belépés / regisztráció
2019. november 20. szerda
Aktuális lapszám

Cserépkályhák ellenőrző számítása

(alcím: Kell-e nekünk öko-kályha?)

Mostanában egyre gyakrabban hallunk a hírekben a szmoghelyzetről, köszönhetően a sűrűbben elhelyezett mérőállomásoknak és az alaposabb és egyszerűbben elérhető tájékoztatásnak. Azt is megtudhattuk a napokban, hogy a téli szmog oka legnagyobbrészt a lakossági szilárd tüzelés, ami gyakorlatilag a fatüzelést jelenti. Sok múlik a tüzelőberendezések használati módján, a tüzelő minőségén, mégis a mostani cikkben arról fogunk elmélkedni, hogy a tervezéssel hogyan tudjuk elősegíteni a tisztább levegőt és a szmogmentesebb életet.

 

A gyári berendezéseket szakemberek tervezik, a helyes installációhoz szükséges adatokat, eljárásokat az érintettekkel megismertetik. De mi történik a helyszínen épített fatüzelésű kályhákkal? Azokat ki és hogyan tervezi? Működik, ahogy sikerül? Nagyon fontos lenne, hogy a kályha gazdaságosan, tisztán égjen, büdös, kormos füst nélkül. A szomszéd lehetőleg észre se vegye, hogy fával fűtünk! Ez nem elérhetetlen álom, elmondhatjuk, hogy az ilyenre tervezett és épített kályháknak most már több évtizedes múltja van, sajnos nem nálunk, hanem azokban az országokban, ahol erre komoly hangsúlyt fektetnek. Osztrák kályhások, mérnökök a 90-es években kidolgozták a tervezés módszertanát, és egy európai szabvány formájában számunkra is elérhetővé tették.

A tervezés alapjai

1. ábra

Az MSZ EN 15544 „Falazott cserépkályhák. Méretezés“ című szabvány szerint működő kályhák legfontosabb tulajdonsága – azon túl, hogy ökofokozaton, tisztán képesek működni –, hogy jelentős hőtároló tömeggel rendelkeznek. Szakaszos üzemben működtetendők, igazodva a fa azon tulajdonságához, hogy akkor ég tisztán, ha intenzíven, sok levegővel (hármas légellátási tényezővel) keveredve égetjük. Ilyenkor a tűzifa hatalmas hőteljesítményt képes leadni, amelyre egyszerre nincs szükség, ezért ezt a hőt az ún. füstjáratokon keresztül a kályha nagy tömegű falazatának adja át, ami azt időben elnyújtva közvetíti a fűtendő helyiségbe (1. ábra). Ebből következik, hogy kétféle teljesítményről kell beszélnünk: a rövid idejű, nagy volumenű égési teljesítményről és az időben elnyújtott fűtési teljesítményről. Nyilvánvaló, hogy az áramlástechnikai számításokban az égési fázissal, azaz az égési teljesítménnyel kell kalkulálnunk. A fűtési teljesítménnyel, illetve a hőtároló tömeggel a kémény méretezése során nem kell foglalkoznunk, az a fűtési hőigény fedezésénél felmerülő kérdésekhez tartozik.

A bemenő adathalmaz

Mely adatok szükségesek a cserépkályha számításához és hogyan lehet azokat előállítani? A fenti szabvány alapján mindent az egyszerre elégetendő fa-adagból (Mb - maximális faadag) kiindulva kell meghatározni. Végletesen leegyszerűsített képletek segítik a szükséges paraméterek meghatározását:

Égéstermék tömegáram: Mg = 0,0035 * Mb (kg/s)

Fafogyasztás (égési sebesség): Mbu = 0,78 * Mb (kg/ó)

Levegőszükséglet (térfogatáram): Vl = 0,0256 * Mb * ft * fs (m3/s)

A kilépő hőfok, a huzatszükséglet és a hatásfok meghatározásához a füstjáratok geometriájának ismerete és viszonylag sok légtechnikai számítás szükséges. Ennek elvégzéséhez több forrásból is a kályhások, tervezők rendelkezésére állnak egyszerű szoftverek. Még a szokásos járatrendszereknél is nagy eltérések lehetnek a megvalósítás módjától függően, különös tekintettel arra a tényre, hogy a kályhaépítők szabadon szokták értelmezni a típuskályhák járat méreteit. Semmiképp sem használhatunk általában a cserépkályhákra „szokásos“ értékeket! Nagyon fontos a méretezett rajzzal alátámasztott járat- építési utasítás (hiszen normális esetben előre tervezésről van szó), majd az annak korrekt megvalósítását igazoló kivitelezői nyilatkozat.


2. ábra

Még mindig a kályha szerkezeténél maradva, a kültérről történő légbevezetés megvalósítása során az egyik legjelentősebb tényező az áramlástechnikai ellenállások szempontjából az égési levegő bevezetése a tűztérbe. A kályhán kívüli levegőjáratokat tudjuk méretezni a CHMBAU programmal (2. ábra), de a levegő útját a kályhán belül nem tudjuk modellezni.

3. ábra

Régebben elég volt a résnyire nyitott kályhaajtóval kalkulálni (4Pa), újabban azonban ismerni kell a speciálisan külső légbevezetésre gyártott kályhaajtók karakterisztikáit, vagy az ún. öko-tűztér kialakítások (több irányból rések a kályhafalban) megfelelő légtechnikai értékeit (3. ábra). Ezek jelentős áramlási ellenállással rendelkeznek, amelyek figyelembevétele nélkül óriási tévedések áldozataivá válhatunk.

Egy ilyen tűztér vagy tűztérajtó nyomásvesztesége gyakran elérheti a rendelkezésre álló huzat harmadát, felét! A karakterisztikákat a tömegáram, vagy újabban egyszerűen az elégetendő faadag függvényében szokták megadni. (Fontos megjegyzés: a szabvány kizárja a hagyományosan alkalmazott, rostélyon keresztül megvalósított légbevezetési megoldást, mivel az a nagymennyiségű fa égetésekor eltömődik, és nagymértékben rontja a légellátás hatékonyságát és kiszámíthatóságát!)

Rakjuk össze!

De jó is lenne, ha a program az ismert tömegáram és a megkívánt 2,95-ös légellátási tényező birtokában meg tudná határozni az égési teljesítmény értékét! Mivel azonban ez így nem működik, a továbblépéshez nekünk kell kiszámítani ezt a nélkülözhetetlen adatot (Tűzifa fűtőérték = 4,16 kWh/kg): Égési teljesítmény = Tűzifa fűtőérték * Fafogyasztás.

A program „Teljesítmény“ rovatába a kályhára az égési fázisban jutó hőteljesítményt kell beírni, ezért a fenti értéket korrigálni kell a hatásfokkal. (Ami nem a kályhát melegíti, az kimegy a kéményen.): Teljesítmény = Égési telj. * Hatásfok/100.

Ezután a bemenő adathalmaz többi megadott értékével fel kell tölteni a megfelelő mezőket: teljesítmény, hatásfok, égéstermék hőmérséklete, referencia tömegáram, légellátási tényező. A huzatigény mértékét a járatrendszer és a tűztér-légbevezetés összegeként kell meghatározni!


4. ábra

Be kell állítani a faminőséget a kályha méretezési szabvány által meghatározott 17% nedvességtartalmú száraz tűzifára. Ehhez az égéstermék számítási módnál a „Sztöchiometria“ gombot kell választani. Az „Égéstermék számítása” gombot megnyomva lehet a programban lévő tüzelőanyagok közül választani. Célszerű a tűzifát kiválasztani, de utána lehetőség van a „Módosít” gomb segítségével a tömegszázalékok megadására. A 4. ábrán látható értékek kiadják a helyes fafogyasztást. A megváltoztatott tüzelőanyag nevét átírva, majd a „Megjegyez” gombot megnyomva a program ezentúl ezt a tüzelőanyagot tartalmazni fogja. Ezután a kályha működési környezetének jellemzőit is (légvezeték, összekötő- elem, kéményszakaszok) a szokásos módon bevisszük. A számítási variációknál meggondolandó az SH érték 1-re állítása, azaz a „nem állandósult hőmérséklet miatti módosító tényező“ kikapcsolása, mivel itt nagy tömegekről és csak lassú hőfok változásokról lehet szó. A „nyári állapotra“ a cserépkályhák esetében rendszerint nincs szükség, azt törölhetjük.

Most pedig nyomjuk meg a „Számítás“ gombot és tekintsünk az eredményre!

Megfelel, de minek?

Ha az eredmény mezőkben a zöld „Teljesül“ szót találjuk, akkor a szokásos módon hátradőlhetünk, mert a rendszerünk huzata nagyobb, mint az ellenállása, a keletkező füstgázt a berendezésünk nagy valószínűséggel elvezeti majd a külvilágba. Csakhogy a kályhaméretező szabvány szerint nem mindegy, hogy mekkora ez a különbség! Az öko-fokozatú működés – azaz a határértéken belüli károsanyag-kibocsátás és a megfelelő hatásfok – csak akkor biztosított ha ez a különbség nem nagyobb mint a rendelkezésre álló huzat 5%-a.

Pz - Pze < Pz * 0,05

Ha ez a szigorú nyomásfeltétel teljesül, akkor, de csak akkor, a kályhánkat joggal nevezhetjük öko-kályhának!

Ha azonban ez a legutóbbi feltétel nem teljesül, meg kell elégednünk a „működik“ fokozattal, legyen bár beépítve öko-tűztér, külső levegő ellátás, légöblítés stb..

És ha nem felel meg? Tervezzük újra és újra!

Az elsőre „Nem teljesül“ eredményt megpróbálhatjuk korrigálni a légellátási tényező csökkentésével, egészen a 2-es értékig (az elméleti határ a fa esetében 1,7). Persze csak akkor, ha megelégszünk a „működik “ fokozattal. Pontosabb képet kapunk a kialakuló nyomásviszonyokról, ha az „Iterációs munkapont keresés” lehetőséget beállítjuk a „Számítási variációk“ „Speciális” fülén. Így meg tudjuk keresni a tényleges munkapontot, ahol elemezni lehet a légellátási tényezőt megállapítandó megfelelőségi fokozatot. (Figyelem! Az iteráció csak alulról felfelé működik. Fordított esetben csökkentsük a légellátási tényezőt nagyobb mértékben, hogy a számítás alulról felfelé indulhasson!)

Ha mégis ragaszkodunk az ökofokozatú kályha konstrukcióhoz (és a szabvány-megfeleléshez), akkor nem tehetünk mást, mint visszamegyünk a kályha tervezési lépéshez és újra gondoljuk a kiinduló adatokat, és újra számítjuk a módosított járatrendszert, stb.. Ha lehetőség van rá, akkor a kémény és a légellátás kialakításán is módosíthatunk.


5. ábra

Sajnos arra kell számítanunk, hogy a szabvány szerinti igen szigorú 5%-os nyomásfeltételt csak a sokadik iterációs próbálkozást követően sikerül majd eltalálnunk. Ha ehhez különböző programokat alkalmazunk, esetleg közbeiktatott fizetési kötelezettséggel, akkor ez gyakorlatilag kivitelezhetetlen feladatnak bizonyulhat. E probléma megoldására jött létre a www.kalyhaproba.hu oldal, ahol a nagyszámú iterációs próbálkozás – a füstjárat méretek és az égéskör paraméterei változtatásával – egy helyen, könnyedén, szemléletesen végrehajtható és a gyors eredmény garantált (5. ábra)!

Egy rossz példa

A fűtési teljesítményt alapul véve a tévesen megadott teljesítmény a ténylegesnek csak 10%-a vagy még kisebb lehet. Ilyen kis tömegárammal számolva két jelentős hibát lehet elkövetni:

  1. A keresztmetszeteket aláméretezve olyan kémény működőképességét igazolom esetleg, amely később alkalmatlan a valójában felmerülő tömegáram elszállítására.
  2. Jó keresztmetszetet használva a lehűlés számítások extrém alacsony égéstermék hőmérsékletet eredményeznek.

„Elkészültünk egy újabb öko (bio) tűztérrel felszerelt kályhával” – olvashatjuk egyre gyakrabban az ehhez hasonló beszámolókat. Vajon az építés előtt megtervezték, kiszámolták a leendő kályha nyomásviszonyait, és figyelembe vették az öko-tűztér jelentős ellenállását? Hogyan nézhet ki vajon az áramlástechnikai számítás? Vajon teljesül a szabvány szerinti nyomásfeltétel (6. ábra)?


6. ábra

Németországban minden kályha károsanyagkibocsátását meg kell mérni, tanúsíttatni. Ausztriában elég a megfelelő számítás a szabvány alapján. Mindenesetre az öko-tűztér szükséges tartozéka lehet egy környezetbarát cserépkályhának, de semmiképpen sem lehet automatikusan a minőség biztosítéka!

A cikket Baumann Mihály lektorálta és a következő szavakkal véleményezte:

A cikk nagyon olvasmányos, ugyanakkor szakmai szempontból is fontos és érdekes problémát tárgyal. Magam is többször találkoztam olyan méretezéssel, ahol a tervező az égési teljesítményt és a készülék fűtőteljesítményét keverte, ezért hibás adatokkal számolt.

A cikkhez kapcsolódva egy fontos szakmai kérdésről szeretnék néhány gondolatot megosztani.

A kémények hő- és áramlástechnikai méretezését szabályozó MSZ EN 13384-1 szabvány a számítás során SE = 1,5 áramlástechnikai biztonsági tényező alkalmazását írja elő. Ennek a viszonylag magas biztonsági tényezőnek a használatát azzal indokolják, hogy a méretezés során nem áll minden információ pontosan rendelkezésre. Ilyen zavaró hatás lehet többek közt például a hőtermelő nem tervezett túlterhelése, vagy a szokásosnál nagyobb légfelesleg-tényező az égésnél.

A cserépkályhák méretezése során viszont a jó hatásfok eléréséhez a kályhát és a kéményt együtt kell kezelni a számításokban, hogy ténylegesen a hatásfok szempontjából optimális légellátási tényező kialakulását tervezni lehessen. Ezt a számítást ez a biztonsági tényező befolyásolja, ezért ennél a számításnál célszerű az SE = 1,0 áramlástechnikai biztonsági tényezőt alkalmazni.

Felmerül természetesen a kérdés, hogy mennyiben helyes eljárás ez, nem jelenti-e ez a biztonság sérülését?!

Véleményem szerint nem. Gondoljuk meg, hogy a számítást az üzem közben legmagasabb környezeti hőmérséklet (hazai gyakorlatban tu = +15 °C) mellett végezzük, és az elvárt légellátási tényező pedig n = 3 körüli, tehát kifejezetten magas! Amennyiben az előzőekben vázolt okok miatt a számítás nem lenne biztonságos, mert nem minden adat pontos, amivel számolunk, akkor ez legfeljebb abban nyilvánul meg, hogy csak alacsonyabb légellátási tényező tud kialakulni, rosszabb hatásfokú az égés. Alacsonyabb külső hőmérsékletnél nagyobb huzat fog kialakulni, tehát ez a probléma kevésbé tud felmerülni.

Ezt a biztonsági tényező mellőzése melletti számítást csak arra használom fel, hogy a kályha optimális működési viszonyait igazolni tudjam. Nincs akadálya annak, hogy egy újabb számítással, amelynél a szabványban előírt biztonsági tényezőt alkalmazom, a rendszer működőképességét igazoljam. Ennél a számításnál legfeljebb nem az optimális légellátási tényező mellett kell a számítást elvégeznem.

Gulyás István

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