Materiałoznawstwo. Ćw. nr 10: Wyposażenie kotłowni gazowej.
opracował: dr inż. J. Olszak
Ćwiczenie z laboratorium materiałoznawstwa nr 10
WYPOSAŻENIE KOTŁOWNI GAZOWEJ
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z różnymi urządzeniami i materiałami,
wykorzystywanymi w kotłowniach opalanych gazem ziemnym.
Elementem praktycznym ćwiczenia jest wizyta w kotłowni, zapoznanie się z
urządzeniami wchodzącymi w jej skład (ze szczególnym uwzględnieniem układu
hydraulicznego kotłowni), ich budową i zasadą działania.
Kotłownia, w której odbywają się ćwiczenia laboratoryjne, znajduje się w gmachu
Wydziału Inżynierii Środowiska PW.
Warunki zaliczenia ćwiczenia
Warunkiem zaliczenia ćwiczenia jest:
1) wykazanie się teoretyczną znajomością zagadnienia, w zakresie podanym dalej
(sprawdzian wiedzy na początku zajęć);
2) wykazanie się umiejętnością rozpoznawania i technicznego opisu urządzeń,
wchodzących w skład kotłowni (każdy student powinien mieć ze sobą notatnik, który
umożliwi wykonywanie notatek w kotłowni);
3) zaliczenie sprawdzianu, mającego ocenić umiejętności opisane w punkcie 2 (podczas
sprawdzianu studenci mogą korzystać niniejszego opracowania oraz z własnoręcznych
notatek wykonanych w kotłowni); sprawdzian ma miejsce podczas zajęć, po powrocie
z kotłowni do sali dydaktycznej.
Wiedza teoretyczna wymagana od studentów podczas zajęć
1. Wiadomości ogólne o źródłach ciepła
Podział źródeł ciepła ze względu na rodzaj paliwa:
• konwencjonalne, w których spala się paliwa kopalne, takie jak węgiel, olej opałowy
czy gaz ziemny lub płynny. Przetwarzają one energię chemiczną zawartą w paliwie w
ciepło, które wydziela się w egzotermicznym procesie utleniania atomów węgla,
wodoru i siarki;
• niekonwencjonalne, które w procesie przetwarzania ciepła nie wykorzystują spalania
organicznych paliw kopalnych (np. energia słoneczna wodna, wiatrowa, spalanie
biomasy);
• jądrowe, wykorzystują ciepło wyzwalające się w reakcji rozpadu jąder atomowych
pierwiastków rozczepialnych
Konwencjonalne źródła ciepła podzielić można na:
• ciepłownie i kotłownie, przy czym ciepłownia, to obiekt wolnostojący, natomiast
kotłownia jest wbudowana lub dobudowana do budynku, który ogrzewa,
• elektrociepłownie, wytwarzające zarówno energię elektryczną jak i ciepło.
Budynki mieszkalne i użyteczności publicznej muszą być zaopatrywane w ciepło do
celów centralnego ogrzewania (c.o.) jak i ciepłej wody użytkowej (c.w.u.). To ciepło
dostarczane jest najczęściej z węzła cieplnego (gdy mamy do czynienia z systemem
Materiałoznawstwo. Ćw. nr 10: Wyposażenie kotłowni gazowej.
opracował: dr inż. J. Olszak
2
ciepłowniczym) lub z kotłowni lokalnej (gdy w pobliżu nie ma sieci ciepłowniczej). Proste
schematy instalacji c.o. i c.w.u. pokazano na rysunkach 1. i 2.
Kocioł
Grzejniki
Naczynie
wzbiorcze
ciśnieniowe
Zawory odpowietrzające
Pion c.o.
Rys. 1. Schemat prostej instalacji c.o. podłączonej do kotła
Kocioł
Podgrzewacz
c.w.u.
Zimna woda
(np. z sieci wodociągowej)
Punkty czerpalne
Rys. 3. Schemat prostej instalacji c.w.u. podłączonej do podgrzewacza pojemnościowego
c.w.u. współpracującego z kotłem
2. Podstawowa wiedza o kotłowni
Kotłownią nazywamy zespół urządzeń do wytwarzania ciepła, pochodzącego ze
spalania paliw stałych (węgiel, drewno), ciekłych (olej opałowy) lub gazowych (gaz ziemny,
propan techniczny).
W obrębie kotłowni można wyszczególnić następujące układy technologiczne (patrz rys. 3):
Materiałoznawstwo. Ćw. nr 10: Wyposażenie kotłowni gazowej.
opracował: dr inż. J. Olszak
3
1) układ hydrauliczny,
2) układ doprowadzania paliwa,
3) układ odprowadzania spalin,
4) układ automatyki.
Należy zwrócić uwagę, że niektóre urządzenia (np. kotły, czy pompy), mogą wchodzić w
skład dwóch lub więcej układów.
Rys. 3. Układ technologiczny w kotłowni - podstawowe elementy. Układ hydrauliczny: kocioł,
przewody hydrauliczne wraz z urządzeniami (pompy, zawory), obiegi grzewcze (c.o., c.w.u.).
Układ doprowadzania paliwa: zbiornik na paliwo (w przypadku gazu ziemnego - sieć
gazowa), przewody paliwowe, palnik. Układ odprowadzania spalin: komora spalania,
przewody spalinowe w kotle, przewód przyłączny (czopuch), komin. Układ automatyki:
sterowniki, czujniki, urządzenia wykonawcze (np. zawory regulacyjne, pompy, palniki).
Układ hydrauliczny ma za zadanie utrzymywanie wody obiegowej (czyli tzw. zładu)
w wymaganym stanie i odpowiednie jej rozprowadzanie. W skład jego wchodzą kotły,
podgrzewacze c.w.u., pompy, zawory, przewody rozprowadzające wodę, naczynia wzbiorcze,
filtry itp.
Układ doprowadzania paliwa obejmuje magazynowanie i dostarczanie wymaganej
ilości paliwa do palnika (paleniska). W kotłowniach opalanych gazem i olejem paliwo
Materiałoznawstwo. Ćw. nr 10: Wyposażenie kotłowni gazowej.
opracował: dr inż. J. Olszak
4
dostarczane jest przewodami, przygotowywane i podawane do palnika przez zespół
zautomatyzowanych urządzeń przypalnikowych.
Układ odprowadzania spalin składa się z komory spalania (komory paleniskowej),
przewodów spalinowych wewnątrz kotła oraz przewodu odprowadzającego spaliny na
zewnątrz (częśc pozioma przewodu zewnętrznego to czopuch, a pionowa - to komin). Palnik
można uznać za część wspólną układu odprowadzania spalin i układu doprowadzania paliwa,
gdyż w nim kończy się ścieżka doprowadzania paliwa, a rozpoczyna proces tworzenia spalin.
Na styku tych dwóch układów, zachodzi zamiana energii chemicznej zawartej w paliwie w
energię cieplną. Towarzyszy temu powstawanie gazów spalinowych i zanieczyszczeń
mechanicznych (pyły i sadze), które muszą zostać odprowadzone poza budynek w sposób
zapewniający bezpieczeństwo ludziom i prawidłową pracę urządzeń kotłowni.
Układ automatyki ma za zadanie zapewnienie optymalnego działania i współpracy
wszystkich składowych układów technologicznych w kotłowni. W jego skład wchodzą
urządzenia sterujące (czujniki i sterowniki) i urządzenia wykonawcze, w tym także
urządzenia zapewniające bezpieczeństwo działania poszczególnych układów.
Prócz tego bardzo ważnym problemem, mającym wpływ na technologię wytwarzania i
przesyłania ciepła do potrzeb danego obiektu, jest projektowanie pomieszczeń kotłowni.
Dotyczy to nie tylko wymagań i zaleceń co do usytuowania poszczególnych urządzeń, ale
również wymagań dotyczące instalacji towarzyszących takich, jak: wentylacyjne, wodno-
kanalizacyjne i elektryczne.
Prócz tego konieczne jest zastosowanie rozwiązań materiałowych i technologicznych,
zmniejszających straty cieplne (np. izolacja termiczna przewodów) i emisję hałasu (np.
obudowy dźwiękochłonne palników wentylatorowych).
Ze względu na przeznaczenie, urządzenia umieszczane w kotłowniach można podzielić
na cztery grupy:
1) urządzenia przekazujące ciepło i energię,
2) urządzenia regulacyjne,
3) urządzenia kontrolno – pomiarowe,
4) urządzenia zabezpieczające.
Np. w skład układu hydraulicznego wchodzą urządzenia wszystkich czterech grup.
3. Podstawowe urządzenia hydrauliczne w kotłowni
W tabeli.1. zamieszczono najważniejsze urządzenia hydrauliczne, jakie można przypisać do
każdej z tych czterech grup.
Tab. 1. Podział urządzeń hydraulicznych w kotłowni
*)
urządzenia przekazujące
ciepło i energię
urządzenia regulacyjne
urządzenia kontrolno -
pomiarowe
urządzenia zabezpieczające
- kotły
- sprzęgła hydrauliczne
- zawory mieszające
- regulatory temperatury
- termometry
- manometry
- czujniki temperatury
- przepływomierze
- zawory bezpieczeństwa
- naczynia wzbiorcze
- zawory zwrotne
- zawory odpowietrzające
- zawory spustowe
- zawory odcinające
*)
wyszczególniono tylko te urządzenia, które są w kotłowni w gmachu WIŚ PW
Materiałoznawstwo. Ćw. nr 10: Wyposażenie kotłowni gazowej.
opracował: dr inż. J. Olszak
5
Urządzenia przekazujące energię odpowiadają za przetwarzanie i przekazywanie
strumienia energii. W komorze spalania zachodzi zamiana energii chemicznej w ciepło, które
przez wymiennik ciepła zostaje wewnątrz kotła przekazane z gorących spalin do wody.
Strumień ciepła w postaci strumienia gorącej wody, za pomocą przewodów hydraulicznych,
pomp i rozdzielaczy doprowadzany jest do odbiorników.
Urządzenia regulacyjne odpowiadają za optymalne rozprowadzenie i wykorzystanie
strumienia ciepła w instalacjach odbiorczych.
Urządzenia kontrolno – pomiarowe służą do kontrolowania na bieżąco parametrów
pracy kotłowni.
Urządzenia zabezpieczające mają zapewnić bezawaryjną pracę kotłowni i
bezpieczeństwo obsługi.
Zadaniem projektanta jest tak dobrać poszczególne urządzenia, by zapewnić
prawidłową pracę kotłowni. Urządzenia dobierane są na tzw. warunki obliczeniowe
(projektowe), czyli uwzględniające pracę kotłowni przy maksymalnym obciążeniu. Podczas
sezonu grzewczego kotłownia pracuje z pełną mocą zwykle przez kilka dni w roku. Z tego też
powodu należy unikać przewymiarowywania urządzeń.
Podział kotłów ze względu na materiał, z jakiego są zbudowane:
• żeliwne,
• stalowe,
• z materiałów odpornych na korozję (stal kwasoodporna, stopy aluminium).
Kotły żeliwne charakteryzuje budowa członowa. Wszystkie środkowe człony są takie
same i po złożeniu tworzą przestrzeń komory spalania i układ przewodów spalinowych
biegnących wewnątrz kotła. Człony zewnętrzne zamykają przestrzeń kotłową.
Mniejsze kotły składane są u dostawcy i w całości dostarczane do odbiorcy. Większe
transportowane są w częściach i montowane na miejscu.
Stosowane są różne kształty członów. Człony, od strony spalin mają bolce i
ożebrowania. Zwiększają one powierzchnię wymiany ciepła i jednocześnie wpływają na
wzrost burzliwości przepływu spalin, czego wynikiem jest lepsze przekazywanie ciepła.
Kotły stalowe wykonywane są najczęściej jako jednoelementowe – tylko niektóre,
większe, zbudowane są z połówek. Transportowane są w całości, a komora spalania,
przewody spalinowe, osłona przestrzeni wodnej połączone są w sposób trwały.
Kotły żeliwne i kotły stalowe dostępne na rynku są urządzeniami równorzędnymi.
Trudno jest jednoznacznie stwierdzić, które z nich są lepsze. Wybór zależy od indywidualnej
oceny projektanta i od wymagań inwestora. W tabeli 2. zestawiono najważniejsze zalety i
wady kotłów żeliwnych i stalowych. Wynikają one z właściwości żeliwa i stali oraz
charakterystycznych cech budowy (kotły żeliwne - budowa członowa, kotły stalowe -
jednoelementowe).
Materiałoznawstwo. Ćw. nr 10: Wyposażenie kotłowni gazowej.
opracował: dr inż. J. Olszak
6
Tab. 2. Wybrane zalety i wady kotłów żeliwnych i kotłów stalowych
Kotły żeliwne
zalety wady
•możliwość zwiększania lub zmniejszania mocy
poprzez zmianę liczby środkowych członów
(zmiana wielkości powierzchni ogrzewalnej)
•możliwość transportu w członach, co jest
wygodne w przypadku wąskich przejść
•możliwość wymiany uszkodzonego członu
•wyższa niż w przypadku stali odporność na
korozję
•mniejszy hałas podczas eksploatacji dzięki dużej
sztywności żeliwnych członów
•mała odporność żeliwa na uszkodzenia mechaniczne
(konieczna szczególna ostrożność w czasie transportu, przy
montażu i czyszczeniu)
•wrażliwość materiału na nagłe zmiany temperatury (nie
należy doprowadzać wody uzupełniającej do rozgrzanego
kotła)
•cięższe od kotłów stalowych o podobnych mocach
•konieczność montażu u odbiorcy (większe jednostki)
•większa chropowatość ścianek powoduje wzrost oporów
przepływu i osadzanie się zanieczyszczeń od strony spalin
Kotły stalowe
zalety wady
•odporne na uszkodzenia mechaniczne
•niewrażliwe na nagłe zmiany temperatury
•lżejsze od kotłów żeliwnych o podobnych
mocach
•dostarczane od producenta w całości
•brak możliwości zmiany wielkości powierzchni
ogrzewalnych
•trudności we wprowadzeniu większych jednostek do
pomieszczenia kotłowni (wprowadzenie w czasie prac
budowlanych lub wykonanie otworów montażowych)
•w przypadku uszkodzenia bądź skorodowania powierzchni
– konieczność wymiany całego kotła (tylko niewielkie
uszkodzenia mogą być usuwane przez spawanie)
•elementy stalowe są bardziej podatne na korozję, niż
żeliwne
Kotły wykonane ze stopów aluminium lub ze stali nierdzewnej, to kotły
kondensacyjne. Nowoczesne kotły kondensacyjne są najczęściej wykonywane jako kotły ze
zintegrowanym kondensacyjnym wymiennikiem kotłowym. Są również rozwiązania
składające się z dwóch części: niekondensacyjnej i kondensacyjnej - w postaci wymiennika
kondensacyjnego wykonanego z materiałów odpornych na działanie skroplin.
Literatura:
1. Krygier K., Klinke T., Sewerynik J.: Ogrzewnictwo, wentylacja, klimatyzacja. WSiP
2. Mizielińska K., Olszak J.: Gazowe i olejowe źródła ciepła małej mocy. OWPW