Motto: „Szkoda … , że nie napisał Pan książki dotyczącej projektowania kotłów i nie zamieścił w niej swojej dużej wiedzy przedmiotowej. Myślę, że byłaby to wartościowa pozycja dedykowana do inżynierów i konstruktorów; napisana przez praktyka, a nie teoretyka. Oczywiście z pożytkiem także dla studentów” - naukowiec z IMiUE Politechniki Śląskiej. |
Tarnowskie Góry, 2012.04.08
Kancelaria Prezesa Rady Ministrów Al. Ujazdowskie 1/3 00-942 Warszawa
|
Wykazanie dlaczego nie można poprawić bardzo złej sytuacji energetyki przemysłowej i ciepłownictwa, mimo dysponowania przez Polskę najdoskonalszą w świecie techniką kotłową
autorstwa jednego polskiego inżyniera.
Część 198
Jak przez około sto lat błądzono w skali światowej w pomysłach na spalanie węgla w kotłach rusztowych, to do zorientowania powinno już wystarczyć ich porównanie z rozwiązaniami którymi to spalanie opanował inż. J. Kopydłowski.
Kotłowi szarlatani nie wyrządzaliby tyle szkody, gdyby w swojej działalności nie korzystali z rozwiązań zachodnich oraz z pomysłów krajowych naukowców politechnicznych, lecz przynajmniej trzymali się rozwiązań zastosowanych we wcześniejszych jego dokumentacjach, wstrzymując się zarazem od ich „udoskonalania” - część dwudziesta szósta.
Głównym powodem ogromnego marnotrawstwa węgla w tysiącach polskich kotłów rusztowych nie są jednak aeroseparacja, węglospady, czy odpylanie spalin ich zasysaniem przez tylne leje stref podmuchowych, lecz jest powszechna nieświadomość jak trzeba doprowadzać powietrze do paleniska.
Ustęp dwudziesty.
Jaka tępota panuje w sprawie samego konstrukcyjnego rozwiązania doprowadzenia pod ruszt powietrza podmuchowego, to jednym z dowodów jest wynalazek 168300 na wyjątkowo (nie)liniową klapę regulacji wlotu powietrza do strefy podmuchowej.
d. Opis wynalazku 168300 oraz treść referatu na naukowo-techniczną konferencję z 1997 r. są dostatecznymi dowodami na to, jaka techniczna tępota panowała na linii Trust Mózgów Instytutu Ogrzewnictwa i Wentylacji oraz Zakładów Urządzeń Technicznych Stąporków na okoliczność nabycia przez nie licencji na stosowanie tego wynalazku od Politechniki Warszawskiej.
d.1 Do nabycia licencji przez ZUK na stosowanie wynalazku 168300, zgłoszonego 5 sierpnia 1992 r. (z numerem zgłoszenia 295528) doszło już w 1993 r., chociaż o udzieleniu wynalazku ogłoszono w WUP dopiero 29 lutego 1996 r. Na czas zawierania umowy, w przypadku nieuznania zgłaszanego rozwiązania za wynalazek, miało to być nabycie przez ZUK od Politechniki Warszawskiej jej „know how”. Faktycznie na nieposiadaną wiedzę techniczną, wobec wyjątkowej debilności zgłoszonego rozwiązania. Politechnika Warszawska przedłużała jednak opłacanie tego wynalazku aż do 2004 r., czyli przez dwanaście lat.
d.2 Jak wynika z referatu autorstwa Trustu Mózgów , opisującego rzekome efekty uzyskane modernizacją kotła typu WR10 w PEC Września, rozwiązanie będące przedmiotem późniejszego wynalazku 168300 zostało zastosowane już w „Projekcie koncepcyjnym modernizacji kotła WR10 nr 1 w Ciepłowni C-22 PEC Września, powstałym w maju 1993 r. Ów projekt był następnie realizowany tam z udziałem firmy SOLVE z Konina (część 192). O samym zastosowaniu późniejszego wynalazku 168300 stanowi już Rys. 187c w części 192, powtórzony jako Rys. 194b w części 194b. Owe (nie)liniowe klapy według tego wynalazku, to poz. 9 na tym rysunku.
Także wśród zakresu prac wykonanych do modernizacji kotła WR10 wymienione jest: „zastosowanie nowej konstrukcji klap [5] o korzystnej charakterystyce 2.” Pod pozycją [5] spisu przywołanej literatury jest to: „Klapa regulacyjna powietrza pierwotnego szkieletu mechanicznego rusztu łuskowego kotła węglowego - zgłoszenie Patentowe P 295528.” - uznane przez Urząd Patentowy za ów wynalazek 168300.
d.3 Aby zdać sobie sprawę, jaką dodatkowo fantazję do zmyślania miał ów Trust Mózgów, to wystarczy wiedzieć:
a. Już na wstępie referatu4 napisano, że „zastosowano między innymi aeroseparcję w układzie podawania paliwa. [6].”
Jednak pod pozycją [6] spisu przywołanej literatury jest ich zgłoszenie 296580 z 13 listopada 1992 r., uznane następnie w 1997 r. przez Urząd Patentowy za wzór użytkowy 54961: „Palenisko z rusztem taśmowym”, a z jego opisu można dowiedzieć się, że dotyczy on debilnego pomysłu na odsiewanie z miału węglowego ziaren poniżej jednego milimetra rozwiązaniem polegającym na ich przesiewaniu przez sito prętowe stosowane w kombajnie ziemniaczanym, jedynie z przerwami między nimi, które także musiałyby wynosić jeden milimetr (patrz części 193 i 194b). Według jego opisu pomysł ów miał być dodatkowo lepszy od „kaskadowej aeroseparacji podziarna miału węglowego”, którą faktycznie zastosowano do „modernizacji” kotła WR10 we Wrześni (patrz część 192), z wynikami tej modernizacji przedstawianymi w referacie.
Tego, że owa zastosowana „kaskadowa aerosepacja …, itd nie miała nic wspólnego z rozwiązaniem według wzoru użytkowego 54961, dowodzi także fakt że polegała ona na ignoranckim zastosowaniu w kotle WR10 paleniska narzutowego z pneumatycznym narzutem węgla na ruszt. Dodatkowo na wzór takiego radzieckiego paleniska z lat 50-tych u. w., które nawet jako oryginalne okazało się nieudanym.
b. Wśród zakresu prac wykonanych do modernizacji kotła WR10, poza rozwiązaniem będącym przedmiotem późniejszego wynalazku 168300, wymienione jest dodatkowo: „zastosowanie dozownika paliwa [7] z płynną regulacją wydajności 3.” Natomiast pod pozycją [7] spisu przywołanej literatury jest to: „Dozownik - Zgłoszenie patentowe P 300243, z dnia 1993.09.01.” Dozownik bębnowy zastosowany faktycznie do modernizacji kotła WR10 (Rys. 187c w części192, czy Rys. 194b w części 194b) nie mógł być jednak rozwiązaniem ze zgłoszenia 300243 na „Podajnik-dozownik” odrzuconego przez Urząd Patentowy (część 194c) także i z tego powodu, że rozwiązanie to w ogóle nie nadawało się do praktycznego zastosowania.
d.4 Powodem dla którego polski konstruktor kotłów zwrócił się do Zakładu Urządzeń Kotłowych Stąporków o podanie użytkowników kotłów dla których wyprodukowały one ruszty z zastosowaniem rozwiązania według wynalazku 168300 (zgłoszenie 295528), było otrzymanie kopii referatu na IX Forum Ciepłowników Polskich, w którym kierujący wcześniej Trustem Mózgów nadal informował, że w „zakres modernizacji kotłów WR” wchodzi modernizacja skrzyni podmuchowej z zastosowaniem klap regulacyjnych charakteryzujących się zwartą budową „ umożliwiającą montaż w tym samym miejscu co dotychczasowe klapy” oraz „proporcjonalną krzywą regulacji - zaprezentowaną na rys. 1” (będącym Rys. 192b w części 197).
Dotychczasową korespondencję w sprawie tej prośby zawiera Załącznik I. Stamtąd też pochodzi takie to stwierdzenie dyrektora technicznego ZUK Stąporków:
„Pan żąda od nas wyjaśnień i jakiejś listy oznaczonej wynalazkiem jakiego w historii ZUK nie było ( sprawdź Pan w Urzędzie Patentowym).”
Jak natomiast, w związku z potwierdzonym przez Politechnikę Warszawską zawarciem umowy na stosowanie wynalazku 168300, Trust Mózgów z Instytutu Ogrzewnictwa i Wentylacji oraz personel techniczny Zakładu Urządzeń Kotłowych Stąporków okazali się „za te same pieniądze” jeśli chodzi o całkowitą nieznajomość zasady działania regulacji wlotu powietrza do stref podmuchowych, to w sprawie pierwszych dowodzi już tego pochodzący jeszcze z 2005 r. ów Rys. 192b (w części 197), a w sprawie drugich stwierdzenie w referacie2 z 1997 r., że dzięki zastosowaniu tego rozwiązania „wyeliminowana zostaje … klapka niezabezpieczająca dławienia, a więc regulacji w zakresie już po dziesięciu procentach otwarcia wlotu.”
d.5 Wyjaśnienie jak działa regulacja wlotu powietrza do strefy podmuchowej.
O ilości powietrza przepływającego przez klapę regulacyjną stanowi prędkość przepływu powietrza i czynna wielkość otworu przelotowego, jaką stwarza uchylona klapa. Przepływ ten jest obliczany ze wzoru:
[1] V (m3/h) = F (m2) x w (m/s) x 3600
Natomiast prędkość przepływającego powietrza pochodzi z równania:
[2] hd (Pa) = (w2 x ϱ x ζ) : 2
gdzie:
1. hd - ciśnienie dynamiczne strumienia powietrza przepływającego przez klapę regulacyjną, Pa;
2. w - prędkość przepływającego powietrza, m/s;
3. ϱ - gęstość powietrza, kG/m3;
4. ζ - miejscowy współczynnik oporu przepływu.
Mając z reguły do czynienia z zimnym powietrzem podmuchowym, za wartość pod poz. 3 można przyjąć stałą wartość 1,2 kG/m3, jako dla powietrza o temperaturze 20 0C.
Do wartości miejscowych oporów przepływu przez klapę wlotu powietrza do strefy podmuchowej nikt jeszcze nie dochodził. Dla swobodnego wypływu z kanału (za taki można uznać wypływ powietrza przez otwór normalnej klapy) wynosi ona 1,1.
Po wstawieniu takich wartości za wielkości zmienne poz. 3 i 4 do wzoru [2], przyjmuje on postać:
[3] hd (Pa) = w2 x 0,66
Jego przekształcenie daje zależność prędkości powietrza przepływającego przez klapę od ciśnienia dynamicznego strumienia tego powietrza w postaci:
[4] w (m/s) = √ (hd : 0,66)
Ciśnienie dynamiczne hd, to część z całej wartości ciśnienia panującego w skrzyni podmuchowej, z przeznaczeniem na pokonanie oporów przepływu przez samą klapę regulacyjną. W samym leju strefy podmuchowej działanie dynamiczne strumienia powietrza wpływającego do niego, jeśli nie zostanie on odpowiednio rozproszony, może powodować tylko negatywne skutki w postaci zróżnicowania ciśnienia pod powierzchnią pokładu rusztowego w obszarze strefy podmuchowej.
W prawidłowo skonstruowanym i eksploatowanym ruszcie, wartość tego ciśnienia nigdy nie odpowiada całej wartości ciśnienia w skrzyni podmuchowej. Pozostaje bowiem jeszcze wartość ciśnienia panującego w strefie podmuchowej, która jest tym większa, im większy opór stwarza warstwa tego co zalega na pokładzie rusztowym w obszarze danej strefy podmuchowej.
Stanowi to, że przy tej samej czynnej wielkości otworu klapy regulacyjnej, dopływ powietrza ze skrzyni podmuchowej do poszczególnych stref podmuchowych będzie tym większy, im mniejszy opór będzie stwarzała warstwa tego co zalega nad nimi na pokładzie rusztowym. Temu większemu przepływowi będzie odpowiadała niższa wartość ciśnienia w strefie, w praktyce prowadząca do błędnego wniosku, że trzeba zwiększyć dopływ powietrza do takiej strefy. Powodem zwiększonego dopływu powietrza do strefy jest wartość ciśnienia dynamicznego, tym wyższa im niższe panuje w niej ciśnienie. Oczywiście przy tym samym ciśnieniu w skrzyni podmuchowej.
Powodem niskiego ciśnienia powietrza w tylnych strefach podmuchowych, może być jednak także zbyt duże podciśnienie w komorze paleniskowej (ciąg), które wtedy wspomaga dopływ powietrza do strefy, jak miało to miejsce w kotłach pracujących na ciąg naturalny. Niskie ciśnienie może panować w strefie podmuchowej przy zróżnicowanym pokryciu pokładu rusztowego węglem, z powstaniem na jego powierzchni charakterystycznych „bruzd” i „kraterów”.
Wysokie ciśnienie w strefie podmuchowej dowodzi zmniejszonego dopływu powietrza do niej, będącego skutkiem dużego oporu stwarzanego przez to co nad strefą zalega na ruszcie. Przy pracy kotła z przekroczonym granicznym obciążeniem rusztu będzie to zestalona warstwa żużla pokrywająca węgiel pozostający jeszcze do spalenia. Temu wysokiemu ciśnieniu odpowiada bowiem niska wartość ciśnienia dynamicznego, a tym samym niska prędkość powietrza dopływającego do strefy.
Do prawidłowego doprowadzenia powietrza do stref podmuchowych niezbędnym warunkiem jest zachowanie stałego ciśnienia w skrzyni podmuchowej.
Odpowiednio duża wysokość tego ciśnienia służy do zapewnienia wystarczającego ciśnienia dynamicznego dla dopływu powietrza do stref podmuchowych, nad którymi przy prawidłowym przebiegu spalania węgla na ruszcie to co pokrywa pokład rusztowy stwarza największe opory dla jego przepływu. Ciśnienie w skrzyni podmuchowej nie może być jednak nadmiernie wysokie, ponieważ im jest wyższe, tym większa jego część pozostaje do pokonania oporów przepływu przez sam pokład rusztowy i to co na nim zalega. Uniemożliwia ono wtedy spalanie węgla z niskim współczynnikiem nadmiaru powietrza (z niską zawartością tlenu w spalinach); zwłaszcza przy spalaniu węgli niespiekających się.
d.6 Jak debilne jest stwierdzenie w referacie 2, że wahadłowa klapa reguluje dopływ powietrza do strefy podmuchowej tylko w zakresie do 10 stopni zwiększenia kąta jej otwarcia od położenia zamknięcia i w związku z tym trzeba stosować rozwiązanie będące przedmiotem wynalazku 168300, to bardzo łatwo można wykazać na przykładach wziętych z praktyki ruchowej.
W badanym przed laty kotle parowym typu OR32 przy wydajności 32 t/h pary, ilość powietrza doprowadzonego pod ruszt przy współczynniku nadmiaru powietrza 1,5 wynosiła 46000 m3/h. Na każdy z dwóch jego rusztów o szerokości po 2,5 metra przypadała więc ilość powietrza podmuchowego V = 23000 m3/h.
Ruszt ten miał pięć stref podmuchowych, z czterema z nich z dwustronnym wlotem powietrza o wymiarach 200 z 700 mm, jak to przedstawia Rys. 196a. Łączny przekrój tych wlotów wynosił więc: F = 1,26 m2. Posługując się podanym wyżej równaniem [1] można obliczyć, że temu przekrojowi odpowiadała prędkość przepływu przez wszystkie otwarte klapy wynosząca w = 5,1 m/s. Takiej prędkości przepływu przez otwór klapy, jak to także można obliczyć z równania [4], odpowiada ciśnienie dynamiczne wynoszące zaledwie hd = 17 Pa.
Oznacza to, że zastosowany przekrój wlotów powietrza do stref podmuchowych przy całkowicie uchylonych klapach nie stwarzał praktycznie żadnego oporu dla wypływu powietrza ze skrzyni podmuchowej.
Wobec wymaganego do utrzymania w skrzyni podmuchowej ciśnienia rzędu 450 Pa, ów opór to praktycznie wartość zerowa (około 4 %), co stanowi że strefy podmuchowe stały się jedynie objętościowym uzupełnienie skrzyni podmuchowej. O przepływie powietrza przez ruszt spod stref podmuchowych decydował natomiast wyłącznie zróżnicowany na długości rusztu opór, jaki stawia sam pokład rusztowy i to co leży na nim, czyniąc regulację strefową powietrza podmuchowego całkowicie bezużyteczną i zarazem pozbawiając skrzynię podmuchową wyższego ciśnienia, jako zjawisko uznawane dotychczas za normalne w eksploatcji kotłów rusztowych.
Na Rys. 196c jest natomiast przedstawione rozwiązanie otworów wlotu powietrza do stref podmuchowych kotła wodnego typu WR10 zmodernizowanego w EPEC Elbląg, mającego ruszt o tej samej szerokości. Znajdują się one tylko na jednej z czołowych ścian siedmiu jego stref podmuchowych i przy ich wymiarach podanych na tym rysunku mają łączny przekrój F = 0,504 m2. Jest to przekrój 2,5 razy mniejszy.
Kocioł WR10 osiągnął jednak moc cieplną 18 MW. W stosunku do połowy nominalnej mocy cieplnej kotła typu OR32 wynoszącej 12,9 MW, odpowiada to ilości powietrza podmuchowego: V = 23000 x (18 : 12,9) = 32090 m3, dającej przy jej przepływie przez wszystkie całkowicie otwarte klapy stref podmuchowych prędkość: w = 17,7 m/s. Tej prędkości odpowiada już jednak wartość ciśnienia dynamicznego wynosząca: hd = 207 Pa, co stanowi 46 procent ciśnienia panującego w skrzyni podmuchowej, a nie około 4 %, jako podanego w obu przypadkach poglądowo w wysokości 450 Pa. Taki też opór 207 Pa stwarzałyby klapy wahadłowe wszystkich stref, będąc calkowicie uchylonymi.
Jak jasno z tych dwóch przykładów powinno wynikać, o zakresie regulacyjności wahadłowej klapy zastosowanej do regulacji dopływu powietrza do strefy podmuchowej nie decyduje jej zastosowanie, lecz decyduje prawidłowe dostosowanie wielkości przymykanego nią otworu do ilości powietrza, którego przepływ ma ona regulować - tak samo jak w każdym organie dławiącym przepływ.
Dlaczego natomiast debilnym okazało się rozwiązanie z zastosowaniem wahadłowej klapy będące przedmiotem wynalazku 168300, to za dowód powinien już wystarczyć Rys 196b.
Kątowi zmiany położenia elementu regulacyjnego jakim jest wahadłowa klapa - na tyle na ile pozwalają uwarunkowania konstrukcyjne - powinna bowiem odpowiadać proporcjonalna do zmiany tego kąta zmiana wielkości otworu przelotowego odsłanianego przez klapę. Jak nieproporcjonalnie zwiększa się ten przelot w rozwiązaniu według wynalazku 168300, przy coraz większym kątowym uchylaniu klapy, to informują podane na tym rysunku wartości kolejnych coraz większych przyrostów tego przelotu. Do porównania służy Rys. 196a z oryginalnym otworem wlotowym, zastąpionym w rozwiązaniu według wynalazku kształtem otworu na Rys. 196b.
Jeśli chodzi natomiast o charakterystyki przepływowe na wykresie będącym Rys. 192b w części 197, autorstwa kierującego Trustem Mózgów Instytutu Ciepłownictwa i Wentylacji, to poz. 1 i 2 obu naniesionych krzywych powinny być akurat przestawione.
Z tego to powodu, że zgodnie już z samym logicznym pojmowaniem kształtowi przelotu na Rys. 196b (także na Rys. 192a, Fig 2) - akurat odwrotnie - powinna odpowiadać krzywa oznaczona poz. 1 - jako wyjątkowo „nieliniowa”.
Natomiast
conditio sine qua non do prawidłowego działania strefowej regulacji powietrza podmuchowego jest stałe i odpowiednio wysokie ciśnienie w skrzymi podmuchowej.
Załączniki I i II (-) Jerzy Kopydłowski
Zgłoszony 5 sierpnia 1992 r. (numer zgłoszenia 295528), z ogłoszeniem o udzieleniu patentu 29 lutego 1996 r. (WUP 02/96)
Andrzej Chrzan; Zakłady Urządzeń Kotłowych Stąporków: Modernizacja palenisk mechanicznych i instalacji powietrza podmuchowego w kotłach rusztowych; Konferencja Naukowo-Techniczna '97 nt.: Modernizacja kotłów rusztowych, Szczyrk, 4÷5 marca 1997.
Z twórcami: Stanisław Mańkowski, Mieczysław Dzierzgowski, Andrzej Wiszniewski (wszyscy z ówczesnego Instytutu Ogrzewnictwa i Wentylacji) i z uprawnionym z patentu, którym była Politechnika Warszawska.
Stanisław Mańkowski, Mieczysław Dzierzgowski, Andrzej Wiszniewski: Charakterystyka cieplna zmodernizowanego kotłaWR10 z zastosowaniem aeroseparacji; str. 169-175.
Stanisław Mańkowski, Małgorzata Kwestarz, Politechnika Warszawska: Modernizacja kotłów węglowych typu WR a wypełnienie limitów KPRE i KRAU, IX Forum Ciepłowników Polskich, 2005 r.
Na tą okoliczność wynalazek 168300 jest czymś w rodzaju technicznego zabobonu. W ogóle nie pomoże, ale jak każdy zabobon szkodzić może.
4