Popis zařízení:
Jedná se o zařízení na spalování čpavku v procesu výroby kyseliny dusičné a následné využití odpadního tepla pro výrobu páry. Reaktor (kotel na odpadní teplo) je tvořen kulovou tlakovou nádobou, kde je v horním prostoru spalován čpavek za pomoci katalyzátoru. Vzniklé spaliny mají tepl. 890 °C a jsou ochlazovány průchodem vody a páry přes výhřevné plochy přehříváku a výparníku. Výhřevné plochy jsou tvořeny spirálovitými hady vstupní a výstupní komory jsou umístěny ve spodní části reaktoru. V kotli je nucená cirkulace.

Parametry kotle:

Množství vyrobené páry	79,5 t/h
Teplota přehřáté páry	400 °C
Tlak přehřáté páry	4,2 MPa
Teplota napájecí vody	236 °C

Parametry spalin:

Množství	240499 Nm3/hod
Teplota vstupní	890 °C
Teplota výstupní	410 °C

Podmínky odstavení: Po odstavení reakce proudí do kotle horký vzduch po dobu 3 min.

Teplota vzduchu	217 °C
množství vzduchu	245000 Nm3/h

Účel posouzení:
Jedná se o stav při výpadku elektrické energie, kdy vypadnou oběhová čerpadla a zastaví se cirkulace. Vzhledem ke skutečnosti, že výhřevné plochy výparníku mají vstup a výstup vody pod úrovní výhřevných ploch, nemůže probíhat přirozená cirkulace. Vlivem akumulovaného tepla a poklesu tlaku se ve smyčkách výparníku vytvoří pára, která vytlačí vodu do bubnu. Účelem posouzení je zjištění, zda horký vzduch, který proudí do kotle po odstavení reakce, dostatečně vychladí trubky, aby nedošlo k jejich poškození nebo snížení životnosti.

Tabulka řazení jednotlivých ploch a teplota chladícího vzduchu (°C) v závislosti na čase:

Tabulka řazení jednotlivých ploch a teplota povrchu trubky (°C) v závislosti na čase:

Zhodnocení:

1. Vzduch vstupující do první plochy (basket) se nejprve ohřeje a ohřívá i ostatní plochy v kotli. Se zvětšujícím se množstvím vzduchu je první plocha intenzivně chlazena a po 90 s dojde k ochlazování ploch. Tzn., že nevyšší teplota povrchu trubek nastane po cca 90 s od zastavení cirkulace a počátku chlazení vzduchem.
2. Parovodní směs ve výparníku se odpaří a vytlačí páru přes přehříváky do bubnu. Malá část tepla z povrchu trubek se odvede v páře.
3. Jednotlivé plochy byly namodelovány v programu PBS. Výpočet předání tepla byl proveden v časových úsecích po 30, 60, 90, 120 a 180 sekundách. Jednotlivé plochy byly v programu tepelného výpočtu namodelovány samostatně pro každý časový úsek.
4. Nejexponovanější částí kotle jsou smyčky výparníku z trubek o průměru 48,3 mm x tl. stěny 3,6 mm, z materiálu 1.0305 (odpovídá ĆSN 12021). Maximální teplota stěny v 90s po začátku chlazení je 429 °C.
5. Jako výchozí stav pro výpočet byla vzata teplota 1.plochy basket 890 °C a ostatních ploch jejich provozní teplota podle tabulky v zadání. Předpokladem výpočtu je, že dojde ke skokové změně, tzn. při výpadku el. energie a zastavení oběhových čerpadel a reakce spalování budou skokově nahrazeny spaliny o teplotě 890 °C horkým vzduchem o teplotě 217 °C.

Pevnostním výpočtem trubky výparníku dle EN 12952 zjistíme konečný vliv změny.
Průměr trubky 48,3x3,6 mm, Mat. 1.0305 (P235GH, 12021) Pevnostní výpočet pro hodnoty: konstrukční teplota 429 °C, konstrukční tlak 3,1 MPa, životnost 200 000 hod., technologický přídavek 1,45 mm, uvažujeme trubku s minimálním poloměrem ohybu R=75mm. Výsledkem výpočtu je navržená tloušťka stěny trubky = 2,465 mm < 3,6 mm. Dle pevnostního výpočtu vydrží trubka o tl. stěny 3,6 mm max. pracovní přetlak 6,7 MPa.

Závěr:

Podle provedené analýzy jsou, při výpadku el. energie a následném zastavení reakce spalování a cirkulace ve výparníku, výhřevné plochy dostatečně ochlazeny vzduchem o teplotě 217°C a množství 245 000 Nm3/s, který proudí po dobu 3 min. Nedojde ani ke snížení životnosti materiálu trubek, za předpokladu, že k ochlazování výhřevných ploch dojde okamžitě po zastavení cirkulace (výpadku oběhových čerpadel). Část výparníku z nejméně kvalitního materiálu má dostatečnou tloušťku stěny, aby odolala zvýšené teplotě bez snížení životnosti trubky tzn., že ani ostatní výhřevné ploch, které jsou vyrobené z kvalitnějších materiálů, nejsou ohroženy.