Égéstermék elvezetés tervezése Baumann Mihály PTE PMMK Épületgépészeti Tanszék
1
MSZ EN 13384-1 Égéstermék-elvezető berendezések. Hő- és áramlástechnikai méretezési eljárás. Égéstermék-elvezető berendezések egy tüzelőberendezéssel. 2002. december
MSZ EN 13384-2
Égéstermék-elvezető berendezések. Hő- és áramlástechnikai méretezési eljárás. 2. rész: Égéstermék-elvezető berendezések több tüzelőberendezés csatlakozással. 2003. május 2
MSZ EN 13384-3 Égéstermék-elvezető berendezések. Hő- és áramlástechnikai méretezési eljárás. Eljárás egy tüzelőberendezéssel rendelkező égéstermék-elvezető berendezések méretezésére szolgáló táblázatok és diagramok kidolgozására. 2005. október 3
MSZ EN 13384-3
4
Égéstermék elvezető berendezések csoportosítása
Kialakítás szerint: Normál (égéstermék elvezetés és levegő utánpótlás külön) Égéstermék elvezetés és levegő utánpótlás közösen (LAS)
Nyomás szerint: Huzat vagy szívás hatása alatt álló (depressziós) Túlnyomásos
Üzemmód szerint: Nedves üzemű (kondenzáció üzemszerűen megengedett) Száraz üzemű (kondenzáció károsítja a kémény szerkezetet)
5
Kémény áramkör részei szélnyomás PL
kémény PR
levegő bevezetés PB
bekötő vezeték PFV kazán PW
belépési pont PZ
6
Szélnyomás, kedvezőtlen kitorkollás A szélnyomást PL=25 Pa értékkel kell figyelembe venni belföldön. Kedvezőtlen a kitorkollás, ha a kitorkollás magassága a gerinc felett <0,4 m, és a vízszintes távolság a tetőtől <2,3 m, illetve: •A tető hajlásszöge >40° •A tető hajlásszöge >25°, a légbeszívás és kitorkollás a gerinc ellenkező oldalán van és a gerinctől való távolság >1,0 m 7
Szélnyomás, kedvezőtlen kitorkollás Környező tereptárgyak hatása:
Kedvezőtlen, ha: L<15 m α>30° β>10°
8
9
Nyomásfeltétel Huzat vagy szívás alatt működő (depressziós) égéstermék-elvezető berendezés A következő feltételeket kell betartani: PZ = PH - PR - PL ≥ PW + PFV + PB = PZe Pa (1) PZ ≥ PB Pa (2) Ahol: PB a bevezetett levegő szükséges szállító nyomása, Pa; PFV az összekötőelem szükséges szállító nyomása, Pa; PH a nyugalmi nyomás, Pa; PL a szélnyomás, Pa, PR az égéstermék-elvezető berendezés függőleges szakaszának ellenállási nyomása, Pa; PW a tüzelőberendezés szükséges szállító nyomása, Pa; PZ a szívónyomás az égéstermék-elvezető berendezés függőleges szakaszának bevezetési pontján, Pa; PZe a szükséges szívónyomás az égéstermék-elvezető berendezés függőleges szakaszának bevezetési pontján, Pa; 10
Nyomásfeltétel Túlnyomásos égéstermék-elvezető berendezés A következő feltételeket kell betartani: PZO = PR – PH + PL ≤ PWO – PB – PFV = PZoe PZO ≤ PZ excess PZO + PFV ≤ PZV excess
Pa Pa Pa
(3) (4) (5)
Ahol: PB a bevezetett levegő szükséges szállító nyomása, Pa; PFV az összekötőelem szükséges szállító nyomása, Pa; PH a nyugalmi nyomás, Pa; PL a szélnyomás, Pa, PR az égéstermék-elvezető berendezés függőleges szakaszának ellenállási nyomása, Pa; PW a tüzelőberendezés szükséges szállító nyomása, Pa; PWO a tüzelőberendezés maximális nyomáskülönbsége, Pa; PZO az égéstermék-elvezető berendezés belépési pontjának túlnyomása, Pa; PZoe az égéstermék-elvezető berendezés belépési pontjának maximális nyomáskülönbsége, Pa; PZ excess az égéstermék-elvezető berendezés engedélyezett üzemi nyomása, Pa; 11
Hőmérsékleti feltétel A következő összefüggést kell igazolni: K (6) Tiob ≥ Tg Ahol: Tiob állandósult viszonyok mellett a kitorkolásnál számított belsőfali hőmérséklet, K; Tg a belsőfali határhőmérséklet, K A száraz üzemmódban működő égéstermék-elvezető berendezések belső fal határhőmérséklete Tg az égéstermék harmatponti hőmérsékletének Tsp felel meg. A nedves üzemmódban működő (kondenzációs) égéstermék-elvezető berendezések esetén Tg = 273,15 K. Ez a feltétel az égéstermék-elvezető berendezés kitorkolásánál a jégképződéstől véd. 12
Égéstermék és égési levegő mennyiségének számítása Pontos számítás: sztöchiometriai számítással Közelítő számítás: Rosin - Fehling egyenletek Elméleti levegőszükséglet: Hi ′ Lmin = a1 ⋅ + a2 Nm3 / kg ill . Nm3 / Nm3 4186 Elméleti füstgázmennyiség:
[
V f′ min = b1 ⋅
Hi + b2 4186
Tüzelőanyag Szilárd Cseppfolyós Gáz 18420
[Nm
3
]
/ kg ill . Nm3 / Nm3
]
a1 a2 b1 b2 1,01 0,5 0,89 1,65 0,85 2,0 1,11 1,0 1,154 -0,466 1,215 0,05 0,2756 -0,466 0,29 0,05 13
Időegység alatti tüzelőanyag fogyasztás: Q& G= kg / s ill . Nm3 / s η ⋅ Hi Időegységre eső mennyiségek (tökéletes égés): ′ Lmin = G ⋅ Lmin Nm3 / s
[
]
[
V f min = G ⋅V f′ min Légellátási tényező: V f min n= Lmin
]
[Nm / s] 3
CO2 max ⋅ − 1 + 1 CO2
Tüzelőanyag Gyenge minőségű barnaszén Jó minőségű barnaszén Koksz Olajtüzelés Gáztüzelés
n 2,0 - 2,5 1,4 - 2,0 1,4 - 1,7 1,1 - 1,5 1,05 -1,25
14
Valóságos normálértékek:
L0 = n ⋅ Lmin
[Nm / s ] 3
V f 0 = r ⋅ V f min = V f min + (n − 1) ⋅ Lmin Égéstermék higítási tényező:
[Nm / s ] 3
CO2 max r= CO2 Valóságos értékek:
L=
T ⋅ p0 ⋅ L0 T0 ⋅ p
T ⋅ p0 Vf = ⋅V f 0 T0 ⋅ p
[m / s] 3
[m / s] 3
15
Égéstermék jellemzőinek közelítő számítása MSZ EN 13384-1 B.1 táblázat
16
Égéstermék jellemzőinek közelítő számítása MSZ EN 13384-1 B.1 táblázat
Égéstermék tömegárama: f m1 m& = + f m 2 ⋅ Q& F σ (CO2 )
[g / s ]
100 & & QF = ⋅Q
ηW
σ(CO2) QF Q ηW
égéstermék CO2 koncentrációja, % tüzelőberendezés hőterhelése, kW tüzelőberendezés teljesítménye, kW tüzelőberendezés hatásfoka, % 17
Égéstermék jellemzőinek közelítő számítása MSZ EN 13384-1 B.1 táblázat
Égéstermék gázállandója:
R = RL ⋅ [1 + f R ⋅ σ (CO2 )] σ(CO2) RL
[J / kgK ]
égéstermék CO2 koncentrációja, % levegő gázállandója R = 288 J/kgK
18
Égéstermék jellemzőinek közelítő számítása MSZ EN 13384-1 B.1 táblázat
Égéstermék fajhője:
(
)
1011 + 0,05 ⋅ t m + 0,0003 ⋅ t m2 + f c 0 + f c1 ⋅ t m + f c 2 ⋅ t m2 ⋅ σ (CO2 ) cP = 1 + f c 3 ⋅ σ (CO2 )
σ(CO2) tm
[J / kgK ]
égéstermék CO2 koncentrációja, % égéstermék középhőmérséklete, °C
19
Égéstermék jellemzőinek közelítő számítása MSZ EN 13384-1 B.1 táblázat
Égéstermék vízgőz koncentrációja, parciális vízgőznyomása és harmatponti hőmérséklete: 100 σ (H 2O ) = + 1,1 fW 1+ σ (CO2 ) pD =
σ (CO2 )
⋅ pL
[%]
[Pa]
100 4077,9 tp = − 236,67 23,6448 − ln ( pD )
σ(CO2) pL
[°C ]
égéstermék CO2 koncentrációja, % légköri nyomás, Pa
20
Égéstermék jellemzőinek közelítő számítása MSZ EN 13384-1 B.1 táblázat
Harmatponti hőmérséklet emelkedés:
∆Tsp = f s1 + f s 2 ⋅ ln (K f )
Kf
[°C ]
átalakulási tényező SO2-ről SO3-ra, %
21
Égéstermék jellemzőinek közelítő számítása MSZ EN 13384-1 B.1 táblázat
Égéstermék hővezetési tényezője és dinamikai viszkozitása: λ A = 0,0223 + 0,000065 ⋅ t m
[W / mK ]
η A = 15 ⋅10 −6 + 47 ⋅10−9 ⋅ t m − 20 ⋅10 −12 ⋅ t 2
m
tm
[Ns / m ] 2
égéstermék középhőmérséklete, °C
22
Többrétegű kör keresztmetszetű kémény hőátbocsátási tényezője Ha hőmérsékletek állandósultak:
kb =
1 Dh 1 1 + + α i Λ Dha ⋅ α a
Nem állandósult állapotban:
[W / m K ] 2
[
1 W / m2 K 1 1 Dh + S H ⋅ + αi ⋅ α Λ D ha a αi belső hőátadási tényező αa külső hőátadási tényező (1/Λ) hővezetési ellenállás Dh hidraulikai egyenértékű belső átmérő 23 Dha hidraulikai egyenértékű külső átmérő kb =
]
Többrétegű kör keresztmetszetű kémény hőátbocsátási tényezője Dh Dh,n+1 1 ⋅ ln = y⋅∑ ⋅ 2 λ D Λ n n h , n λn Dh Dh,n y
[m K / W ] 2
n-dik réteg hővezetési tényezője kémény hidraulikai egyenértékű belső átmérője n-dik körgyűrű hidraulikai egyenértékű belső átmérője alaktényező, y=1 kör és ovális keresztmetszetnél y=1,1 téglalap keresztmetszetnél 1:1,5 oldalarányig
24
Lehűlési tényező számítása Lehülési tényező:
U ⋅k ⋅L K= m& ⋅ c p
cp k L M U
égéstermék fajhője, J/kgK hőátbocsátási tényező, W/m2K szakasz hossza, m égéstermék tömegárama, kg/s belső kerület, m 25
Szakasz hőmérsékletek számítása Szakasz átlaghőmérséklete:
Te − Tu Tm = Tu + ⋅ 1 − e−K K
(
)
Szakasz kilépő hőmérséklete:
To = Tu + (Te − Tu ) ⋅ e − K K Te Tu
lehűlési tényező belépő égéstermék hőmérséklet környezeti hőmérséklet 26
Szakasz áramlási ellenállása PR = S E ⋅ PE + S EG ⋅ PG
[Pa]
ρm 2 L PR = S E ⋅ ψ ⋅ + ∑ ζ n ⋅ ⋅ wm + S EG ⋅ PG Dh n 2 ha PG ≥ 0 S EG = S E
[Pa]
ha PG < 0 S EG = 1,0
Dh L PE
PG SE SEG wm ρm ψ
hidraulikai egyenértékű belső átmérő, m szakasz hossza, m szakasz csősúrlódásból és alaki ellenállásokból származó áramlási ellenállása, Pa sebességváltozásból eredő nyomásváltozás, Pa áramlástechnikai biztonsági tényező sebességváltozásból eredő áramlástechnikai biztonsági tényező égéstermék közepes sebessége, m/s égéstermék közepes sűrűsége, kg/m3 csősúrlódási tényező
27
Áramlástechnikai biztonsági tényező A biztonsági tényező célja az üzem közbeni egyenlőtlenségek és az építési pontatlanságokból adódó kérdések kezelése: • a hőtermelő nem tervezett túlterhelése • a szokásosnál nagyobb légfelesleg-tényező az égésnél • falslevegő belépés az összekötő vezetékben vagy a kéményben • a számításokban figyelembe vett felületi érdességtől való eltérés • a kémény hőátbocsátási tényezőjének eltérése a tervezettől • méreteltérések • nem kívánatos légköri viszonyok Huzat hatása alatt álló rendszereknél SE = 1,5 Légtértől független üzemű ventilátoros készülékeknél SE = 1,2 Túlnyomásos rendszereknél SE = 1,2 minimálisan 28
Égési levegő bevezetés Megoldások: 1. Nyílászárók résein 2. Légbevezető elemekkel 3. Légellátó zsaluk, légcsatornák 4. Ventilátorral biztosított légellátás •
Légbevezető elemek ellenállását milyen állásban, milyen külső hőmérséklet mellett számítsam?
•
A kazánnak, vízmelegítőnek a lakótérben van a helye? 29
Szilárdtüzelésű berendezések •A készülékeknek jelentős ellenállása van. •Magas az égéstermék hőmérséklet – alacsony a hatásfok. •Nagy légfelesleggel üzemelnek.
30
Atmoszférikus égőjű készülékek nyomásigénye, égéstermék adatai
•Jellemző huzatigény érték 2-4 Pa •Jellemző égéstermék CO2 tartalom: teljes terhelésnél 5-8 % részterhelésnél 2-3 %
Ez teljes terhelésnél kb. 2, részterhelésnél 4 légfelesleg értéket jelent. 31
1000
1000
Atmoszférikus égőjű készülékek nyomásigénye, égéstermék adatai
32
Atmoszférikus égőjű készülék munkapontja Huzatm egszakítós kém ény m unkapontja
60
Huzat, ellenállás [Pa]
50
Munkapont
Ellenállás
40
30
Huzat 20
10
0 0
0.02
0.04
0.06
Levegő töm egáram [kg/s]
0.08
0.1
33
Túlnyomásos tűzterű, blokkégős kazánok
•Jellemző huzatigény érték 0 Pa. A kémény depressziós üzemmódban üzemel. •Égéstermék CO2 tartalom 10 % feletti, kis légfelesleg. •Égéstermék csonkon nagy sebesség, bővíteni célszerű. •Magas égéstermék hőmérséklet. 140-200 °C •Légellátás jellemzően ventilátorral. 34
Olaj- és gázkazánok adatai Blokkégős kazán ellenállása a tömegáram függvényében
100
50
P Wc,j
0
-50
-100
-150
-200 0
0.2
0.4
0.6 m Wc,j / m Wc
0.8
1
35
Olaj- és gázkazánok adatai
36
Hőtermelők tulajdonságainak tömegáramfüggése 2
PWc , j
m & t Wc , j = y 0 + y1 ⋅ Wc , j m & W ,j
mWc,j mW,j PWc,j tWc,j
3
m m m m & Wc , j & Wc , j & Wc , j & Wc , j = b0 + b1 ⋅ + b2 ⋅ + b3 ⋅ + b4 ⋅ m & W,j & W,j & W , j & W,j m m m
4
Pa
y2
°C
hőtermelő számított tömegárama, kg/s hőtermelő referencia tömegárama, kg/s hőtermelő számított áramlási ellenállása, Pa égéstermék számított kilépő hőmérséklete, kg/s
b0 … b4 és y0 … y2 tényezőket a gyártóknak kellene megadnia 37
Hőtermelők tulajdonságainak tömegáramfüggése Hőtermelő
Üzemállapot
PWc,j
tWc,j
b0
b1
b2
b3
b4
y0
y1
y2
Bekapcsolva
0
0
0
0
PW,j
0
tW,j
0,8
Kikapcsolva
0
0
PW,j
0
0
tuV,j
0
0
Folyékony tüzelőanyaggal üzemelő berendezések, ventilátor nélkül
Bekapcsolva
0
0
PW,j
0
0
tW,j
0
0
Kikapcsolva
0
0
PW,j
0
0
tuV,j
0
0
Atmoszférikus égőjű (deflektoros) berendezések
Bekapcsolva
0
0
PW,j
0
0
tuV,j
tW,j -tuV,j
-1
Kikapcsolva
0
0
PW,j
0
0
tuV,j
0
0
Bekapcsolva
-PWG,j
0
PW,j+ PWG,j
0
0
tW,j
0
0
Kikapcsolva
0
0
PW,j+ PWG,j
0
0
tuV,j
0
0
Szilárdtüzelésű, blokkégő nélküli berendezések
Gázüzemű berendezések, ventilátorral felszerelve
38
Turbó kazán ellenállása a tömegáram függvényében
100
50
P Wc,j
0
-50
-100
-150
-200 0
0.2
0.4
0.6 m Wc,j / m Wc
0.8
1
39
Turbó kazán ellenállása kikapcsolt állapotban
300
250
P Wc,j
200
150
100
50
0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5 m Wc,j / m Wc
0.6
0.7
0.8
0.9
40 1
Turbó készülékek
41
Turbó készülékek
42
Turbó készülékek
43
Turbó készülékek
44
Turbó készülékek
45
Turbó készülékek
46
LAS gyűjtőkémény méretezése Szabvány csak huzat hatása alatt álló (depressziós) rendszerrel foglalkozik Méretezés feltétele: •
Csatlakozó készülékek 0 Pa túlnyomással kapcsolódnak a függőleges szakaszhoz
•
Az égéstermék elvezetését és a levegő hozzávezetését a gravitáció biztosítja
•
A túlnyomás kiegyenlítő nyíláson hozzááramló levegő meghatározásával a munkapont meghatározása a feladat
Égéstermék hűl, égési levegő melegszik. 47
Turbó készülékek csatlakozása LAS gyűjtőkéményhez
48
