Gőzoldali szabályozás
A legnyilvánvalóbbnak tűnő megoldás a gőzoldali mennyiségi szabályozás. A gőzoldalon beépített szelep a szelepülék áramlási keresztmetszetének változtatásával, jelentős áramlási ellenállást előidézve szabályozza az átáramló gőz mennyiségét. A hőcserélő teljesítménye nem csupán azért változik, mert kevesebb gőz áramlik be, hanem a jelentős nyomásesés következtében a gőztérben csökken a nyomás, így csökken a telítési hőmérséklet is. A teljesítmény szabályozása a gőztéri hőmérséklet változtatásával történik (1. ábra).
A hőmérséklet- és nyomáscsökkenés azt is eredményezheti, hogy a nyomás a légköri nyomás alá csökken, ami adott esetben különböző működési problémákat okozhat. A hőcserélőben keletkezett vákuum következtében a kondenzátum nehezen, vagy egyáltalán nem távozik a hőcserélőből. Néha az is előfordul, hogy a folyadékkal telített kondenz vezetékből kondenzátumot szív vissza. Ezt a jelenséget ellensúlyozni lehet azzal, hogy a kondenzelvezetőt több méterrel a hőcserélő alá helyezzük.
A vákuum elkerülésére vákuumtörő beépítését javasolják. Ebben az esetben azért nem alakul ki vákuum, mert a szerelvényen keresztül levegő áramlik a hőcserélőbe. A levegő-gőz keverék hőmérséklete alacsony, ezért csökkenthető a gőztéri hőmérséklet és vele a teljesítmény is. Gondot jelent viszont az, hogy a gőztérben jelen levő gázok komoly korrózióveszélyt jelentenek.
Elvi megoldást jelenthet, ha a kondenzátum rendszerben vákuumszivattyúval csökkentjük a nyomást, ez viszont költséges berendezések alkalmazását követeli meg, ezért erre ritkán kerül sor.
A gőzoldali szabályozás esetén a jó szabályozás előfeltétele a megfelelő szelepautoritás, a nyomásesés min. 10-20%-a a szelepen essen.
A gőzoldalra beépített szelep magas hőmérsékleten, nagy nyomáson üzemel, tehát komoly elvárások vannak a szeleppel szemben, ez a költséget növeli. A szelepülék közelében a gőz áramlási sebessége akár több száz m/s értéket is elérhet, ezért nagyon fontos, hogy minden olyan szennyeződést, ami kopást okozhat, el kell távolítani belőle, nehogy idő előtti meghibásodás legyen a következménye. Elé gőzszárítót és szennyfogót mindenképpen telepíteni kell.
Kondenz oldali szabályozás
A hőcserélő szabályozása megoldható azzal is, hogy az átfolyó kondenzátum mennyiségét szabályozzuk. Ebben az esetben a kondenzátum vezetékbe épített fojtószeleppel történik a beavatkozás (2. ábra).
Mivel a kondenzátum térfogatárama töredéke a gőzének, ezért több dimenzióval kisebb szelepet kell alkalmazni. Ráadásul a szelepen víz áramlik keresztül, a hőmérséklet is alacsonyabb a gőzénél, ezért ez egy lényegesen olcsóbb szelep alkalmazását teszi lehetővé.
A teljesítményszabályozás a kondenzátum visszatorlasztásával, a fűtőfelület elárasztásával történik. A nyomás és a hőmérséklet a gőztérben állandó és maximális értékű, a teljesítmény akkor csökken, ha a gőzzel érintkező felületet csökkentjük.
A visszatorlasztás eredménye, hogy a kondenzátumot a hőcserélőben a telítési hőmérséklet alá lehet hűteni. Ezzel egyrészt több energiát lehet belőle kinyerni, másrészt a kondenzátum rendszerben keletkező sarjúgőz mennyisége is csökken. Mindkét hatás energetikai javulást eredményez.
Mivel a szelep a kondenzátum mennyiségét szabályozza, ezért esetenként megtakarítható a kondenzelvezető beépítése. Vigyázni kell azonban arra, hogy aláméretezett hőcserélő esetén a hosszú ideig nyitott szelepen akár éles gőz is átáramolhat, ami komoly veszteséget okozhat.
A visszatorlódás következtében a hőcserélő egy része kondenzátummal, egy része gőzzel érintkezik. Ez az időben és térben eltérő hőmérséklet a hőcserélőben mechanikai feszültségeket okoz, ami a készülék idő előtti tönkremenetelét eredményezheti. Nem szabad például egy csőköteges hőcserélőt vízszintesen beépíteni, mert a hőcserélő hajlító erőknek lesz kitéve. Ennél a megoldásnál a csőköteges hőcserélőket függőlegesen kell beépíteni, hogy valamennyi cső egyformán táguljon.
Azzal, hogy a hőcserélő egy része kondenzátummal, egy része gőzzel van tele, együtt jár az is, hogy az átáramló közeg különbözőképpen melegszik. Nem célszerű ezért kalorifert ilyen módon szabályozni, mert a kalorifer tetején átáramló levegő jobban melegszik, mint alul, ezért a hőmérsékletérzékelő elhelyezése gondot jelenthet. Végig kell gondolni, hogy ezt a szabályozást választva nem jelentkezik-e a közeg különböző mértékű melegedéséből fakadó technológiai probléma.
A hőcserélőben a gőz és kondenzátum határán fokozott korrózióveszély fenyeget. Erre különösen akkor kell figyelni, ha a hőcserélőben valamennyi levegő is benn maradhat.
A hideg kondenzátummal érintkező gőz kondenzációjával együtt járó nagymértékű térfogatcsökkenés heves mozgásokat eredményezhet, ezért olyan hőcserélőt kell alkalmazni, amelynél kicsi a vízfelszín felülete, a ma használatos lemezes hőcserélők különösen előnyösek ebből a szempontból.
A teljesítmény szabályozhatósága romlik. Hirtelen nem lehet a teljesítményt csökkenteni, mert amíg el nem árasztottuk a hőcserélőt, addig gőzzel van tele, ezért a teljesítménye sem változik. Olyan alkalmazásoknál, ahol ez gondot jelenthet, nem szabad ezt a megoldást választani.
Szekunder oldali szabályozás
Ennél a megoldásnál a gőztérben a nyomás és hőmérséklet állandó és maximális értékű. A hőcserélő állandóan gőzzel van tele, a teljesítmény szabályozása a szekunder oldalon kialakított keverő kapcsolással történik. Ezt a fajta szabályozási megoldást gyakran használjuk kazánok és víz-víz üzemű hőcserélők esetén is, tehát egy bevált, megszokott szabályozást alkalmazhatunk (3. ábra).
Mivel a hőcserélő primer tere folyamatosan gőzzel telített, ezért a környezete felé állandó a hőleadása. Ezt a hőleadást megfelelő minőségű hőszigetelés alkalmazásával csökkenteni lehet. Előnyös viszont az állandó hőmérséklet abból a szempontból, hogy a hőtágulásból eredő mozgás kisebb mértékű, ami a hőcserélő élettartama szempontjából kedvező.
Amikor a szabályozó a teljes vízmennyiséget a megkerülő ágon keresztül vezeti, akkor a hőcserélő szekunder oldalán nincs áramlás, ezért ott a víz felmelegedhet akár a gőztér hőmérsékletére is. Ha nem elegendően magas a nyomás a szekunder oldalon, akkor akár fel is forrhat a víz. Célszerű ezért ilyen esetben a gőz nyomását a szekunder oldalon uralkodó nyomás alá csökkenteni, mert ezzel ez a probléma elkerülhető.
Megmarad azonban az a gond, hogy a víztér hőmérséklete csak addig ilyen magas, amíg a szekunder oldalon nincs áramlás. Az áramlás ismételt megindulásával, amíg a szekunder oldal át nincs öblítve, ideiglenesen magasabb hőmérsékletű közeg lép ki, majd hirtelen ez a hőmérséklet csökken. A hirtelen változás okozhat átmeneti zavart a szabályozásban, ezért ellenőrizni kell, hogy jár-e ez valamilyen következménnyel, vagy sem.
A cikkben bemutatott három megoldás mindegyike rendelkezik előnyös és hátrányos tulajdonságokkal, ezért nincs általánosan használható megoldás. A műszaki feltételek és elvárások is nagyon különbözőek az egyes gyakorlati alkalmazásoknál, ezért célszerű a szabályozási mód eldöntése előtt elemezni az egyes lehetőségeket.
Grundlagen der Dampf- und Kondensattechnolgie, 1970-2014. SPIRAX SARCO GmbH, Konstanz
Praxishandbuch für Dampf und Kondensat, 2009. ARI-Armaturen GmbH & Co. KG, Schloß Holte- Stukenbrock
1. ábra. Gőzoldali szabályozás
2. ábra. Szabályozás kondenzátum visszatorlasztással
3. ábra. Szekunder oldali szabályozás