Gőzkazán

A Wikipédiából, a szabad lexikonból.

A gőzkazán nyomástartó edény, vagyis egy zárt edény, melyben vizet vagy más folyadékot forralnak nyomás alatt. A keletkezett gőzt a kazánból kivezetik különböző folyamatokban (gépek hajtása, vegyipari folyamatok, épületek fűtése) való felhasználás céljából.

[szerkesztés] Áttekintés

Tűzcsöves kazán vázlata
Tűzcsöves kazán vázlata

A gőzkazánoknál használatos anyagok főleg rézre, acélra és öntöttvasra korlátozódnak. A korszerű, nagynyomású kazánok anyaga hőálló acél.

A gőzkazán hőforrása leggyakrabban fa, szén, olaj vagy földgáz elégetése szokott lenni. Vannak elektromos fűtésű kazánok is, melyek ellenállásfűtéssel működnek. Maghasadást szintén használnak gőzfejlesztés hőforrásaként. Hőhasznosító kazánok más folyamatoknál keletkezett hőt használják gőzfejlesztésre. Ilyen lehet például a gázturbinából kiáramló, még forró levegő, vagy kénsavgyártásnál a kén elégetésekor felszabaduló hő.

A kazánokat szerkezetük szerint három fő csoportra lehet osztani:

  • Tűzcsöves kazánok. Itt a hőforrás a csőben foglal helyet és a melegítendő víz van kívül.
  • Vízcsöves kazánok. A hőforrás a csöveken kívül, a víz a csövekben van. A nagy erőművi kazánok mind ilyen felépítésűek.
  • Kezdetleges, gazdaságtalan típus, ahol egyetlen nyomástartó edény van, az edény egyik oldalát fűti a tűz. Ezt ma már gőzfejlesztésre nem használják, az ipari forradalom kezdetén volt használatban.

Az első gőzkazánok a gőzgépekkel jelentek meg az ipari forradalom elején. Az először használt atmoszférikus gőzgépekhez egyszerű kazánokat használtak, itt a kazánban a légnyomást meg nem haladó nyomású telített gőzt állítottak elő. A fejlesztések során hamar rájöttek a mérnökök a túlhevített gőz nagyobb nyomásából és hőmérsékletéből adódó előnyökre: nagyobb teljesítményű és jobb hatásfokú, gazdaságosabb gőzgépeket készíthettek. A nagyobb nyomás egyrészt szilárdságtani és biztonsági problémákat vetett fel, másrészt szükség volt a melegedő és felforró víz, majd a keletkezett gőz áramlását minél jobban kézbentartani.

Vízcsöves kazán vázlata.
Vízcsöves kazán vázlata.

A 19. század elejére már kialakultak a fenti problémák megoldására szolgáló első találmányok. A kazánokat sokáig szegecseléssel állították elő. Ez nagy szakértelmet igényelt, igen munkaigényes volt és állandó problémát jelentett a kötés megfelelő tömítése. A nyomás növekedése veszélyessé tette a kazánok üzemét, igen sok kazán felrobbant a váratlanul megnövekedett gőzbnyomás következtében. Ezen a biztonsági szelep alkalmazása segített. Ez egy súllyal vagy rúgóval terhelt szelep, mely a nyomás túlzott növekedése esetén önműködően kinyit és a szabadba fújja a gőzt.

A technológia fejlődése lehetővé tette hegesztett kazánok alkalmazását. Ma már ezek teljesen kiszorították a szegecselt kazánokat.

Az áramlás szabályozása először azon a tényen alapult, hogy a víz fajsúlya a hőmérséklet növekedésével csökken, így megfelelő kialakítással a fajsúlykülönbség elindított egy belső áramlást a kazánban. Így alakultak ki a lángcsöves és ferdecsöves vízcsöves kazánok. A későbbi fejlődés folyamán keringető szivattyúkat használtak.

A vízcsöves kazánoknál a víz több vékony csövön áramlik át, melyeket a lángok körülvesznek. Tervezésüknél arra törekszenek, hogy a fűtőfelület minél nagyobb legyen, így a csöveket U-alakúra készítik és esetleg többször is végigvezetik a tűztéren. A vízcsöves kazánnál a kisátmérőjű csövek szilárdabbak és olcsóbbak, mint a nagyobb átmérőjű kazánok, ezért ezekben a nyomás növelhető a biztonság csökkenése nélkül.

Lángcsöves kazán vázlata.
Lángcsöves kazán vázlata.

A lángcsöves kazánt 1812 körül találta fel Richard Trevithick, aki gőzgépekhez használta. Ez erősebb és gazdaságosabb volt, mint az egyszerű kazánok. A lángcső a felület növelése miatt hullámos, nagyobb átmárőjű cső, mely a tüzelőberendezést tartalmazza, és melyen a füstgázok végig áramolnak. A lángcső hengeres tartály hossztengelyében helyezkedett el. Ezt a kazántípust kisebb nyomások és gőzmennyiség esetén ma is kiterjedten alkalmazzák egyszerűsége miatt.

[szerkesztés] Túlhevítéses kazánok

Gőztúlhevítő egy gőzmozdony kazánjában (vázlat)
Gőztúlhevítő egy gőzmozdony kazánjában (vázlat)

A vízfelülettel érintkező gőz nedves gőz. Ha ezt az adott nyomásnak megfelelő forrásponton túl hevítik, túlhevített száraz gőzt kapnak. A modern nagyteljesítményű erőművi kazánok mind túlhevített gőzt állítanak elő, ezzel az erőmű összhatásfokát jelentősen emelni lehet. A hőmérséklet növelésének határt szab az, hogy a hőálló szerkezeti anyagok drágák, bizonyos hőmérséklet felett nem is lehet találni megfelelő anyagot, ráadásul a magas hőmérséklettel együtt járó nagy gőznyomás igen drágává és üzemviteli szempontból nehézkessé teszi az ilyen kazánok, szelepek, csővezetékek és turbinák gyártását.

Nagyteljesítményű erőművi kazán.
Nagyteljesítményű erőművi kazán.

A modern erőművi kazán olyan nagy gőznyomást használ, ahol már nem lehet beszélni külön folyadék és gáz fázisról, sem pedig forrásról, vagyis a gőznyomás a kritikus nyomásnál nagyobb. Az ilyen kazánokat szuperkritikus kazánoknak hívják. Ilyen gőzparamétereket az erőmű hatásfokának lehető legnagyobb értéken tartása indokolja.

Commons
A Wikimedia Commons tartalmaz Gőzkazán témájú médiaállományokat.