Hogyan takarékoskodjunk a gázzal?
2008/5. lapszám | Szilágyi Zsombor | 6623 |
Figylem! Ez a cikk 18 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Az Interneten egy új eljárást található. A hirdető szerint ezzel az eljárással a szokásos háztartási és kommunális gázkészülékeknél jelentős, akár kétszámjegyű százaléknyi földgázmegtakarítást garantálnak. Az ajánlott technológia minden apró részletét nem lehet megismerni a hirdetésből, de a leírások és a hivatkozások azt sejtetik, hogy a vezetékben áramló földgáz mágneses erőtéren átvezetve olyan átváltozásokon megy keresztül, hogy az elégetéskor a gázkészülék termikus hatásfoka megnő, és a kilépő égéstermék károsanyag-tartalma lecsökken. A technológia bármilyen háztartási és kommunális gázkészüléknél alkalmazható, sőt egyes ipari berendezéseknél is szép eredményeket hozott. A technológia könnyen beszerelhető az adott gázkészülék vezetékére, és hosszú időn keresztül biztosítja a használat előnyét. A nem jelentéktelen beszerelési díj hamar megtérül.
A gáziparban eltöltött néhány évtized tapasztalatai azonnal megindították a gondolkodásomat ha ez az egyszerű technológia ilyen kiugró hasznosítási eredményt és környezetvédelmi előrelépést jelent, akkor miért nem alkalmazza ezt már a sok európai gázkészülékgyártó, mondjuk a neves német, francia vagy olasz cégek? Nem jutott el hozzájuk ennek a technológiának a híre? Vagy van valami elgondolkoznivaló a leírt technológia körül?
Teljesen önkényesen, (és talán elmarasztalhatóan is) kiragadtam a honlap bőséges anyagából néhány kijelentést és megállapítást, és megpróbáltam értelmezni, vagy lefordítani a gázipari szakemberek nyelvére. A honlapról idézett mondatokat dőlt betűvel különítettem el.
Általános ismertető
"Tudta, hogy a gáz elégetésekor nem használja ki maximálisan a benne lévő energiát (átlagban 86-92%-ot)?" Ez azt jelentené, hogy a földgáz 8-14%-a elégetlenül vagy éghető égéstermékként (például szén-monoxidként) távozik a gázkészülékből. Ha ez helytálló lenne, akkor mindennaposak volnának a kéményrobbanások, és az égéstermék-kivezetések legtöbbje erősen kormozna, vagy a gáztűzhelyek használata lépten-nyomon életveszélyes lenne. A tájékoztatás szerkesztői valószínűleg arra gondoltak, hogy a gázkészülékek prospektusain a készülék (termikus) hatásfokaként 86-92%-ot szoktak feltüntetni, ami azonban nem az elégett tüzelőanyag-hányadot jelenti, hanem a kinyert és a bevitt energia hányadosa. A 100%-ig hiányzó 8-14% azonban nem a tüzelőanyag el nem égése miatt áll elő, hanem az égéstermékkel távozó hőmenynyiség miatt. A kéménybe kötött hagyományos gázkészülékeknél a gázkészülékből kilépő égéstermék hőmérséklete 120-150 °C körül van, az égéstermék víztartalma gőz halmazállapotú, és állandósult üzemviszony mellett az égéstermék szabadba lépésekor a víznek még gőz alakban kell lenni. A kondenzációs gázkészülékeknél éppen a távozó füstgáz hőtartalmának legnagyobb részét nyerik ki, és a távozó égéstermék 60-80 °C körül van, a vízgőz még a készülékben kondenzál. Így a kondenzációs készülék hatásfoka fűtőértékre számítva 100% fölötti. Kondenzációs készülékekre is igaz a 8-14% földgáz-megtakarítás?
Tudományos tények
"A mágneses térnek a szénhidrogénekre gyakorolt hatása már bizonyított. 1994-ben Oláh György professzort a Svéd Királyi Tudományos Akadémia a legmagasabb elismerésével, Nobel-díjjal jutalmazta." A két mondatot külön-külön kell olvasni. A mágneses térnek a folyékony szénhidrogénekre gyakorolt hatásával sokan, sokat foglalkoztak, gyakorlati hasznosításra is találni példákat. A gáz halmazállapotú szénhidrogénekre a mágneses terek hatása nem közismert, legalábbis a gázipar irodalmában nem találni nyomát. Oláh György Nobel-díjas kémikus, egyetemi tanár - mint ahogy életrajzában is olvasható - hatalmas és tartalmas életpályája során foglalkozott a szénhidrátokkal, majd a szénhidrogén-kémia több területével. A kvantumkémiai kutatásai a szénatomok elektronjainak dinamikus kvantummechanikai viselkedése megismerésére irányultak. Elsők között alkalmazta a magmágneses rezonanciaspektroszkópiát. Oláh professzor pályájának eredményeit áttekintve nem találkozunk a gáz halmazállapotú szénhidrogének és a mágneses terek kölcsönhatásának kutatásával.
"Régóta tudjuk, hogy azokra az anyagokra, amikben szén található, van hatása a mágneses térnek. Gondoljunk a tiszta vasra, a mágneses tér nem hoz létre észlelhető változást. Míg azokban a vasféleségekben, amelyekben szén található, a mágnes magához vonzza a vasat. Így könnyebb elképzelni, hogy a szénhidrogének molekuláiban található szénre is hatással van a mágneses kezelés." A cseppfolyós szénhidrogének (benzin, motorikus gázolaj, fűtőolaj stb.) összetétele pontosan gyakorlatilag nem határozható meg. A folyékony szénhidrogén általában nagyobb részt legalább 5 szénatomot tartalmazó telített szénhidrogénből, telítetlen szénhidrogénekből, aromásokból áll. A folyékony tüzelőanyag a szállítás, a tárolás során változik, átalakul.
Nem zárhatjuk ki azt, hogy a cseppfolyós szénhidrogénekre a mágneses tér hatással van. A hatást azonban elsősorban az alkotók jobb keveredésében kereshetjük, ami a tüzelőanyag égés előtti porlasztását valóban elősegíti, a tüzelőanyag keveredését az égési levegővel javítja. Ezek a tényezők a tüzelőanyag jobb kiégését eredményezhetik, a tüzelési hatásfok emelkedhet. A mágneses tereknek a gáz halmazállapotú szénhidrogénekre gyakorolt hatása számomra újdonság. Keresem a földgáznak azt a fizikai tulajdonságát, amelyet a mágneses tér befolyásolhat. Mivel a mágneses tér a földgáz alkotóinál kémiai reakciót, az egyes komponensek átalakulását nem indíthatja el, ezért a mechanikus hatások közül csak a gázkeverék homogenizálását tudom feltételezni.
"Ha kellő erősségű és sűrűségű homogén mágneses mezőn keresztülvezetjük pl. a földgázt, a sűrű erővonalak a hoszszú szén-láncszerkezeteket hosszában szétfésülik."
Álljon itt két tipikus hazai forgalmazású földgáz átlagos összetétele (térfogat %):
A hazai földgázforgalmazás döntő többségét kitevő orosz import földgázban a metán a jellemző éghető komponens. A metán telített szénhidrogén, molekulaszerkezete kiegyensúlyozott, szimmetrikus. A kettő vagy több szénatomszámú paraffin homológok jelenléte nem meghatározó. Ha feltételezzük, hogy az etán-bután telített szénhidrogénekre a mágneses tér hatása nagyobb lehet, mint a metánra, akkor is jelentéktelen befolyást jelenthet a mágneses tér a földgáz tüzeléstechnikai jellemzőire. Az éghető anyagok legtöbbjét adó paraffin homológok a fogyasztónál gáz halmazállapotban vannak jelen. Az MSZ 1648 szabvány rögzíti a földgáz minőségi jellemzőit. A szabvány a szénhidrogén-harmatpontra is tartalmaz megkötést, amely harmatpont a földgáz pentán-oktán összetevőinek mennyiségétől függ. Az előírt harmatpontot a következő felső határokkal lehet betartani:
Mivel az összes, a szállítás, elosztás áramlási viszonyai mellett kondenzálódásra hajlamos összetevő az orosz gázban 0,1 tf %, az algyői gázban is csak 0,3 tf %, nem lehet feltételezni, hogy a magasabb szénatomszámú földgáz- komponensek képezhetik a mágneses térrel elérhető eredmény alapját. A földgázban a fogyasztónál az aromás vegyületek, a telítetlen szénhidrogének nyomokban fordulhatnak elő. Ezek a szállítási körülmények között könnyen kondenzálódó szénhidrogének a hosszú szállítási úton és a többszöri kompresszorozás során leválasztásra kerülnek. A fogyasztónál megjelenő magasabb szénatomszámú, előző vegyületek az égés jellemzőit igen kis mértékben befolyásolják. Vagyis "hoszszú szén-láncszerkezetek" gyakorlatilag nincsenek a földgázban, ezek szétfésülése nem létező folyamat. A földgázt szagosítják. A szagosító- anyag - éppen az intenzív szaghatás biztosítása érdekében - aktív kénszármazék vegyület, általában terta-hidro-tiofén és etilmerkaptán keveréke. A szagosítóanyag és a mágneses terek kölcsönhatása nem ismert, de a szagosítóanyag kis mennyisége még mágnesesen aktivált állapotban (?) sem játszik mérhető szerepet a földgáz elégetésében.
Ha áttekintjük a földgáz-összetevők néhány fizikai és tüzeléstechnikai tulajdonságát, akkor felismerhetjük az egyes komponensek lényegesen eltérő sajátosságait. Nézzük elsőként az összetevők relatív sűrűségét:
Minél nagyobb két gáz relatív sűrűségének különbsége, annál nehezebb homogén gázkeveréket előállítani. A nyugalomban lévő gázkeverékben azonnal megindul a sűrűség szerinti rétegződés. A vízszintes lamináris áramlásnál feltételezhetjük az egyes eltérő sűrűségű összetevők nem tökéletes keveredését. Turbulens áramlásnál is valószínű, hogy két szomszédos molekula lehet azonos. Mivel a földgáz-összetevők között a nagyobb relatív sűrűségű alkotók aránya kicsi, ezért a gázkeverék homogenizálása nincs különös hatással a tüzeléstechnikai jellemzőkre. Nézzünk egy másik fizikai jellemzőt.
Adjuk még meg a szén-monoxid adatait is:
Égéshő és fűtőérték: 12,68 MJ/Nm3.
Ha feltételezzük, hogy a mágneses tér hatása a magasabb szénatomszámú öszszetevők esetén a jobb (keveredést az oxigénnel) kiégést segíti elő, akkor valóban fontos a magasabb égéshővel/fűtőértékkel rendelkező komponensek teljes elégésének segítése. A jellemző földgáz- összetételek alapján azonban több százaléknyi tüzelési hatásfokjavulás ezen okból nem érhető el. Nézzük még meg az egyes alkotók tökéletes elégetéséhez szükséges elméleti levegőszükségletet:
Ismét megállapíthatjuk, hogy a magasabb szénatomszámú gázok elégetéséhez szükséges oxigén/levegőmennyiség a szénatomszámmal nő, tehát a komponens elégetésénél nagy szerepe van a gáz és az égési levegő lehető legtökéletesebb keverésének. Ha a mágneses tér a magasabb szénatomszámú összetevők keveredését elősegíti a levegővel, akkor ez az égés hatásfokát javíthatja. A földgáz összetételét nézve azonban ismét megállapíthatjuk, hogy a mágneses tér hatása azonban több százaléknyi tüzelési hatásfokjavulást nem okozhat. A gázok gyulladási hőmérséklete, a Wobbe-számok, a lángterjedési sebességek közötti eltérések, a gyulladási koncentrációhatárok közötti különbségek a metán és a magasabb szénatomszámú paraffin homológok között kisebb, ezért ezek értékelésétől eltekinthetünk.
Vessünk egy pillantást magára az égésre. Az egyes éghető
komponensek égési egyenletei:
Metán CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
Etán 2C2H6 + 7O2 = 4CO2 + 6H2O
Propán C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O
Bután 2C4H10 + 13O2 = 8CO2 + 10H2O
Szén-monoxid 2CO + O2 = 2CO2
A tökéletes égésnél csak szén-dioxid és víz keletkezik, nyilván az égéshez bevitt levegő egyéb komponensei (szén-dioxid, nemesgázok, nitrogén) nem vesznek részt az égésben. Tökéletes égés a mindennapi gázkészülékekben azonban nincs, mindig keletkezik szén-monoxid, a levegő oxigéntartalmának egy része reakcióba lép a levegő nitrogénjével, és NOx komponensek keletkeznek, és elégetlen szénhidrogén is lehet a füstgázban. A gázkészülékekben az égéshez az elméletileg szükséges levegőmennyiségnél 10-20%-kal többet kevernek a földgázhoz, a biztonságosabb elégetés érdekében. A felesleges levegő a füstgázzal távozik, hőmennyiséget visz magával. Minél kevesebb a füstgázban az éghető gáz, annál jobb hatásfokú lehet a gázkészülék. Minden olyan technikai megoldás, amely a gáz tökéletesebb elégését, az égéshez szükséges levegőmennyiség csökkentését szolgálja, a gázkészüléket "értékesebbé" teszi.
A gázkészülékek károsanyag-kibocsátása nagyon fontos környezetvédelmi kérdés. A világ minden országában szabályozzák a tüzelőberendezések károsanyagkibocsátását, és közvetlen, illetve közvetett eszközökkel törekszenek a légszenynyezés leszorítására. Magyarországon az Európai Unió környezetvédelmi követelményeinek megfelelő gázkészülék hozható forgalomba. Nyilván nem teljesíti ma még minden üzemelő gázkészülék ezt a viszonylag szigorú követelményt, mert vannak régebbi készülékek is üzemben, mint a szabályozás megszületése. A 22/1998. (IV. 17.) IKIM rendelet a gázfogyasztó készülékek kialakításáról szól, és a háztartási, kommunális fogyasztóknál lévő gázkészülékek megfelelőségi követelményeit tartalmazza. A 13/2004. (II. 13.) GKM rendelet az ipari és mezőgazdasági fogyasztóknál szokásos gázkészülékek megfelelőségi követelményeit foglalja össze. Mindkét rendelet utal az egyes gázkészüléktípusokra vonatkozó szabványok részletes követelményeire.
A 14/2001. (V. 9.) KöM-EüM-FVM rendelet a légszennyező pontforrások egészségügyi kibocsátási határértékeit írja elő. A CO határértékei:
Órás határérték: 10000 ?g/m3
24 órás határérték: 5000 ?g/m3
Éves határérték: 3000 ?g/m3
A rendelet az általános technológiai kibocsátási határértékként a CO-ra 500 mg/m3 értéket ír elő.
Az áttekintett új technológia elsősorban a háztartási és kommunális gázfogyasztó készülékek esetében ajánl különös előnyt, ezért nézzük meg, az MSZ EN 297 és az MSZ EN 26 szabványok mit írnak a gázkészülék károsanyag kibocsátásáról, ezen belül is a CO-kibocsátásról. Mindkét szabvány a B jelű gázkészülékekre (égéstermék-elvezetéssel rendelkező, az égési levegőt a gázkészülék helyiségéből felvevő készülék, ahol az égéstermék visszaáramlása a helyiségbe nem kizárt) a névleges hőterhelésen, a legkisebb és a határhőterhelésen elvégzett torlasztásos és visszafúvásos mérés esetén sem lehet több az égéstermék szén-monoxid-tartalma, mint 0,1 tf %. Ez a követelmény nem újkeletű, a ma hazánkban használt gázkészülékek közül csak pár tucatnyi lehet, amelyik régebbi, mint a követelmény megjelenése. Ezt a károsanyag-kibocsátási normát minden gázkészüléknél be kell tartani, a gyártási és forgalmazási előírások be is tartatják. Az égéstermék igen alacsonyra korlátozott szén-monoxid-tartalma mellett elégetlen szénhidrogént csak nyomokban tartalmazhat.
Minden gázkészülék a használat során kopik, szennyeződik, beállítási paraméterei változhatnak. Az évenként szakemberrel felülvizsgáltatott gázkészüléknél azonban a CO-kibocsátás könnyen mérhető, és mérik is, mert közvetlenül utal a gázkészülék beállításának helyességére. A sok éve be nem szabályozott és ellenőrzött készüléknél a CO-keletkezés a megengedett érték fölötti lehet, de 0,5 tf % feletti CO-tartalmú égésterméknél megjelenhet a koromképződés is, ami a készüléktulajdonost figyelmezteti a felülvizsgálat szükségességére. Tételezzük fel, hogy egy gázkészülék 0,1 tf % szén-monoxidot bocsát ki, és ezt a technológiával teljes egészében el tudjuk égetni. Egyszerűség kedvéért számoljunk azzal, hogy egy m3 földgáz elméletileg tökéletes elégetéséhez 10 m3 levegő szükséges. A biztonságos elégetés érdekében egy mai gázkészülék 11 m3 levegőt visz az égéstérbe. Keletkezik 12 m3 hígítatlan égéstermék, amelynek 0,1 tf %-a CO, vagyis 12 liter. Az egy m3 földgáz elégetésével 34 MJ hőmennyiség keletkezik. 12 liter CO elégetésével 0,15 MJ hőmennyiség keletkezik, ami a 34 MJ-nak éppen 0,44%-a. Még nem tartunk a beígért 10-18% (pláne nem a 38,6%) megtakarításnál. Miből áll elő a többi megtakarítás? Még keresem a választ.
"Mindenki számára ismert az elektro-sztatikus feltöltődés (pl. műszálas ruhák súrlódása utáni feltöltődés), a gáz súrlódása a csövekben. Ez az összetartó erő szűnik meg a mágneses erővonalak hatására. A homogén mágneses mezővel mágnesezett szénhidrogén-molekulák taszítják egymást."
A gyakorlati gáziparban újdonságként hat a földgáz elektrostatikus feltöltődése. Az biztos, hogy a cseppfolyós gázok szállítása, tárolása, töltése során a rendszereket elektrostatikus feltöltődés ellen védeni kell, de gáz halmazállapotú szállító, elosztórendszereknél ez a jelenség ismeretlen. A földgázszállítás irodalma sem említi ezt a jelenséget. Lehet, hogy azért nem találkozhatunk ezzel a jelenséggel, mert a szállító-, elosztó- és fogyasztói rendszerek földeltek, vagy a villamos egyenpotenciál-ponttal össze vannak kötve, esetleg aktív korrózióvédelem alatt üzemelnek. Az igen elterjedten használt polietilén elosztó-vezetékes szállításnál létező jelenség az elektrostatikus feltöltődés, ami a műanyag cső falán alakul ki. Az elektrostatikus feltöltődés a villamosan nem vezető anyag (műszálas ruha, PE gázcső) felületén jön létre, nem az érintkező gázmolekulák között. A gáz súrlódása a csövekben természetes jelenség. A súrlódás mérésének, kiszámításának, csökkentésének irodalma könyvtárnyi mértékű. Ez a súrlódás azonban az áramló közeg nyomásának csökkenésén kívül mást, elektromos vagy mágneses jelenséget nem idéz elő.
"A technológia segítségével ugyanabból a mennyiségű szénhidrogénből több energiát nyerhetünk ki. Ugyanazt a mennyiségű energiát kevesebb szénhidrogén elégetésével kapjuk meg. Ebből következik, hogy szénhidrogént takaríthatunk meg (10-20%-ot)." Ugyanabból a szénhidrogén-mennyiségből több energiát akkor nyerhetünk ki, ha a technológia többlet energiát juttat a szénhidrogénbe; például melegíti, vagy a szénhidrogéneket hosszabb szénatomszámú vegyületté alakítja, polimerizálja. Ezeket a többletenergia-beviteleket a leírás nem sejtetet, csak arról szól, hogy mechanikai átrendezést hajt végre a szénhidrogén-molekulák között. Nem lehet kizárni, hogy a földgáz alkotóinak keveréke homogenizálódik a technológia hatására, és az így kezelt földgáz az égési levegővel homogénebb keveréket alkot. A gondolatmenetet követve célszerű lenne a földgázhoz kevert levegőt is hasonló módon homogenizálni.
"A háztartási gázkazánok esetében a legjobb eredményeket a hagyományos tálcaégős rendszereknél, valamint a nagyon elterjedt gázkonvektoroknál lehet elérni. Az eredmény 10-18% is lehet. Természetesen a modernebb (és drágább) készülékeken is komoly megtakarítás érhető el (4-10%)."
Ha az ajánlott technológia a háztartási gázkészülékeknél eredményezi a legnagyobb megtakarítást, akkor kijelenthetjük, hogy a gázkészülékek legtöbbje atmoszférikus előkeveréses gázégővel üzemel. (A tálcaégő nem használt megnevezés.) A modernebb és drágább háztartási gázkészülékek legtöbbjénél is ugyanazt a gázégőkonstrukciót találjuk, mint az olcsóbb, egyszerűbb készülékekben, vagyis nem érthető, hogy mitől függ a lehetséges megtakarítás mértéke. Vannak olyan háztartási gázkészülékek is, amelyek modern gázégővel (pl. mátrix égő) szereltek, amelyeknél az égőbe juttatott gáz-levegő keverék mennyisége folyamatosan szabályozható. Szintén háztartási kategóriában vannak blokk- gázégővel szerelt kazánok is. Ha a technológia a földgáz kezelésén alapszik, akkor miért alacsonyabb az elérhető megtakarítás a nem atmoszférikus, előkeveréses égők esetében?
"A technológia előnye, hogy háztartási méreteknél (8-46 kW-ig) a gázkészülékekre könnyen rászerelhetők." A technológia a rendelkezésünkre álló fénykép szerint a gázkészülékhez csatlakozó gázvezetékre csatolt eszközt jelenti. A 8-46 kW teljesítményű gázkészülékek földgáz-ellátására DN 15-DN 25 méretű, legalább 1,4 mm falvastagságú acélcsövet építenek be. Biztosnak tekinthetjük, hogy a felcsatolt (mágneses) szerelvény hatással van az acécsőre. Ma már elterjedt a rézcső használata is, az előzőeknek megfelelő rézcső mérete DN 15 és DN 22. Nem szól a technológia arról, hogy a lehetséges megtakarítást befolyásolja-e, hogy acél- vagy rézcsövön alkalmazzák-e?
Referenciák
A honlap bemutat cégeket és gázkészülékeket, valamint az elért gázmegtakarítást %-ban. A gázkészülékek között konvektorok, falikazánok vannak, kár, hogy a referenciakészülékek pontos nevét és típusát nem mindegyik esetben tüntették fel. A megtakarítások 8,33% és 38,6% között szóródnak. Hosszú listát is csatoltak, ezen több ismert háztartási gázkészülék mellé írtak különböző megtakarítási százalékokat. A gázkészülékek típusmegjelölése erősen hiányos és pontatlan. Nem javítja a technológia megítélését az sem, hogy ugyanazon gázkészüléknél lényegesen eltérő megtakarítást érnek el. Ebből azt a következtetést lehet levonni, hogy a lehetséges megtaka- rítás a gázkészülék típusán kívül még valami titokzatos egyéb tényezőtől is függ. A megtakarítások leírásához értékes kiegészítő információ lenne, ha megadnák:
Hol, milyen használati szokások mellett üzemelt a mért gázkészülék?
Azonos volt-e a két referenciaidőszak üzemelési körülménye?
Azonos meteorológiai jellemzői voltak-e a két összehasonlított időszaknak?
A megtakarítást gázmennyiségben vagy földgázköltségben mérték-e?
Változott-e a földgáz valamelyik fizikai paramétere a két vizsgált időszakban?
Maradt egy sor kérdés és kétség. Mérnökként az a praktikus gondolatom támadt, hogy mérjünk. Két hónap vagy év fogyasztásának aprólékos összehasonlítása helyett egyszerű mérést ajánlok. Elemezzük ugyanazon gázkészülék égéstermékét a technológia nélkül, és a technológia beépítése után. Egy mérés nem mérés, legyen mondjuk öt-öt mérés, a lehető legjobb műszerrel és szabványos mintavétellel, állandósult üzemi állapot mellett, lehetőleg laborban. Mérjük a füstgáz CO- és metántartalmát, hőmérsékletét. Csináljuk meg ezt a méréssorozatot konvektornál, falikazánnál, vízmelegítőnél is. A technológiával szerelt gázkészüléknél a füstgáz CO- és metántartalmának egyértelműen alacsonyabbnak (akár nullának) kell lenni. Ha ez a feltételezés igazolódik, akkor az éghető tartalom különbségéből számítható a tényleges megtakarítás. Kissé tartok attól, hogy a honlapon ígért megtakarítás teljes mértékben nem nyer igazolást.
