A gőzüzemű rendszerek egyik hátránya, hogy üzemelésükkor olyan jelenségekkel is találkozhatunk, amelyekhez más közegeknél nem szoktunk hozzá, ezek ráadásul energiaveszteséggel is párosulnak. Ez azzal függ össze, hogy a nyomás változásával a telítési hőmérséklet is változik.

A rendszer energiamérlege

A jelenség megértéséhez nézzük meg egy egyszerű gőz körfolyamat energiaviszonyait. A könnyebb kezelhetőség érdekében legyen a tömegáram ṁ = 3,6t/h ≈ 1kg/s (1. ábra).

A folyamat a tápvíztartálynál kezdődik. Az atmoszférikus táptartályban legyen a víz hőmérséklete a telítési hőmérséklethez közeli, 89°C (1. pont). Ebben az állapotban a víz energiatartalma, entalpiája h'₁ = 373kJ/kg.

Ezt a vizet szállítja a szivattyú a kazánba. Valójában egy termikus gáztalanítóra is szükség lenne, de az egyszerűsítés érdekében ettől most eltekintünk.

A gázkazán 6 bar túlnyomáson üzemel, abból telített gőz lép ki (2. pont). Ennek hőmérséklete 165°C, entalpiája h''₂ = 2763kJ/kg. A kazán szükséges teljesítménye ezek felhasználásával:

(képlet)

Ezt a telített gőzt valamilyen technológia hőcserélőjébe vezetjük, ahol maradéktalanul kondenzálódik. A kondenzátumot nem hűtjük túl, azonnal elvezetjük a hőcserélőből, tehát a kondenzelvezető előtt telített állapotú víz van jelen. Ennek nyomása változatlanul 6 bar túlnyomás, hőmérséklete 165°C (3. pont). Mivel ebben a pontban a víz entalpiája h'₃ = 697kJ/kg, ezért a technológiai fogyasztó által elvont hőteljesítmény:

(képlet)

Ha ezek után összehasonlítjuk a kazánba bevitt energiát a technológiában hasznosítottal, akkor 324 kW teljesítmény, a bevitt teljesítmény 13,5 %-a hiányzik. Hol is van ez a teljesítmény?

Ha megnézzük a tápvíz és a kondenzvíz energiatartalmát, akkor világos a különbség oka, a kondenzvíz energiatartalma magasabb a bevitt tápvízénél. A baj csupán az, hogy ez a teljesítménykülönbség elveszik a kondenzátumból, amint az a kondenzelvezetőn átlép, mert a kilépő oldalon már légköri nyomás van, és az ehhez tartozó telítési hőmérséklet 100°C, ezért a 165°C hőmérsékletű víz egy része azonnal elforr, sarjúgőz keletkezik (4. pont).

A keletkezett sarjúgőz mennyiségét egy energiamérleg felírásával lehet számítani. A kondenzelvezetőn áthaladva nem változik meg az energia mennyisége, a belépő kondenzátum energiája megegyezik a kilépő oldali kondenzátum és sarjúgőz összenergiájával.

(képlet)

Ez tehát azt jelenti, hogy a tömegáram 12,4%-a elgőzölög, és a tápvíztartály páravezetékén keresztül eltávozik a környezetbe. Ez a veszteség:

(képlet)

Mivel a sarjúgőz veszteséggel eltávozott gőzt hideg tápvízzel kell pótolni, ezért a táptartályba 15°C hőmérsékletű, h'₅ = 63kJ/kg energiatartalmú vizet vezetünk be, aminek a tömegárama megegyezik a sarjúgőzével.

(képlet)

A hideg tápvíz és a 100°C hőmérsékletű kondenzátum keveredésével a táptartályba visszakerülő közeg entalpiája:

(képlet)

Ez az entalpia pedig a 89°C hőmérsékletű víz entalpiájának felel meg.

Ezzel körbeértünk a folyamaton. A 2. ábrán T-s diagramban lehet az egyes pontokat nyomon követni. Ezen a 3. és 4. pontok közti állapotváltozásnak érdemes több figyelmet szentelni. Ez egy állandó entalpia melletti állapotváltozás. A 4. pontnál a víz és gőz határvonalak közötti arány segítségével grafikusan is leolvasható a keletkezett sarjúgőz mennyisége.

Tanulság: egy ilyen egyszerű gőz körfolyamatnál 13,5% energiaveszteség jelentkezett, pedig minden, a folyamatban fellépő további veszteséget elhanyagoltunk. Ilyen veszteségek lennének a táptartály, a gőz- és kondenzvezeték hővesztesége, a kazánhatásfokhoz kapcsolódó veszteségek, az esetleges gőz- és kondenzátum szivárgásból adódó veszteségek stb.. Ezek a veszteségek általában ugyancsak jelentősek.

Sarjúgőz hőhasznosítás

A gőzüzemű rendszerek hatékonyságát nagymértékben lehet növelni, ha a sarjúgőz veszteséget csökkentjük, vagy a keletkezett sarjúgőzt hasznosítjuk.

A sarjúgőz mennyisége csökken, ha a kondenzelvezető két oldala közti nyomásviszony csökken. Általában az alkalmazott technológia megszabja a gőzoldali nyomást, azon nem lehet változtatni, de csökkenthető a veszteség, ha a táptartályt nyomás alatt tartjuk. Ezt a megoldást ritkán alkalmazzák, mert bonyolítja a rendszer üzemét.

Ugyancsak jelentősen csökken a sarjúgőz mennyisége, ha a kodenzátumot minél jobban lehűtjük. Ezzel az energiatartalma csökken, így a keletkező sarjúgőz is kevesebb lesz. Ennek a megoldásnak is vannak korlátai, mert ez sok esetben jelentősen megnöveli a szükséges hőcserélő méretét.

Az igazi megoldást az jelenti, ha egy alacsony köztes nyomáson hasznosítani tudjuk a keletkezett sarjúgőzt.

A 3. ábra egy ilyen rendszer kapcsolási rajzát mutatja be. A bal oldalon levő két fogyasztó 8 bar nyomású gőzzel üzemel. A kapcsolódó kondenzátum hálózat 0,5 bar túlnyomású, ezért a fogyasztóktól érkező kondenzátum egy része elgőzölög. A sarjúgőz és kondenzátum keverékét egy kigőzölögtető edénybe vezetve a két komponens szétválasztható. A sarjúgőzt hasznosító rendszer sem alárendelt szerepet betöltő, ezért a nyomását alulról és felülről is határolni kell.

Ha a fogyasztók nem használják fel a teljes sarjúgőz mennyiséget, akkor a gőznyomás megemelkedik, ezért a rugóterhelésű biztonsági szelep 1 bar túlnyomásnál lefúj.

Ha nagyobb a teljesítményigény, akkor a nyomás csökkenni kezd, amit a beépített nyomáscsökkentő szelep fog kompenzálni, az ábra szerint 0,45 bar túlnyomást fog tartani.

A sarjúgőzt hasznosító rendszerek kialakításánál az alábbiakra célszerű ügyelni:

• Az alacsonyabb nyomásfokozatú gőzszükséglet lehetőleg mindig haladja meg a keletkezett sarjúgőz mennyiségét.
• A sarjúgőzt lehetőleg a keletkezési helyhez közel kell felhasználni.
• Minél kisebb a feszültségmentesített gőz nyomása, annál nagyobb a megtakarítás.
• A sarjúgőzrendszer nyomását biztonsági szeleppel és friss gőz betáplálásával egyértelműen meg kell határozni.

Néha gondot jelent az, hogy milyen célra lehet felhasználni a sarjúgőzt. Nincs olyan kis nyomásról üzemeltethető fogyasztó, amelyik mindig igényli a gőzt a keletkezés idején. A technológia egyszerű átalakításával gyakran lehet ilyen fogyasztást létrehozni. A 4. ábra egy olyan példát mutat be, ahol valamilyen terméket kell gőz segítségével felfűteni. A hőcserélő alkalmas megbontásával, előés utófűtő létrehozásával a sarjúgőz hasznosítása megoldható, a hideg belépő termék kisnyomású gőzzel is előfűthető. Arra kell csupán ügyelni, hogy a teljesítmény úgy legyen megosztva, hogy a teljes sarjúgőz mennyiség hasznosítható legyen.

Ennél a megoldásnál biztosan komoly költséget jelent a rendszer kiépítése, de mivel komoly üzemeltetési költségeket is meg lehet takarítani vele, ezért az esetek többségében rövid idő alatt megtérül egy ilyen beruházás.

Egészen más a helyzet, ha eleve többféle nyomásszinten üzemelő fogyasztóink vannak. Ekkor a nyomáscsökkentő és biztonsági szelep beépítésére amúgy is szükség van, csupán a sarjúgőz kigőzölögtetőt és egy kondenzelvezetőt kell többletköltségként beépíteni, és máris megvalósítottuk a sarjúgőz hasznosítását.

Az 5. ábra egy sarjúgőz kigőzölögtetőt mutat be. Ez tulajdonképpen egy álló edény, amelybe középen lép be a kondenzátum és sarjúgőz keveréke, alul távozik a kondenzátum, felül pedig a gőzt lehet elvezetni. Összefoglalás A gőzellátó rendszereknél fellépő sarjúgőz veszteség olyan jelenség, amely a vízüzemű rendszereknél nem lép fel. Ez különösen akkor okoz nagy veszteséget, ha nagynyomású gőzt kell alkalmazni. Érdemes ezért már a tervezés fázisában tudatosan foglalkozni ezzel a kérdéssel, és a sarjúgőz hőhasznosítását terv szinten megoldani.

***

1. ábra. Egyszerűsített gőzellátó rendszer-kapcsolás
2. ábra. A körfolyamat pontjai T-s diagramban
3. ábra. Sarjúgőz hasznosító rendszer kapcsolása
4. ábra. Sarjúgőz hasznosítása elő- és utófűtővel
5. ábra. Sarjúgőz kigőzölögtető edény