belépés / regisztráció
2020. augusztus 13. csütörtök
Aktuális lapszám

A fűtési hálózatok kialakításának elve

A téma a Magyar Installateur 2014. április-májusi számainak Kisördög rovatában megjelent „Tichelmann-rendszer = automatikus beszabályozás? [1] publikációjához kapcsolódik, amelynek aktualitása egyértelmű, a jelen cikk csupán annak szemléletes kiegészítése kíván lenni.

 

Kezdő mérnökként gyakran terveztem az akkor nagyobb népszerűségnek örvendő „egyenlő utú” (=Tichelmann) rendszereket, amelyek az általános vélekedés szerint „automatikusan” egyenletesebb elosztást biztosíthatnak. Különösen egyszintes építményekben, óvodákban, lepényépületekben volt divatos, ahol egy másik „kisördöggel”: a fűtőtestek szifonkapcsolásával karöltve szórakoztató jelenségeket tudott produkálni. Például a leghidegebb időszakban, amikor a fűtővíz éppen a legmelegebb volt, a hideg előterek radiátoraiban az áramlás „automatikusan” megszűnt, míg végül szétfagytak.

Egyebek között ez a furcsaság késztetett arra, hogy logarléccel (kicsit később a PTK 1024-es programozható „számológéppel”) a lehető legpontosabb, az alaki ellenállások meghatározására is kiterjedő számításokat végezzek. Megmutatkozott, hogy a szabályozatlan bekötések kis ellenállása (kis áramköri autoritása) miatt pusztán az elosztóhálózat méretének megválasztásával nem érhető el megbízható eredmény. Ilyen esetben akár egyetlen szakasz nem megfelelő nyomásesése előidézheti, hogy az előremenő elosztóvezeték nyomásgörbéje találkozzon a visszatérőével. Mely metszésponttól kezdve a fűtőtestek, felszállók áramkörében sztochasztikus, felső-alsó, illetve alsó-felső áramlás alakulhat ki, jellemző sajátosságaikkal és anomáliákkal. Olyanok, amelyek sugaras fűtési rendszerekben csak speciális körülmények esetén (például alsó–felső kapcsolásnál) lehetségesek!

Amikor megjelentek a beszabályozásra alkalmasabb radiátor és felszálló szelepek, amelyekkel az áramlási és gravitációs zavaró hatásokat kompenzálni lehetett, a jelzett problémák is megszűntek.

Később lehetőségem nyílt arra is, hogy ezt az áramlási jelenséget az egyik legszélsőségesebb, az oszlopos radiátorokban kialakuló formájában, a termoviziós képalkotás segítségével vizsgálhassam.

A szituáció azért nevezhető szélsőségesnek, mert a radiátorok függőleges oszlopainak ellenállási tényezője általában csekély, és nem szabályozott. Számszerűen ez a bevezetőben ismertetett publikációban ’C’ kritériumszámmal (vagyis a fogyasztó teljes nyomásesének (dP), és a nyomáskülönbség stabilizálási helyén mért nyomáskülönbség alapjelnek (dPo) a hányadosával) jellemezhető:

’C’= dP/dPo.

Habár jelentése nem azonos, a szabályozó szelepek analógiájára a ’C’ kritérium „áramlásköri autoritásnak” nevezhető. Ajánlott értéke is hasonló (’C’∼30%), alatta a párhuzamos körök áramláseloszlása egyenetlenné válik.

Márpedig a vizsgált radiátorok esetében a függőleges oszlopok összegzett áramlási keresztmetszete többszöröse, a fűtővíz áramlási sebessége pedig arányosan kisebb, mint a vízszintes osztócsövekben, áramlásköri autoritásuk a nullához közelít!

Ráadásul osztócsöveik dimenziója is szabályozatlanul állandó, így az áramlás elosztásában nagyobb súllyal érvényesülnek a széles határok között változó elágazási és beömlési ellenállás tényezők (ζ). Ezek az elágazások szögétől, keresztmetszet és térfogatáram arányától függőek, és a Tichelmann-elvű elosztás esetén mindkét osztócsövön az előremenő víz fokozatosan csökkenő hőmérsékletű áramlását, az oszlopok egy részének gravitációs cirkulációját eredményezik.

Kis áramköri autoritásuk miatt az áramlási és a gravitációs zavaró hatások az oszlopok között szinte akadálytalanul jelentkezhetnek, meghatározva a radiátor vagy akár az egész fűtési rendszer áramlási és hőeloszlási képét.

A hőképek az 1980-90-es években, az Építéstudományi Intézetben [2] készültek, az akkor hozzáférhető, folyékony nitrogénhűtésű AGA infra képalkotó berendezéssel, és alkalmasak az ellenállási tényezők változása, valamint a gravitációs felhajtóerő hatása által előidézett jelenségek szemléltetésére.

Az első termoviziós kép (1. ábra) egy normál, azonos oldali (sugaras) felső alsó (F-AA) kapcsolású lemezradiátor nagyjából egyenletesen változó hőelosztását mutatja.

A második termoviziós kép (2. ábra) ugyanolyan szituációban (F-AA), azonban megváltozott paraméterekkel, nagyobb térfogatárammal, és kisebb hőmérséklettel szintén a sugaras elosztás változását ábrázolja, ami a gravitációs felhajtóerő kiegyenlítő hatásának csökkenése miatt jobban eltorzul. Azonban az áramlási irány egyetlen oszlopban sem változhat meg!

A harmadik termoviziós kép (3. ábra) szintén egy normál, felsőalsó, azonban ellentétes oldali (F-AE; Tichelmann) kapcsolású lemezradiátor felületi hőelosztását mutatja. A nyomásgörbék metszési pontja után a felső és az alsó osztócsövek közötti nyomás kiegyenlítődött, helyenként feláramlások, illetve hidegebb („holt”) zónák képződtek, annak ellenére, hogy a fűtő közeg lehűlése ekkor is az egyenletesebb elosztást segítette!

Ugyanilyen jelenségek játszódhattak le az említett egyszintes, egyenlő utú fűtési hálózatok radiátoraiban is (amelyek ez esetben a 3. ábrán látható oszlopokkal helyettesíthetők), továbbá a hasonló vélekedés alapján a Tichelmann-elv szerint „láncba” fűzött, kis közcsavartávolságú radiátorokban is.

A következő termoviziós kép (4. ábra) azonos oldali (vagyis sugaras), azonban alsó-felső kapcsolású (A-FA) lemezradiátor hőelosztásáról készült. A fordított színskála miatt (a kék a melegebb) jobban kivehető az alsó-felső kapcsolású oszlopos radiátorok áramlási képének tagozódása:

  • A belépésnél feláramlás, meleg (jó hőleadású) zóna.
  • A radiátor nagyobb részét elfoglaló, erősen lehűlt (alig működő) távolabbi zóna.
  • Közöttük a közbenső hőmérsékletű „keverőoszlop”, ami a távoli zóna gravitációs áramlását fenntartja.

Számomra egyfajta „esztétikai élményt” nyújtottak az erről az áramlási formáról készült, szinte zászlószerű felvételek. Kevésbé örülhettek viszont azok a fogyasztók, akiknél ún. „fordított U” egycsöves rendszerek készültek. A bemutatott, rendhagyó áramlási forma miatt ugyanis nem csupán a hőteljesítményük csökkent jelentősen (amit egy állandó szorzótényezővel próbáltak figyelembe venni), hanem a szabályozási jellemzőik is megváltoztak.

Ez indokolta a költségmegosztási programhoz kapcsolódóan az ilyen radiátorok normál áramlási irányú átalakítására szolgáló megoldások kifejlesztését. Az így módosított rendszerekben minden radiátor valójában normál (vagyis felső-alsó) kapcsolású, hőeloszlásuk is annak megfelelő.

Tapasztalva a fenti problémákat, bizonyára felmerült olyan gondolat is, hogy az ellentétes oldali, egyenlő utú alsó-felső kapcsolás egyenletesebbé tehetné az áramlási képet, és történhettek próbálkozások ennek kialakítására. Végül azonban nem jelenhettek meg a gyakorlatban, ugyanis mit sem változtattak az alsó- felső kapcsolás áramlási képén (5. ábra).

Hangsúlyozandó, hogy ez a jelenség egyáltalán nem gyártmány-specifikus. Törvényszerűen meg kell, hogy jelenjen bármely hasonló szerkezetű, oszlopos radiátorban. A 6. ábrán például egy acéllemez-tagos radiátor látható.

Meg kell jegyezni, hogy léteznek még más, látszólag hasonló, azonban valójában sokkal kedvezőbb, egyenletesebb hőelosztást biztosító radiátorkapcsolási módok, mint például az azonos, vagy ellentétes oldali alsó-alsó (A-AA, A-AE) csatlakozási formák. Ezek különösen a családi házas építésben terjedtek el egy-, vagy kétcsöves rendszerek hőleadóiként, annál az előnyös tulajdonságuknál fogva, hogy akkor a teljes elosztó hálózat a padlószerkezetben vezethető. De készültek paneles egycsöves rendszerek is ilyen kapcsolással.

Visszatérve a radiátorokról a fűtési hálózatok áramlás elosztására elmondható, hogy a jelenleg már nagy választékban beszerezhető, a kézi és automatikus radiátor és felszálló szabályozó szelepekkel a szükséges áramköri autoritás megbízhatóan elérhető, az ismertetett problémák megoldhatók.

Hangsúlyozni kívánom tehát, hogy a publikáció nem arról szól, hogy a továbbiakban ne létesüljenek Tichelmann elosztású fűtési rendszerek! Hiszen kellő áramköri autoritás esetén áramlás elosztás szempontjából majdnem teljesen mindegy, melyikük valósul meg.

Egyébként jelenleg is problémamentesen létesülnek, például az energetikai, és komfort szempontból kiváló adottságú felületfűtő falpaneleknél. Azok kis száma esetén ugyanis csőkígyójuk nagyobb ellenállása előszabályozás nélkül is biztosítja a megkívánt autoritást.

Megjegyzendő azonban, hogy ez esetben is ügyelni kell a gravitációs felhajtóerő által okozott zavarásra! Vagyis arra, hogy a falpanelek elosztó hálózata a panelek alatt készüljön (ami egyébként így is ajánlott). Ha ugyanis a falpanelek csatlakozása felül történik, akkor ahhoz, hogy az 55 °C előremenő közeg ki tudja szorítani a helyiség hőmérsékletére (15-20 °C) lehűlt visszatérőt, a csatlakozási pontnál egy másik, gravitációs nyomáskritériumnak (dPkr) is teljesülnie kell!

Például h=2,5 m, Th=20 °C, Te=55 °C esetén: dPkr>h*(ρv–ρe)*g ∼2,5*(998,23–985,73)*g = 307 Pa

A falpanel alsó kapcsolása esetén ez a nyomáskülönbség is növeli az áramkörök autoritását, egyenletesebb működést segítve elő.

Felülről történő szifonkapcsolásnál viszont a panelek csőkígyóiban kialakuló, v<0,1 m/s áramlási sebesség mellett nem várható olyan mértékű nyomásesés, ami képes kompenzálni ezt a természetes úton kialakuló „ellennyomást”, és így a kedvezőtlenebb helyzetűek leállhatnak. (A dPkr kritérium a sugaras hálózatokra ugyanúgy érvényes).

Mindezt kiegészítve elmondható még, hogy voltaképpen az egycsöves felszállók átfolyó vagy átkötőszakaszos radiátorai is „egyenlő utúak”. Legfeljebb nem nevezhetők „Tichelmann- elosztásúaknak”, mivel nem kétcsöves hálózatra kapcsolódnak. Radiátor áramköreik autoritása azonban így is a lehetséges legnagyobb, és szabályozásuktól függetlenül állandó: ’C’=1,0! Nemigen hallani olyan esetről, hogy (speciális eszközök nélkül) valamely egycsöves radiátorban az áramlási irány megfordult.

Emiatt, illetve mert egyszerűbb, olcsóbb a kivitelezésük ajánlják, és használják a mai napig a fejlettebb műszaki háttérrel rendelkező országokban.

Ezzel a kijelentéssel persze nem azt szeretném támogatni, hogy a jövőben csupa egycsöves elosztású fűtési rendszer készüljön.

Kérdésként merülhetne fel, hogy ha ez a probléma ma már megoldott, miért kell mégis újra felvetni?

Egyfelől, mert még ma is bizonyára léteznek olyan fűtőberendezések, ahol vagy a beszabályozáshoz szükséges eszközök hiányoztak, vagy a számított vagy mért adatok szerinti beszabályozás nem történt meg, illetve az üzemeltetés jellege változott kedvezőtlenül.

Másfelől, mert a probléma figyelmen kívül hagyása esetén készülhetnek további rossz megoldások.

Végül pedig azért, mert ez önmagában is rendkívül érdekes áramlási, hőtechnikai jelenség. A bemutatott színes, és remélhetőleg tanulságos képsorozat az „egyidejű kényszer és szabadáramlás” hatását mutatja [3].

Amiről, mint mérnökök, talán keveset szeretnénk hallani, mivel megszoktuk, hogy szélsőségesen, vagy csak kényszer-, vagy szabadáramlásban gondolkodjunk, alkotásainkat is így tervezzük. Azonban attól az időponttól, és helytől kezdve, amikor alkotásunk kilép a megtervezett (névleges) keretekből, önállóbb életet kezd élni.

Márpedig szabályozáskor vagy a radiátorokba történő belépése után ilyen változás mindig történik. Ezért éppen az egyidejű kényszer-, és szabadáramlás a leggyakoribb áramlási forma, amelyben a nyomó, a tehetetlenségi, és a gravitációs hatások viszonya szélsőségesen változik, amire az áramlási és hőmérséklet elosztások a szituációtól függően válaszolnak. Ami ráadásul nem csak a radiátorokban, de a kazánokban, reaktorokban is így van. A bemutatott termoviziós felvételek ezt hivatottak igazolni.

Érdekes kérdés még, hogy miért van az, hogy jelenleg már alig lehet találkozni olyan publikációval, vagy kutatással, amelyben ezek az informatív termoviziós felvételek helyet kapnak. Miért van az, hogy csak egy évtizedekkel előbb készült kutatásra lehet most is hivatkozni? Pedig annak idején a termovizió által nyújtott lehetőségek szinte felfedezésként hatottak, és az épületgépészetben is nagy népszerűségnek örvendtek. Hiába, az idő halad, ma már a számítógéppel, a digitális technikával minden modellezhető, az analóg eljárások ideje lejárt. Pedig talán jó lenne látni, hogy éppen a feltáró termoviziós vizsgálatok alapján hőszigetelt épületek korábban rikító színképe hogyan halványodott el, vagy az átalakított fűtési rendszerek és hőleadók hőeloszlása mennyivel lett kedvezőbb.

Emellett a termoviziós kamerával történő képalkotás számos, jelenleg is vitatott kérdés eldöntésében, a végzett szigetelések értékelésében is szerepet kaphatna. Szolgáltatásai nem helyettesíthetők csupán infrahőmérőkkel végzett vizsgálatokkal! Egyébként olcsóságuk ellenére is ritkán találkozom olyan üzemeltetővel, aki legalább infrahőmérővel rendelkezik, vagy pedig rendeltetésszerűen használná azt. A javaslatom az lenne, hogy a sok nem, vagy rosszul működő higanyos hőmérő helyett a vezetékek alkalmas pontjain készüljenek olyan, a szigetelésből kihagyott, ∼5 cm átmérőjű (lezárható) nyílások, a vezetékre festett, nagy abszorpciós tényezőjű festék bevonattal, és jelszámmal, ahol a fűtőközeg hőmérséklete az üzemeltetéshez elegendő pontossággal mérhető. A kezelő zsebében pedig mindig legyen ott a 100-300 gr tömegű infrahőmérő, működő elemmel és jegyzetfüzettel. Így sokkal több ellenőrzést és szükség esetén azonnali beavatkozást végezhet, mintha a hibás hőmérő miatt bosszankodik, vagy a diszpécser pontra fut adatellenőrzés céljából.

Hiszen még a helyszínen eldöntheti, hogy mi a valóság, és hogy mi a teendő!

Jelenleg viszont a költségkiírásaimban én is mindig úgy szerepeltetem: „higanyos hőmérő 0-120 fok, 0,5 fok osztással, hőmérő hüvellyel”. Amit ha felszerelnek, egy idő után megszakad a higanyszál, a cseréjéig használhatatlan marad. És ez bizonyára még sokáig így lesz, mert a szakmai rutin csak nehezen változik.

Felhasznált irodalom:

[1] Vinkler Károly „Tichelmannrendszer = automatikus beszabályozás? I-II.” Magyar Installateur 2014 április, és 2014 május
[2] Építéstudományi Intézet (ÉTI, megszűnt), szerző: Forrai György: Radiátor bekötések vizsgálata 1981
[3] Dr. Csoknyai István-Doholuczki Tibor: „Több, mint hidraulika” HERZ kiadvány, 2014.

***

1. ábra.
2. ábra.
3. ábra.
4. ábra.
5. ábra.
6. ábra.

Forrai György
okl. gépészmérnök

A szerzõ egyéb cikkei:

  Fűtőközegekrõl II.
  A fűtőközegekről I.

Eseménynaptár

Hirdetés
Kiadja a Média az épületgépészetért Kft.
Szerkesztőség és kiadóhivatal:
H-1112 Budapest, Oltvány u. 43. I/2.
Telefon: +36 (1) 614 5688
E-mail: kiado@magyarinstallateur.hu

 
Előfizetésben terjeszti a Magyar Posta Zrt. Hírlap Igazg.
Előfizetés és reklamáció: +36 (1) 767-8262
E-mail: hirlapelofizetes@posta.hu
 
 
elfelejtettem a jelszavam