Egy oldalon nyitott tűzterű kandallók 1. rész
A nyitott tűzterű kandallók méretezése 3 különböző módszer szerint történhet. Közös hiányosságuk, hogy vagy a kémény-áramkör megfelelőségének ellenőrzéséhez szükséges adatok, vagy a jellemző teljesítményadatok, vagy teljes mértékben az egyik sem határozható meg a segítségükkel. A bennük égő tűz nyitottságának függvényében többféle típus lehetséges, ebben az írásban csak az egy oldalon nyitott tűzterű kandallókkal foglalkozunk. Elsőként vizsgáljuk meg a Koszó József: Kandallók című könyvében ismertetett, régi német szabványokon alapuló eljárást, ami elsősorban a kandallók jellemző méreteinek megállapítására alkalmas. A könyvben az összefüggéseken kívül, a leadott teljesítmény függvényében, táblázatban megadott méreteket is találunk. Egyedi tervezéshez nem határoz meg a teljesítmény és a jellemző méretek közötti összefüggést, egy adott teljesítményhez tartozó méretek megállapításához diagramot használhatunk. Az ábrát tanulmányozva levonhatjuk a következtetést, az eljárás szerint a teljesítmény és a jellemző méretek aránya nem lineáris. Ezt igazolják a táblázatban megadott értékekkel végzett ellenőrző számítások is. A méretezésnek csak a kémény-áramkörbe történő illesztéshez szükséges részét mutatjuk be, nem foglalkozunk az ebből a szempontból irreleváns számításokkal. Az érdeklődők megtalálják ezeket a hivatkozott könyvben. Az elméleti képleteken kívül bemutatjuk a táblázatban szereplő kandallók Excel számolótábla segítségével elvégzett konkrét méretezését. A táblázatból kiválasztott 2,9 kW teljesítményű kandalló adataira fogunk hivatkozni a másik két módszer bemutatásakor. Legyen a tűztérnyílás szélessége „a” (mm). Ebből kiindulva nyílás magassága: ahol: b…. a tűztérnyílás magassága
(mm)
A tűztér mélysége:
ahol: c…. a tűztér mélysége
(mm)
A tűztérnyílás felülete:
ahol: Asz…. a tűztérnyílás felülete A füstcső keresztmetszete:
(m2)
2
ahol: Af…. a füstcső keresztmetszete
(m2)
A félreértések elkerülése végett, a könyv 1986 évi kiadásának 63. oldalán található általános, tehát mindegyik kandalló konstrukcióra vonatkozó leírás szerint a tűztérnyílás felülete 8…15ször nagyobb a kéménykürtő keresztmetszeténél. Ennek pontosítása a 68. oldalon található, egy oldalon nyitott tűztér esetében a keresztmetszetek aránya 1/8. A füstcső és a kémény keresztmetszetének közel azonosnak kell lenni. A füstcső oldalhosszúsága négyzet keresztmetszet esetén:
ahol: af…. a füstcső oldalhosszúsága
(mm)
A füstcső átmérője kör keresztmetszet esetén:
ahol: df…. a füstcső átmérője
(mm)
Fajlagos teljesítmény a táblázatban megadott értékekkel számított tűztérnyílás felülettel:
ahol: P…. P’….
a kandalló táblázatban megadott teljesítménye (kW) a kandalló táblázatban megadott felülettel kalkulált fajlagos teljesítménye (kW/m2)
Fajlagos teljesítmény az egyedi számítás szerinti tűztérnyílás felülettel:
ahol: P’sz…. a kandalló számított felülettel kalkulált fajlagos teljesítménye
(kW/m2)
Nem egyértelmű, hogy mi alapján történt a kandallók teljesítményének meghatározása. A 66. oldalon bemutatott diagram készülhetett elméleti megfontolás, vagy elvégzett tesztek alapján. Ezért a két fajlagos teljesítmény viszonyának vizsgálata csak arról tájékoztat, hogy milyen hatásai lehetnek a számított értékek kerekítésének.
3
1. számú ábra Itt és a további Excellel készült táblázatokban a beírt értékek zöld, az átvett értékek sárga kiemelő színnel vannak jelölve. A számított értékek jelöletlenek. Látható, hogy a táblázatban megadott méretek kismértékben különböznek a számítottaktól. Korábban már utaltunk rá, a könyvben további összefüggések és méretekre vonatkozó korlátozások találhatók, egy nyitott tűzterű kandalló méretezéséhez azokat is figyelembe kell venni. Problémát jelent, hogy sem a hatásfokra, sem a mértékadó légfelesleg tényezőre nem találunk konkrét utalást. A 67. oldalon található táblázat félreérthető, mert nem a leadott és a bevitt teljesítmény, vagy ha úgy tetszik, hőmennyiség arányát adja meg, hanem kandalló típusonként a sugárzással leadott teljesítmény vagy hőmennyiség hatásfokát az elméletileg leadható összeshez képest. De az nem tudjuk meg, hogy ez az összes hány százaléka az eltüzelt fából felszabadulónak, ezért az elégetett famennyiség sem határozható meg. A légcsatorna méretezésére vonatkozó, 69. oldalon közölt táblázatból nem derül ki a szállított levegő mennyisége. Elképzelhető, hogy a könyv megjelenésekor elegendő volt a megadott méretek betartása, de részben a fokozott légszigetelésű nyílászárók alkalmazása, részben a vonatkozó előírások miatt szükség van a levegőmennyiség pontos ismeretére. Enélkül nem méretezhető a kémény áramkör. Napjainkban a nyitott tűzterű kandallóknak nincs számításba vett fűtési értéke. Valószínűleg ez is közrejátszik abban, hogy a hőleadás szempontjából optimális tűztér mélységnél nagyobbakkal találkozhatunk. Az építők a hátrébb helyezett tűzzel a kifüstölés kockázatát kívánják csökkenteni az amúgy sem túlságosan érdekes hatásfok rovására. Összefoglalva, ezzel a számítási eljárással nem lehet meghatározni a kémény-áramkör ellenőrzéséhez szükséges alapadatokat, a tömegáramot és/vagy a kémény hőterhelését, az égéslevegő mennyiségét, a huzatszükségletet, és a tüzelőberendezésből kilépő füstgáz hőmérsékletét. A készülékre jellemző teljesítményadatok közül nem határozható meg a hatásfok és így az óránként eltüzelendő famennyiség.
4
Az MSZ EN 13384 kéményméretezésre vonatkozó szabványban a nyitott tűzterű kandallók kémény-áramkörbe történő illesztéséhez találunk adatokat és összefüggéseket, a szabvány nem foglalkozik a szerkezeti méretekkel. Az előzővel ellentétben elfogadhatónak tartja az álló tűztérnyílással épített készülékeket, de a füstgáz tömegáram tekintetében megkülönbözteti a fekvő, vagy négyzet alakú tűztérnyílással épültektől. A mértékadó füstgáz tömegáram:
ahol: ṁ…. a füstgáz tömegáram (kg/s) fmf…. az égéstermék tömegáram tényezője (kg/s∙m) Értéke fekvő és négyzet alakú tűztérnyílással épített kandallóknál f m= 0,139 (kg/s∙m) Értéke álló tűztérnyílással épített kandallóknál fm= 0,167 (kg/s∙m) A füstgáz gázállandója: ahol: RW…. RL…. fR…. σ(CO2)max….
a füstgáz gázállandója (J/kg∙K) a levegő gázállandója , értéke 288 J/kg∙K együttható a gázállandó számításhoz, értéke 0,001 % az égéstermék széndioxid tartalma, értéke nyitott kandallóknál 1%
A légköri nyomás: ahol: pL…. g…. z…. TL….
a légköri nyomás (Pa) a nehézségi gyorsulás , értéke 9,81 m/s2 a tengerszint feletti magasság (m) a külső levegőhőmérséklet (K)
A füstgáz sűrűsége kilépésnél:
ahol: ρW…. a füstgáz sűrűsége kilépésnél (kg/m3) TF…. a füstgáz mértékadó hőmérséklete, értéke 353 K (= 80 °C) A mértékadó huzatszükséglet:
ahol: pW…. a mértékadó huzatszükséglet
(Pa)
5
AW…. a füstgáz csonk keresztmetszete (m2) SE…. az áramlástechnikai biztonsági tényező, értéke 1,5 A szabvány szellőzőnyíláson, vagy állandó keresztmetszetű levegővezetékben keletkező áramlási sebesség számításához közöl összefüggést. Gyakorlati szempontból célszerűbb az égéslevegő mennyiségének kiszámítása, hiszen ez alapján lehet előzetesen meghatározni a keresztmetszetet, amit azután a kémény-áramkör méretezésekor igazolni kell. Az égéslevegő szükséglet a szabványban közölt képlet átalakításával:
ahol: VL1…. az égéslevegő szükséglet ρL…. az égéslevegő sűrűsége
(m3/s) (kg/m3)
Az égéslevegő sűrűsége:
2. számú ábra A táblázat összeállításakor az előzőekben használt tűztérnyílás méreteket vettük figyelembe. Az összehasonlíthatóság érdekében függőleges elrendezésnél, minden szerkezeti és esztétikai megfontolást figyelmen kívül hagyva 90 °-kal elfordított nyílást tételeztünk fel. Négyzet keresztmetszetű füstgáz csonkot alkalmaztunk, továbbá 200 m tengerszint feletti magassággal, és 15 °C levegő hőmérséklettel számoltunk.
6
Az MSZ EN 13384 szerinti számítással meghatározható a kandalló kémény-áramkörbe illesztéséhez minden szükséges adat. Ezzel szemben nem foglalkozik a teljesítményadatokkal, magával a teljesítménnyel, a hatásfokkal és az óránként eltüzelendő famennyiséggel. Továbbá nem találunk a szerkezeti méretek arányára vonatkozó információt. A nyitott tűzterű kandallók méretezésének harmadik lehetősége a Barlach formula szerinti számítás. Az Österreichischer Kachelofenverband honlapján közzétett változat szerint használhatóságának feltétele a 0,3-1,0 m2 közötti tűztérnyílás felület, és a 4-8 kg/h eltüzelt famennyiség. Továbbá a tűztér magasságának és szélességének aránya 0,67- 1,5 között, a tűztér mélysége pedig a magasság kétharmada legyen. Miután máshol nem találtuk meg ezeket a feltételeket, az eddig is használt szerkezeti méretekkel számoltunk. Megjegyezzük, hogy a honlapon egyéb szerkezeti méretekkel kapcsolatos határértékeket is találhatók, tehát ezt a számítást előnybe részesítőknek érdemes részletesebben tanulmányozni. A Barlach formula a tűztérnyílás a kéménykeresztmetszet és a hatásos kéménymagasság között határoz meg összefüggést. Attól függően, hogy melyik kettőnek az értékét ismerjük, vagy feltételezzük, három alakban írható fel. Ismert a tűztérnyílás felülete és a hatásos kéménymagasság. A kémény keresztmetszete:
ahol: AK…. A…. h…. e….
a kémény keresztmetszete (m2) a tűztérnyílás felülete (m2) a kémény magassága (m) áramlási sebességet befolyásoló tényező
Ismert a kémény keresztmetszete és a hatásos kéménymagasság. A tűztérnyílás felülete:
Ismert a tűztérnyílás felülete és a kémény keresztmetszete. A kémény magassága:
Az „e” áramlási sebességet befolyásoló tényező értéke telepítési és konstrukciós tényezőktől függ. Kiszámítása a konkrét kialakításhoz tartozó pontértékek összesítésével történik. A kémény anyagától függően: Acéllemez Előregyártott idomok Épített
1 pont 2 pont 3 pont
A kémény elhelyezkedésétől függően:
7
Belső térben Külső falba beépítve Két külső falba (sarokba) beépítve Külső térben
1 pont 2 pont 4 pont 6 pont
3. számú ábra A füstkamra formájától függően: Fúvókaforma (hiperbola, vagy logaritmikus görbe alkotóval) Csonkakúp forma Csonkagúla forma Összetett hasábforma
4. számú ábra A füstkamra és a füstgázvezeték anyagától függően: Acéllemez Előregyártott idomok Épített
1 pont 2 pont 3 pont
Az elzárószerkezet beépítésétől függően: A kialakítástól függetlenül
2 pont
A füstgázvezeték iránytöréseinek függvényében: 45°-os vagy lekerekített iránytörés
0,5 pont
0 pont 1 pont 3 pont 5 pont
8
90°-os iránytörés
1,5 pont
5. számú ábra Az „e tényező értékét a pontok összesítése után az alábbi táblázat alapján határozhatjuk meg:
Összesített pontszám
Értékelés
„e” tényező értéke
<3
Nagyon jó
0,15
3,5-8
Kedvező
0,20
8,5-11
Elfogadható
0,25
11,5-15
Közepes
0,30
15,5-20
Kedvezőtlen
0,40
20,5-25
Nagyon kedvezőtlen
0,50
>25
Használhatatlan
0,60
6. számú ábra Az égéslevegő mennyisége a összefüggéssel számítható, ahol: VL2…. az égéslevegő szükséglet
(m3/h)
Nincs utalás a levegő állapotára, tehát, hogy mekkora hőmérséklete, és mennyi a tengerszint feletti magasság. Az esetleges levegővezetékben 1-2 m/s közötti sebességet javasol.
9
7. számú ábra Ahol lehetett a korábban alkalmazott méretekkel számoltunk. A Barlach formulával a kandalló tűzterének nyílása, a kémény keresztmetszet, és a hatásos kéménymagasság egymáshoz viszonyított méreteit, valamint az égéslevegő mennyiségét számíthatjuk. Ezzel szemben nincs elegendő adat a kémény-áramkör ellenőrzéséhez, és nincsenek egyértelmű teljesítményadatok. Nyitott tűzterű kandallók esetében az építéshez és telepítéshez a méreteken kívül az alábbi adatok szükségesek: A kémény-áramkör méretezéséhez: Füstgáz tömegáram (kg/s) Füstgáz hőmérséklet a kilépésnél (°C vagy K) Égéslevegő mennyiség (m3/s) Huzatszükséglet (Pa) Természetesen szükség van a levegővezeték és a füstgázvezeték vonalvezetésére, keresztmetszetére és hosszúságára. A füstgázvezetéket (összekötő elemet) kötelezően a kandallót építő szakember készíti el, a levegővezetéket vagy ő, vagy legalább tudomása van róla. Teljesítményadatok, melyek ezeknél a tüzelőberendezéseknél csak tájékoztató jellegűek: Névleges teljesítmény (kW) Hatásfok (%) Óránként eltüzelt famennyiség (kg/h) Az ismertetett méretezési eljárások használhatóságát a következő táblázatban foglaltuk össze:
10
Koszó féle könyv
MSZ EN 13384
Barlach formula
Füstgáz tömegáram
Nem számítható
Számítható
Nem számítható
Füstgáz hőmérséklet
Nem számítható
Adott
Nem számítható
Égéslevegő mennyiség
Nem számítható
Számítható
Számítható
Huzatszükséglet
Nem számítható
Számítható
Nem számítható
Kikövetkeztethető
Nem számítható
Nem számítható
Hatásfok
Nem számítható
Nem számítható
Nem számítható
Óránként eltüzelt famennyiség
Nem számítható
Nem számítható
Nem számítható
Névleges teljesítmény
8. számú ábra A három eljárás közül a vonatkozó szabályoknak való megfelelőség szempontjából az MSZ EN 13384 szerinti méretezés a legmegfelelőbb. Hiányossága, hogy sem a teljesítményadatokkal, sem a szerkezeti méretek arányaival nem foglalkozik. A teljesítményadatokat az MSZ EN 15544 szabványban rögzített 4 Nm3/h elméleti levegőmennyiség, 4,16 kWh/kg fűtőérték, valamint megbecsült hatásfok és légfelesleg tényező segítségével spekulatív módon kiszámíthatjuk. A normálállapotú égéslevegő ρLN sűrűségét a megfelelő adatok behelyettesítésével a K15 képlettel meghatározhatjuk. Ennek ismeretében a levegőtérfogatra vonatkozó korrekciós tényező:
ahol: fL….
a levegőtérfogatra vonatkozó korrekciós tényező
Az óránként eltüzelt famennyiség:
ahol: m’FA…. λ….
az óránként eltüzelt famennyiség a feltételezett légfelesleg tényező
A nyitott tűzterű kandalló teljesítménye:
ahol: P…. a kandalló teljesítménye η…. a feltételezett hatásfok
(kW)
(kg/h)
11
A számítást elvégezhetjük mind az MSZ EN 13384 szabvány, mind a Barlach féle módszerrel kalkulált égéslevegő mennyiséggel.
9. számú ábra Összefoglalásként, és az egy oldalon nyitott tűzterű kandallók méretezésére tett javaslatként, először is szoros együttműködésre van szükség kémény-áramkör méretezésre jogosult épületgépész tervezővel. A megrendelő elképzelésétől és a környezeti adottságoktól, rendelkezésre álló hely, és/vagy kéményméret, függően el kell határozni a tűztérnyílás és a füstkamra csonk előzetes méretét. A kettő arányának megállapításához mind a Koszó könyvben, mind a Barlach formula szerinti összefüggéseket használhatjuk. Érdemes mind a kettőt megvizsgálni, és első lépésként a nagyobb csonkméretet adót választani. A csonkméret, a füstcső, azaz összekötő elem méret egyenlő, vagy legalább közel azonos legyen. Az előzetes méretek ismeretében az MSZ EN 13384 szabvány szerint meghatározhatók a tüzelőberendezés kémény-áramkör ellenőrzéséhez szükséges adatai. Az épületgépész a megfelelő program birtokában, ebben nagy segítségünkre lehet. A kandalló huzatszükséglete mellett a levegővezeték, és az összekötő elem nyomásveszteségét is figyelembe kell venni. A levegővezeték előzetes méretét a szabvány segítségével meghatározott levegőmennyiség figyelembevételével érdemes kiszámítani. A huzatszükséglet minimalizálása érdekében 1-2 m/s áramlási sebességet célszerű figyelembe venni. Meg kell tervezni a levegővezeték
12
nyomvonalát, hiszen a keresztmetszetén kívül pontosan ismerni kell a hosszúságát, az alaki ellenállást jelentő iránytöréseket, beépített elemeket, például rács, elzáró, stb. Meg kell határozni a füstcső a nyomvonalát (hosszúság, iránytörések, keresztmetszet változások, beépített elemek) ezenkívül az anyagát, falvastagságát. Többrétegű, különböző anyagokból készült falszerkezeteknél a rétegvastagságokat is meg kell adni. Ezeknek az információknak a birtokában elvégezhető a kémény-áramkör nyomás és hőmérséklet szempontból való ellenőrzése. Új építésnél meghatározhatók a kémény méretei, meglévő kémény esetében pedig a megfelelőség igazolásáig finomítani kell a kandalló, esetleg a levegővezeték és/vagy a füstcső méreteit. Könnyen előfordulhat, hogy mindhármat módosítani kell. A kémény áramkör megfelelőségének igazolása után kerülhet sor a teljesítményadatok meghatározására. Hangsúlyozottan tájékoztató jellegű értékeket kapunk, hiszen a bemutatott eljárásban két fontos jellemző, a hatásfok és a légfelesleg tényező feltételezett. A közölt számítási mód nem foglalkozik a nyitott tűzterű kandalló szerkezeti méreteinek egymáshoz való viszonyával. Ezzel kapcsolatban a szakértelmünkre, saját, vagy másoktól átvett tapasztalatokra, a Koszó féle könyvre, esetleg az interneten megtalálható összefüggésekre, tanácsokra támaszkodhatunk. Példaképpen nézzük meg az 5 jelű, fekvő tűztérnyílású kandalló méretezését: Környezeti feltételek: Tengerszint feletti magasság: z= 200 m Égéslevegő mértékadó hőmérséklete az MSZ EN 15544 szabvány alapján: tF= 15 °C. Kandalló méretek: Tűztérnyílás szélessége: a= 700 mm. Tűztérnyílás magassága a K1 képlettel számítva: bsz= 525 mm. Választott méret a Koszó féle könyv táblázata szerint: b=550 mm. A tűztérnyílás felülete a K3 képlettel számítva: A= 0,385 m2. Füstgázcsonk keresztmetszete a K4 képlettel számítva: Af= 0,0481 m2. Füstgázcsonk oldalhossza a K5 képlettel számítva, kerekítve: af= 220 mm. A kandalló kémény-áramkör méretezéséhez szükséges jellemzői: Füstgáz mértékadó hőmérséklete a kilépésnél az MSZ EN 13384 szabvány szerint tF= 80 °C. Mértékadó füstgáz tömegáram a K9 képlettel számítva: ṁ= 0,053515 kg/s. Mértékadó huzatszükséglet a K13 képlettel számítva: pW= 0,98 Pa Égéslevegő szükséglet a K14 képlettel számítva: VL1= 0,0422 m3/s A meghatározásukhoz szükséges segédértékek: Füstgáz gázállandója a K10 képlettel számítva: RW = 288,288 J/kg∙K Légköri nyomás a K11 képlettel számítva: pL= 94732,44 Pa Füstgáz sűrűsége kilépésnél a K12 képlettel számítva: ρW= 0,9309 kg/m3 Égéslevegő sűrűsége a K15 képlettel számítva: ρL=1,1421 kg/m3
13
A tájékoztató jellegű teljesítményadatok: Légfelesleg tényező feltételezett értéke: λ= 10 Feltételezett hatásfok: η= 15 % Óránként eltüzelt famennyiség a K21 képlettel számítva: m’FA= 3,51 kg/h Kandalló teljesítmény a K22 képlettel számítva: P= 2,19 kW A meghatározásukhoz szükséges segédértékek: Normálállapotú levegő sűrűsége a megfelelő értékek behelyettesítésével a K15 képlettel számítva: ρLN= 1,2337 kg/m3 Korrekciós tényező a K20 képlettel számítva: fL= 1,0802 Természetesen a légfelesleg tényező és a hatásfok, a szakmai tapasztalatok alapján, más értékkel is figyelembe vehető. A kémény-áramkör ellenőrzéséhez szükséges további információkat rajzban és szövegben is megadhatjuk. A füstgázvezeték leírása: A kandalló füstkamrájának csonkja 220x220 mm. A füstcső átmérője Ø220 mm. A teljes hosszúsága 960 mm, hatásos magassága 775 mm. Beépített alaki ellenállást okozó elemek: 100 %-ig nyitható, zárható tolózár 1 db. 220x220→Ø220, 200 mm hosszú átmeneti idom 1 db. 45 °-os könyökidom 1 db. A kéménybekötés szöge 45 °. A füstcső anyaga: 3 mm vastag acéllemez 50 mm vastag kőzetgyapot szigetelés. A levegővezeték leírása: A levegővezeték átmérője Ø 180 mm Beépített alaki ellenállást okozó elemek: Védőrács a beszívásnál 1 db. 90 °-os, íves iránytörés (r≈D) 2 db. Pillangószelep 1 db. A levegővezeték anyaga flexibilis alumínium cső. A kémény előzetes adatai: A kémény átmérője Ø220 mm. Hatásos magassága 5275 mm, aminek megoszlása: Fűtött belső térben 1375 mm Fűtetlen belső térben 2900 mm Külső térben 1000 mm. Fatüzelésre alkalmas Leier vagy Schiedel rendszerkémény.
