belépés / regisztráció
2020. november 30. hétfő
Aktuális lapszám

A gőz, mint hőhordozó

A fűtéstechnika hőskorában, az 1800-as és 1900-as évek fordulóján a kisnyomású gőzfűtés elterjedt, közkedvelt megoldás volt. Ebben az időszakban a nagynyomású gőz volt az elsőrendű energiaforrás a gépek hajtásánál. Alkalmazása mára erősen visszaszorult, de bizonyos esetekben változatlanul a legjobb megoldás. Az épületgépészeti szakmánknak így határterülete, de időről időre szükség van ennek a területnek az ismeretére is. A tanműhely sorozatban ezért néhány cikkben ezzel a területtel fogunk foglalkozni.

 

Jelen cikkben az alkalmazás előnyeire, hátrányaira kívánok kitérni. A cikk csupán az épületgépészethez közel álló területeket érinti, nem foglalkozunk az erőművi rendszerekkel, maximum az ipari gőzfelhasználások területéig kalandozunk el.

A gőzfűtés előnyei

  • A vízgőz, mint fűtőközeg nagy hőmennyiség szállítására alkalmas. Addig, amíg egy melegvíz üzemű fűtésnél 1 kg/s tömegáram 20°C hőfoklépcső mellett
    Q = m · c · Δt = 1 · 4,2 · 20 = 84 kW teljesítmény fedezésére alkalmas, addig ugyanilyen tömegáramú kisnyomású (0,5 bar túlnyomású) gőz kondenzációjakor
    Q = m · r = 1 · 2226 = 2226 kW teljesítmény áll a rendelkezésünkre. Tehát a fázisváltás során 26-szor akkora energia szabadul fel, mint 20 °C-os lehűlés során.
    Ez olyan esetekben fontos, amikor nagy teljesítménysűrűséget kell elérni.
    Ugyancsak előnyt jelent, hogy sokkal kisebb tömegáramot kell mozgatni, a kondenzátum vezetékek mérete és a szivattyúk vízszállítása kisebb lehet.
  • A rendszer üzemeltetésénél nincs szükség szivattyúra, az áramlás a közeg túlnyomásának hatására történik. Ez a szempont különösen azokban az időkben volt fontos, amikor még nem álltak rendelkezésre megfelelő biztonsággal üzemelő szivattyúk. Ekkor olyan kisnyomású rendszerek épültek, ahol a kazánba való visszatápláláshoz sem volt szükség szivattyúra. Ma már ilyen rendszerek nem létesülnek, egyszerűbb a tápvíz szivattyúk alkalmazása.
  • A gőzfűtésekben alkalmazott víz a természetben korlátlanul rendelkezésre áll, a környezetet nem szennyezi. Ez természetesen a melegvíz fűtésekre is elmondható.
  • A közeg hőmérséklete az energiaátadás közben nem változik. Így nagy felületű hőcserélőknél is biztosítható a teljes felületen az azonos közeghőmérséklet, a belépési és kilépési hőmérséklet közt nincs különbség. Ez nem mondható el a folyadék üzemre, ezért egyes esetekben feltétlenül gőzt kell alkalmazni. Példaként gondoljunk egy papírgyári szárító hengerre, amelynél komoly gondot jelentene, hogy a papír egyenlőtlenül szárad, mert a henger hőmérséklete változó.
  • Gőz esetén a telítési nyomás és telítési hőmérséklet közt egyértelmű kapcsolat van. Ezt lehet kihasználni hőmérsékletérzékeny technológiáknál. A csokoládé olvasztását is gőz felett végzi a háziaszszony, mert így nem fordulhat elő, hogy valahol odakap, karamellizálódik, hiszen légköri nyomáson a hőmérséklet maximuma 100 °C. Ezt használja ki a konzervipar, gyógyszeripar. A konzervgyári üstökben vákuumot létrehozva 100 °C alatti hőmérsékleten lehet a termékek besűrítését elvégezni.
  • Magas közeghőmérséklet érhető el. A sterilizálás során az is fontos, hogy nem csupán a hőmérséklet magas, hanem a gőznek az a tulajdonsága, hogy az alacsonyabb hőmérsékletű helyeknél kondenzáció, és alacsonyabb parciális nyomás alakul ki, tehát a gőz automatikusan ide igyekszik áramolni. Így nem fordulhat elő, hogy a sterilizálásra betett ruhanemű belseje ne melegedne fel a telítési hőmérsékletig. Ugyanez forró levegős sterilizálásnál nem feltétlenül mondható el.
  • A fázisváltás közben, tehát mind forrásnál, mind kondenzációnál a szokásosnál nagyobb hőátadási tényezők alakulnak ki. Ehhez társul még a magas közeghőmérséklet, ami azt eredményezi, hogy sokkal kisebb hőcserélő felület szükséges, mint más esetekben.
  • Tűz- és robbanásveszélyes helyeken is alkalmazható. Ha ilyen terekben kell magas hőmérsékletet elérni, akkor azt folyadéküzemű rendszerekkel általában már nem lehet megvalósítani. Elektromos üzemű fűtőbetéteket a tűzveszély miatt nem lehet alkalmazni, ezért sok esetben a gőz alkalmazása a megoldás.
  • Az alkalmasan kialakított rendszer a gőzellátás megszűnésével teljes mértékben leürül, ezért nincs fagyveszély. Ez olyan épületek esetén lehet érdekes, ahol télen hosszú üzemszünetek fordulhatnak elő.

A gőzfűtés hátrányai

Az előzőekben felsorolt számos előny esetleg azt az érzetet keltheti, hogy ennél jobb megoldás nem is létezik. Ez a fejezet a hátrányokat, az alkalmazási korlátokat mutatja be.

  • A fázisváltás során nagy térfogatváltozás következik be. Kisnyomáson a gőz térfogata kb. 1600-szorosa az ugyanolyan hőmérsékletű telített állapotú vízének. Ez egyúttal nagyon veszélyessé is teszi a gőz előállítását. A gőzkazánban telített gőz és víz van a légkörinél magasabb nyomáson, ezért magas hőmérsékleten. Ha egy baleset folytán a kazán felhasad, akkor a légköri nyomásra kikerülő víz magasabb hőmérsékletű, mint 100 °C, ezért egy része azonnal elgőzölög. A keletkezett gőz térfogata sokkal nagyobb, tehát robbanásszerűen nagy térfogat növekedés következik be. Ez a robbanás hatalmas kárt tud tenni a környezetében. A jelenséget kicsiben talán mindannyian tapasztaltuk már. A kuktában is a légköri nyomásnál magasabb nyomás van, ezért a telítési hőmérséklet 100 °C feletti. A kukta szelepét megemelve gőz távozik az edényből, de a távozó gőz sokszorosa az edény térfogatának, mert a nyomás csökkenésével a víz egy része elforr. A jelenséget úgy lehet kikerülni, ha hideg vízzel 100 °C alá hűtjük az edényt.
  • A rendszerben felváltva levegő, víz és gőz található. Ez a korrózió szempontjából ideális állapot, ezért ezekben a rendszerekben fokozott figyelmet kell fordítani a korrózió megakadályozására, illetve a keletkezett korróziós termékek eltávolítására, kezelésére. A régebben elterjedt kisnyomású gőzfűtéseknél ezért kizárólag öntöttvas radiátorokat, vagy csőfűtőtesteket alkalmaztak.
  • A gőzzel üzemelő rendszerek központi szabályozása nehezen valósítható meg. Egy kisnyomású gőzzel üzemelő fűtési rendszerben nem lehet minőségi szabályozást kialakítani, mert a maximális hőmérséklet 115 °C, a minimális hőmérséklet pedig 100 °C. A mennyiség szabályozásával is gondok merülnek fel. Ha a rendszerbe kevesebb vízgőzt engedünk, akkor a közeli radiátorok gőzzel megtelve változatlan teljesítménnyel üzemelnek, ezért a távoli radiátorokhoz nem jut gőz. Ezeket a rendszereket ezért ki-bekapcsolással lehet üzemeltetni, szabályozni, ez esetben azonban ritkán lehet a hőkomfort megfelelőségéről beszélni. Érdekes kivételt jelentenek a vákuum-gőzfűtések. A rendszerben vákuumot tartva alacsonyabb kondenzációs hőmérséklet érhető el, így megvalósítható a rendszerben a hőmérséklet szabályozás. A vákuum fenntartása komoly technikai kihívás, ezért Európában nem lehet találkozni ilyen megoldásokkal. Nagyobb rendszerek üzemelnek Manhattan-ben, ahol a távfűtés gőzzel üzemel. A toronyépületekben előnyt jelent a gőz alkalmazása, mert gőz esetén nincsenek statikus nyomás problémák. A gőz magától felszáll az épület tetejéig, a kondenzátum pedig visszacsorog. További érdekesség, hogy ez a cég valamikor Edison vállalkozása volt.
  • A gőzt szállító vezetékek hővesztesége nagy és állandó. Akkor is fellép veszteség, ha nem is fogyasztunk a vezetékről. Ezért gőzt nem célszerű nagyobb távolságra szállítani. Az irodalom 10 km távolságot ad meg, mint célszerű maximumot. Az elmúlt húsz évben megélhettük, hogy korábbi nagy gőzellátó rendszerek megszűntek. Ha egyes fogyasztók leválnak a rendszerről, akkor a vezetékrendszer változatlan veszteségeit a maradék fogyasztónak kell fedeznie. Így ez egy öngerjesztő folyamat, mert a költségek növekedése újabb fogyasztókat ösztönöz leválásra, ami természetesen ismét költségnövekedést eredményez. Így szűnt meg a Kelenföldi Erőmű által üzemeltetett dél-budai gőzrendszer, vagy a Pécsi Erőműről ipari fogyasztókat ellátó gőzrendszer.
  • A gőzvezetékekben nagy sebességgel (akár 40 m/s értékkel) áramlik a gőz, ezért nagyon fontos a vezetékek áramlás irányában való lejtése, mert a feltorlódó kondenzátum dugóként való áramlása könnyen tönkreteheti a rendszert. Ez különösen emelkedő terepen kihívás, mert csak fűrészfogas nyomvonalvezetéssel oldható meg a feladat. Ugyancsak bonyolítja a kialakítást, hogy sűrűn, legalább 25 m-enként víztelenítési helyeket kell kialakítani. Ha a kondenzvezetékben sarjúgőz is jelen van, akkor hasonló problémákat kell kezelni.
  • A rendszer indítása és leállítása bonyolult és időigényes. A hideg vezetékrendszerbe érkező gőz nagy része eleinte kondenzálódik, ez a gőzkazánnál a nyomás gyors esését okozhatja. A keletkezett nagy mennyiségű kondenzátumot el kell távolítani a rendszerből. Ugyancsak el kell távolítani a rendszerben levő levegőt. Ezek miatt a rendszert csak lassan lehet üzembe helyezni, egy nagyobb kiterjedésű rendszer indítása akár 8-10 órás folyamat is lehet. A leálláskor a rendszerben levő gőz kondenzálódik, vákuum keletkezhet, ha nem biztosítjuk a levegő beáramlását a rendszerbe. A vákuum következtében a rendszer nem tud leürülni, de akár fel is szívhat kondenzátumot, és a még mellette üzemelő részeknél működési zavarokat okozhat.
  • A rendszerben speciális, máshol nem alkalmazott szerelvények, berendezések üzemelnek (kondenzelvezetők, kondenzhálózat, termikus légtelenítők, vákuumtörők, speciális szabályozó berendezések stb.), ezért ezek karbantartásához, üzemeltetéséhez speciális, szakképzett személyzetre van szükség. A rendszerben magas hőmérséklet és nyomás uralkodik, ezért különleges anyagú és minőségű szerelvények alkalmazása szükséges. Ezek a körülmények együtt azt eredményezik, hogy ezeknek a rendszereknek a létesítése és üzemeltetése költséges.

Összefoglalás

Az előzőekben felsorolt érvek alapján érthető, hogy napjainkban általában ritkán kerül sor új gőzüzemű rendszer létesítésére. A meglévők esetében is az a cél, hogy csak a ténylegesen szükséges technológia ellátása történjen gőzzel, a többi részt célszerű melegvíz üzemre átállítani. Vannak azonban technológiák, amelyeknél a gőz alkalmazása elkerülhetetlen, ezért változatlanul fontos ennek a területnek az ismerete.

BAUMANN MIHáLY
adjunktus
PTE PMMK Épületgépészeti Tanszék

A szerzõ egyéb cikkei:

  Épületek vízhálózatának méretezése
  „Már a fűtés sem a régi” – szemléletváltás a fűtéstechnikában I.
  Bivalens rendszerek energiaarányának meghatározása
  Gőzüzemű hőcserélők szabályozása
  Tápszivattyúk kondenzátum szállítása
  Kondenzelvezetők sajátosságai

A szerzõ összes korábbi cikke >>

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