Systemy podgrzewu powietrza do kotłów. Rozwój konstrukcji i metod obliczeniowych

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 127

1996 N r kol. 1350

Andrzej W. WALEWSKI, W acław B. WOJNAR In sty tu t M aszyn i U rządzeń Energetycznych P olitechnika Śląska, Gliwice

SYSTEMY PODGRZEWU POWIETRZA DO KOTŁÓW.

ROZWÓJ KONSTRUKCJI I METOD OBLICZENIOWYCH

S tr e s z c z e n ie . Przedstaw iono systematykę, ocenę rozw iązań ideo

wych oraz autorskie zalecenia konstrukcyjne system ów podgrzew u po

w ietrza do kotłów energetycznych i przemysłowych wyposażonych w palen iska pyłowe i rusztowe. Omówiono problem y konstrukcyjne i eks

ploatacyjne wymienników ciepła w tych instalacjach. Omówiono m eto

dykę obliczeń podgrzewaczy powietrza.

BO ILE R ’S A IR PREHEATING SYSTEMS.

DEVELO PM ENT OF CONSTRUCTION AND CALCULATION M ETHODS

Sum m ary. In th is papers th e methodology as well as conceptual solution evoluations of th e air preheating system s used in power p la n t boilers and in d u stral ones h as been presented . The boilers can be equipped w ith pulverised coal furnaces or some stoker furnaces. Some constructional and operating problems of th e a ir h e a t exchangers of boilers w ere broadly discussed. The calculation m ethods of air p reh e a te rs h as been proposed.

KESSELLUFTVORWÄRMUNGSSYSTEME.

D IE ENTWICKLUNG DER KONSTRUKTIONEN U N D D E R BERECHNUNGSMETHODEN

Zusam m enfassung. Die Systematik und die Ausw ertung prinzipieler Lösungen sowie die Plannungs-vorschläge von L uftvorw ärm ungs

system e fü r die m it dem Kohlenstaub befeuerte K raftw erkskessel u n d Rostkessel sind darg estellt werden. E inigePlannungs - und Betriebs- problem m e von L uftvarw ärm er in Kesselanlagen, sowie die B erech

nungsm ethoden von Luftvorw ärm er wurden vorgeschlagen.

(2)

260 Andrzej W. Walewski, W acław B. W ojnar

1. W p ro w a d zen ie

Nowoczesne k ieru n k i rozwoju konstrukcji urządzeń kotłowych cechuje dąż

ność do podwyższenia param etrów pracy. W iększe p a ra m e try mediów robo

czych pozw alają n a osiąganie wyższych spraw ności urządzeń, m ogą jed n a k być przyczyną wyższych awaryjności i spadku dyspozycyjności.

T a k a sp ira la w ym agań technicznych w połączeniu z w ym aganiam i pro

ekologicznymi w ym usza stosow anie coraz bardziej rozbudow anych ideowych schem atów cieplnych siłowni oraz skom plikowanych rozw iązań konstrukcyj

nych kotłów.

Stosow anie wielostopniowych układów regeneracyjnych podgrzewaczy wo

dy i wysoki podgrzew wody zasilającej n a wlocie do kotła rzędu = (250 + 260°C) nie pozw ala n a odbiór ciepła spalin przez czynnik roboczy.

Aby podwyższyć spraw ność ko tła i obniżyć s tra tę wylotową, jedynym roz

w iązaniem je s t stosow anie kotłowych podgrzewaczy powietrza.

System y podgrzew u pow ietrza do kotłów z w ym iennikam i ogrzewanym i sp alinam i i obcymi m ediam i podlegają zatem ciągłym unowocześnieniom.

Celem wysokiego podgrzew u pow ietrza do kotłów energetycznych jest:

1) popraw ienie w arunków spalania, 2) suszenie i bezpieczny tra n sp o rt paliwa, 3) obniżenie s tra ty wylotowej,

4) przeciw działanie zjawiskom niskotem peraturow ej korozji siarkowej (rosie

nie spalin) oraz oblodzeniu w en ty lato ra podm uchu,

5) zapew nienie przyjaznych w arunków pracy brygadom rem ontowym części ciśnieniowej kotła.

Trzy pierw sze w ym agania spełniają w ym ienniki kotłowe, czyli podgrzew a

cze pow ietrza om ywane spalinam i kotłowymi, dwa kolejne n ależą do zadań w stępnych parow ych podgrzewaczy pow ietrza — wym ienników ty p u rekupera- cyjnego zasilanych p a rą o średnich i niskich p aram etrach .

2. K o n fig u ra cja u k ła d u p o d g rz e w u p o w ie tr z a w k o tła c h

Nowoczesne bloki energetyczne m ają 2 - lub 3 - nitkow y uk ład spaliny - pow ietrze o schem acie blokowym n itk i przedstaw ionym n a rys. 1.

W uk ład ach 3—nitkow ych wydzielona środkow a n itk a przew idyw ana je s t do podgrzew u pow ietrza pierwotnego, suszącego i transportującego paliwo, a dwie zew nętrzne do podgrzew u pow ietrza wtórego. Z uw agi n a w ym agany podgrzew pow ietrza pierwotnego do wyższych te m p e ra tu r spaliny do nitki środkowej odprow adzane są z obszaru ko tła o wyższej tem p eratu rze. W u k ła dach 2-nitkow ych nie m a początkowego celowego rozdziału powietrza.

W m niejszych jedn ostk ach wyposażonych w rurow e podgrzewacze pow ietrza

(3)

Systemy podgrzewu powietrza do kotłów. 261

co

-Xo

CLa V)

cc

-Xo

N0

t -

< u

1o

CL

ROPP

®®®d)

0 ® © © ^ 3 -©©®®

PPP

R i © © ©

< D © ® ©

Rys. 1. Schem at blokowy n itk i układu podgrzewu powietrza z RO PP system u U U N G S TR Ó M i w stępnym PPP: ROPP - regeneracyjny obrotowy podgrzewacz pow ietrza, P P P - parow y podgrzewacz powietrza, EF - elektrofiltr, WC — w entyla

to r ciągu, WP - w entylator podmuchu, D - średnica w irnika, mm, H - wysokość całkow ita w ypełnienia, mm, H g - wysokość wypełnienia gorącego końca, mm, H z - wysokość w ypełnienia zimnego końca, mm, 1 -e 4 - oznaczenia punktów pom iaro

wych dla stru m ie n ia powietrza i p ary (Vp, Dw), oraz ciśnienia i te m p e ra tu ry przepły

wających czynników (p, t)

Fig. 1. Schem atic diagram of air p reheating line arrangem ent equipped w ith LJUNGSTRÓM regenerative ro tatin g air preheater and a ste a m -h e a te d air p reh e ate r

(4)

usytuow ane w drugim lub trzecim ciągu kotła z n a tu ry rzeczy pow ietrze i spaliny prowadzone są jed n ą nitką.

Czerpnie pow ietrza zasysanego przez w entylator podm uchu W P ze wzglę

dów bezpieczeństw a oraz konieczności u n ik an ia zanieczyszczeń pyłowych po

w ietrza (wtórne pylenie popiołów) usytuow ane są n a znacznych wysokościach.

Pow ietrze pobierane je s t znad stropu kotła w budynku kotłow ni lub bezpo

średnio z otoczenia budynku. Oba te rozw iązania m ają swoje w ady i zalety.

Pobieranie pow ietrza czerpniam i w ew nętrznym i znad stropu kotła sprzyja w entylacji kotłowni, a powietrze m a znacznie wyższą tem p e ra tu rę . W entyla

cja w okresach letnich je s t bardzo korzystna, n ato m iast w okresach zimowych je s t uciążliw a z uw agi n a przeciągi w budynku kotłowni. W miejsce zassanego pow ietrza w szystkim i otworam i, drzw iam i, szybem windowym napływ a zim ne pow ietrze z otoczenia. Wówczas u ru ch am ia się czerpnie zew nętrzne, które nie powodują w zrostu podciśnienia w kotłowni. Regulacje stru m ie n ia powie

trz a , odcinanie kanałów z czerpniam i realizow ane są system em żaluzji.

Z assane pow ietrze poddaje się w stępnem u podgrzewowi w zakresie tem pe

r a tu r od t! = (-25 h- 10)°C do tę = (20 + 60)°C w rek u p eracjjn y ch parowych podgrzew aczach pow ietrza P P P zabudowanych w k anałach pow ietrza. Wy

m ienniki te zasilane są p a rą upustow ą z kolektora ogólnego obiegu siłowni, nie są zatem zaliczane do wym ienników kotłowych.

K anały pow ietrza przyjm ują osiowy u kład w ertykalny lub horyzontalny i dla ta k usytuow anych kanałów projektuje się bloki P P P o specyficznych rozw iązaniach konstrukcyjnych.

W nowoczesnych kotłow niach w w aru n k ach eksploatacyjnych dla celów rem ontow ych nie m a m iejsca n a dem ontaż całego bloku P P P czy sekcji w kładu grzewczego P P P , ja k to projektowano w starszych rozw iązaniach.

W P P P nowej generacji zapew nia się dostęp rew izyjny i rem ontow y do każdej ru ry grzewczej, z możliwością w ym iany uszkodzonej ru ry bez dem ontażu sekcji.

W stępny podgrzew pow ietrza u łatw ia rozruch kotła, zapobiega obniżeniu te m p e ra tu ry ścianek powierzchni grzewczej kotłowego P P poniżej p u n k tu rosy kw asu siarkowego. Zapobiega zatem w ystąpieniu zjaw isk niskotem pe

raturow ej korozji siarkow ej.

In sta la c ja P P P w nitce podgrzewu pow ietrza pozwala, przy odstaw ieniu k o tła z ru ch u, n a podgrzew anie w n ętrza kotła przy pracach rem ontowych w okresie chłodów. P P P zasilany je s t przecież z obcego źródła ciepła, przew aż

nie z kolektora wspólnego dla całej siłowni.

W stępnie przygotowane powietrze w prow adzane je s t do kotłowych podgrze

waczy pow ietrza.

W rozw iązaniu n a rys. 1 w ym iennik kotłowy to regeneracyjny obrotowy podgrzewacz pow ietrza (ROPP). R O P P to w ym iennik spaliny - powietrze

(5)

typu regeneracyjnego, niecykliczny z elem entam i w ypełnień w irnik a aku- m ulującym i ciepło [1 — 4].

Regeneracyjne obrotowe podgrzewacze pow ietrza ze względu na:

— zw a rtą budowę,

- możliwość zabudowy dużych powierzchni w ym iany ciepła,

— bardzo korzystne w skaźniki ciężarowe i kosztowe, - w ysoką spraw ność,

- wysoką niezawodność,

— dojrzałe rozw iązania konstrukcyjne,

stanow ią podstaw ową konstrukcję tego typu w ym ienników ciepła.

R O P P stanow ią o statn ią n a drodze spalin pow ierzchnię w ym iany ciepła w kotle. J e s t to powierzchnia bezciśnieniowa, o najniższym w skaźniku kosztów inwestycyjnych K [zł/m2]. Opłacalne jest zatem rozw ijanie tej powierzchni n aw et kosztem poprzedzających powierzchni ciśnieniowych.

W k ra ju regeneracyjne obrotowe podgrzewacze pow ietrza budow ane są przez Fabrykę Kotłów RAFAKO SA w Raciborzu wg system u LJUNGSTRÓM.

Zabudowa w ym iennika w nitce układu spaliny — pow ietrze w m iejscu o najw yższym nadciśnieniu pow ietrza podmuchowego i najw yższym podciśnie

n iu spalin w ym usza wysoką różnicę ciśnień pom iędzy spalinam i i pow ietrzem , odpowiadającą w kotle konwencjonalnym, poziomowi Ap = (5-^6) kPa.

D uża różnica ciśnień je s t przyczyną pow staw ania znacznego przecieku pow ietrza do spalin. Wielkość przecieku względnego L, określanego jak o sto

su n ek przecieku całkowitego AVp do strum ienia pow ietrza przed R O P P Vpl, przybiera wielkość L = — ^ = (5 •+• 20)% i zależy w głównej m ierze od sposobuAV„

VPi

regulacji i sta n u technicznego systemu uszczelnień w irn ik a [1],

W kotłach z paleniskam i fluidalnymi, gdzie ciśnienie pow ietrza osiąga wielkość pp = (18 + 20) kPa, z uwagi na niemożliwość zapew nienia szczelności P P nie stosuje się R O PP. Kotły te wyposażone są w wielkogabarytowe, rozbudow ane i ciężkie rekuperacyjne rurowe podgrzewacze pow ietrza R P P.

Kotłowe P P realizu ją podgrzew powietrza w zakresie te m p e ra tu r od t 2 = (20 h- 60)°C do ta = (250 - 400)°C.

Kotły przemysłowe z paleniskam i rusztowymi w arstw ow ym i czy n a rz u to wymi nie m ają ta k rozbudowanych instalacji podgrzewu pow ietrza. Pow ietrze pierw otne podaw ane pod ru sz t z uwagi n a funkcję chłodzenia podgrzew ane je s t do te m p e ra tu ry rzędu t p2 = (110 + 120)°C.

W nowoczesnych paleniskach rusztowych bardzo isto tn a je s t organizacja regulowango podm uchu strefowego powietrza. R egulacja ta k a um ożliw ia optym alizację procesu sp alania i ograniczenie emisji tlenków azotu.

Autorzy zalecają zabiegi modernizacyjne p alenisk rusztow ych w k ieru n k u zastosow ania podgrzewu pow ietrza realizowanego w w ym iennikach rurow ych

(6)

R P P i regulow anego podm uchu strefowego. W stępnego podgrzewu pow ietrza w tych jedn ostk ach nie stosuje się.

3. K o m p lek so w e p ra c e ro zw o jo w e sy stem ó w p o d g r z e w u p o w ie tr z a do k o tłó w

Z akład K o tłó w i W ytw orn ic P a r y I n s ty tu tu M aszyn i U rzą d zeń E n e r g e ty c z n y c h od 25 la t prowadzi prace badawcze i koncepcyjne systemów podgrzew u pow ietrza z w ym iennikam i w szystkich typów. W Laboratorium Procesów Kotłowych funkcjonują un ik aln e instalacje doświadczalne ROPP-1 i ROPP-2, n a których prowadzone są prace badawcze regeneracyjnych podgrze

waczy pow ietrza i ich w ypełnień [2 - 4].

N a instalacjach tych przeprowadzono kompleksowe bad an ia w szystkich znanych w ypełnień blaszanych i prototypowych płytowych oraz blokowych w ypełnień ceram icznych [4, 5]. In stalacja AT - 3 służy do bad ań oporów aerodynam icznych układów pęczkowych ru r.

Wyniki prac eksperym entalnych Zespół auto rsk i publikow ał w czasopis

m ach fachowych. A utorzy rozwiązywali zagadnienia techniczno-badaw cze z dziedziny w stępnych parowych podgrzewaczy pow ietrza. Prace koncepcyjne Zespołu zaowocowały 9 w ynalazkam i, n a które uzyskano 4 p a te n ty i 5 praw ochronnych [13 - 17].

Zespoły twórców wynalazków stanow ili pracownicy In sty tu tu M aszyn i U rządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej i specjaliści z RAFAKO SA w Raciborzu i FAU FAMET SA w Kędzierzynie - Koźlu. W celu realizacji celów projektow o-produkcyjnych zaw arto odpowiednie Porozum ienie [19], O piera

jąc się n a uzyskanych p a te n tac h opracowano dojrzałe, przem yślane k o n stru kcje wym ienników, które niezaw odnie p racują w system ach podgrzewu powie

trz a kilkudziesięciu kotłów w k raju i za granicą.

N a podstaw ie system atycznie zbieranych doświadczeń eksploatacyjnych Zespół autorów m a odwagę stwierdzić, że zagadnienia projektowo-produkcyj- n o -k on stru k eyjne parow ych podgrzewaczy pow ietrza zostały całkowicie roz

w iązane. Świadczy o tym przedstaw iona lista referencyjna.

4. R o z w ią za n ia k o n str u k cy jn e w y m ie n n ik ó w c ie p ła w sy s te m a c h p o d g r z e w u p o w ie trz a . S y stem a ty k a . N a z e w n ic tw o u r z ą d z eń

Wymienniki, ciepła pracujące w instalacjach system ów podgrzewu powie

trz a do kotłów funkcjonują w skrajnie niekorzystnych w aru n k ach korozyjnych

(7)

W Y M I E N N I K I C I E P Ł A W SYSTEM ACH PO D G R Z E W U PO W IE T R Z A

P O D G R Z E W A C Z E P O W I E T R Z A

WYM IENNIKI KOTŁOWE Medium grzewcze: spaliny kotłowe

REGENERACYJNE REKUPERACYJNE

Regeneracyjne obrotowe podgrzewacze powietrza

RO PP

Systemu LJU N G STRÓ M

Systemu R O TH E M Ü H LE

Podgrzewacze regeneracyjne z przenoszonymi kulkami

Podgrzewacze regeneracyjne z klapkami

z rur stalowych

z rur szklanych

z rur żeliwnych

Płytowe podgrzewacze powietrza

W YM IEN NIK I OBIEGU CIEPLNEGO M edium grzewcze: para, woda

Rurowe podgrzewacze powietrza R PP

M IESZANKOW E

Komory

mieszania KM

spaliny - powietrze

Kanały

mieszania spalin KM i powietrza

Rys. 2. S ystem atyka w ymienników ciepła w układach podgrzewu pow ietrza do kotłów

Fig. 2. The system atic of h ea t exchanger in air h e a tin g system for boilers

REKUPERACYJNE

Parowe podgrzewacze

p p p powietrza

Systemypodgrzewupowietrzadokotłów...265

(8)

266 Andrzej W. Walewski, Wacław B. W ojnar

w nie odsiarczonych i nie odpylonych spalinach, w strefie te m p e ra tu r powodu

jących pow staw anie zjaw isk niskotem peraturow ej korozji siarkowej.

W stępne podgrzewacze p racują w zakresie ujem nych te m p e ra tu r otoczenia i n arażon e są n a możliwość zam rożenia czynnika.

G eneralnie w ym ienniki projektow ane dla układów przygotow ania powie

trz a m ożna usystem atyzow ać w zależności od rodzaju czynnika grzewczego i zasady funkcjonow ania. System atykę tę p rzedstaw ia rys. 2.

W ym ienniki o system atyce zestawionej n a rys. 2 cechują się szczegółowymi rozw iązaniam i konstrukcyjnym i specyficznymi dla projektow anych zastoso

w ań. D ążeniem wspólnym k o n stru k to ra je s t intensyfikacja w ym iany ciepła w u rząd zen iu przy m inim alizacji oporów przepływ u czynników wym ieniających ciepło.

4.1. R e g e n e r a c y jn e o b r o to w e p o d g r z e w a c z e p o w ie tr z a R O PP

R egeneracyjne obrotowe podgrzewacze pow ietrza ROPP z uw agi n a opisane zalety stanow ią podstaw ow ą konstrukcję kotłowego w ym iennika ciepła w system ach podgrzew u pow ietrza do kotłów z konwencjonalnym paleniskiem palnikowym . Budowane są n a świecie w edług dwóch systemów:

■ R O P P sy ste m u LJUNG STRÖM - z w irnikiem osadzonym n a wale o osi pionowej (najczęściej) lub poziomej (rzadko). W ypełnienie w irnika skompo

now ane z pakietów pofalowanych blach, płyt lub bloków ceram icznych z k an a ła m i dla przepływ u mediów gazowych stanow i elem ent grzewczy a k u m ulacyjny będący pow ierzchnią w ym iany ciepła. W ym iennik posiada nie

ruchom ą obudowę posadowioną n a fundam encie z osadzonymi n a niej nieruchom ym i skrzyniam i zbiorczymi n a wlocie i wylocie czynników.

Skom plikowane system y uszczelnień promieniowych, osiowych i obwodo

wych m ają skutecznie rozdzielić stru m ien ie pow ietrza i spalin. W irnik ułożyskow any je s t w obudowie i podparty w dolnym łożysku oporowym osadzonym n a kratow nicy nośnej.

■ R O P P sy ste m u ROTHEMÜHLE - ze statorem posadowionym n a fu nd a

m encie wypełnionym elem entam i grzewczymi i lekkim i wirującym i skrzy

niam i pow ietrza, górną i dolną, osadzonymi n a wspólnym wale o osi piono

wej lub poziomej.

Krajowy przem ysł kotłowy buduje R O PP system u LJUNGSTRÖM n a li

cencji udzielonej przez firm ę Svenska Rotor M askiner AB - Stockholm. Typo

szereg RO PP LJUNGSTRÖM obejmuje konstrukcje z num eracją 1 + 36, co odpowiada średnicy w irn ik a D = 680 + 20 060 mm. W irnik podzielony jest blacham i promieniowymi n a 12 lub 24 sektory w zależności od wielkości.

Wysokość w ypełnienia w irn ika skomponowanego z 2 + 4 w arstw pakietów wynosi H = 800

-i-

1900 (3400) mm.

(9)

N a wysokości w irnika wydzielony je s t konstrukcyjnie zim ny i gorący koniec R O PP. Podział ten m a swoje uzasadnienie z uwagi n a w ystąpienie zjaw isk niskotem peraturow ej korozji siarkowej. Elementy zimnego końca R O P P przew ażnie w 1 w arstw ie budowane są z blach o większej grubości g = (1,0 + 1,2) mm, bywają pokryte antykorozyjną emalią lub wykonane z ceram iki.

U m ieszcza się je w w irniku przez otwory n a powierzchni walcowej przykryte pokrywam i. E lem enty gorącego końca w 2 lub 3 w arstw ach m ontuje się w w irniku od góry. W irniki o osi pionowej nie wymagają stosow ania elem entów utw ierdzających p ak iet grzewczy. W w irniku o osi horyzontalnej m uszą być ta k ie zabezpieczenia. Z asada działania niecyklicznego w ym iennika R O P P polega n a równoczesnym om ywaniu odpowiedniej części powierzchni grzew

czej oboma m ediam i wym ieniającymi ciepło.

Stosowany podział sektorów po stronie spalin/ pow ietrza wynosi:

- w irniki 12 sektorowe: 5,5/5,5, 6/5, 6,5/4,5, 7/4,

— w irniki 24 sektorowe: 11,5/11,5, 12,5/10,5,13,5/9,5, 14,5/8,5.

Podział te n w ynika z konieczności dotrzymania równom iernego obciążenia masowego w ym iennika przy różniących się wielkościach stru m ien i spalin i pow ietrza w ynikających z teoretycznego zapotrzebowania pow ietrza przy sp a

lan iu różnych paliw, rozkładu współczynnika nadm iaru pow ietrza X w kotle i rozkładu te m p e ra tu r czynników w obszarze ROPP.

Sposób w łączenia ROPP w instalację podgrzewu pow ietrza pokazuje rys. 1.

Rozw iązania konstrukcyjne podgrzewacza, ułożyskowanie, napędy są n a tyle przem yślane, że nie ulegają większym modernizacjom. Zm iany m oder

nizacyjne dotyczą uszczelnień. W nowych konstrukcjach R O P P wydzielono część w irn ika dla podgrzewu pow ietrza pierwotnego oraz wtórnego.

Poszukiw ania konstrukcyjne i b ad ania R O PP id ą w k ieru n k u opracow ania nowych elem entów grzewczych o zintensyfikowanej w ym ianie ciepła i zm niej

szonych oporach przepływu.

4.1.1. Elementy grzewcze ROPP. Systematyka, nazewnictwo, ocena

W ypełnienie w irnika czy sta to ra R O PP stanowi powierzchnię w ym iany ciepła. Pow ierzchnia skomponowana je s t z elementów grzewczych o różnych rozw iązaniach m ateriałow ych i konstrukcyjnych.

W ypełnienie w irn ika złożone z elementów grzewczych je s t układem syste

m atycznych s tru k tu r pow tarzających się w całej p rzestrzeni. Doświadczenia m ożna zatem prowadzić n a wycinku układu, będącym rep rezen tan tem całej stru k tu ry . W tym przypadku nie występuje problem skali przy przenoszeniu wyników bad ań n a urządzenie rzeczywiste.

Poszukiw ania i badania wypełnień zdążają w k ieru n k u intensyfikacji wy

m iany ciepła. Wielkość wym ienianego strum ienia ciepła Q r o p p może być zwiększona poprzez:

(10)

268 Andrzej W. Walewski, W acław B. Wojnar

— zw iększenie jednostkow ej powierzchni grzewczej elem entu Yt [m2/m 3], - zwiększenie w artości w spółczynnika w n ik an ia ciepła a [ W /m2K ].

W artości współczynnika w nikania ciepła a oraz liczby tarc ia f, c h arak tery zujące opory ta rc ia w kan ałach przepływowych, są funkcją k sz ta łtu wypełnie

n ia i m uszą być dla każdego w ypełnienia określone eksperym entalnie.

B adan ia doświadczalne w szystkich wypełnień produkow anych przez krajo

wy przem ysł kotłowy oraz prototypów prowadzone były w IMiUE Politechniki Śląskiej w edług w łasnej opatentow anej m etody [4 - 6, 13]. B adania wiernie m odelują zjaw iska zachodzące w R O PP, a ich wyniki m ożna w prost apliko

wać do procesów obliczeniowych obiektów rzeczywistych.

Analizy porównawcze istniejących typów elem entów grzewczych i perspe

ktywiczne prace badawcze prototypów rozłożono n a etapy obejmujące bad ania w ypełnień typu:

1. W ypełnienia płytowe ROPP:

— płytowe w ypełnienie m etalow e (płyta m etalow a) PM jednopłytowe, dwupłytowe, perforowane,

— płytowe w ypełnienie ceram iczne (płyta ceram iczna) PC,

— płytowe wypełnienie szklane (płyta szklana) PS.

2. W ypełnienia kratow nicow e ROPP:

— kratow nica m etalow a KM,

— kratow nica szklana KS.

3. W ypełnienie blokowe ROPP:

— blok ceram iczny BC.

4. W ypełnienie kasetow e ROPP:

— p ak iety ru r, k a sety z k ształtk am i o profilach nieregularnych.

5. W ypełnienia nasypowe:

— elem enty akum ulujące ciepło z różnych m ateriałów o różnych k sz ta ł

tac h n a przeponach sitowych.

C ałą gam ę typów elem entów o różnych profilach grzewczych poddano bad a

niom eksperym entalnym w IM iUE n a in stalacjach ROPP-1 i ROPP-2. Kom

plety w ypełnień dla modelowego ROPP projektow ała i w ykonała F abryka Kotłów RAFAKO SA.

B adania m ają n a celu porów nanie i ocenę różnych budowanych i projekto

w anych typów wypełnień pod względem intensywności w ym iany ciepła i opo

rów aerodynam icznych, wybór optymalnego dla zadanych w arunków techni

cznych oraz poszukiw ania nowych profili grzewczych.

W yniki b adań publikow ano w p rasie fachowej. Określone eksperym ental

nie form uły obliczeniowe w ym iany ciepła i oporów przepływ u wprowadzone zostają do program ów doboru wielkości w ym iennika HTOP-Ol, FLOP-Ol i obliczeń eksploatacyjnych HTOP-02.

W eryfikacja wyników obliczeń przez pom iary eksploatacyjne n a obiektach rzeczywistych potw ierdziła przydatność opracowanych formuł.

(11)

Podstawowym typem w ypełnienia R O P P je s t wypełnienie płytowe m etalo

we PM. Najnowocześniejszym typem w ypełnienia R O PP, preferow anym przez autorów , je s t w ypełnienie skomponowane z elem entów grzewczych o profilu FNC (wg system atyki SRM AB Stokholm). J e s t to w ypełnienie o powierzchni ciągłej w układzie: 1 p ły ta naprzem ianległa. Oznacza to, że profil grzewczy w ykonany je s t w jednym układzie walców, a przy pakietow aniu płyty u k ład a n e są równolegle z odw racaniem sąsiedniej, przylegającej płyty o 180° wokół osi zgodnej z kieru nkiem przepływ u m edium . Podziałka fali dys

tansowej je s t reg u la rn a p = 35 mm. K ąt nachylenia fali a = 20°.

W ypełnienie wykonuje się n a skalę przem ysłow ą przez walcowanie n a zimno z taśm y stalowej o grubości s = 0,7 mm w jednym układzie walców.

Szerokość taśm y stalowej stanow i wysokość w arstw y w ypełnień h w. Program produkcji przew iduje w ykonanie w ypełnień o wysokości w arstw y h w = 300, 400, 500 mm. Z tak ich w arstw m ożna złożyć w ypełnienie w irnika o każdej wysokości H (w zaokrągleniu do pełnych 100 mm).

E lem ent o profilu FNC łatw o się tn ie z taśm y z niew ielkim i zniekształce

niam i fali dystansow e. M ankam entem przedmiotowego w ypełnienia z płytam i naprzem ianległym i je s t konieczność odw racania sąsiedniej przyległej płyty.

Ten problem znacznie u tru d n ia autom atyzację lini produkcji koszy grzew czych. E lem ent PM FNC cechuje się średnim i oporam i przepływu.

Elem entem o najw yższych w artościach w spółczynnika w nik an ia ciepła a jest elem ent perforow any PM N o 381.5. K onstrukcja ta dla intensyfikacji a wykorzystuje efekt odcinka rozbiegu term icznego spowodowany nieciągłą po

w ierzchnią płyty. Z tego samego powodu w ypełnienie m a wysokie opory p rze

pływu.

O pierając się n a w ynikach badań eksperym entalnych autorzy oferują:

- w ykonanie projektów koncepcyjnych zm ian m odernizacyjnych ROPP, - zwiększenie podgrzewu pow ietrza,

- obniżenie te m p e ra tu ry spalin wylotowych, - obniżenie oporów przepływ u pow ietrza i spalin,

4.2. K o tło w e r e k u p e r a c y jn e p o d g r z e w a c z e p o w ie tr z a R P P

Kotłowe rek u p erato ry gazowe budowane są w postaci u k ład u pęczkowego ru r osadzonych w dnach sitowych. W ym iennik usytuow any je s t w drugim lub trzecim ciągu kotła zajm ując cały przekrój ciągu. Pow ierzchnię grzewczą stanow i tu pęczek cienkościennych ru r gładkich ó 44,5 x 1,5, (j) 51 x 1,5.

Pęczek RPP usytuow any je s t zazwyczaj pionowo. Przepływ czynników wym ie

niających ciepło je s t krzyżowy. W ew nątrz r u r prowadzone są zapylone spali

ny, z tego w zględu ru ry m ają osie prostoliniowe, aby zapobiec osadzaniu się zanieczyszczeń popiołowych. W przestrzen i m iędzyrurowej prowadzone je s t pow ietrze w stępnie podgrzane lub o p a ra m etrac h otoczenia. Pow ietrze p rze

pływa wielobiegowo przez w kład rurowy.

(12)

W innych rozw iązaniach w kład rurow y usytuow any je st poziomo. Przez ta k skonfigurow any pęczek spaliny płyną w przestrzen i m iędzyrurowej poprzecz

nie omywając ru ry grzewcze. Pow ietrze prowadzone je s t jednobiegowo we

w n ą trz w szystkich ru r pęczka.

W gazowych rekuperacyjnych w ym iennikach ciepła typu spaliny - powie

trze intensyfikacja w ym iany ciepła może być realizow ana w dwojaki sposób:

- przez rozwinięcie powierzchni grzewczej - A t ,

— przez turbulizację strugi gazu - a T.

Z uw agi n a niskie i porównywalne w artości w spółczynnika w nik ania ciepła po stronie spalin a s i pow ietrza ap ru ra grzewcza, w celu intensyfikacji wym ia

ny ciepła, pow inna posiadać rozw iniętą powierzchnię w ew nętrzną przez oże- brow anie współosiowe i zew nętrzną przez ożebrowanie poprzeczne.

P rzy obecnym stan ie technologii hutniczej ta k a konstrukcja ru ry grzewczej je s t droga i ekonomicznie nieuzasadniona.

Próby realizacji drugiego sposobu intensyfikacji w ym iany ciepła przez w pływ anie n a w artości w spółczynnika w nikania ciepła a poprzez turbulizację stru g i w ew nętrznej z równoczesnym zwiększeniem powierzchni zewnętrznej ru ry przez ożebrowanie poprzeczne nie przyniosły zam ierzonych efektów.

Zastosow anie w kładek spiralnych, przew ężenia przekroju ru ry w dwóch płaszczyznach, ru ry o osi zygzakowatej i tym podobne zabiegi wprow adzają znaczny w zrost oporów przepływu, naw et o 70% i znikom y w zrost w artości w spółczynnika w n ik ania ciepła a, co przy dodatkowych kosztach inwestycyj

nych tych zabiegów konstrukcyjnych stanowi o nieopłacalności przedsięwzięcia.

Innym rozw iązaniem konstrukcyjnym R P P są w ym ienniki płytowe. Powie

rzchnię grzewczą stanow i tu zespół płaskich płyt ze stali konstrukcyjnej. Płyty oddalone od siebie o s = (20 + 30) mm tw orzą system szczelin, którym i płyną oddzielone od siebie czynniki wym ieniające ciepło. K onstrukcja ta z uw agi na w ady eksploatacyjne w kotłach została poniechana ze względu n a zapylony czynnik, ale popraw nie pracuje np. w układach tu rb in gazowych.

Żeliwne podgrzewacze pow ietrza są obecnie jedynie rozw iązaniem h istory

cznym.

R P P z pow ierzchniam i grzewczymi z r u r szklanych zastosowano ekspery

m en talnie w k ilk u kotłach. R ury grzewcze w ykonane były ze szkła borokrze- mianowego typu PYREX o podwyższonej odporności n a szoki tem peraturow e.

W ym ienniki te z uw agi n a odporność korozyjną szklanych r u r stosuje się w kotłach n a paliw a wysokosiarkowe i je s t to jedyny argu m ent za ich stosow a

niem.

R ekuperacyjne rurow e podgrzewacze pow ietrza do kotłów są urządzeniam i w ielkogabarytow ym i i ciężkimi. Cechują się mniej korzystnym i w skaźnikam i:

(13)

- ciężarowymi kg (powierzchni grzewczej) m 2 (powierzchni grzewczej)

— powierzchniowym F m 2 (powierzchni grzewczej) m 3 (powierzchni grzewczej)

w porów naniu z analogicznym i w skaźnikam i dla regeneracyjnych obrotowych podgrzewaczy powietrza.

N ależy stw ierdzić, że np. dla kotłów fluidalnych przy obecnym sta n ie tech niki R PP z ru ra m i stalowym i są rozw iązaniem optym alnym .

4.3. W stęp n e p a r o w e p o d g r z e w a c z e p o w ie tr z a P P P

Parow e podgrzewacze pow ietrza są w ym iennikam i rekuperacyjnym i typu gaz - ciecz (p ara wodna). W kład rurow y stanow iący pow ierzchnię grzewczą w ym iennika projektow any je s t w postaci zw artych indyw idualnych sekcji grzewczych zabudow anych w k a n a le pow ietrza z zachow aniem odstępów m ię

dzy sekcjam i stanow iącym i p rzestrzenie rewizyjne.

Sekcję grzewczą stanow ią 2 lub 3 rzędy r u r w odpowiednich podziałkach, osadzonych w kom orach sekcyjnych wlotowej i wylotowej. Sekcja grzewcza dla prefabrykacji i unifikacji podzielona je s t n a segm enty. U kład r u r w sekcji projektuje się jako przestaw ny, heksagonalny (przestaw ny regularny) lub korytarzow y. R achunek optym alizacyjny i zebrane dośw iadczenia eksplo ata

cyjne pozwoliły n a wybór projektow anego uk ład u geometrycznego r u r w sekcji w zakresie wartości:

- podziałka poprzeczna r u r w sekcji: Si = 80, 100, 120, 130 mm

— podziałka w zdłużna ru r w sekcji: s2 = 60, 70, 80, 100 mm

Z uw agi n a w ysoką w artość w spółczynnika w n ik an ia ciepła a 2 od czynnika cieczowego i p ary oraz n isk ą w artość a ! po stronie gazowej, ru ry grzewcze m ają zew nętrznie rozw iniętą powierzchnię przez ożebrowanie spiralne.

A naliza różnych typów ciśnieniowych rozw iniętych powierzchni w ym iany ciepłą [10 - 12] pozwoliła n a ostateczny wybór ru ry grzewczej dla przedm ioto

wych zastosow ań w technice kotłow ej.

Najnowocześniejszym elem entem grzewczym instalow anym w P P P jest:

R u ra b im e ta lo w a w y so k o ż e b r o w a n a RBW - 00 - 25/57 - 5.0 ty p u FA- MET [10], posiadająca stalow ą ru rę rdzeniow ą z m ate ria łu K10 “III, K18 °III i alum iniow ą koszulkę ożebrow aną z m ate ria łu Al 99.5 (Al), Al 99.7 (A0), Al Mg Si (Pa38).

R ury grzewcze w ybranej konstrukcji cechują następ ujące ch araktery sty cz

n e param etry:

- wysoki stopień rozw inięcia powierzchni e = 10,5,

— duża jednostkow a pow ierzchnia grzewcza F = 0,8874 m 2/m,

(14)

- korzystny ciężar jednostkow y i = 2,77 kg/m 2,

- optym alny z uw agi n a wym ianę ciepła i wytrzym ałość m ate ria ł i k sz ta łt żebra,

- doskonałe przyleganie stopy żebra do ru ry rdzeniowej,

- całkow ita izolacja stalowej ciśnieniowej ru ry rdzeniowej od czynnika zew

nętrznego przez osłonięcie jej żebrow aną koszulką alum iniową, - opanow ana ciągła i wysoko w ydajna produkcja,

- relatyw nie niski koszt,

- możliwość stosow ania technologii spaw ania.

P olitechnika Ś ląska w porozum ieniu z RAFAKO SA opracowała koncepcję dwóch podstawowych typów konstrukcyjnych parowego podgrzewacza powie

trza:

A - P P P dla poziomego k a n a łu powietrza, B - P P P dla pionowego k a n a łu powietrza.

R ozw iązania chronione są praw em ochronnym n a wzór użytkowy [15 — 17].

R ysunki 3 i 4 p rzedstaw iają przykładowe rozw iązania konstrukcyjne PPP dla konkretnych obiektów energetycznych. N asze rozw iązania koncepcyjne zastosow ane w projektach, poparte 1 6-letnim i doświadczeniam i z eksploata

cji przemysłowej, uw zględniają w szystkie postaw ione wymogi konstrukcyjne i eksploatacyjne dla w ym iennika w system ie podgrzewu powietrza:

- swobodna d ylatacja term iczna r u r grzewczych:

— w rozw iązaniu A: podwieszonych w górnych kom orach zbiorczych,

— w rozw iązaniu B: w kolanach o osi w kształcie litery S,

- podział n a krótkie segmentowe kom ory sekcyjne z zabudow aną d w u - lub trzyrzędow ą sekcją,

- całkow ite i spraw ne odwodnienie instalacji PPP,

- odporność powierzchni grzewczej n a korozję atm osferyczną,

- uspraw nienie rewizji i rem ontów powierzchni grzewczej, bez dem ontażu bloku P P P , przez zastosow anie komór remontowych,

- regulacja w szerokim zakresie param etrów ,

- kontrola te m p e ra tu ry k ond en satu pary grzewczej z pierwszego rzędu ru r z uw agi n a niebezpieczeństwo zam arzania.

W celu doboru cech szczegółowych w ym iennika zapew niających spełnienie założeń w stępnych konkretnego obiektu energetycznego prowadzi się wie

low ariantow e obliczenia cieplne i aerodynam iczne w kładu rurowego parow e

go podgrzewacza powietrza.

(15)

Rys. 3. Koncepcja u kładu geometrycznego parowego podgrzewacza pow ietrza dla poziomego k an a łu powietrza: 1 - k an a ł powietrza, 2 - r u ra grzewcza, 3 — sekcyjna kom ora zbiorcza (wlotowa, wylotowa), 4 - kolektor czynnika grzewczego (wlotowy, wylotowy), 5 - kom ora rem ontow a w kładu grzewczego, 6 - okno włazowe, 7 — pokrywa okna włazowego, ® + © — oznaczenia punktów pom iarowych dla stru m ien ia pow ietrza i p ary (Vp, Dw), oraz ciśnienia i te m p eratu ry przepływających czynników (p, t) Fig. 3. Concept of an geom etrical layout of a steam - heated air p reh e ate r for a horizontal air channel

Systemypodgrzewupowietrzadokotłów...273

(16)

Rys. 4. Koncepcja u kładu geometrycznego parowego podgrzewacza pow ietrza dla pionowe

go k a n a łu powietrza: 1 — obudowa parowego podgrzewacza pow ietrza, 2 — ru ra grzewcza, 3 - kom ora zbiorcza segm entow a (wlotowa, wylotowa), 4 - kolektor czynnika grzewczego (wlotowy, wylotowy), 5 - skrzynia izolacyjna, 6 — ucho, 7 - kolektor doprowadzający czynnik grzewczy, 8 - kom ora rem ontow a, 9 - okno włazowe do komory remontowej, 10 - pokrywa okna włazowego, 11 - łapa, 12 - segm ent sekcji grzewczej, 13 - k a n a ł powietrza, ® + ® - oznaczenia punktów pomiarowych dla stru m ie n ia pow ietrza i pary (Vp, Dw), oraz ciśnienia i te m p eratu ry przepływających czynników (p, t)

Fig. 4. Concept of a n geom etrical layout of a steam - heated air p reh e ate r for a vertical air channel

(17)

5. A lgorytm b lo k o w y w a r ia n to w y c h o b lic z e ń c ie p ln y c h i a e r o d y n a m ic z n y c h p a r o w e g o p o d g rz e w a cz a

p o w ie tr z a

W ielow ariantow e obliczenia w ym iany ciepła i oporów przepływ u w kładu rurow ego P P P prow adzone za pomocą w łasnych program ów obliczeniowych HEAT - 01, HEAT - 10 [9] pozw alają n a dobór optym alnego u kładu geom etry

cznego bloku w ym iennika i konfiguracji rurow ego w kładu grzewczego, stan o wiącego powierzchnię grzewczą.

O ptym alizacja u k ład u geometrycznego prow adzona je s t z uw zględnieniem poniższych przesłanek:

- dotrzym anie założonego rozkładu te m p e ra tu r czynników, - niew ielkie zwiększenie przekroju k a n a łu powietrza, - m inim alizacja długości całkowitej w kładu rurowego, - m inim alizacja ilości złącz spaw anych,

- rów nom ierny rozkład podziałek ru r,

- rów nom ierny rozkład prędkości stru g i powietrza,

- optym alizacja prędkości przepływ u pow ietrza z uw agi n a intensyfikację w ym iany ciepła i m inim alizację oporów aerodynam icznych.

W obliczeniach cieplnych i aerodynam icznych w ykorzystuje się wyniki w łasnych analiz i b ad ań eksperym entalnych Zespołu i k ilk unasto letnie do

św iadczenia przem ysłow e [6, 7], a tak że w yniki bad ań obcych autorów prezen tow ane w lite ra tu rz e fachowej.

N a podstaw ie danych wejściowych wykonuje się kom puterow e obliczenia cieplne i aerodynam iczne w kładu grzewczego parowego podgrzew acza powie

trza. Obliczenia prow adzi się za pomocą użytkowego program u kom puterow e

go HEAT- 01,HEAT- 10

5.1. U ż y tk o w y program o b lic z e n io w y w y m ia n y c ie p ła i o p o ró w p r z e p ły w u w k ła d u r u r o w e g o P P P

Program skonstruow any w konwencji konwersacyjnej realizuje obliczenia p rzy przyjętych założeniach głównych:

W stęp n em u d o b o ro w i p o d le g a g e o m e tr ia u k ła d u i ru r y ożeb ro w an ej:

- w y brana geom etria k an a łu a, b - zadane w artości podziałek u kładu ru r

grzewczych Si, S²

- ilość r u r w pierwszym rzędzie zj

- ilość rzędów r u r Z²

- całkow ita ilość r u r z

- długość ru ry grzewczej li

(18)

- w ybrany układ r u r w pęczku

— w ybrany typ ru ry ożebrowanej

przestaw ny, korytarzow y RBW ?

D a n e w e jś c io w e stan ow ią : - stru m ie ń czynnika grzewczego

- te m p e ra tu ra czynnika grzewczego n a wlocie - stru m ie ń czynnika ogrzewanego

- te m p e ra tu ra czynnika ogrzewanego n a wlocie D la ta k ic h z a ło ż e ń p rogram w yk on u je:

- obliczenia geom etrii powierzchni grzewczej

— obliczenia w ym iany ciepła

— obliczenia oporów przepływ u

- obliczenia kosztu w kładu grzewczego

Ar , Az, eps, A

Q, ti, t 2, t 3, t 4, At, w, Re, k Ap, Eu

K

W ydruk w y n ik ó w o b lic z e ń p r z e d sta w io n y w p o sta c i ta b lic a lfa n u m e  r y c z n y c h ujm uje:

- n u m er tablicy, - nagłów ek program u,

— w yróżnik obiektu energetycznego,

— geom etria ru ry ożebrowanej, - geom etria układu,

- p a ra m e try czynników wym ieniających ciepło,

— założenia główne,

— w yniki obliczeń cieplnych i aerodynamicznych.

Tablica w stęp n a konw ersacji wyboru założeń w stępnych i tablice w ydruku końcowego w a ria n tu obliczeniowego oznaczone są tym sam ym num erem .

Z aprezentow ane obliczenia w ykonane są dla różnych w ariantów założeń głównych i związanych z tym zm ian param etrów term odynam icznych mediów i cech geom etrycznych urządzenia. W ykonywane są także obliczenia dotyczą

ce możliwości regulacyjnych w ym iennika.

A naliza kom pletu tablic w ydruku końcowego pozwala wybrać optym alny uk ład geom etryczny bloku w ym iennika i uk ład w kładu rurowego. N a tej podstaw ie przedstaw iona zostaje koncepcja parowego podgrzewacza powie

trz a do realizacji projektu wstępnego, a n astępn ie kom pletnej dokum entacji konstrukcyjnej.

5.2. Z a ło ż e n ia r e a liz o w a n y c h w a r ia n tó w o b lic z e n io w y c h

Obliczenia doboru parowego podgrzewacza pow ietrza dla przedmiotowego obiektu energetycznego realizuje się przy użyciu program ów HE AT - 01, HE AT - 10 [9]. Obliczenia prowadzi się wg następującego cyklu podzielonego n a etapy:

1) obliczenia w stępne P P P dla założeń nom inalnych,

(19)

2) w stępny wybór geom etrii bloku wym iennika,

3) w stępny wybór geom etrii rurowego w kładu grzewczego, 4) konstrukcyjne obliczenia szczegółowe,

5) powtórzenie cyklu obliczeniowego dla innych obciążeń PPP,

6) obliczenia eksploatacyjne przy ustalonym stru m ien iu czynnika grzewcze

go (t2 = f (ti), Dw = idem),

7) obliczenia kontrolne te m p e ra tu ry t 4 k o n d ensatu p ary dla pierwszego rzędu ru r,

8) obliczenia eksploatacyjne m ające n a celu określenie zak resu zapotrzebo

w ania p a ry przegrzanej w zależności od w ym agań po stronie czynnika grzewczego i ogrzewanego.

Etapy 1 -s 5 tworzą blok obliczeń konstrukcyjnych doboru PPP, a etapy 6 + 8 blok obliczeń eksploatacyjnych spraw dzających.

Obliczenia w stępne w ym iennika dla nom inalnych w arunków technicznych i różnych zadanych układów geom etrii bloku w ym iennika (a, b) i geom etrii w kładu rurow ego (s1; s2, z1; z2, z, A) realizuje program obliczeniowy, po analizie tablic w ydruku końcowego. W p rzypadku uzyskan ia zadowalających wyników (poziom te m p e ra tu r t 2, t 4, opory aerodynam iczne, w ym iary gabary- towe)wykonywane są, za pomocą program u, konstrukcyjne obliczenia szcze

gółowe PPP.

Odpowiednia tablica w stępna oznaczona num erem prezen tuje w prow adza

ne w form ie konw ersacji dane wejściowe do obliczeń, a tab lica w ydruku końcowego prezentu je w yniki obliczeń. Podobne w s tru k tu rz e obliczenia pro

wadzi się dla innych zadanych obciążeń objętościowych P P P będących wyni

kiem zm ian obciążenia kotła. Dla tych założeń mogą również ulec zm ianie param etry term odynam iczne czynników w ym ieniających ciepło.

W ynikiem zaprezentow anego bloku obliczeń konstrukcyjnych parowego podgrzewacza pow ietrza je s t dobór szczegółowej geom etrii bloku w ym iennika i rurowego w kładu grzewczego.

Obliczenia spraw dzające wykonuje się dla szerokiego zak resu zm ian tem p e ra tu ry t 4 = (-25 + + 20)°C. W ykonuje się również obliczenia regulowanego stru m ien ia czynnika grzewczego dla zm iennych te m p e ra tu r n a wlocie dla u stalen ia zak resu a rm a tu ry regulacyjnej stru m ien ia pary. Przy u sta la n iu geometrii P P P decydujące znaczenie m a te m p e ra tu ra podgrzewu pow ietrza i spadek ciśnienia.

Dla najbardziej niekorzystnych w arunków term icznych, ze względu n a możliwość zam arzan ia k ond en satu p ary grzewczej, prowadzi się obliczenia spraw dzające dla pierwszego rzędu r u r w ym iennika, n a k tóry w pływ a zim ny czynnik ogrzewany.

D la w ielu w ariantów obliczeniowych ograniczenie m inim alnej te m p e ra tu ry k ond ensatu t 4 n a wylocie z pierwszego rzędu r u r sekcji je s t w arunkiem n a rz u cającym wielkość stru m ien ia p ary grzewczej Dw. Wyniki obliczeń spraw dzają-

(20)

cych są podstaw ą do sporządzenia ch arak tery sty k eksploatacyjnych w ym ien

nika.

Z przedstaw ionego algorytm u obliczeń widać, ja k kompleksowo i dogłębnie analizow ane i rozw iązywane są problem y konstrukcyjne i eksploatacyjne parow ych podgrzewaczy pow ietrza. Z tych powodów nasze w ym ienniki są niezawodne.

6. D o b ó r m a te r ia łó w n a e le m e n ty P P P

Do budowy głównych podzespołów P P P stosuje się poniżej wyspecyfikowa

n e m ateriały:

®. E le m e n ty c iś n ie n io w e

1. R ura bim etalow a wysokożebrowana typu FAMET RBW-00-25/57-5.0 - ru ra rdzeniowa: stal gat. K18 0 III wg PN-85/H-74252

stal gat. KIO °III wg PN-85/H-74252 - in te g raln a żebrow ana koszulka:

alum inium Al 99.5 (A l) wg PN-79/H-82160 Al 99.7 (AO) wg PN-79/H-82160 Al Mg Si (Pa38) wg PN-79/H-88026 2. Komory segmentowe zbiorcze wlotowe i wylotowe:

- blacha gat. S t 41K (segmentowe dno sitowe i gięta półrurowa pokrywa)

- r u r a gat. K18 °III (rozcinana półrurow a pokrywa) 3. Kolektory zbiorcze wlotowe i wylotowe:

- ru ra gat. K18 °III d>. E le m e n ty n ie c iś n ie n io w e

- obudowa i ożebrow ania k a n a łu pow ietrza, kołnierze włazy, pokrywy, łapy posadowieniowe, w ieszaki transportow e wykonuje się ze stali kon

strukcyjnej g at St 3Sx.

©. Z a b e z p ie c z e n ie a n ty k o r o z y jn e p o w ie r z c h n i s ta lo w y c h

Obudowa (kanał powietrza), nieżebrow ane końcówki ru r, kolektory, komo

ry zbiorcze, włazy, pokrywy powinny być pokryte farbą w celu zabezpieczenia przed korozją wg zestaw ienia:

— obudowa, włazy, pokrywy:

- oczyszczanie przez śrutow anie, farba podkładowa ftalow a tlenkow a lub farba podkładow a epoksydowa,

- farb a naw ierzchniow a epoksydowa chemoodporna dwuskładnikow a;

w arstw a n a k ła d a n a m etodą hydrodynam iczną urządzeniam i firmy WAGNER, kolor: ciemno niebieski, grubość warstw y: ca 80 pm,

(21)

— nieżebrow ane końcówki rur:

— m alować natryskow o lub pędzlem farb ą alum iniow ą term oodporną (srebrzanką),

— kolektory i kom ory zbiorcze:

— oczyszczenie przez śrutow anie, m alować natryskow o farb ą term ood

p orną alum iniow ą (srebrzanką).

®. Iz o la c ja te r m ic z n a

— P rzestrzenie pod pokryw ą kom ór zbiorczych izolować w ełną m in eraln ą (bazaltow ą) półsztyw ną lub ziom kam i płyty sztyw nej.

— Cały blok w ym iennika izolować m atam i sztyw nym i z w ełny m ineralnej i opancerzyć blachą alum iniow ą g = 1 mm kopertową.

— K olektory zbiorcze p a ry grzewczej i doprowadzające rurociągi izolować term icznie.

7. L ista r e fe r e n c y jn a p a r o w y c h p o d g r z e w a c z y p o w ie tr z a

W celu poparcia inform acji o zaletach konstrukcji, popraw nej eksploatacji i wysokiej dyspozycyjności parow ych podgrzewaczy pow ietrza nowej generacji podajem y skróconą listę referencyjną wyprodukow anych urządzeń.

UWAGA:

1. Koncepcję w stępnych parowych podgrzewaczy pow ietrza opracowano w In sty tucie M iUE Politechniki Śląskiej w Gliwicach opierając się n a rozw ią

zaniach wzorów użytkow ych chronionych praw em ochronnym Ru 41985, Ru49387, Ru 49390.

2. Projekty wykonawcze opracowano w:

- Pracow ni Projektowej U rządzeń Paleniskow ych F abryki Kotłów RAFA- KO SA w Raciborzu,

— Biurze K onstrukcyjnym FAU FAMET SA w Kędzierzynie — Koźlu.

3. Producent urządzenia:

- F ab ry k a Kotłów FAFAKO SA Racibórz,

— F ab ry k a A p aratu ry i U rządzeń FAMET SA K ędzierzyn — Koźle.

(22)

280 Andrzej W. Walewski, Wacław B. W ojnar

T ab lica 7.1 L ista r e fe r e n c y jn a w stę p n y c h p a ro w y ch p o d g r z e w a c z y p o w ie tr z a

w g r o z w ią z a ń R u 41 985, R u 49 387, R u 49 390

Lp. O biekt energetyczny Kocioł Blok MW

Ilość sztuk

P rojek

ta n t

P rodu

cent

Rok prod.

n a ko

cioł r a zem

1 E lektrow nia

BEŁCHATÓW BB-1150 360 2 24 ^{RAFAKO SA}

P PIP

FAM ETSA

Biuro Konst. 1985+1987

2 E lektrow nia OPOLE BP-1150 360 4 12 ^{RAPAKO SA}

P PIP

FAMET SA

Biuro Konst. 1985+1987

3 E lektrow nia TAI YUAN BP-1025 300 4 8 ^{RAFAKO SA}

PPIP

FAMET SA Biuro Konst. 1987

4 EC. BIELSKO - BIAŁA OFz-230 50 2 2 ^{RAFAKO SA}

P PIP

RAFAKO SA

P PIP 1988

5 C H E M IT E X -W IST O M

Tomaszów Mazowiecki OP-140 30 2 4 ^{RAFAKO SA}

PPIP

RAFAKO SA

P PIP 1990

6 E lektrow nia

DOLNA ODRA OP-650 200 2 6 ^{RAFAKO SA}

P PIP

RAFAKO SA

P PIP 1991+1993

7 Z.A. WŁOCŁAWEK OP-230 50 2 2 ^{RAFAKO SA}

P PIP

RAFAKO SA

PPIP 1990

8 E lektrow nia

KOZIENICE AP-1650 500 4 8 ^{RAFAKO SA}

PPIP

RAFAKO SA

P PIP 1990

9 E lektrow nia TURÓW OP-650b 200 3 3 ^{RAFAKO SA}

PPIP

RAFAKO SA

PPIP 1991

10 E lektrow nia TURÓW OP-650b 200 2 2 ^{RAFAKO SA}

PPIP

RAFAKO SA

PPIP 1991

11 E lektrow nia ŁAGISZA OP-380 125 2 8 ^{RAFAKO SA}

P PIP

RAFAKO SA

P P IP 1992+1995

12 R afineria GDAŃSKA SA OOG-145 125 1 2 ^{RAFAKO SA}

PPIP

RAFAKO SA

P PIP 1993+1996

13 EC. ŁÓDŹ IV OP-230 50 2 4 ^{RAFAKO SA}

PPIP

RAFAKO SA

PPIP 1993+1995

14 EC. ŻERAŃ OFz-450 2 2 ^{RAFAKO SA}

P PIP

RAFAKO SA

PPIP 1994

15 POLFA

S tarogard G dański OFz-75 1 2 ^{RAFAKO SA}

PPIP

RAFAKO SA

P PIP 1995

16 E lektrow nia KUTCH

Indie OB-330 100 2 2 ^{RAFAKO SA}

PPIP

RAFAKO SA

P PIP 1995

17 U k ra in a OFz-26- 2 2 ^{RAFAKO SA}

PPIP

RAFAKO SA

PPIP 1995

(23)

cd. ta b lic y 7.1

Lp. O biekt energetyczny Kocioł Blok MW

Ilość sztu k

P rojek

ta n t

P rodu

cent

Rok prod.

n a ko

cioł r a zem

18 EC. ŁÓDŹ III OP-230 50 2 2 ^{RAFAKO SA}

PPIP

RAFAKO SA

P PIP 1996

19 EC. GDAŃSK OP-230 50 2 2 ^{RAFAKO SA}

PPIP

RAFAKO SA

P PIP 1996

20 Z.A. WŁOCŁAWEK OP-260 50 2 2 ^{RAFAKO SA}

PPIP

RAFAKO SA

P PIP 1996

21 EC. POZNAŃ -

KAROLIN OP-140 30 2 4 ^{RAFAKO SA}

PPIP

RAFAKO SA P P IP 1996

22 KWIDZYŃ OP-140 30 2 2 ^{RAFAKO SA}

PPIP

RAFAKO SA P P IP 1996

23 EC. SIEK IERKI OP-230 50 2 2 ^{RAFAKO SA}

PPIP

FAM ET SA Biuro Konst. 1996

24 P etrochem ia Płock SA OOG-320 4 4 ^{RAFAKO SA}

PPIP

FAM ET SA Biuro Konst. 1996

8. P o d su m o w a n ie

Pełny k ilk u letn i cykl prac analitycznych, badawczych i konstrukcyjnych, sk ru p u la tn e zbieranie doświadczeń eksploatacyjnych realizow ane we współ

pracy IM iUE Politechniki Śląskiej z RAFAKO SA - Racibórz i FAU FAMET SA - Kędzierzyn - Koźle zaowocowały opracow aniem typoszeregu nowej gene

racji i dojrzalej konstrukcji parow ych podgrzewaczy pow ietrza.

Pow ierzchnię grzewczą w ym iennika skonfigurowano z najnow ocześniej

szych integ raln y ch bim etalow ych r u r wysokożebrowanych ty p u RBW FA

MET.

W ym ienniki wg zaprezentow anych rozw iązań stanow ią w yposażenie kot

łów elektrow ni i elektrociepłow ni zawodowych i przem ysłow ych w k ra ju i za granicą.

W tym aspekcie opracowano zunifikow ane projekty dwóch podstawowych typów w ym iennika: dla poziomego i pionowego k a n a łu pow ietrza. Koncepcje rozw iązań technicznych P P P zaw ierają najnowocześniejsze rozw iązania z te chniki światowej, a budow ane u rząd zenia dotrzym ują najw yższych św iato

wych stand ardó w produkcyjnych. Pierw sze u rząd zenia budow ane dla kotłów

(24)

BB 1150 EL. BEŁCHATÓW w 1985 p racują bezaw aryjnie nieprzerw anie już ok 95 000 godz.

Z apraszam y do k orzystania z naszych usług. Sprawdźcie nasze referencje.

Zapew niam y profesjonalną organizację pełnego cyklu koncepcyjno-projektowo—produkcyjnego parowych podgrzewaczy powietrza.

O b ja śn ie n ie o z n a c z e ń u ż y ty c h w k o m p u te ro w y c h p ro g ram ach o b lic z e n io w y c h HEAT - 01, HEAT - 10

A - pow ierzchnia grzewcza, m 2,

Ar — jednostkow a powierzchnia ru ry ożebrowanej, m 2/m, Az -je d n o s tk o w a pow ierzchnia ożebrowania, m 2/m,

a - szerokość k an a łu dla przepływu czynnika gazowego, mm, b — wysokość k a n a łu dla przepływ u czynnika gazowego, mm, di, d2 — średnica w ew nętrzna i zew nętrzna ru ry rdzeniowej, mm,

d3 - średnica podstaw y żebra, mm, d4 - średnica ru ry ożebrowanej, mm,

Ap — opory przepływu pow ietrza przez w kład grzewczy, Pa, At - śred nia różnica tem p e ra tu r czynników, K,

Dw — stru m ień czynnika grzewczego, kg/h, eps — stopień ożebrowania,

Eu - liczba E ulera,

g - średnia grubość żebra, mm, h 3 - wysokość żebra, mm,

k - współczynnik p rzenikan ia ciepła, W/m2K, K — koszt r u r w kładu rurowego, zł,

Lc - całkow ita długość w kładu rurowego, m, M - m asa w kładu rurowego, kg,

Pi — ciśnienie czynnika ogrzewanego, Pa, p 3 — ciśnienie czynnika grzewczego, Pa,

Q - stru m ień przejętego ciepła, kW, Re - liczba Reynoldsa,

s — podziałka ożebrowania, mm,

Si - podziałka poprzeczna ru r w pęczku, mm, s2 - podziałka w zdłużna ru r w pęczku, mm,

t i - te m p e ra tu ra czynnika ogrzewanego n a wlocie, °C, t 2 - te m p e ra tu ra czynnika ogrzewanego n a wylocie, °C, t 3 — te m p e ra tu ra czynnika grzewczego n a wlocie, °C, t 4 — te m p e ra tu ra czynnika grzewczego n a wylocie, °C, w - prędkość czynnika ogrzewanego (powietrza), m/s, Vp — stru m ień czynnika ogrzewanego, mjj/h,

z - całkow ita ilość r u r w pęczku w kładu grzewczego,

z3 - ilość ru r w pierwszym rzędzie pęczka w kładu grzewczego z2 - ilość rzędów ru r w pęczku w kładu grzewczego

(25)

L iter a tu r a

1. B a ra n M., W alew ski A. W., Tham m J.: Regeneracyjne obrotowe podgrze

wacze pow ietrza. K ierunki rozwoju konstrukcji i badań doświadczal

nych. G ospodarka Paliw am i i E nergią 1982, n r 8 - 9.

2. B a ra n M., W alewski A. W., W ojnar W.: B ad ania regeneracyjnych obroto

wych podgrzewaczy pow ietrza n a stanow isku doświadczalnym . Gospo

d a rk a Paliw am i i E nergią 1982, n r 10, s. 20-24.

3. B a ra n M., W alewski A. W., W ojnar W., P ęk ala S.: B adania doświadczal

ne ceram icznych elem entów grzewczych regeneracyjnych obrotowych podgrzewaczy powietrza. Gospodarka Paliw am i i E nergią 1983, n r 1, s. 18-22.

4. W alewski A. W.: B adania w ym iany ciepła i oporów przepływ u w ceram i

cznych elem entach grzewczych regeneracyjnego obrotowego podgrzew a

cza pow ietrza. P raca doktorska. Gliwice 1985.

5. W alewski A. W., W ojnar W., P ęk ala St.: Porów nanie różnych typów wypełnień regeneracyjnych obrotowych podgrzewaczy pow ietrza w opar

ciu o b ad an ia n a stanow isku doświadczalnym . V Konferencja Kotłowa.

M ateriały konferencyjne. Zeszyty Naukow e Politechniki Śląskiej, seria E nergetyka z. 94. Gliwice 1986.

6. W alewski A. W., Czepelak J., W ojnar W., Żyła J.: Nowa generacja w stę

pnych podgrzewaczy powietrza. Parow y podgrzewacz pow ietrza dla kot

ła BB 1150. Ogólnopolska konferencja nt: Bloki 360 MW. M ateriały konferencyjne. Bełchatów 1985.

7. W alewski A. W., W ojnar W., P ęk ala St.: Parow e podgrzewacze pow ietrza kotłów energetycznych. K onstrukcja, obliczenia, badania. VI Konferen

cja Kotłowa. M ateriały konferencyjne. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, seria E nergetyka z. 113. Gliwice 1990.

8. W alewski A. W., R ataj Z. L., W ojnar W. B,: System y schłodzenia i podgrzew u spalin w układach odsiarczania spalin ciepłowni z kotłam i rusztowym i. Zeszyty Naukow e Politechniki Śląskiej, seria E nergetyka z. 122, Gliwice 1994.

9. Użytkowy program kom puterow y HEAT — 01, HEAT - 10. Program obliczeniowy w ym iany ciepła i oporów przepływu w kładu rurowego paro

wego podgrzew acza pow ietrza. Politechnika Śląska, In sty tu t M aszyn i U rządzeń Energetycznych, Gliwice 1989.

10. F abry ka A p aratu ry i U rządzeń FAMET SA: FAMET type Bim etallic Finned Tubes. K atalogi firmowe. Kędzierzyn - Koźle 1996.

11. Zakłady A p aratu ry Chemicznej CHEMET: R ury ożebrowane z taśm ą stalow ą. Wyciąg z norm y branżowej BN-71/2256-02. Tarnow skie Góry 1995.

(26)

12. Zakłady A p aratu ry Chemicznej CHEMET: R ury ożebrowane dla chłod

nic powietrznych. Wyciąg z norm y zakładowej ZN-77/2252/0498. Tarno

w skie Góry 1995.

13. U rząd Patentow y PRL: Sposób b ad an ia regeneracyjnych, obrotowych gazowych wym ienników ciepła. W ynalazek. Pat. n r 136820

14. U rząd Patentow y PRL: Regeneracyjny w ym iennik ciepła. W ynalazek.

Pat. n r 216332.

15. U rząd Patentow y PRL: Parow y podgrzewacz pow ietrza kotłów energety

cznych. Wzór użytkowy. Prawo ochronne n r 41 985.

16. U rząd Patentow y RP: Parow y podgrzewacz pow ietrza kotłów energety

cznych. Wzór użytkowy. Prawo ochronne n r 49 387.

17. U rząd Patentow y RP: Parowy podgrzewacz pow ietrza kotłów energety

cznych. Wzór użytkowy. Praw o ochronne n r 49 390.

18. Parow y podgrzewacz pow ietrza kotłów energetycznych dla poziomego k a n a łu pow ietrza. Parow y podgrzewacz pow ietrza kotłów energetycz

nych dla pionowego k a n a łu pow ietrza. W ydział Inżynierii Środowiska i E nergetyki. Oferty, nowe technologie, badania, usługi. Gliwice 1995.

19. Porozum ienie o w spółpracy w dziedzinie m odernizacji i rozwoju k o n stru kcji podgrzewaczy pow ietrza kotłów energetycznych m iędzy RAFAKO w Racibirzu, ZUCh METALCHEM w Kędzierzynie - Koźlu i IMiUE Polite

chniki Śląskiej. Gliwice 1985.

Recenzent: Dr hab. inż. M arek Pronobis Prof. Politechniki Śląskiej Wpłynęło do Redakcji: 10. 10. 1996 r.

A b stra ct

In th is p ap er th e analises of a ir h e a tin g system s for power sta tio n ’s boilers as well as in d u stria l boilers h as been given. The system atic of th e a ir h eaters having been installed in those a ir he a tin g system s w as made.

The concepts and constructiones solutions of those boiler equipm ent has been discussed.

The experim ental investigations of all built-up in se rt packages of th e regenerative ro tary air p reh e a te rs w ere carried out on special te s t stends. The au th o rs h a s been p resen ted th e algorithm of th e ir own softw are for calcula

tion of steam a ir preh eaters.

The original constructions of steam a ir p reh e a te rs for horizontal as well as vertical ducts has been presented.

The reference list of these steam a ir p reh e a te rs installed in polish and foreign Power P la n ts was given.