ΛΕΒΗΤΕΣ
Γενικά
Η επιλογή του υλικού κατασκευής των λεβήτων εξαρτάται από την κατασκευαστική διαμόρφωσή τους, τις κατασκευαστικές δυνατότητες του κατασκευαστή (π.χ. οι χυτοσίδηροι λέβητες απαιτούν χυτήριο) και από την επιδιωκόμενη ποιότητα.
Οι λέβητες βασικά κατασκευάζονται από χυτοσίδηρο ή από χάλυβα. Όμως οι ειδικές συσκευές που καίγουν αέρια καύσιμα (θερμαντήρες νερού ανακυκλοφορίας και θερμαντήρες νερού συνδυασμένης λειτουργίας) αλλά και ειδικά τμήματα λεβήτων κατασκευάζονται και με στοιχεία από ανοξείδωτο χάλυβα, χαλκό ή αλουμίνιο και τα κράματά τους. Επίσης κάποια τμήματα κατασκευάζονται από κεραμικά ή άλλα πυρίμαχα υλικά.
Η ποιότητα των υλικών κατασκευής, η οποία εκτός των άλλων επηρεάζει τη διάβρωση των λεβήτων αλλά και των παρελκόμενων τους, ουσιαστικά καθορίζει τη διάρκεια εκμετάλλευσης αλλά και τη λειτουργικότητά τους. Αυτό ισχύει κυρίως για τα μέρη τα οποία βρίσκονται σε επαφή με νερό. Τα μέρη τα ευρισκόμενα σε επαφή με νερό υπόκεινται και στο κίνδυνο επικαθήσεων.
Οι λέβητες είναι ώριμα προϊόντα ευρείας κατανάλωσης και άρα υπόκεινται σε προχωρημένη τυποποίηση, η οποία πλέον αφορά και την κατασκευή τους. Ήδη το ευρωπαϊκό πρότυπο ΕΝ 303, καλύπτει και απαιτήσεις κατασκευαστικές.
Για τη χώρα μας δεν υπάρχει ουσιαστικά κανονισμός για την κατασκευή των λεβήτων. Τα υλικά, οι υπολογισμοί αντοχής, οι διαμορφώσεις των δομικών στοιχείων, οι μέθοδοι κατασκευής, οι δοκιμές και ο εξοπλισμός στη Γερμανία καθορίζονται από τους Τεχνικούς Κανόνες για Ατμολέβητες (TRD = Technische Regeln fiir Dampfkessel) [1], ενώ στις ΗΠΑ από τον Αμερικανικό Κώδικα (ASME Boiler and Pressure Vessel Code) [2].
Υλικά Κατασκευής Λεβήτων
Χυτοσίδηροι Λέβητες
Ο χυτοσίδηρος είναι ένα υλικό με διεθνώς ευρεία χρήση στην κατασκευή λεβήτων. Επειδή όμως, απαιτεί την ύπαρξη χυτηρίου, στη χώρα μας υπάρχουν μόνον λίγοι κατασκευαστές χυτοσιδήρων λεβήτων και έτσι οι περισσότεροι χυτοσίδηροί λέβητες είναι εισαγόμενοι.
Ο χυτοσίδηρος χρησιμοποιείται στην κατασκευή λεβήτων θερμού ή υπέρθερμου νερού. Ουσιαστικά δεν χρησιμοποιείται στην κατασκευή ατμολεβήτων.
Η κατασκευή λεβήτων από χυτοσίδηρο παρέχει ορισμένα ουσιαστικά πλεονεκτήματα.
Ο χυτοσίδηρος επιτρέπει την κατασκευή του λέβητα κατά στοιχεία (φέτες), πράγμα το οποίο επιτρέπει τη στενή διαβάθμιση της ισχύος με την προσθήκη στοιχείων καθώς και καλή ικανότητα προσαρμογής στις εκάστοτε απαιτήσεις θερμαντικής ισχύος. Η χύτευση επί πλέον επιτρέπει την κατάλληλη διαμόρφωση του λέβητα, ώστε ο μελετητής να επιτύχει βέλτιστη μετάδοση θερμότητας. Τα δομικά στοιχεία του λέβητα κατασκευάζονται γενικά από χυτοσίδηρο ποιότητας GG-20 κατά DIN 1691 (τουλάχιστον GG-18), ενώ τα στοιχεία τα οποία υφίστανται υψηλή θερμική καταπόνηση πρέπει να κατασκευάζονται από χυτοσίδηρο ανώτερης αντοχής, GG-25 κλπ.
Πλεονέκτημα του χυτοσίδηρου είναι η ανθεκτικότητα του σε διάβρωση, η οποία οφείλεται σε μια “επιδερμίδα” με υψηλή συγκέντρωση πυριτίου, η οποία δημιουργείται κατά τη χύτευση και η οποία είναι πολύ ανθεκτική σε χημικές επιδράσεις. Αποτέλεσμα είναι η μακροζωία του λέβητα.
Ο χυτοσίδηρός λέβητας είναι και λιγότερο θορυβώδης. Ο θόρυβος αποσβένεται από τα τοιχώματα του λέβητα, τα οποία είναι παχύτερα, ενώ στην απόσβεση συντελούν θετικά η δομή του χυτοσιδήρου καθώς και η όλη διαμόρφωση του λέβητα.
Πλεονέκτημα του χυτοσίδηρου είναι επίσης η δυνατότητα αποσυναρμολόγησης και συναρμολόγησης μέσα στο λεβητοστάσιο.
Μειονεκτήματα του χυτοσίδηρου λέβητα είναι ο αυξημένος όγκος και άρα το αυξημένο βάρος και το συνεπαγόμενο αυξημένο κόστος.
Οι χυτοσίδηροι Λέβητες διακρίνονται σε
— φαιό χυτοσίδηρο
— χυτοσίδηρο με σφαιροειδή γραφίτη,
— μαλακτικοποιημένο χυτοσίδηρο και
— χυτοχάλυβα.
Από αυτούς στην κατασκευή λεβήτων θέρμανσης χρησιμοποιείται ουσιαστικά ο φαιός χυτοσίδηρος, ενώ τα λοιπά είδη χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ειδικών μερών του λέβητα και παρελκόμενων, όπως όργανα, σωλήνες και στοιχεία μορφής.
Χαλύβδινοι Λέβητες
Ο χάλυβας είναι το βασικό υλικό όλων των κατασκευών και άρα της κατασκευής λεβήτων. Ο χαλύβδινος λέβητας κατασκευάζεται από χαλυβδόφυλα και σωλήνες με ή χωρίς ραφή με συγκολλήσεις. Οι οικιακοί λέβητες κατασκευάζονται κατά μπλοκ και παραδίνονται πλήρεις και συναρμολογημένοι.
Ο χάλυβας χρησιμοποιείται σχεδόν αποκλειστικά (εκτός, πιθανώς, από κάποια ειδικά μέρη) στην κατασκευή ατμολεβήτων. Οι περισσότεροι λέβητες στη χώρα μας κατασκευάζονται από χάλυβας.Ο χάλυβας μπορεί να δέχεται υψηλότερες θερμικές φορτίσεις, οπότε για την ίδια ισχύ προκύπτει μικρότερο μέγεθος κατασκευής. Επίσης προκύπτουν μικρότερα πάχη και άρα ελαφρότερες κατασκευές.
Για τη διάρκεια ζωής του λέβητα σημαντική εκτός από την ποιότητα του χάλυβα είναι η ποιότητα των συγκολλητικών ραφών. Ενώ οι λέβητες θερμού νερού με θερμοκρασία προσαγωγής μέχρι 100°C μπορούν να κατασκευάζονται από κοινούς χάλυβες, οι λέβητες υπέρθερμου νερού και οι ατμολέβητες πρέπει να κατασκευάζονται από χάλυβες ανθεκτικούς σε υψηλές θερμοκρασίες και μόνον κάποια δευτερεύοντα μέρη τους να κατασκευάζονται από κοινούς χάλυβες.
Οι χάλυβες οι οποίοι χρησιμοποιούνται στη λεβητοποιία είναι κοινοί χάλυβες, ειδικοί χάλυβες λεβητοποιίας. ανοξείδωτοι χάλυβες. Στους ατμολέβητες χρησιμοποιούνται επίσης και λεπτόκοκκοι χάλυβες.
Χρησιμοποιούνται ακόμη χαλυβδοσωλήνες :κοινοί χαλυβδοσωλήνες με ή χωρίς ραφή και χαλυβδοσωλήνες λεβητοποιίας.
Κατασκευαστική Διαμόρφωση Λεβήτων
Η κατασκευή των λεβήτων είναι αντικείμενο της Τεχνικής των Κατασκευών Συσκευών Διεργασιών. Αυτή περιλαμβάνει διαστασιολόγηση της συσκευής ως εναλλάκτη, ώστε να επιτυγχάνεται η επιδιωκόμενη ονομαστική θερμική ισχύς, καθώς και υπολογισμούς αντοχής.
Ο λέβητας με την κατασκευή του πρέπει να επιτελέσει τις ακόλουθες εργασίες:
— μετατροπή της ενέργειας των καυσίμων σε θερμότητα,
— μετάδοση της εκλυόμενης θερμότητας στο φορέα μεταφοράς της (νερό, ατμός, αέρας)
— οδήγηση των καυσαερίων στο σύστημα απαγωγής τους (καπναγωγός κλπ.).
Είναι, δηλαδή, ο λέβητας αφ’ ενός μια συσκευή διεργασίας, καθ’ όσον σ’ αυτόν λαμβάνει χώρα η καύση (χημική διεργασία) και αφ’ ετέρου ένας εναλλάκτης θερμότητας, με την ιδιαιτερότητα της μετάδοσης θερμότητας με ακτινοβολία.
Οι κατασκευές των λεβήτων για εγκαταστάσεις θέρμανσης έχουν υποστεί τα τελευταία χρόνια πολλές μεταβολές, ενώ έχουν εισαχθεί σ’ αυτές και διάφοροι νεωτερισμοί (π.χ. οι διμεταλλικοί λέβητες). Όλες αυτές οι μεταβολές και βελτιώσεις είχαν ως στόχο αφ’ ενός τη βελτίωση του βαθμού απόδοσης, και άρα την εξοικονόμηση καυσίμου, και αφ’ ετέρου τη βελτίωση της διάρκειας ζωής των λεβήτων. Εξ ίσου, όμως, σημαντικοί στόχοι, ο οποίοι επηρέασαν την εξέλιξη των λεβήτων, είναι η μείωση στο ελάχιστο δυνατό των παραγόμενων και αποβαλλόμενων ρύπων καθώς και η κατασκευή λεβήτων χαμηλών θερμοκρασιών, οι οποίοι είναι κατάλληλοι π.χ. για εγκαταστάσεις ενδοδαπέδιας θέρμανσης.
Η κατασκευαστική διαμόρφωση του λέβητα εξαρτάται από
— το είδος του καυσίμου,
— το είδος του συστήματος καύσης,
— τα υλικά κατασκευής,
— το φορέα μεταφοράς της θερμότητας και
— τη δυνατότητα εκμετάλλευσης της λανθάνουσας ενθαλπίας των υδρατμών των καυσαερίων (λέβητες συμπύκνωσης).
Οι λέβητες από την άποψη του χρησιμοποιούμενου καυσίμου διακρίνονται σε τρία
είδη:
— ειδικοί λέβητες, οι οποίοι καίουν μόνον ένα συγκεκριμένο καύσιμο και δεν μπορούν να υποστούν μετατροπές για να καύσουν άλλο καύσιμο
— λέβητες μετατρεπόμενης καύσης, οι οποίοι μπορούν να καύσουν διάφορα καύσιμα’ σ’ αυτούς η μετάβαση από το ένα καύσιμο στο άλλο γίνεται με αφαίρεση και προσθήκη ορισμένων στοιχείων του λέβητα ή του καυστήρα
— λέβητες εναλλακτικής καύσης, οι οποίοι μπορούν να καύσουν διάφορα καύσιμα χωρίς να απαιτείται ειδική μετατροπή.
Η εκλογή ανάμεσα στα 3 είδη εξαρτάται από την πρόβλεψη των χρησιμοποιούμενων καυσίμων.
Ειδικοί λέβητες μπορούν να είναι λέβητες στερεών ή αέριων καυσίμων. Οι ειδικοί λέβητες στερεών καυσίμων έχουν ειδική διαμόρφωση για την καύση των στερεών καυσίμων, εικόνα 7.23, η οποία δεν επιτρέπει την καύση άλλων καυσίμων με έστω ανεκτό βαθμό απόδοσης. Αντίστοιχα οι ειδικοί λέβητες αέριων καυσίμων (οι οποίοι έχουν ατμοσφαιρικό καυστήρα), εικόνα 7.8, δεν μπορούν να ενσωματώσουν διάταξη καύσης άλλων καυσίμων.
Λέβητες εναλλακτικής καύσης μπορούν να είναι σχεδόν όλοι οι κοινοί λέβητες κεντρικών θερμάνσεων, εικόνες 7.3 και 7.4, οι οποίοι μπορούν να να καύσουν υγρά ή αέρια καύσιμα με απλή αλλαγή καυστήρα. Φυσικά πρέπει να δοθεί προσοχή στο ότι οι λέβητες αυτοί πρέπει να είναι διαστασιολογημένοι από την άποψη της μετάδοσης θερμότητας για το χειρότερο καύσιμο (αέριο).
Η διαμόρφωση του λέβητα επηρεάζεται από το είδος του συστήματος καύσης. Έτσι στα στερεά καύσιμα η καύση προχωρεί κατακόρυφα, εικόνα 7.23, στα υγρά καύσιμα η φλόγα είναι οριζόντια, εικόνα 7.3, ενώ στα αέρια ανάλογα με τον καυστήρα η φλόγα είναι οριζόντια ή κατακόρυφη, εικόνες 7.3 και 7.8. Στο κεφάλαιο 5 γνωρίσαμε τόσο τον ατμοσφαιρικό καυστήρα αερίου, όσο και τον καυστήρα αερίου με ανεμιστήρα.
Ο λέβητας μπορεί να λειτουργεί με φυσικό ελκυσμό, και άρα υποπίεση μέσα στη συσκευή, ή με υπερπίεση. Η υποπίεση δημιουργείται από τον ελκυσμό της καπνοδόχου και είναι αναγκαία για την υπερνίκηση των αντιστάσεων στη ροή των επιφανειών συναγωγής του λέβητα, εικόνα 7.1, η οποία υπερνίκηση στους λέβητες υπερπίεσης αναλαμβάνεται απότον ανεμιστήρα του καυστήρα, εικόνα 7.2.
Σήμερα λέβητες φυσικού ελκυσμού ουσιαστικά είναι μόνον ορισμένοι ειδικοί λέβητες αέριων καυσίμων (και κάποιοι λέβητες στερεών καυσίμων), ενώ όλοι οι λοιποί είναι λέβητες υπερπίεσης.
Η υποπίεση μέσα στο λέβητα θα πρέπει να παραμένει κατά το δυνατόν σταθερή, πράγμα δύσκολο, επειδή η καπνοδόχος εκτίθεται στις καιρικές επιδράσεις. Οι επιδράσεις, όπως θα δούμε, αντιμετωπίζονται με ειδικά μέτρα (ασφάλεια ροής στους λέβητες αερίου).
Το μηδενικό σημείο της πίεσης θα πρέπει να βρίσκεται στο άνοιγμα εισόδου του αέρα καύσης, εικόνα 7.1. Αν το μηδενικό σημείο της πίεσης βρίσκεται στο τέλος του λέβητα στην είσοδο των καυσαερίων στην καπνοδόχο, εικόνα 7.2, τότε είναι απαραίτητη υπερπίεση μέσα στο χώρο καύσης, η οποία δημιουργείται από τον ανεμιστήρα του καυστήρα. Έτσι η καύση είναι ανεξάρτητη από την καπνοδόχο και η εστία μπορεί να ρυθμισθεί κατάλληλα, ώστε να έχουμε βέλτιστο βαθμό απόδοσης. Με την υπερπίεση μπορεί να δημιουργηθεί περισσότερο τυρβώδης ροή των καυσαερίων, οπότε λόγω υψηλών συντελεστών συναγωγής έχουμε μικρότερες επιφάνειες και συμπαγή κατασκευή του λέβητα. Πλεονέκτημα του λέβητα υπερπίεσης είναι η περιορισμένη ρύπανση των θερμαντικών επιφανειών λόγω μικρής παραγωγής αιθάλης.
Το υλικό κατασκευής επηρεάζει σημαντικά την κατασκευαστική διαμόρφωση των λεβήτων. Από την άποψη των υλικών οι λέβητες βασικά κατασκευάζονται, όπως είδαμε, από χυτοσίδηρο ή από χάλυβα, ενώ οι ειδικές συσκευές που καίουν αέρια καύσιμα αλλά και ειδικά τμήματα λεβήτων κατασκευάζονται και με στοιχεία από ανοξείδωτο χάλυβα, χαλκό ή αλουμίνιο και τα κράματά τους καθώς και κεραμικά.
Ο χαλύβδινος λέβητας, εικόνα 7.4, κατασκευάζεται από χαλυβδόφυλλα και σωλήνες με ή χωρίς ραφή με συγκολλήσεις. Κατασκευάζεται κατά μπλοκ και παραδίνεται πλήρης και συναρμολογημένος. Για την διάρκεια ζωής του λέβητα σημαντική εκτός από την ποιότητα του χάλυβα είναι η ποιότητα των συγκολλητικών ραφών.
Ο χυτοσίδηρος επιτρέπει την κατασκευή του λέβητα κατά στοιχεία (φέτες), εικόνα 7.3, πράγμα το οποίο επιτρέπει τη στενή διαβάθμιση της ισχύος με την προσθήκη στοιχείων καθώς και καλή ικανότητα προσαρμογής στις εκάστοτε απαιτήσεις θερμαντικής ισχύος. Η χύτευση επί πλέον επιτρέπει την κατάλληλη διαμόρφωση του λέβητα, ενώ “προικίζει” τον λέβητα με μια αντιδιαβρωτική προστασία.
Διαφορετική είναι προφανώς η κατασκευαστική διαμόρφωση των λεβήτων ανάλογα με το φορέα μεταφοράς της θερμότητας. Έτσι οι αερολέβητες, στους οποίους η μετάδοση θερμότητας (συναγωγή) προς τον αέρα απαιτεί μεγαλύτερες επιφάνειες σε σύγκριση με τη μετάδοση θερμότητας προς το νερό ή τον ατμό, οδηγούμαστε σε εντελώς διαφορετικές κατασκευαστικές διαμορφώσεις, εικόνα 8.1. Φυσικά στη διαφορετική κατασκευαστική διαμόρφωση οδηγούν και οι διαφορετικές πιέσεις των φορέων μεταφοράς της θερμότητας. Ενώ στον αέρα η υπερπίεση είναι λίγα mbar, στο νερό και τον ατμό είναι τουλάχιστον λίγα bar, και φυσικά αυτά απαιτούν αυξημένα πάχη τοιχωμάτων και κατάλληλες διαμορφώσεις (βλέπε το κεφάλαιο 16).
Η δυνατότητα εκμετάλλευσης της λανθάνουσας ενθαλπίας των υδρατμών των καυσαερίων για περαιτέρω εξοικονόμηση ενέργειας και προστασία του περιβάλλοντος απαιτεί πρόσθετες ιδιαίτερες επιφάνειες μετάδοσης θερμότητας, στις οποίες λαμβάνει χώρα η συμπύκνωση. Οι πρόσθετες επιφάνειες συμπύκνωσης κατασκευάζονται συνήθως από υλικό ανθεκτικό στη διάβρωση, επειδή τα συμπυκνώματα είναι διαβρωτικά λόγω του σχηματισμού οξέων από την καύση του θείου των καυσίμων. Για το λόγο αυτό οι λέβητες συμπύκνωσης βασικά είναι λέβητες καύσης αέριων καυσίμων.
Στην κατασκευή των λεβήτων καθοριστικές είναι μια σειρά απαιτήσεων, οι οποίες τίθενται είτε από πρότυπα είτε από τεχνικούς κανονισμούς ή ακόμη τη νομοθεσία. Με την ανάλυση των απαιτήσεων των προτύπων και κανονισμών θα ασχοληθούμε σε ειδικό κεφάλαιο.