα, διοχετεύεται στο κύκλωµα. Αυτή η ουσιαστική λειτουργικότητα χαρακτηρίζει και τον προθερµαντήρα ανάµιξης σαν απαερωτή (Deairator). Στο σχήµα -7 παρουσιάζεται ένας απαερωτής τύπου WEIR. Το νερό καταθλίβεται από το στόµιο (1) στο θάλαµο κατάθλιψης (2) και µέσα από ακροφύσια (3) εκτονώνεται και κατευθύνεται προς τον θάλαµο ανάµιξης (7). Ο ατµός οδηγείται από τον αγωγό (5) στον περιφερειακό θάλαµο (4),απ' όπου εισρέει στο θάλαµο ανάµιξης µέσα από µια διάτρητη επιφάνεια. Εκεί ο ατµός συµπυκνώνεται θερµαίνοντας το τροφοδοτικό νερό. Σελ. 85/115

86 Ο αέρας αποχωρίζεται κατά τον ψεκασµό και απάγεται από τον αγωγό (8) προς το περιβάλλον. Το νερό ρέει µέσα από τους διάτρητους δίσκους (11), όπου και απελευθερώνονται τυχόν υπολείµµατα αερίων. Στο δίσκο (12) περισυλλέγεται το νερό και εκρέει στον υδροθάλαµο (13) µε υπερχείλιση. Στο σηµείο (9) συνδέεται ένα θερµόµετρο για την παρακολούθηση της θερµοκρασίας. Στο σηµείο (10) συνδέεται µια ασφαλιστική διάταξη υπερπίεσης Προθερµαντήρας επαφής Κατασκευαστικά στοιχεία προθερµαντήρων επαφής Ο προθερµαντήρας επαφής είναι ένας κοινός µεταλλάκτης θερµότητας νερού-ατµού. Αποτελείται από ένα εξωτερικό κέλυφος, χυτοσίδηρο ή χαλύβδινο και από εσωτερικά τοποθετηµένες ορειχάλκινες ή χαλύβδινες σωληνώσεις. Το νερό ρέει µέσα από τις σωληνώσεις, ενώ ο ατµός τις περιβάλλει εξωτερικά. Σπανιότερα διαπιστώνεται αντίθετη διάταξη ροών. Σελ. 86/115

87 Στο σχήµα -8 παρουσιάζεται ένας προθερµαντήρας επαφής υψηλής πίεσης. Ανάλογα µε το σηµείο σύνδεσης του προθερµαντήρα επαφής στο κύκλωµα, αυτός διακρίνεται σε προθερµαντήρα χαµηλής, µέσης και υψηλής πίεσης. Η αναφορά γίνεται στην πίεση του τροφοδοτικού νερού. Έτσι είναι ευνόητο, ότι οι προθερµαντήρες µέσης και υψηλής πίεσης είναι τοποθετηµένοι στην κατάθλιψη αντί στοίχων τροφοδοτικών αντλιών. Οι σωληνώσεις προθερµαντήρων χαµηλής και µέσης πίεσης κατασκευάζονται από ορείχαλκο σε διάµετρο από 20 µέχρι 40 mm και µήκος από 1 µέχρι 3 m. Οι σωληνώσεις προθερµαντήρων υψηλής πίεσης κατασκευάζονται από χάλυβα. Οι χαλύβδινοι αυλοί τοποθετούνται συνήθως µεταξύ δύο αυλοφόρων πλακών. Με αντίστοιχα πώµατα (καθρέπτες) δηµιουργούνται οι κατάλληλοι θάλαµοι κυκλοφορίας. Η κατασκευή αυτή δίνει τη δυνατότητα χρησιµοποίησης του προθερµαντήρα σε πολύ µεγάλες πιέσεις. Εκτός από τους παραπάνω τύπους προθερµαντήρων επαφής, σπανιότερα χρησιµοποιούνται ειδικές κατασκευές, όπως προθερµαντήρας µε σπειροειδείς σωληνώσεις ή προθερµαντήρας µε σπειροειδή κανάλια ροής τροφοδοτικού νερού γύρω από µια κεντρική σωλήνωση ροής ατµού. Στο σχήµα -9 εµφανίζονται προθερµαντήρες διαφόρων διαβαθµίσεων πίεσης εγκατεστηµένοι σε κύκλωµα ατµού κινητήριας µηχανής πλοίου. Σελ. 87/115

88 Σχήµα -9. Σχηµατική παράσταση κυκλώµατος κινητήριας µηχανής πλοίου 1: ατµολέβητας 2: ατµοστρόβιλος ΧΠ-ΥΠ 3: αναθέρµανση µε καυσαέρια 4: ψυγείο επιφανείας 5: αντλία συµπυκνώµατος 6: προθερµαντήρας ΧΠ 7: τροφοδοτική αντλία 8: απαερωτής 9: τροφοδοτική αντλία 10: προθερµαντήρας ΥΠ 11: προθερµαντήρας ΥΠ 12: λήψη ατµού για δευτερεύουσες χρήσεις θερµικός υπολογισµός προθερµαντήρα επαφής Όπως και στις άλλες συσκευές εναλλαγής θερµότητας, έτσι και εδώ, δεν θα παρουσιασθεί ένας λεπτοµερειακός θερµικός υπολογισµός. 0α αναφερθούν µόνον ορισµένα ενδεικτικά στοιχεία σχετικά µε τις επιτρεπτές ταχύτητες ροής ατµού και νερού και τον αναµενόµενο συντελεστή µεταβίβασης θερµότητας k, Η ταχύτητα ροής του ατµού στην είσοδο του προθερµαντήρα επιλέγεται σε συνήθεις κατασκευές σε: w Ν = 0,01 µέχρι 0,1 m/s Η ταχύτητα ροής του τροφοδοτικού νερού στις σωληνώσεις προθερµαντήρων επαφής επιλέγεται σε: w α,εις = 7 µέχρι 20 m/s Σελ. 88/115

89 Κατά µήκος του προθερµαντήρα αναµένεται µια πτώση της ταχύτητας ροής του ατµού, µε αποτέλεσµα η ταχύτητα ροής στην έξοδο του προθερµαντήρα να εκτιµάται σε: Για ταχύτητες ροής των δύο ρευστών στις προαναφερθείσες περιοχές παρατίθενται τιµές του συντελεστή k, που διαµορφώνονται σε διάφορους κατασκευαστικούς τύπους προθερµαντήρων επαφής. Σε οριζόντιους προθερµαντήρες χαµηλής και µέσης πίεσης, όπου το τροφοδοτικό νερό ρέει µέσα από τις σωληνώσεις και ο ατµός τις περιβάλλει, ο συντελεστής k είναι: για πίεση ατµού 1,1 1,5 ata: για πίεση ατµού 1,5 5,0 ata: για πίεση ατµού 1,5 5,0 ata και µε κατάλληλη διάταξη των σωληνώσεων, ώστε να αποφεύγεται στάξιµο του συµπυκνώµατος από τη µια σωλήνωση στην άλλη: 2 k = kcal/m hk k = kcal/m 2 hk k = kcal/m 2 hk Σε κατακόρυφους προθερµαντήρες χαµηλής και µέσης πίεσης µε την παραπάνω διάταξη ροής των δύο ρευστών, ο συντελεστής k είναι: Για πίεση ατµού 1,1 1,5 ata Για πίεση ατµού 1,5 5,0 ata Σε προθερµαντήρες χαµηλής και µέσης πίεσης, όπου ο ατµός ρέει µέσα από τις σωληνώσεις και το νερό τις περιβάλλει, ο συντελεστής k είναι: Για πίεση ατµού 1,1 1,5 ata και χαλύβδινες σωληνώσεις Για πίεση ατµού 1,0 5,0 ata και χάλκινες ή ορειχάλκινες σωληνώσεις Γενικά υπολογίζεται η εναλλασσόµενη θερµική ισχύς από τις σχέσεις: (δ - 6) (δ - 7) όπου µε m N και m a χαρακτηρίζονται οι αντίστοιχες παροχές νερού και ατµού, µε c N η ειδική θερµότητα του νερού, µε t N,εισ και t N,εξ οι αντίστοιχες θερµοκρασίες εισόδου και εξόδου του τροφοδοτικού νερού και µε ί α,εισ και i α,εξ. Οι αντίστοιχες ενθαλπίες εισόδου και εξόδου του ατµού στον προθερµαντήρα. Α π αντιπροσωπεύει την επιφάνεια συναλλαγής θερµότητας και t m είναι ο λογαριθµικός µέσος των θερµοκρασιακών διαφορών των δύο ρευστών. Σελ. 89/115

90 ΚΕΦΑΛΑΙΟ E: ΠΡΟΘΕΡΜΑΝΤΗΡΕΣ ΑΕΡΑ ΚΑΥΣΗΣ 1. Γενικά Όπως διαπιστώθηκε στη µέχρι τώρα αντιµετώπιση των ατµολεβητών και των προθερµαντήρων τροφοδοτικού νερού µε καυσαέρια (οικονοµητήρων), είναι ουσιαστική η βελτίωση του βαθµού απόδοσης του ατµολέβητα µε τη µερική ανάκτηση της θερµότητας, που αποβάλλεται από τα καυσαέρια στο περιβάλλον. ιαπιστώθηκαν και τα κατώτατα όρια στην ψύξη των καυσαερίων µε τον εντοπισµό του προβλήµατος της οξείδωσης, που παρουσιάζεται όταν υγροποιούνται τα διαβρωτικά στοιχεία των καυσαερίων. Τέλος διατυπώθηκε η άποψη, ότι δεν είναι δυνατή η χρησιµοποίηση οικονοµητήρα στις περιπτώσεις, που η προθέρµανση του τροφοδοτικού νερού καλύπτεται σε µεγάλο βαθµό από προθερµαντήρες µε ατµό εγκατεστηµένους στο κύκλωµα. Ένας άλλος τρόπος ψύξης των καυσαερίων προσφέρεται µε την προθέρµανση του απαραίτητου για την καύση αέρα. Πέρα από το θετικό αποτέλεσµα της ανάκτησης τµήµατος της θερµότητας των καυσαερίων, η προθέρµανση του αέρα καύσης παρουσιάζει και άλλα πλεονεκτήµατα σχετικά µε την ίδια την καύση. Έτσι, διαπιστώνεται η επίτευξη υψηλότερων θερµοκρασιών καυσαερίων, επιταχύνεται η καύση και παρέχεται τέλος η δυνατότητα της χρησιµοποίησης καυσίµων κατώτερης ποιότητας. Με την αύξηση του θερµοκρασιακού επίπεδου των καυσαερίων βελτιώνεται η µετάδόση της θερµότητας σε όλα τα τµήµατα του ατµολέβητα, αφού αυτή εξαρτάται άµεσα από τη θερµοκρασιακή διαφορά των δύο ρευστών, του "εργαζόµενου µέσου" νερό-ατµός και των καυσαερίων. Προθερµαντήρες αέρα καύσης, ή αλλιώς και LUVO (Luft Vorwaermer), τοποθετούνται λοιπόν είτε µόνοι τους, είτε σε συνδυασµό µε οικονοµητήρες στο τελευταίο τµήµα του καπναγωγού ατµολεβητών. Σπανιότερα διαπιστώνεται προθέρµανση του αέρα καύσης και µε "ενεργό" ατµό υψηλής πίεσης και θερµοκρασίας. Αυτό συµβαίνει, όταν η εκµετάλλευση της θερµότητας των καυσαερίων στον ατµολέβητα γίνεται σε τέτοιο βαθµό, που να µην επιτρέπεται πρόσθετη ψύξη τους. Η λύση αυτή απαντάται επίσης και σε εγκαταστάσεις, όπου δεν διατίθεται ο απαραίτητος, σχετικά µεγάλος, χώρος για την τοποθέτηση του αντίστοιχου προθερµαντήρα στον καπναγωγό, όπως για παράδειγµα σε πολλές εγκαταστάσεις κινητήριων µηχανών πλοίων. Σηµειώνεται, ότι η εκµετάλλευση της θερµότητας των καυσαερίων για την προθέρµανση του αέρα καύσης είναι, σ' ό,τι αφορά την κατασκευή, πολύ οικονοµικότερη από την προθέρµανση του τροφοδοτικού νερού. Ενώ οι οικονοµητήρες παρουσιάζουν ένα µέσο βάρος µεταλλικής κατασκευής περίπου 28 kg/m 2 θερµαινόµενης επιφάνειας, το αντίστοιχο µέσο ειδικό βάρος των LUVO είναι περίπου 11 kg/m2 Η θερµοκρασία εξόδου του αέρα καύσης από τον προθερµαντήρα εξαρτάται από το χρησιµοποιούµενο καύσιµο. Επιθυµητές θερµοκρασίες προθερµασµένου αέρα καύσης για δύο τύπους στερεών καυσίµων παρατίθενται στον πίνακα Ε-1. Σελ. 90/115

91 ΠΙΝΑΚΑΣ Ε-1 Επιθυµητή θερµοκρασία αέρα καύσης στερεών καυσίµων Τύπος καυσίµου Τροφοδοσία καυσίµου Επιθυµητή θερµοκρασία αέρα καύσης Λιθάνθρακας Καύση σε σχάρα Μέχρι 100 o C Γαιάνθρακας Καύση σε σχάρα 80 µέχρι 150 o C Λιθάνθρακας Καύση σε κονιορτοποιηµένη µορφή 250 o C Γαιάνθρακας Καύση σε κονιορτοποιηµένη µορφή 350 µέχρι 400 o C 2. Τύποι προθερµαντήρων αέρα καύσης Επειδή οι προθερµαντήρες του αέρα καύσης µε καυσαέρια είναι οι πιο διαδεδοµένοι, θα παρατεθούν στη συνέχεια κατασκευαστικά στοιχεία µόνον προθερµαντήρων αυτού του τύπου. Από άποψη λειτουργίας, οι προθερµαντήρες αυτοί διακρίνονται σε δύο γενικές κατηγορίες: α) σε προθερµαντήρες επιφάνειας, µε αυλούς ή µε επίπεδα τοιχώµατα, όπου η θερµότητα µεταφέρεται µέσα από τη θερµαινόµενη επιφάνεια από τα καυσαέρια στον αέρα καύσης (recuperators) και β) σε περιστρεφόµενους, όπου η θερµότητα των καυσαερίων παραλαµβάνεται και αποθηκεύεται σε µεταλλικά ή άλλα ανόργανα στοιχεία µεγάλης θερµοχωρητικότητας και µετά παρέλευση κάποιου χρόνου αποδίδεται στον αέρα καύσης Προθερµαντήρας επιφάνειας µε αυλούς Ενώ ο προθερµαντήρας επιφάνειας µε αυλούς αντιπροσωπεύει µια απλή κατασκευή, δεν είναι ο πιο διαδεδοµένος τύπος, επειδή η αποδοτικότητα του είναι µικρότερη από την αποδοτικότητα αντίστοιχου προθερµαντήρα µε επίπεδα τοιχώµατα. Τα καυσαέρια ρέουν στον προθερµαντήρα αυτού του τύπου µέσα από σωληνώσεις (αυλούς) διαµέτρου από 50 µέχρι 100 mm, πάχους τοιχώµατος από 2 µέχρι 4 mm και µήκους µέχρι 6 m, ενώ ο αέρας καύσης ρέει σε αντίθετη κατεύθυνση από τα καυσαέρια περιβάλλοντας τις σωληνώσεις. Σπανιότερα επιλέγεται η αντίστροφη διάταξη των δύο ρευστών στα κατασκευαστικά στοιχεία του προθερµαντήρα. Η επιφάνεια συναλλαγής θερµότητας ανά 1 m 3 ολικού όγκου του προθερµαντήρα υπολογίζεται κατά προσέγγιση σε 11 µέχρι 15 m 2. Οι σωληνώσεις κατασκευάζονται είτε χαλύβδινες είτε χυτοσιδηρές. Οι χυτοσιδηρές σωληνώσεις παρουσιάζουν οπωσδήποτε µεγαλύτερη ανθεκτικότητα σε οξειδωτική διάβρωση. Ουσιαστική αύξηση της θερµαινόµενης επιφάνειας και βελτίωση των συνθηκών µεταβίβασης θερµότητας γίνεται, όταν χρησιµοποιούνται χυτοσιδηρές σωληνώσεις µε πτερύγια ή ακίδες. Σπανιότερα κατασκευάζονται και σωληνώσεις µε εσωτερικά και εξωτερικά πτερύγια. Οι κατασκευές αυτές επαυξάνουν την επιφάνεια µεταβίβασης της θερµότητας ανά 1 m 3 προθερµαντήρα µέχρι 40 m 2. Σελ. 91/115

92 2.2. Προθερµαντήρας επιφάνειας µε επίπεδα τοιχώµατα Ο προθερµαντήρας επιφάνειας µε επίπεδα τοιχώµατα διαθέτει θερµαινόµενη επιφάνεια, που αποτελείται από ένα µεγάλο αριθµό µεταλλικών ελασµάτων, πάχους 1,5 µέχρι 2 mm. Τα ελάσµατα αυτά τοποθετούνται παράλληλα σε µια µεταξύ τους απόσταση από 15 µέχρι 30 mm και συγκολλούνται έτσι, που να δηµιουργούνται αγωγοί, διασταυρούµενης ροής καυσαερίων και αέρα καύσης. Ένας προθερµαντήρας αέρα καύσης του τύπου αυτού παρουσιάζεται στο σχήµα Ε-1. Ένα προθερµαντικό στοιχείο της µορφής, που απεικονίζεται στο σχήµα Ε-1, διαθέτει από 50 µέχρι 250 m 2 θερµαινόµενη επιφάνεια Α. Οι εξωτερικές του διαστάσεις, δηλαδή το ύψος Η, το µήκος L και το πλάτος Β, υπολογίζονται σαν συνάρτηση των παροχών του αέρα καύσης m AK και των καυσαερίων m ΚΣ, των αποστάσεων µεταξύ των ελασµάτων S AK, S KΣ και S B, Σελ. 92/115

93 όπως επεξηγούνται στο σχήµα Ε-1, και των ταχυτήτων ροής w AK και w ΚΣ του αέρα καύσης και των καυσαερίων αντίστοιχα από τις σχέσεις: (ε - 1) (ε - 2) (ε - 3) Με n χαρακτηρίζεται ο αριθµός των διάκενων στη ροή των καυσαερίων. Αυτός υπολογίζεται µε τη σχέση: (ε - 4) Η ταχύτητα ροής καυσαερίων w ΚΣ και αέρα καύσης w AK για τη συγκεκριµένη κατασκευή κυµαίνεται µεταξύ 6 και 12 m/s Περιστρεφόµενος προθερµαντήρας Στο σχήµα Ε-2 παρουσιάζεται ένας περιστρεφόµενος προθερµαντήρας αέρα καύσης, που φέρει το όνοµα του εφευρέτη του LJUNGSTROM. Σελ. 93/115

94 Στο εσωτερικό ενός σταθερού κυλινδρικού κελύφους περιστρέφεται αργά ένας δίσκος, που αποτελείται από ένα µεγάλο αριθµό µεταλλικών ελασµάτων. Στο κέλυφος συνδέονται δύο αγωγοί για τη διοχέτευση καυσαερίων και αέρα καύσης σε αντιρροή. Το τµήµα του δίσκου (ηµικύκλιο), που βρίσκεται στη ροή των καυσαερίων, θερµαίνεται παραλαµβάνοντας θερµότητα από τα καυσαέρια και κατά την περιστροφή του δίσκου αποδίδει αυτή τη θερµότητα στην παροχή του αέρα καύσης. Ο δίσκος περιστρέφεται κινούµενος από έναν ηλεκτροκινητήρα ισχύος από 0,5 µέχρι 2,5 kw, ανάλογα µε το µέγεθος του προθερµαντήρα. Η συχνότητα περιστροφής του δίσκου κυµαίνεται από 2 µέχρι 5 στροφές ανά λεπτό. Η απλή, συµπαγής και οικονοµική κατασκευή σε συνδυασµό µε καλή αποδοτικότητα κατά τη µεταβίβαση της θερµότητας, έχει επιβάλει την εγκατάσταση του προθερµαντήρα LJUNGSTROM σε όλες σχεδόν τις σύγχρονες µονάδες. Σηµειώνεται, ότι για την εγκατάσταση του προθερµαντήρα αυτού απαιτείται µόνο το 1/5 του χώρου περίπου, που καταλαµβάνεται από έναν προθερµαντήρα επιφάνειας µε επίπεδα τοιχώµατα, αντίστοιχης αποτελεσµατικότητας. Το µοναδικό ουσιαστικά πρόβληµα, που παρουσιάζεται κατά τη λειτουργία του προθερµαντήρα αυτού, είναι η στεγανοποίηση των δύο αγωγών µεταξύ τους, ώστε να αποφεύγεται η είσοδος καυσαερίων στη ροή του αέρα καύσης. Σ' ό,τι αφορά την κατασκευή, το πρόβληµα αυτό έχει αντιµετωπισθεί µε τη δηµιουργία "νεκρών " χώρων (µικρών κυκλικών τοµέων) στις περιοχές, που γειτνιάζουν οι δύο ροές. Οι χώροι αυτοί βρίσκονται µόνιµα σε υποπίεση, που εξασφαλίζεται από µια αντλία κενού. Με τον τρόπο αυτό αποκλείεται σε µεγάλο βαθµό η βραχυκύκλωση των δύο ροών. Ο προθερµαντήρας LJUNGSTROM µπορεί να τοποθετηθεί κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να διαρρέετε είτε οριζόντια είτε κατακόρυφα. Στα σχήµατα Ε-3 και Ε-4 παρουσιάζονται οι δύο δυνατότητες της εγκατάστασης αυτής. Σελ. 94/115

95 Σελ. 95/115

96 3. Θερµικός υπολογισµός προθερµαντήρων αέρα καύσης Εδώ δεν θα γίνει αναφορά σε λεπτοµερειακό θερµικό υπολογισµό του ενός ή του άλλου τύπου προθερµαντήρων αέρα καύσης. Με την ίδια µεθοδολογία, που χρησιµοποιήθηκε κατά τον υπολογισµό των οικονοµητήρων, θα παρατεθεί ένας τρόπος υπολογισµού της θερµαινόµενης επιφάνειας, αφού αναφερθούν ορισµένα ενδεικτικά στοιχεία σχετικά µε τις επιτρεπτές ταχύτητες ροής καυσαερίων και αέρα καύσης και µε τον αναµενόµενο συντελεστή µεταβίβασης θερµότητας k. Σε προθερµαντήρες επιφάνειας µε επίπεδα τοιχώµατα, για ταχύτητα ροής καυσαερίων από 4 µέχρι 6 m/s, ο συντελεστής k κυµαίνεται από 8 µέχρι 10 kcal/m 2 hk, ενώ για ταχύτητα ροής καυσαερίων από 8 µέχρι 10 m/s ο συντελεστής k παίρνει τιµές από 11µέχρι 12 kcal/m 2 hk. Οι τιµές αυτές του συντελεστή κ έχουν προσδιορισθεί για µια ταχύτητα ροής του αέρα καύσης από 5 µέχρι 10 m/s. Οι τιµές ενός αντίστοιχου συντελεστή µεταβίβασης θερµότητας k για τον προθερµαντήρα LJUGSTROM κυµαίνονται µεταξύ 6 και 14 kcal/m 2 hk. Σελ. 96/115