Wymienniki ciepła w kotłach małej mocy zasilanych paliwem stałym. Stal czy żeliwo?

Kotły wodne małej mocy, ze względu na ograniczenia wymiarów zewnętrznych dyktowane warunkami ich zabudowy, posiadają wymienniki ciepła umieszczone nad paleniskiem. Bardzo często część wymiennika jest powierzchnią ograniczającą palenisko, co skutkuje tym, że proces spalania odbywa się w wymienniku. Niewłaściwy dobór wymiarów poszczególnych części wymiennika skutkuje zaburzeniami procesu spalania i wymiany ciepła. Powierzchnie kontaktowe wymiennika ulegają szybkiemu zanieczyszczeniu osadami pyłowymi oraz związkami smołowymi i sadzą, wytrącającymi się z niedopalonych oparów i gazów palnych zbyt gwałtownie schłodzonych poniżej temperatury zapłonu.

W małych kotłach wodnych zasilanych paliwami stałymi stosuje się wymienniki ciepła:

* Spawane z elementów stalowych, z kanałami spalinowymi pionowymi lub poziomymi. Spotyka się również konstrukcje mieszane (z kanałami pionowymi i poziomymi) oraz wymienniki z kanałami z rur stalowych.

* Składane z odlewanych członów żeliwnych, z pionowym ustawieniem członów. Człony łączone są ze sobą za pomocą tulei dwustożkowych wciskanych lub walcowych gwintowanych i stężane za pomocą zewnętrznych śrub oraz nakrętek. Wymienniki rozbudowywane są w kierunku poziomym poprzez dołączanie kolejnych członów.

Jak wynika z przedstawionego poniżej zestawienia, żeliwo zdecydowanie góruje nad stalą jako materiał do konstrukcji wymienników ciepła dla kotłów wodnych zasilanych paliwem stałym, dzięki większej odporności na korozję spalinową i wodną, mniejszej podatności na osadzanie się narostów zmniejszających przewodność powierzchni wymiany ciepła oraz całkowitej odporności na zmiany struktury wewnętrznej materiału i naprężenia wewnątrzmateriałowe wywołane oddziaływaniem spalin i wysokiej temperatury.

Koszty wytwarzania wymienników w obu technologiach – spawania z elementów stalowych i składania z odlewanych członów żeliwnych – są wysokie. Technologie spawania wiążą się z wysokimi kosztami materiałów i energii oraz dużym udziałem pracy ręcznej wysoko kwalifikowanych ślusarzy i spawaczy. Odlewanie żeliwnych członów wymiennika wymaga zaawansowanych technik odlewniczych z zastosowaniem rdzeniowania oraz dużego zakresu czynności wykończeniowych, pracochłonnych i wymagających drogiego sprzętu specjalistycznego.

Technologie odlewania górują nad technologiami spawania ręcznego pod względem jakości i powtarzalności wyrobów, umożliwiając ich pełną zamienność. Natomiast technologie spawania wymienników z elementów stalowych dają możliwości tworzenia konstrukcji doskonalszych z punktu widzenia hydrauliki przepływu mediów, efektywności wymiany ciepła oraz łatwości i skuteczności czyszczenia powierzchni wymiennika. Fotografie 1 i 2, pokazujące kształt i sposób składania wymienników żeliwnych, pozwalają ocenić, jak trudne i pracochłonne jest czyszczenie tego typu konstrukcji.

Opracowanie technologii wytwarzania wymienników, która wykorzystywałaby zalety i eliminowała wady obu technologii przedstawionych powyżej, nie jest zadaniem łatwym, gdyż w istotnych punktach wykluczają się one wzajemnie. Prace nad taką technologią zostały podjęte w ramach wspólnego projektu realizowanego przez IChPW w Zabrzu i Spółdzielnię Metalowo-Odlewniczą Ogniwo w Bieczu. Celem prac jest określenie możliwości modyfikacji technologii odlewania rdzeniowego w kierunku zmniejszenia kosztów wytwarzania oraz zmian kształtu wymiennika zwiększających jego funkcjonalność.

Wymienniki żeliwne składane z członów pionowych
* Współczynnik przewodności cieplnej żeliwa szarego 45-58 W/m*deg. Gęstość 7000-7500 kg/m3.

* Możliwe do uzyskania grubości ścianek elementów żeliwnych odlewanych (4-6 mm) są porównywalne z grubością ścianek kotłów wykonywanych z blachy stalowej.

* Na powierzchniach żeliwnych będących w kontakcie z płomieniem i produktami spalania bardzo trudno tworzą się warstwy zwartych osadów mających wpływ na zmniejszenie współczynnika przewodzenia ciepła.

* Na powierzchni żeliwa warstwy kamienia kotłowego tworzą się b. trudno. Kamień kotłowy na wyrobach żeliwnych ma strukturę mało zwartą (złogi luźne – muliste, łatwe do usunięcia metodą płukania), dlatego jest łatwo wypłukiwany przez wodę obiegową i może jedynie tworzyć złogi denne.

* Przy długotrwałym przebywaniu żeliwa w atmosferze panującej w kotle jedynie cienka warstwa zewnętrzna ulega przemianom z powodu wypalania płatków grafitu lub przejścia w strukturę cementytową (pow. 570ºC). Długotrwałe przebywanie żeliwa szarego w strefie nawęglania (C + wysoka temp.) nie wpływa ujemnie na ogólne właściwości żeliwa.

* Żeliwo jest odporne na korozję chemiczną i elektrochemiczną. Znacznie lepiej niż stale węglowe znosi pracę w środowiskach korozyjnych wysoko-temperaturowych oraz w atmosferach zawierających związki siarki, fosforu, węgla.

* Elementy żeliwne mogą długotrwale pracować na tzw. niskich parametrach wody grzewczej i spalin wylotowych bez obawy o korozję.

* Duża odporność na korozję wodną.

* Odlewy żeliwne – ze względu na swoją strukturę są pozbawione dużych naprężeń wewnątrz materiałowych. Są odporne na działanie karbu oraz dobrze tłumią drgania. W zakresie temperatur pracy do 400ºC żeliwo szare jest całkowicie odporne na zmiany rozszerzalności cieplnej (naprężenia wewnątrz materiałowe wywołane podwyższoną temperaturą są bliskie zera).

* Konstrukcja członów żeliwnych pionowych do kotłów wodnych opalanych węglem jest skomplikowana (zostały one zaadaptowane z kotłów opalanych koksem) i może stwarzać duże problemy z zanieczyszczaniem się powierzchni wymiennika pyłem i sadzą oraz osadami smołowymi. Czyszczenie okresowe takich kotłów jest bardzo uciążliwe i czasochłonne. Dostęp do czyszczonych powierzchni jest utrudniony.

* Technologia rdzeniowego odlewania członów żeliwnych w pewnym stopniu ogranicza możliwości kształtowania formy wymiennika. Część powierzchni czynnych członów elementarnych wymienników po zmontowaniu w całość nie bierze udziału w bezpośredniej wymianie ciepła poprzez brak kontaktu ze spalinami (boki i powierzchnie przylgowe).

Rozbudowa powierzchni wymiany ciepła poprzez dokładanie członów elementarnych następuje w kierunku poziomym. Zmienia się w tym przypadku geometria paleniska, co jest niekorzystne w przypadku palników retortowych.

* Odlewy żeliwne, w przeciwieństwie do konstrukcji stalowych spawanych ręcznie, są powtarzalne i w pełni zamienne.

* Wysokie koszty produkcji.

Człony żeliwne wykonywane są metodą odlewniczą z zastosowaniem drogich technologii rdzeniowania. Po odlaniu wymagają szeregu zabiegów technologicznych (piaskowanie zewnętrzne, usunięcie nadlewek, usunięcie resztek rdzeni).

Powierzchnie członów i elementy łączące człony elementarne muszą być poddane obróbce wiórowej na specjalistycznych obrabiarkach.

Wykonanie odlewu członu rdzeniowego żeliwnego wymaga specjalistycznego i drogiego sprzętu do rdzeniowania, formowania, odlewania i obróbki mechanicznej.

Wymienniki stalowe spawane
* Współczynnik przewodności cieplnej stali węglowych i niskostopowych 42-50 W/m*deg. Gęstość 7850 kg/m3.

* Grubość ścianek kotłów wykonanych z blachy stalowej dla ścianek mających kontakt ze spalinami musi wynosić co najmniej 5 mm (zgodnie z wymogami według normy PN-EN 303-5 dla stali węglowych).

* Stale węglowe w środowisku utleniającym w wysokiej temperaturze ulegają szybkiej i nieodwracalnej korozji. Na powierzchni stali tworzą się warstwy tlenków o bardzo małym współczynniku przewodzenia ciepła, zwiększające podatność na osadzanie się pyłów i sadzy na powierzchni wymiennika, z możliwością tworzenia zwartych narośli, zmniejszając współczynnik przewodzenia ciepła.

* Zdolność osadzania kamienia kotłowego na powierzchniach stalowych jest duża. Złogi kamienia są zwarte, trudne do usunięcia. Zjawisko to skutkuje szybkim zmniejszaniem się zdolności eksploatacyjnych kotłów stalowych, gdyż współczynnik przewodzenia ciepła dla kamieni kotłowych zwartych jest minimalny (0,8-1,2 W/m*K).

* W kontakcie z płomieniem i produktami spalania paliw konstrukcje stalowe ulegają nadmiernemu nawęgleniu, co skutkuje zmianą ich wytrzymałości mechanicznej i kruchością oraz stanowi jedną z przyczyn występowania rozszczelnień przestrzeni wodnych kotłów stalowych (pękanie spoin).

* Powierzchnia przepon stalowych od strony spalin jest podatna na silne i częste występowanie zjawisk korozyjnych (powierzchniowych i punktowych), co skutkuje pocienieniem materiału oraz stanowi jedną z przyczyn awarii kotłów (rozszczelnienie przestrzeni wodnych).

* Elementy stalowe nie są odporne na pracę na tzw. niskich parametrach wody grzewczej i spalin wylotowych, co stwarza potrzebę stosowania dodatkowych elementów kosztownej armatury zewnętrznej (zawory wielodrogowe, pompy mieszające itp.)

* Mała odporność na korozję wodną.

* W przypadku kotłów małej mocy (do 50 kW) ilość spoin ułożonych na niewielkiej powierzchni w celu uzyskania szczelnych przestrzeni wodnych powoduje występowanie bardzo dużych naprężeń wewnątrz materiałowych wywołanych skurczem spawalniczym oraz zmiany struktury materiału wywołane działaniem ciepła w tzw. strefie wpływu ciepła spoin. Znaczne naprężenia w konstrukcji wpływają ujemnie na jej żywotność i powodują zwiększoną korozyjność zmęczeniową materiału.

* Technologia spawania wymiennika z elementów stalowych (płyty, płaskowniki, kształtowniki itp.) stwarza duże możliwości optymalizacji konstrukcji z punktu widzenia ułatwienia dostępu do wymagających czyszczenia powierzchni.

* Spawanie wymiennika z elementów stwarza możliwości wykonywania skomplikowanych kształtów, optymalnych z punktu widzenia hydrauliki przepływu mediów i efektywności wymiany ciepła.

* Duży zakres prac ręcznych w procesie spawania wymiennika stalowego jest przyczyną częstego występowania znacznych odchyłek wymiarowych i zwichrowania konstrukcji.

* Wysokie koszty produkcji.

Wykonanie wymienników stalowych spawanych wymaga dużych nakładów pracy (w tym w znacznej części pracy ręcznej).

Technologie spawalnicze wiążą się z dużym zużyciem energii i materiałów (zużycie materiałów spawalniczych oraz straty materiału podstawowego po wykrojeniu niezbędnych elementów konstrukcyjnych wymiennika).

Ze względu na grubość materiału powierzchni przeponowych wymiennika wymagane jest stosowanie stężeń punktowych lub liniowych, co skutkuje potrzebą wykonywania przebić technologicznych powłok.

dr inż. Jacek Zawistowski, Sławomir Janiszewski
Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf pdf

Fot. 1. Człony wymiennikowe żeliwne pionowe.
Fot. 2. Wymiennik zestawiony z członów żeliwnych pionowych.

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij