A cserépkályha korszerű méretezési számításai
2015/4. lapszám | Nagy Zoltán | 9148 |
Figylem! Ez a cikk 10 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Egy korszerű cserépkályha műszaki tervezésének legfontosabb eleme a méretezési számítás. Mit tudunk méretezni a cserépkályhán? Mi fán terem mindez? És egyáltalán mire jó?
A cserépkályha-építés egy hagyományos kézműves szakma. Ám mivel egy működő berendezést építünk – ami ráadásul nem is olcsó –, a működéssel szemben jogos elvárás az előre kiszámíthatóság. Ráadásul mivel ez a működő berendezés egy tüzelőberendezés, még bizonyos környezetvédelmi szabályozással is szembe kell néznünk – legalábbis idővel.
Tőlünk nyugatra már jó ideje léteznek károsanyag-kibocsátási és hatásfok-előírások ebben a kategóriában is, ráadásul ezek időről-időre szigorodnak. Előbb-utóbb nálunk is várható a bevezetésük, így ennek a kézműves szakmának is meg kell ismerkednie a műszaki tervezés és dokumentálás fogalmával.
A cserépkályha teljesítménye, névleges fűtési idő
A legalapvetőbb méretezési szempont, hogy a cserépkályha teljesítményét az igényeknek megfelelően határozzuk meg. A teljesítményméretezés szerepe meghatározó, ha a cserépkályha az elsődleges fűtés szerepét tölti be, ám akkor sem kevésbé fontos, ha csak kiegészítő fűtésként kívánjuk használni azt. A cserépkályha fűtési teljesítménytartománya a névleges teljesítmény negyedétől a névleges teljesítményig terjed, tehát viszonylag szűk. Amennyiben a cserépkályha teljesítményét a fűtési teljesítményigényhez pontosan igazítjuk, azaz a névleges teljesítmény megegyezik a maximális fűtési teljesítményigénnyel, úgy a cserépkályha mind elsődleges, mind kiegészítő fűtésként remekül helytáll. Ám ha a névleges (azaz egyben maximális) fűtési teljesítményünk a maximális fűtési teljesítményigény alatt marad, a főfűtésként beépített cserépkályha nagy hidegekben kudarcot vall. Egy kiegészítő fűtés szerepét betöltő cserépkályhánál ez kisebb probléma. A névleges fűtési teljesítmény túlméretezése azonban már mindkét esetben gondot jelent, mivel a fűtési idény nagyobbik részében (amikor nincs nagy hideg) a helyiségek túlfűtése nélkül a cserépkályha működése nem lesz megfelelő.
A cserépkályha számítógépes látványterve
A cserépkályha számítógépes látványterve
A cserépkályha teljesítményének meghatározásához természetesen rendelkezni kell a fűtendő épület (helyiségek) – maximális hőveszteségre is kitérő – energetikai számításaival.
A névleges teljesítmény meghatározásával együtt határozzuk meg a névleges fűtési időt. Ehhez a fűtendő épület energetikai paraméterein túl a hőtárolási tulajdonságait is figyelembe vesszük. Ennél is fontosabb, hogy a leendő tulajdonosok életvitelét is számításba vegyük, hiszen a névleges fűtési időtől függ, hogy a fűtési idény egyes szakaszaiban mennyi elfoglaltsággal jár a cserépkályhával való fűtés, azaz milyen gyakran kell begyújtani. A névleges fűtési idő alapján határozzuk meg később a cserépkályha szükséges hőtároló tömegét, falvastagságait, hogy a cserépkályha egyenletes hőleadását biztosítsuk. A hőtárolást ugyanis – az épület hőtárolásával megosztva – nagyrészt a cserépkályha tömege biztosítja.
A tűztér és a járathossz
A cserépkályha tűzterében az égés igen magas hőmérsékletű, ebből következően hatékony kell, hogy legyen. Öko-címkés cserépkályha-tűztérben az égés 99% feletti hatásfokú, azaz a kályhából elégetlenül távozó éghető anyagok aránya (kémiai veszteség) 1% alatti. Az optimális égési körülmények biztosításához szükséges a berakható famennyiség alapján a megfelelő tűztérméretek és -geometria meghatározása. A korábban meghatározott teljesítményből és névleges fűtési időből következik a tűztérbe berakható famennyiség – a tűztér alapterületét, belső felületét, geometriáját ehhez a famennyiséghez igazítjuk. Hiszen egyrészt ezt a fát fizikailag be kell tudni rakni a tűztérbe, másrészt ennek a fának kell biztosítanunk az éppen optimális körülményeket az égéshez. Öko-címkés és más biotűztereknél a tűztér-méretezés másik fontos eleme a tűztér légbevezető csatornáinak méretezése. Ezzel biztosítható, hogy a légbevezetés nyomásesése éppen a későbbi, áramlástechnikai számítások során figyelembevett értékkel egyezzen meg. A berakható famenynyiségből és a megkívánt hatásfokból számítjuk az ehhez szükséges járathosszt.
Áramlástechnikai méretezés
Ez a méretezés legbonyolultabb, de egyben legfontosabb eleme, mivel a cserépkályha megfelelő működése az áramlástechnikai méretezéstől függ a leginkább. Itt gyakorlatilag az EN 13384-1 szabvány szerinti áramlástechnikai méretezésről van szó, csak – egyedi és bonyolult tüzelőberendezésről lévén szó – az EN 15544 szabványnak megfelelően a cserépkályha tűzterére és járataira is ki kell azt terjeszteni, valamint a nyomásfeltétel cserépkályhák esetén szigorúbb, mivel a cserépkályháknál (különös tekintettel a zárt rendszerben, külső égésilevegő-ellátással tervezett és épített kályhákra) nincs semmilyen huzatszabályozó berendezés.
Az égési levegő optimális mennyiségét kizárólag az áramlástechnikai méretezés biztosítja, nagy vonalakban a következőképpen.
A berakható maximális famennyiségből és a szabványban rögzített égési időből következik a fa égési sebessége, abból pedig a szükséges égésilevegő-térfogatáram és a keletkező füstgáz-tömegáram. Ezek alapján az égésilevegő-csatorna vagy egyéb bevezetés, tűztér, füstjáratok, összekötő elem, kémény egyes szakaszaira kiszámítjuk a súrlódási ellenállásokat, valamint minden egyes irányváltásra és egyéb áramlástechnikai ellenállással rendelkező pontra az alaki ellenállásokat (nyomásesések). Ugyancsak kiszámítjuk a tűztérben, a függőleges irányú komponenssel rendelkező járatokban (esetleg összekötő idomban) és a kéményben ébredő felhajtóerőket (nyugalmi nyomást). Természetesen minden egyes szakaszon és ponton hőmérsékletkorrekciót alkalmazunk a térfogatáramoknál, valamint a tengerszint feletti magasságot is figyelembe vesszük. Külön-külön ösz-szegezzük a nyomáseséseket és a nyugalmi nyomásokat, majd azokra a következő nyomásfeltételt vizsgáljuk:
3. kép: Öko-címkés tűztér méretezése az Osztrák Cserépkályha Szövetség programjával.
4. kép: Járatok áramlástechnikai számításai. Ezzel biztosítható, hogy a légbevezetés nyomásesése éppen a későbbi, áramlástechnikai számítások során figyelembe vett értékkel egyezzen meg.
5. kép: A kémény megadása.
A nyugalmi nyomások eredője legalább akkora kell, hogy legyen, mint a nyomásesések eredője, de legfeljebb 5%-kal lehet nagyobb. Ez természetesen nem fog elsőre összejönni, így a rendszer egyes pontjain módosításokat kell végrehajtani, hogy a nyomáseltérés a fenti intervallumba essen. A füstjárat hosszával (ily módon a kéménybe belépő füstgáz hőmérsékletével), a füstjárat-irányváltások számával és milyenségével, az égésilevegő-csatorna- és füstjárat-keresztmetszetekkel, a kéménymagassággal és -keresztmetszettel, szükség esetén a cserépkályha teljesítményével (ebből következően a berakható maximális famennyiséggel, tehát térfogatáramokkal) különböző irányokban befolyásolható az eredő ellenállás és a huzat, így előbb-utóbb elérhető a kívánt eredmény.
Természetesen minden egyes módosítási próbálkozásnál újra kell számolni a módosított rendszer egy részét vagy egészét, ez összességében több száz, akár ezer számítást is jelenthet. Megfelelő, kifejezetten cserépkályha-méretezésre kifejlesztett számítógépes program nélkül ez szinte elképzelhetetlen.
A méretezési számítások során a tüzelőberendezés huzatigénye, a bekötőidomba kilépő füstgázadatok érdektelenek, hiszen a munka során a teljes huzatigényt (tehát a teljes rendszer eredő ellenállását) és a nyugalmi nyomásokat (égésilevegő-bevezetés, tűztér, füstjáratok, összekötő elem, kémény) egyben kezeljük, és a beavatkozások során a tüzelőberendezés paraméterei is változnak.
Mire jó a nyomásfeltételek ilyen alapos beállítása? Az égés optimális levegőellátásának biztosítására! Hiszen az egész áramlástechnikai méretezést a cserépkályha tűzterébe berakható famennyiség (az abból következő tűzifa-égési sebesség) égéslevegő térfogatáram-igényére és keletkező füstgáz-tömegáramára végeztük! Így a pontosan belőtt nyomásfeltételek végzik a cserépkályha optimális égésilevegő-ellátását.
Sokan félreértik tehát az áramlástechnikai méretezés feladatát, mivel annak nem az a szerepe, hogy a „füst kibukjon a kéményen”, ahogy azt kéményméretezéssel foglalkozó néhány kollégától hallottam. A füst akkor is ki fog találni a kéményen, ha a nyomáseltérés negatív, csak az égés levegőellátása elégtelen lesz, annak minden károsanyag-kibocsátási, hatásfokbeli és egyéb működési következményével együtt. Ugyanez a helyzet, ha a huzat nagyobb a kelleténél, hiszen az égés minőségére a kelleténél több égési levegő is káros. Ez utóbbit (a túl nagy huzatot) a legtöbb tüzelőberendezésnél valamilyen (újabban többnyire automatikus) huzatszabályozás végzi, a cserépkályha esetében viszont csak a számításokkal megtervezett és annak megfelelően megépített rendszer. A hőmérsékleti (harmatponti) feltételre nem térnék ki, az teljes egészében a kéményméretezési sztenderdnek megfelelő.
Mit biztosít a precíz méretezés?
Létezik tehát a cserépkályhákra is olyan műszaki tervezési rendszer, amivel előre szavatolható azok optimális működése. Egy a szabványok szerint méretezett cserépkályha teljesítménye és egyéb működési paraméterei pontosan illeszthetők az igényekhez. A méretezésből következik a megfelelő, öko-címkés tűztérrel pedig kifejezetten alacsony károsanyag-kibocsátás és magas hatásfok. A legkorszerűbb cserépkályhák hatásfoka minimum 80%, károsanyag-kibocsátása pedig CO: 380 mg/MJ, NOx: 82 mg/MJ, Corg: 30 mg/MJ, szállópor: 28 mg/MJ.
Egy a megfelelő tűztérrel és egyéb elemekkel épített, de nyomásfeltételek szempontjából nem méretezett, vagy manuális huzatszabályozású cserépkályha károsanyag-kibocsátásáról, hatásfokáról és egyéb működési feltételeiről nem lehet hitelesen nyilatkozni, hiszen semmit sem tudunk annak égésilevegő-ellátásáról. A megfelelő, tanúsított szoftver-eszközzel végzett méretezés és megfelelő építés esetén viszont egy egyedi építésű cserépkályháról is hiteles hatásfok- és károsanyag-kibocsátási tanúsítvány állítható ki.
Hogy hogyan működtek mégis a kályhák korábban, bonyolult méretezés és EN szabványok nélkül? Pontosan úgy, mint minden más gépészeti rendszer. Egy felelősségteljes mérnöknek azonban ma már eszébe sem jutna egy bonyolult gépészeti rendszer megfelelő működéséről a vonatkozó szabványok szerinti méretezési számítások nélkül nyilatkozni. A múltban ugye egészen mást jelentett a megfelelőség: kit érdekelt, hogy egy kályha mennyit fogyaszt, vagy hogy mennyi az élettartama? Károsanyag-kibocsátás, szállópor, PM10, tüdőrák? Nem is léteztek ezek a fogalmak! Ha a kályha fűtött, megfelelő volt, ha nem, akkor nem volt megfelelő. Ilyen egyszerű volt ez! Ezenkívül a szituációk is jóval egyszerűbbek voltak; összesen néhányféle kéményre, azonos levegőellátás mellé kellett néhányféle cserépkályhát építeni. A mesterek tapasztalatból tudhatták, hogy milyen körülmények közé melyiket hogyan kell megépíteni. A jól ismert körülmények és korlátozott elvárások között ezek a tapasztalatok elegendők voltak, és remekül működtek.
Manapság ahány kémény, annyiféle. Igényes megrendelőknek teljesen egyedi igényeik vannak a kályha formáját, funkcióit illetően. Az épületeink is igen eltérők, ebből adódóan széles skálán kell méretezni a fűtési teljesítményt. A külső égésilevegő-bevezetés is egyre inkább alapkövetelmény, de nincs két azonos megoldás erre sem. Mester legyen a talpán, aki ilyen sokrétű szituációkban tapasztalatból tud garantálni szigorú kritériumoknak való megfelelőséget!
Nyilván hosszú idő kell ahhoz, hogy a szakma legalább egy szignifikáns része a korszerű követelményeknek (is) megfelelő cserépkályhát tudjon tervezni és építeni. Ám már most is van néhány ilyen kolléga, és bizony égető szükség van rá, hogy minél többen képesek legyenek erre. A világ egyre gyorsabban változik, ezzel a mi szakánknak is tartania kell a lépést! Ezt előbb-utóbb a szigorodó előírások is, de az építtetők inkább ki fogják kényszeríteni.
