VEZETÉKES ENERGIAELLÁTÁS

Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék

DR. ZSEBIK ALBIN

VEZETÉKES ENERGIAELLÁTÁS

TÁVHŐSZOLGÁLTATÁS Oktatási segédanyag Munkaközi változat

Budapest, 2004. szeptember Jegyzet_Tavho_zsa.doc

Tartalomjegyzék Bevezetés......................................................................................................................................... 1 1. Távhőszolgáltatás........................................................................................................................ 2 1.1. Fogalommeghatározások...................................................................................................... 2 1.2. A rendszerszemlélet a távhőszolgáltatásban ........................................................................ 4 1.3. Háromszintű szabályozás ..................................................................................................... 5 1.2 Az energia értéke................................................................................................................... 7 2. A hőszükséglet .......................................................................................................................... 11 2.1. Fűtési hőszükséglet a méretezési külső hőmérsékletnél..................................................... 11 2.1.1. A belső kőmérséklet .................................................................................................... 11 2.1.2. A méretezési külső levegő kőmérséklet ...................................................................... 11 2.1.3. A hőszükséglet közelítő meghatározása...................................................................... 12 2.1.4. A fűtési hőszükséglet meghatározása részletes számítással........................................15 2.1.5. Külső transzmissziós hőáram ................................... Hiba! A könyvjelző nem létezik. 2.1.6. Belső transzmissziós hőáram ................................... Hiba! A könyvjelző nem létezik. 2.1.7. A filtrációs hőszükséglet .......................................... Hiba! A könyvjelző nem létezik. 2.1.8. A napsugárzásból származó hőáram ........................ Hiba! A könyvjelző nem létezik. 2.1.9. A belső hőtermelés ................................................... Hiba! A könyvjelző nem létezik. 2.1.10. A használati melegvíz méretezési hőszükségletének meghatározása ............. Hiba! A könyvjelző nem létezik. 2.2. A várható hőigény meghatározása...................................................................................... 15 2.2.1. A fűtési hőigény változása .......................................................................................... 16 2.2.2. A külső hőmérséklet-gyakoriság, léghőmérséklet tartamfüggvény ............................17 2.2.3. A fűtési hőigény tartamfüggvény................................................................................19 2.2.4. A hőigény meghatározása a melegvíz igény figyelembevételével.............................. 21 4. A hőhasznosítási mutató ........................................................ Hiba! A könyvjelző nem létezik. 4.1. A hőhasznosítási mutató célértéke ..................................................................................... 23 5. Fűtési rendszerek.................................................................... Hiba! A könyvjelző nem létezik. 5.1. A fűtési rendszerek csoportosítása .................................. Hiba! A könyvjelző nem létezik. 5.1.1. Egyedi-, központi-, távfűtés ..................................... Hiba! A könyvjelző nem létezik. 5.1.2. Víz-, gőz-, légfűtés ................................................... Hiba! A könyvjelző nem létezik. 5.1.3. Konvekciós és sugárzó fűtés .................................... Hiba! A könyvjelző nem létezik. 5.2. A hőleadók kiválasztásának szempontjai ........................ Hiba! A könyvjelző nem létezik. 5.2.1. A hőleadók néhány típusa ........................................ Hiba! A könyvjelző nem létezik. 5.3. Az elosztóhálózat............................................................. Hiba! A könyvjelző nem létezik. 5.3.1. Kétcsöves és egycsöves fűtési rendszerek ............... Hiba! A könyvjelző nem létezik. 8. Fogyasztói hőközpontok ........................................................................................................... 25 8.1. Közvetlen kapcsolású fogyasztói hőközpont...................................................................... 25 8.2. Közvetett kapcsolású fogyasztói hőközpont ...................................................................... 27 8.3. Közvetett kapcsolású fogyasztói hőközpontok összehasonlítása ....................................... 31 2. Hőszállítás ................................................................................................................................. 36 2.1. A fűtőközeg kiválasztása.................................................................................................... 36 2.1.1. Előnyök ....................................................................................................................... 37

2.1.2. Hátrányok .................................................................................................................... 37 2.2. Az elosztóhálózat topológiája............................................................................................. 37 2.3. A nyomásviszonyok változása a vezetékekben.................................................................. 41 2.3.1. A csővezeték jelleggörbe ............................................................................................ 41 2.3.2. A nyomás változása a csővezetékben.......................................................................... 44 2.4. A víz és gőz áramlása vezetékben ...................................................................................... 47 2.4.1. A hőhordozó közeg mennyiségének meghatározása................................................... 47 2.4.2. A gőz nyomásának esése a csővezetékben.................................................................. 50 2.4.3. A kondenzátum nyomásesésének számítása ...............................................................55 A veszteségek csökkentése a szállító rendszerben........................................................................ 61 A hőmérséklet csökkentésének módja....................................................................................... 61 Csővezeték hővesztesége...........................................................................................................62 Gőzvezeték nyomásvesztesége..................................................................................................63 Kondenz- és gőzrendszerbeli beavatkozások ............................................................................ 64 Szivattyúzási teljesítmény ......................................................................................................... 66 Fordulatszám szabályozású, energiatakarékos szivattyúk alkalmazása .................................... 67 Irodalom ........................................................................................................................................ 70

Bevezetés A lakossági és kommunális energiafelhasználás, ezen belül a hőfelhasználás jelentős hányadát képezi az ország energiafelhasználásának. Emiatt különös figyelmet érdemel annak feltárása, milyen műszaki megoldásokkal, milyen gazdasági ösztönzőkkel csökkenthető a hőfelhasználás, s annak alapenergiahordozó szükséglete az igényelt (hő)komfort maradéktalan kielégítése mellett. A fűtési és használati melegvíz igények kielégítésének - kapcsolt hő- és villamosenergia termelés, ipari hulladékhő és megújuló energiaforrások hasznosítása esetén – környezetkímélő módja a távhőszolgáltatás. „A távhő gazdaságos, folyamatos és biztonságos termelésére, szolgáltatására és fogyasztására, valamint e területeken az érdekek kölcsönös érvényesülésére vonatkozó alapvető rendelkezések meghatározására, továbbá a fogyasztóvédelem intézményrendszerének kialakítása céljából” az Országgyűlés törvényt alkotott (1998. évi XVIII. törvény, a továbbiakban Tszt.). A Tszt. általános követelményként határozza meg, hogy „a távhőszolgáltatást az élet-, az egészség- és a vagyonbiztonság, valamint a környezet és a természet védelmének érvényesülésével gazdaságosan a nemzetgazdasági, a fogyasztói, valamint az energiatakarékossághoz fűződő érdekeknek a Polgári Törvénykönyvben és a műszaki-biztonsági előírásokban meghatározott követelményeknek megfelelően kell végezni”. A műszaki feladatok – köztük a távhőszolgáltatás - többféle módon oldhatók meg. A különböző megoldási változatok között található azonban olyan, amely bizonyos kritériumok szerint a legkedvezőbb, mondhatjuk, "optimális". Megkülönböztethetők tehát működő és optimális rendszerek. Gyakran előfordul, hogy a létesítés idején ismert műszaki megoldásokkal és gazdasági mutatók szerint megépült rendszerek megbízhatóan működnek, a megváltozott környezetben azonban már nem korszerűek. Az üzemeltetőknek egyértelműen törekedni kell azonban arra, hogy a lehetőségek folyamatos követésével működő rendszereket az optimális irányába fejlesszék. Ehhez nélkülözhetetlen a rendszerelemek és alrendszerek közti kapcsolatok tisztázása, egyértelmű meghatározása. A fejlesztés során különös figyelmet kell fordítani e kapcsolatokra, s a berendezéseket úgy kell kiválasztani, az üzemviteli paramétereket úgy kell meghatározni, hogy azok az optimális rendszer megvalósításának irányába hassanak. Különösen fontosak e gondolatok a távhőrendszerek esetében. Az optimalizálást műszaki, gazdasági és környezetvédelmi kritériumok alapján kell végezni. A távhőszolgáltatás üzemvitelének értékelése, az optimalizálás szűkebb, vagy szélesebb körre terjedhet ki. A szűkebb, vagy szélesebb körre kiterjedő elemzések során azonban egyaránt fontos a komplex rendszer szemelőtt tartása. A távhőszolgáltatás esetében a komplex rendszer a hőtermelő berendezéstől a fűtött helyiségeket határoló falig ill. a használati melegvíz csapjáig terjed. A klasszikusnak tekinthető csoportosításban a távhőrendszert a termelő, szállító és felhasználó alrendszerek alkotják. Tézisként fogalmazható meg, hogy csak a termelő, szállító és felhasználó alrendszerek összehangolt tervezésével, fejlesztésével és üzemeltetésével valósítható meg gazdaságosan a távhőszolgáltatás, válhat versenyképessé az egyedi hőellátással szemben. Jelen oktatási segédanyag a hőszükséglet meghatározásától kiindulva a hőigények különböző módon történő kielégítésének bemutatásán keresztül, a közvetlen és kapcsolt hő- és villamosenergia termelésig bezárólag ismerteti a távhőrendszer elemeit, a gazdaságos és környezetkímélő üzemeltetés módját.

1

1. Távhőszolgáltatás

1. Távhőszolgáltatás 1.1. Fogalommeghatározások Az alábbiakban egyrészt a távhőszolgáltatásról szóló törvény (Tszt.) alkalmazásában, másrészt a jelen kötetben alkalmazott fogalommeghatározásokat foglaltuk össze. A Tszt. –ben alkalmazott fogalmak: a) távhő: az a hőenergia, amelyet a hőtermelő létesítményből (geotermikus energiát termelő létesítményből) hőhordozó közeg (gőz, melegített víz, felszín alatti víz) alkalmazásával, távhővezetéken a fogyasztási helyre eljuttatnak; b) távhőtermelő: az a gazdálkodó szervezet, amely távhő termelésére engedélyt kapott; c) távhőszolgáltató: az a gazdálkodó szervezet, amely meghatározott településen (településrészen) a távhő szolgáltatására engedélyt kapott; d) távhőszolgáltatás: az a közüzemi szolgáltatás, amely a fogyasztónak a hőtermelő létesítményből vagy geotermikus energiát kitermelő létesítményből távhővezetéken keresztül történő hőellátásával valósul meg; e) engedélyező: az a közigazgatási szerv, amely az e törvény szerinti engedélyeket kiadja; f) engedélyes: a távhőtermelő és a távhőszolgáltató; g) hőtermelő létesítmény: az erőmű hőtermelő létesítménye, a fűtőmű, a kazántelep (kazán), a hulladékégető-mű, a hulladékhőt és megújuló energiát hasznosító hőtermelő berendezés, h) geotermikus energiát kitermelő létesítmény: geotermikus energia energetikai célú kitermelését szolgáló létesítmény; i) távhővezeték-hálózat: az a csővezeték-rendszer - a hozzá tartozó műtárgyakkal, hálózati szerelvényekkel, kapcsolódó automatikákkal, műszerekkel, elektromos berendezésekkel együtt -, amely a hőhordozó közegnek a hőtermelő létesítménytől, illetőleg a geotermikus energiát kitermelő létesítménytől a csatlakozási pontig történő szállítására szolgál; j) hőközpont: a hőhordozó közeg kiadására, elosztására, fogadására, átalakítására, illetőleg a távhő átadására szolgáló technológiai berendezés. A hőközpont lehet termelői hőközpont, szolgáltatói hőközpont és fogyasztói hőközpont:

Tszt.

Fogalmai

?

ja) termelői hőközpont: a távhő termelőjénél távhőellátás céljából a hőhordozó közeg kiadására, továbbítására, elosztására, átalakítására, mérésére szolgáló technológiai berendezés, jb) szolgáltatói hőközpont: több épület vagy építmény hőellátása céljából az ellátandó épületeken kívül, esetleg azok egyikében elhelyezett, a hőhordozó közeg fogadására, átalakítására, elosztására, mérésére szolgáló technológiai berendezés, jc) fogyasztói hőközpont: egy épület vagy építmény hőellátása céljából abban elhelyezett, a hőhordozó közeg fogadására, átalakítására, mérésére szolgáló technológiai berendezés;

2


k)

l)

m)

n) o)

p)

q)

hőfogadó állomás: egy épület vagy építmény távhőellátása céljából abban elhelyezett, a hőhordozó közeg fogadására, mérésére, átalakítás nélküli továbbítására szolgáló technológiai berendezés; csatlakozási pont: a szolgáltatói és a fogyasztói berendezés határán (találkozási pontján) beépített elzáró szerelvénynek a fogyasztó felé eső oldala, elzáró szerelvény hiányában a fogyasztási helyet magában foglaló ingatlan (épület, építmény, telek) tulajdoni határa; fogyasztói vezetékhálózat: az a csővezeték-rendszer, amely a hőnek hőhordozó közeg által a csatlakozási ponttól a felhasználó berendezésekhez való továbbítását szolgálja; felhasználó berendezés: a fogyasztó által használt hőleadó készülékek és hőhasznosító berendezések; szolgáltatói berendezés: a hőtermelő létesítmény, a geotermikus energiát kitermelő létesítmény, a távhővezeték-hálózat, a szolgáltatói hőközpont, az elszámolás alapjául szolgáló, a távhőszolgáltató tulajdonában lévő mérőeszköz, a hőközpont primer oldali főelzárói és mennyiség-szabályozói; fogyasztói berendezés: a fogyasztói hőközpont, hőfogadó állomás, a fogyasztói vezetékhálózat, a felhasználó berendezés és a fogyasztó által felszerelt fűtési és használati melegvíz-mérők, költségmegosztók; fogyasztó: az a természetes vagy jogi személy, jogi személyiséggel nem rendelkező gazdálkodó szervezet vagy ezek közössége, aki (amely) a távhőszolgáltatóval távhőszolgáltatásra vonatkozóan szerződéses jogviszonyba kerül. A fogyasztó lehet lakossági fogyasztó és egyéb fogyasztó:

qa) lakossági fogyasztó: a lakóépület és a vegyes célra használt épület tulajdonosa vagy az ilyen épületben levő lakás és nem lakás céljára szolgáló helyiség (épületrész) tulajdonosa, bérlője, használója vagy azok közössége, qb) egyéb fogyasztó: a qa) pontban nem említett épület vagy az ilyen épületben (építményben) lévő helyiség (épületrész) tulajdonosa vagy azok közössége; r) fogyasztási hely: az az épület, illetve épületrész, amelynek távhővel történő ellátására a szerződéses jogviszony létrejött; s) üzletszabályzat: a működési engedélyt kiadó közigazgatási szerv által jóváhagyott szabályzat, amely a helyi szolgáltatási sajátosságok figyelembevételével szabályozza a távhőszolgáltató működését, és meghatározza a távhőszolgáltató kötelezettségeit és jogait; t) szabályozatlan vételezés: mérés nélküli szolgáltatás esetén a szerződéses jogviszony nélküli távhőfogyasztás és a távhő más fogyasztótól való elvonása (hőelvonás). A kötetben alkalmazott további fogalmak: a) méretezési külső levegő hőmérséklet (tkm): a sokéves meteorológiai statisztikai adatok alapján a vizsgált területen előforduló legalacsonyabb, a méretezés alapjául szolgáló külső levegő napi átlaghőmérséklet (Magyarország területére három érték: -15°C, -13°C, -11°C javasolt),

3


b)

c) d) e)

f)

fűtési határhőmérsékle (tkh)t: a külső levegő azon napi átlaghőmérséklete amelynél a fűtést indítani szükséges ill. a fűtés leállítható (a hagyományos technológiával készült épületeknél + 12 °C, a jó hő és légszigetelésű épületeknél alacsonyabb), hőigény: a fogyasztók elvárásainak kielégítéséhez szükséges hőmérsékletű és mennyiségű hő, hőszükséglet: a fogyasztók hőigénye a méretezési külső levegő hőmérsékletnél, névleges előremenő/visszatérő víz hőmérséklet: a méretezési külső levegő hőmérséklethez (tkm) tartozó előremenő (te0 - a fogyasztó felé menő) és visszatérő (tv0 - fogyasztótól visszajövő) víz névleges hőmérséklete, fűtőerőmű: a kapcsoltan hőt és villamosenergiát termelő létesítmény, - a termelt hő a rendelkezésre állási hőmérsékletétől függően fűtésre és hűtésre hasznosítható,

fa) elsődlegesen hőtermelésre létesített fűtőerőművek: ellennyomású turbinákkal üzemelő fűtőerőművek. Nagyobb hőelvételhez nagyobb villamos teljesítmény tartozik. A tüzelőanyag bevitel a hőelvétel függvényében változtatható. fb) elsődlegesen villamosenergia termelésre létesített fűtőerőművek: kondenzációs turbinákkal üzemelő fűtőerőművek. Nagyobb hőelvételhez kisebb villamos teljesítmény tartozik. A tüzelőanyag bevitel a hőelvételtől függetlennek tekinthető. g) fűtőmű: a gőz-, forró- vagy melegvízkazánban előállított hő villamosenergia termelés nélkül kerül a távhőrendszerbe.

1.2. A rendszerszemlélet a távhőszolgáltatásban Az energiatermelés (vagy fejlesztés), szállítás és felhasználás klasszikus csoportosításban (1. ábra) műszakilag és gazdaságilag jól elkülöníthetők a távhőszolgáltatás alrendszerei. (A rendszertől függően gyakran az alrendszerek tulajdonosai is különbözők.) A rendszerhatárokon mérőhelyek létesíthetők, az elszámolás alapjául szolgáló költséghelyek képezhetők. Mondhatnánk egymástól függetlenül üzemeltethetők. A hatékony energiagazdálkodásban azonban a fentiek ellenére fontos szerepet kap a rendszerszemlélet. A gazdaságos üzemvitel szempontjából az alrendszerek egymással szorosan összefüggnek, kölcsönösen egymásra utaltak. Csak az alrendszerek összehangolt tervezésével, fejlesztésével és üzemeltetésével valósítható meg a hatékony energiagazdálkodás. A távhőszolgáltatásban részt vevő felek kölcsönös érdekeinek megkeresése, az energia árában az ösztönzés kifejezése és érvényesítése a versenyképes távhőszolgáltatás alapja.

A távhőrendszer alrendszereinek csoportosítása ?

Igaz, hogy az energia-termelő, szállító és felhasználó kölcsönösen egymásra utalt ?

4


1. ábra Az energiagazdálkodás alrendszerei

A korábbi évek energiagazdálkodásában a termelés kiemelt szerepet kapott. A tüzelőanyag és energiaátalakítás folyamatát tekintve a sorrend helyes volt, a kiemelt a szerep az energiaátalakítás hatékonyságának szempontja miatt indokolt volt. Napjainkban, amikor a hangsúly az energia szolgáltatásra, a fogyasztó igényeinek biztonságos és folyamatos kielégítésére tevődik, a nézőpont iránya megfordult. Ez magyarázható mind műszaki, mind filozófiai érvekkel. Műszaki érvként hozható fel, hogy a fogyasztói igények csökkentésével, az energiaforrásig haladva egy az eredetinél jelentős mértékben kevesebb energiaigényig juthatunk, s ez meghatározója lehet az energiaforrás teljesítményének, a névleges paramétereihez közeli üzemvitelének. A fogyasztói rendszerből történő kiindulásnak nemcsak a mennyiségi veszteségek szempontjából van jelentősége. A fogyasztói berendezések névleges és üzemviteli paraméterei hatással vannak a teljes folyamatra így a szállító és termelő berendezések gazdaságos üzemeltetésére. A fogyasztóra figyelés a szolgáltatás filozófiai megközelítése miatt is fontos. Mind a termelőnek, mind a szállítónak arra kell törekednie, hogy a fogyasztó részére kínálatot biztosítson energiaigényének kielégítésére. Azt is szem előtt kell tartani, hogy a fogyasztónak nem villamos-energiára, vagy hőre van szüksége, hanem villamos hajtásra, megvilágításra, vagy megfelelő hőkomfortra. A hangsúlyt tehát a teljes rendszerre fordítjuk. A rendszert összekapcsolt elemek együtteseként értelmezzük, az alkotó elemeit is az egész szempontjából elemezzük és tervezzük. Szem előtt tartjuk, hogy a nagy rendszereket alrendszerek alkotják. A rendszer tervezését műszaki szempontból végezzük, de folyamatosan szem előtt tartjuk a gazdasági és környezetvédelmi kritériumokat is.

Ellátás, vagy szolgáltatás ?

Mennyiségi veszteségek ?

Döntési kritériumok ?

1.3. Háromszintű szabályozás A fűtött helyiségek hőkomfortjának egyik eleme a belső hőmérséklet. A távfűtött helyiségek hőmérsékletét még napjainkban is sok esetben a fogyasztói hőközpontokban elhelyezett külső hőmérséklet függő szabályozással próbálják biztosítani. Ez vezet a helyiségek túlfűtéséhez és az ablakokkal történő hőmérséklet „szabályozáshoz”.

A háromszintű szabályozás ?

A távhőszolgáltatásban a teljesítményszabályozást három szinten célszerű megoldani. Az előremenő fűtőközeg hőmérsékletét a hőforrásnál és a fogyasztói hőközpontokban külső hőmérséklet függvényében célszerű beállítani, majd a helyiségekben elhelyezett hőleadókra a hőmérséklet tartása

5


érdekében termosztatikus szelepeket helyezni. A háromszintű szabályozást szemlélteti a 2. és 3. ábra csak fűtési és csak használati melegvíz (HMV) szolgáltatás feltételezésével. A valóságban a fűtési idényben a fűtési és HMV (esetleg technológiai hőigény kielégítése) ellátás együttesen történik. Ezzel összhangban történik a hőforrásban az előremenő fűtőközeg hőmérsékletének beállítása. A 4. ábra egy példát mutat a primerköri hőmérséklet külső hőmérsékletfüggő értékeire. A hőszolgáltatók általában tapasztalati úton alakították ki a rendszerükhöz illesztett ún szabályozási görbéket. A későbbiekben részletesebben foglalkozunk meghatározásával.

Igaz, hogy az energia-termelő, szállító és felhasználó kölcsönösen egymásra utalt ?

2. ábra A háromszintű szabályozás csak fűtési hőszükséglet feltételezésével

6


3. ábra A háromszintű szabályozás csak használati melegvíz hőszükséglet feltételezésével

4. ábra A primerköri hőmérséklet szabályozási görbe fűtési és használati melegvíz hőszükséglet feltételezésével

1.2 Az energia értéke Az energia értéke fontos szerepet kap az energiagazdálkodásban. Az "érték" legáltalánosabb megfogalmazásban valaminek az a tulajdonsága, amely a társadalom és az egyén számára való fontosságát fejezi ki. A "pénz értéke" annak a viszonynak a kifejezése, hogy a pénz milyen árumennyiséggel cserélhető ki. Az "energia értéke" a felhasználhatóságát, a tetszőleges energiaformává történő átalakíthatóságát jellemzi. A termodinamika II. főtétele kimondja, hogy minden természetes (irreverzibilis) folyamatnál entrópianövekedés lép fel, nem alakítható át minden energia tetszőleges energiaformává.

Az energia értéke ?

Nézzük csak a példákat:

7


1. Műszaki folyamatoknál úgy nyerhetünk munkát, ha olyan anyag- ill. energiaáram áll rendelkezésre, amely nyomása, hőmérséklete, vagy sebessége (intenzív jellemzői) a környezetétől eltérő, és a fenti jellemzőket a környezetével egyensúlyi állapotba hozzuk, – turbina segítségével munkává – más energia fajtává alakítjuk át. 2. A hatalmas energiamennyiséget (belső energiát) tartalmazó környezeti levegő, a folyók, tavak és tengerek vize ugyanakkor nem fordítható munkavégzésre, mivel állapotjelzői a környezetével azonosak. Körfolyamatok elemzéséből ismert, hogy még reverzibilis esetben is (pl.: Carnot) a bevezetett hőnek (Qb) csak egy része alakítható át hasznos munkává (Wk). Ugyancsak ismert, hogy munka bevezetésével (hőszivattyúk) növelhető a rendszer belső energiája, de a növelt belső energiából nem nyerhető vissza tetszőleges mértékű munka. Az energiaátalakítási folyamatok veszteségeinek szemléltetésére (külföldön főleg a német irodalomban) az energiát minősítő exergia és anergia fogalmakat vezették be (az exergia fogalom és szemlélet bevezetését, azzal magyarázva, hogy a termodinamika tudománya számára új ismeretet nem nyújt, nálunk bizonyos ellenállás fogadta). Az alábbiakban ezeket mi is felhasználtuk az energia értékének és a veszteségek szemléltetésére. Legyen az energia (W) tetszőleges formává, így munkává is átalakítható része az exergia (E) (ex ergon = a munka ami kinyerhető), a nem átalakítható része anergia (A): W = E +A A fent megnevezett részekből természetesen bármely értéke nulla is lehet, mint pl.: • A mechanikai- (kinetikai és helyzeti) és villamosenergia tiszta exergia és reverzibilis körfolyamatban más energiafajtává átalakítható (W=E). • A környezet belső energiája tiszta anergia, munka nem nyerhető belőle(W=A). Ezt az energiát nevezzük nem átalakíthatónak. Erre mondhatjuk, hogy értéktelen számunkra. A termékek előállításához, szolgáltatások nyújtásához elsősorban hőt és villamos energiát használunk. Ez utóbbi a fentiek figyelembevételével a legértékesebb másodlagos energia. A hővel (hőenergiával) kapcsolatban is megállapítható, hogy két egymástól elkülönített részre bontható és korlátoltan alakítható át. A hő exergiatartalma a hőnek a Carnot körfolyamat hatásfokával való szorzata: eq = ( 1 – Tk / T ) · q ahol:

T - a hőhordozó (munkaközeg) ún. termodinamikai átlag hőmérséklete

8


Tk - a környezet hőmérséklete A hő anergiája ennek figyelembevételével (mivel q = eq + aq): aq = (Tk / T) · q Megállapítható, hogy a hő exergiája (munkavégző képessége annál nagyobb, minél magasabb a T és minél alacsonyabb Tk, azaz a hő annál értékesebb minél magasabb hőmérsékleten áll rendelkezésre. A 1. táblázat a q = 100 kJ/kg hő értékét (exergiáját, eq) mutatja különböző hőhordozó munkaközeg hőmérsékleteknél (t), tk = 15°C környezeti hőmérséklet esetén. A táblázatban található adatok is alátámasztják azt a megállapítást, hogy rosszul gazdálkodunk az energiával, ha a tüzelőanyagban vegyileg kötött és égéssel magas hőmérsékleten felszabadított energiát a környezetihez közeli hőmérsékletű, fűtési hőigény kielégítésére vagy melegvíz termelésére használjuk. Emiatt fontos az is, hogy a technológiai folyamatok, energiarendszerek és alrendszereik (hőforrás, elosztóhálózat, fogyasztói hőközpont, fűtési rendszerek) tervezésénél, az egyes rendszerelemeket úgy kell kiválasztani és egymáshoz kapcsolni, hogy azok minél nagyobb mértékben hasznosítsák a rendelkezésre álló energiát (hőt). 1. táblázat 100 kJ/kg hő értéke (exergia) különböző rendelkezésre állási hőmérsékleten A rendelkezésre állási hőmérséklet t [°C] 15 60 100 150 200 400 600 800 1000 1200

A hő értéke eq [kJ/kg] 0,0 13,5 22,8 31,9 39,1 57,2 67,0 73,2 77,3 80,4

Alkalmazási terület Nem hasznosítható Egyedi és távfűtés

Hagyományos erőművek

Gáz/gőz közegű erőművek

Az energia (hő) értékét a nyugati országokban az árképzésénél is érvényesítik. A hőszolgáltatás esetén pl. a fajlagos hődíj egyrészt az előremenő, (az alsó-rajnai távhőrendszerben a fűtőerőművi hőkiadás esetén pl.: 100 és 135 °C közötti előremenő fűtőközeg hőmérséklet tartományban 5 °C hőmérsékletenként eltérő a fajlagos hődíj), másrészt a visszatérő (osztrák távhőrendszerekben alacsonyabb visszatérő hőmérsékletnél kisebb a fajlagos hődíj) fűtőközeg hőmérsékletének függvénye. A hő értéke a kapcsolt hőtermelésnél az alapján is érvényesíthető, hogy a hőkiadás villamos csúcsban, vagy csúcson kívül történik. Általában azt mondjuk, hogy mind a hőt, mind a villamos energiát a fogyasztással összhangban kell termelni. Megállapítható ugyanakkor, hogy a hő távhőrendszerben, vagy külön hőtárolókban történő tárolásával lehetővé válik a

9


turbinák csúcsrajáratása. A csúcsrajáratással kondenzációs fűtőerőművekben átütemezhető a hőkiadás miatt kieső villamos teljesítmény ideje, ellennyomásos fűtőturbináknál a villamos csúcs idején növelhető a hőkiadás is. A villamosenergia árához hasonlóan elképzelhető a hő árának napszakonkénti változása is. (A villamosenergia és gázhálózatok szabad hozzáférhetőségének elemzése kapcsán került megállapításra, hogy a jövőben elsősorban a nagy, ún. “minősített fogyasztók” részére akár félóránként változó áron kerüljön megállapításra a villamosenergia és a földgáz ára.)

10

2. A hőszükséglet

2. A hőszükséglet Az épületek hőszükségletét a fűtési és a használati melegvíz (HMV) igény határozza meg. A fűtési hőszükségletet a sokéves meteorológiai statisztikai adatok alapján várható legalacsonyabb napi átlaghőmérséklet figyelembevételével, a használati melegvíz igényt a fogyasztók számának függvényében a fogyasztás céljával összhangban határozzák meg. Lakóépületeknél a tapasztalatok alapján az átlagos HMV fogyasztást a méretezési fűtési hőszükséglet 8-10 %-ának szokták feltételezni.

2.1. Fűtési hőszükséglet a méretezési külső hőmérsékletnél A fűtési hőszükséglet „az a helyiségbe juttatandó energiaáram, amely a választott kockázati szinten szélsőséges téli időjárási feltételek mellett az előírt, vagy a megbízó által meghatározott belső hőmérséklet biztosításához szükséges és elégséges” *.

* MSZ-04-140/3-87

2.1.1. A belső kőmérséklet A téli hőtechnikai méretezéshez egyéb előírás hiányában felvehető belső hőmérsékletet (tb, °C) és relatív nedvességtartalmat (φrel, %) különböző típusú fűtött helyiségekre a 2. táblázat tartalmazza. A belső és külső hőmérséklet közti különbség lesz a fűtéssel pótolandó hőveszteség meghatározó eleme. 2. táblázat Helyiségek belső hőmérsékletének és relatív nedvesség tartalmának javasolt értékei [1] Helyiség típusa

Belső hőmérséklet tb [°C]

Relatív nedvességtartalom φrel [%]

Előcsarnok, lépcsőház Lakószoba Fürdőszoba Konyha Üzlethelyiség Iroda, hivatali szoba Előadóterem Könyvtár Tornaterem Ipari helyiségek

12 20 24 16 18 20 18 18 16 12-22

50 65 75 75 50 50 65 50 50 50-65

A fűtési hőszükséglet a helyiség/épület hőveszteségének és hőnyereségének összegéből adódik. Hőveszteségnek tekintjük a helyiség/épület egyes határoló és nyílászáró szerkezetein át a környezetbe ill. helyiségek esetében a környezetbe és a szomszédos helyiségekbe jutó transzmissziós energiaáramot. Az időjárás függő hőigény meghatározásában meghatározó szerepe van a méretezési külső hőmérsékletnek. 2.1.2. A méretezési külső levegő kőmérséklet A méretezési külső hőmérséklet a szabvány* szerinti megfogalmazás-

* MSZ-04-140/3-87

11


ban „a külső levegő hőmérsékletének azon értéke, amellyel a helyiség és a környezet közötti hőmérsékletfüggő energiaáramok méretezési értéke állandósult viszonyok feltételezésével számítandó”. Egyszerűbb megfogalmazásban az a várható leghidegebb hőmérséklet, amelyre az adott helyen a fűtési rendszert méretezni kell. A sokéves meteorológiai statisztikai adatok alapján a méretezési külső hőmérséklet értéke szempontjából Magyarország területén három éghajlati területet különböztetünk meg. Az egyes területekre a külső hőmérséklet méretezési értékei rendre -15, -13 és -11 °C. A területek határait a térképmelléklet tünteti fel (3. ábra). A szabvány szerint a határvonalaktól mindkét irányban 10-10 km széles sávba eső épületek tervezésekor szabadon megválasztható, hogy melyik terület külső hőmérsékletére kívánják a méretezést elvégezni. Ahol a városi hősziget hatása érvényesül, (például Budapest belső területén, a Hungária körúton belül és a belső Budai kerületekben), a tervező és megbízója megállapodhat abban, hogy pl. a méretezést -11 °C-ra végzik.

3. ábra A különböző külső méretezési hőmérsékletű területek

2.1.3. A hőszükséglet közelítő meghatározása A hőigény meghatározása szorosan összefügg a projekt jellegével és a céljával. Ezzel összhangban a hőigény meghatározása nagyon fontos a pontosságával kapcsolatos elvárások szempontjából. A tervezés különböző fázisaiban különböző adatok állnak rendelkezésre. A rendelkezésre álló adatok, valamint a hőigény meghatározására fordítható idő függvényében a hőigény meghatározását három csoportba osztjuk. Az első csoportba soroljuk a projektek megvalósíthatóságának elemzésére szolgáló hőigény meghatározást. A projektek koncepcionális előkészítése során a döntéshez a várható beruházási költség meghatározása szükséges. A tervezés ilyen korai szakaszában tájékoztató jelleggel a rendelkezésre álló viszonylag kevés adatból kell meghatározni a várható hőigényt. Ilyen adatok pl.:

12


• a tervezett létesítmény jellege (lakóépület, irodaház, ipari) • a beépített alapterület Ez esetben a 3. táblázat adatai segítségével, vagy hasonló projektek fajlagos hőigényeinek felhasználásával határozható meg a hőigény. 3. táblázat Hőigények épület típusok szerint Az épület típusa Lakóépület Családi ház Többlakásos családi ház Iroda épület Iskola Raktár Öregek otthona

Éves energia-felhasználás [kWh/m2] [MJ/m2] Új Meglévő Új Meglévő 150 210 540 756 175 250 630 900 150 200 540 720 140 190 504 684 150 190 540 684 185 275 666 990 280 330 1008 1188

Teljesítmény-igény [W/m2] Új Meglévő 60 70 n.a. n.a. n.a. n.a. 75 85 70 80 90 105 70 80

A második csoportba soroljuk a hőszükséglet-meghatározás azon fázisát, amikor az új épület megvalósításának útján előre haladva egyre több adat áll rendelkezésre, vagy meglevő épület esetén a pontosabb eredmény érdekében a korábbinál több időt fordítunk a munkára. Az épületszerkezetek kialakítása, a külső határoló falaknál alkalmazott anyag és a fűtött légtérfogat figyelembe vételével növelhető a becslés pontossága. 4. táblázat Az energiaigények csoportosítása Csoportosítás Fűtés Szellőzés HMV Ventilátor, szivattyú Világítás Egyéb Hűtés Összes

kWh m2·év 120 120 10 20 25 10 5 310

Iroda MJ m2·év 432 432 36 72 90 36 18 1116

W m2 50 30 5 7 12 5 5 114

kWh m2·év 110 100 25 10 25 25 0 295

Sorház MJ m2·év 396 360 90 36 90 90 0 1062

W m2 45 25 3 1 3 3 0 80

kWh m2·év 135 20 4 6 20 10 0 195

Raktár MJ m2·év 486 72 14,4 21,6 72 36 0 702

W m2 65 20 1 3 8 4 0 101

Ez esetben a 4. táblázat adatai vagy a 4. és 5. ábra segítségével határozható meg a várható energiafelhasználás ill. hőszükséglet. Amíg a 5. ábra a fajlagos fűtési hőigény a beépített alapterület és térfogat arányának függvényében mutatja a fajlagos hőszükségletet, addig a 4. ábrán látható nomogramm az épület alakja, szintjeinek száma, valamint a méretezési külső hőmérséklet függvényében ad lehetőséget a légköbméterenként várható fűtési hőigény meghatározására. A harmadik csoportba a már elkészült építészeti kiviteli tervek adatai alapján a szabvány [3] szerinti hőszükséglet számítást soroljuk. Ezt az épületgépész tervező az épületgépészeti tervekhez szükséges részletességgel készíti el. Az alábbiakban hőszükséglet számítás alapjait ismertetjük.

13


4. ábra A fajlagos fűtési hőigény különböző jellegű épületeknél

5. ábra A fajlagos fűtési hőigény a beépített alapterület és a térfogat arányának függvényében [4]

A hőszükséglet meghatározás különös szerepet kap akkor is amikor meglévő épületek esetében keressük azt a tényleges hőfelhasználásból. Az

14


energetikai veszteségfeltárások során gyakran tapasztalható, hogy a lekötött teljesítmények jelentős mértékben meghaladják a tényleges igényt. A vizsgálatot megelőző időszak hőfelhasználási adatai alapján a méretezési hőszükséglet várható értéke az alábbiak szerint határozható meg: Qf & Q fm = τ f ⋅q

Q f „n” év hőfelhasználásainak (Qi) a tényleges külső átlaghőmérsékletekkel korrigált értékeként határozható meg. n t −t ∑ Qi ⋅ b k t b − t ki i =1 Qf = n

ahol: tb - az előírt, vagy a fogyasztó által meghatározott fűtött légtér hőmérséklet, [°C] t k - a fűtési idényben a külső átlaghőmérséklet, (Magyarországon t k = + 4 °C) t ki - a vizsgált időszakban az adott körzetben mért külső átlaghőmérséklet, [°C] 2.1.4. A fűtési hőszükséglet meghatározása részletes számítással A hőszükséglet-számítás célja annak az energiaáramnak a meghatározása, amely az adott éghajlati területen várható szélsőséges időjárási feltételek mellett az előírt, vagy igényelt belső hőmérséklet kielégítő biztonságú fenntartásához szükséges és elégséges*. Ezzel összhangban a fűtési hőszükséglet „az a helyiségbe juttatandó energiaáram, amely a választott kockázati szinten szélsőséges téli időjárási feltételek mellett az előírt, vagy a megbízó által meghatározott belső hőmérséklet biztosításához szükséges és elégséges”. A fűtési hőszükséglet a helyiség/épület hőveszteségének és hőnyereségének összegéből adódik.

* MSZ-04-140/3-87

Hőveszteségnek tekintjük a helyiség/épület egyes határoló és nyílászáró szerkezetein a környezetbe és a szomszédos helyiségekbe jutó energiaáramot, (Q1-3). Hőnyereségként vesszük figyelembe a napsugárzás hatására a helyiségbe jutó hőt, (Q4), valamint a spontán források (emberek, más élőlények, világítás, és minden egyéb nem elsősorban fűtési célú berendezés) hőleadásából származó hőt, (Q5). A hőszükséglet részletes számítását a Fűtéstechnika tárgyban tanultak alapján kell elvégezni.

2.2. A várható hőigény meghatározása Az időjárás alapvetően meghatározza a fűtési hőigényt. Hazánk időjárásának alakulására területenként több évtizedes megfigyelés, mérés áll rendelkezésre. Ezekből a szakemberek meghatározták azokat az átlagértékeket, amelyeket a fűtéstechnikában jól lehet hasznosítani. Az adott idő-

15


szakra vonatkozó fűtési hőigény, ill. tüzelőanyag-szükséglet függ az ún. hőfokhídtól. Ez nem más, mint egy-egy konkrét naptári időszakban a helyiség belső (tb) és a külső (tk) hőmérséklet-különbségeinek és az időtartam (ni) szorzatainak összege (H = Σ(tb - tki) · ni). Egysége a vonatkozási időszaktól függően: napfok. Legyen pl. a vizsgált időszak 3 olyan nap, amikor a külső átlag hőmérséklet 10 °C. Erre a három napra a hőfokhíd: H = (20 °C - 10 °C) · 3 nap = 30 napfok Az évszakos, vagy éves hőfokhíd mértékegysége: napfok/év. A tapasztalat azt mutatja, hogy akkor célszerű befűteni, ha a napi külső átlaghőmérséklet 12 °C alá csökken. Ezt a hőmérsékletet nevezzük fűtési határhőmérsékletnek (tkh). (A távhőszolgáltatás kezdeti időszakában azt írták elő, hogy a távfűtést akkor kell elindítani, ha a külső hőmérséklet napi átlagértéke egymást követő három napon keresztül 12 °C alá csökken. A leállítást fordított esetben írták elő.) Magyarországon az október 15. és április 15. közötti időszak tekintett a fűtési idénynek. A sokéves meteorológiai statisztikai adatok alapján erre az időszakra a külső átlaghőmérséklet tk = + 4 °C. A tb = + 20 °C belső hőmérsékletet és a fenti időszak 182 napját tekintve a hőfokhíd H = (20 - 4)·182 = 2 912 napfok. A távhőszolgáltatói gyakorlat 190 - 200 napos fűtési idényeket tart számon, ezzel összhangban a hőfokhíd a 3 200 napfokot is elérte. Mivel a fűtési idényben az időjárásnak megfelelő intenzitással kell fűteni, az adott időszak hőfokhídját a belső hőmérséklet és a napi külső átlaghőmérsékletek különbségeinek időbeli összegezéseként kell meghatározni. Az éves hőfokhíd mellett a tüzelőanyag gazdálkodás értékelési időszakaival összhangban a havi és heti hőfokhíd meghatározásának van jelentősége. Az időjárási tényezők – szél iránya és nagysága, napsugárzás erőssége – mellett ill. azzal összefüggésben a fűtés intenzitására az épület (fűtött helyiség) tájolásának is hatása van. A napi hőmérséklet-ingadozás ismerete és figyelembe vétele a fűtési menetrend kialakítását az energiával történő takarékoskodást teszi hatékonyabbá. 2.2.1. A fűtési hőigény változása A fűtési hőigény szoros kapcsolatban van a külső hőmérséklettel. A megvalósítási tanulmányok készítéséhez jó közelítéssel alkalmazható a lineáris kapcsolat. A lineáris kapcsolat feltételezése mellett azonban nem szabad megfeledkezni arról, hogy azonos külső hőmérséklet mellett az egyéb meteorológiai jellemzők, mint pl. szél, napsütés, borult ill. derült égbolt jelentős mértékben befolyásolják a fűtési hőszükségletet. Ezért a külső hőmérséklet függvényében a hőigény mindig egy meghatározott tartománysávban fog változni (14. ábra). A tapasztalat azt mutatja, hogy a fentiek figyelembevételével a mindenkori fűtési hőigény a külső hőmérséklet (tk) függvényében jó közelítéssel leírható egy olyan egyenes egyenletével, amely a külső hőmérsékletet tartalmazó vízszintes tengelyt a fűtött helyiségek átlagos hőmérsékletének

16


(tbm) tekinthető hőmérsékletnél tbm=tk*= 20 °C-nál, a méretezési külső levegő hőmérsékletnél (tkm) megrajzolt függőleges tengelyt a méretezési fűtési hőigénynél metszi. Az ábra jelöléseivel a fűtési hőigény változását leíró összefüggés: & (t ) = Q & ⋅ t bm − t k Q f k fcs t bm − t km

6. ábra A fűtési hőigény változása a külső hőmérséklet függvényében

Eszerint a fűtési hőigény arányos a méretezési hőigénnyel, valamint a fűtött légtér és a környezet közti hőmérséklet különbséggel. A fűtési idényben várható hőigényt ezért a sokéves meteorológiai statisztikai adatok alapján meghatározott, várható külső hőmérséklet függvényében határozzák meg. A meghatározásra két módszert ismertetünk: a tartamdiagram és a napfok alapján történő meghatározást. 2.2.2. A külső hőmérséklet-gyakoriság, léghőmérséklet tartamfüggvény Hőmérséklet-gyakoriságon azt az időtartamot értjük, amely az évenként előforduló azonos napi átlaghőmérsékletek időtartamát fejezi ki. A gyakorlatban használatos hőmérséklet-gyakoriság az azonos átlaghőmérsékletű napok helyett egy meghatározott hőmérséklet tartományba eső napok számát tartalmazza. A fűtés- és a légtechnikában leginkább a hőmérséklet-gyakoriság halmozása útján származtatott effektív és relatív hőmérséklet-tartósság értékeit használják, amely azt mutatja, hogy hány olyan nap van egy évben, amelynek átlaghőmérséklete a választott hőmérséklet-tartomány felső határánál kisebb. Az effektív évi időtartam mellett a relatív időtartam bevezetésére számítástechnikai okokból (könnyebben kezelhető és általánosabban értelmezhető) került sor. A relatív időtartam az effektív időtartamnak éves maximális időalapra vonatkoztatott értéke. Hasonló meggondolásból célszerű a külső hőmérséklet viszonyított értékként történő kifejezése is. A hőmérséklet viszonyított értékeit a további felhasználás érdekében a következő alakban fejezzük ki:

17


t -t h = k km t bm - t km ahol: tbm - a fűtött légtér előírt, vagy a fogyasztó által meghatározott hőmérséklete tk - a külső levegő hőmérséklete tkm - a méretezési külső léghőmérséklet A hőmérséklet-gyakoriság az időjárási viszonyokkal összefüggésben nemcsak földrészek és országok, de országrészek, sőt városrészek szerint is változhat. Értéke a felhasználástól – és természetesen a rendelkezésre álló meteorológiai statisztikai adatoktól – függően különböző területi bontásban és pontossággal kerülhet meghatározásra. Az eddigi gyakorlatban a sok éves (50-80 év) meteorológiai adatokból összeállított napi közepes léghőmérséklet évi gyakorisága került felhasználásra. A Központi Meteorológiai Intézetnél az 1901 - 1980 évek bővített fűtési időszakában ( január 1. - április 30., október 1. - december 31. közötti időszak ) rögzített napi átlagos középhőmérsékletek alapján a hőmérséklettartamfüggvény értékeit a -12 ÷ +12°C hőmérséklet tartományra a 5. táblázat tartalmazza. 5. táblázat. Meteorológiai adatok alapján meghatározott hőmérséklet-tartamfüggvény (Budapest 1901-1980.)

Tk [°C] -12,00 -11,00 -10,00 -9,00 -8,00 -7,00 -6,00 -5,00 -4,00 -3,00 -2,00 -1,00 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00

τ [nap/év] 0,613 1,112 1,562 2,388 3,562 5,576 7,424 10,387 14,150 18,813 24,737 32,012 41,550 52,875 66,337 79,925 93,275 106,275 118,937 130,913 142,450 154,025 164,512 174,025 182,287

A fentebb bemutatott hőmérséklet viszonyított értékeit definiáló h = (tk - tkm) / (tb - tkm) összefüggésben a méretezési külső léghőmérsékletet (tkm) 12 °C-nak, a tb értéket a fűtési határhőmérséklettel azonosnak tb = tkh = 12 °C-nak tekintve, azaz:

18


t - (-12) h= k 24 Ennek figyelembevételével a relatív külső hőmérséklet tartamfüggvényt jó közelítéssel írja le az alábbi összefüggés: 3

τ g − = f ⋅h + 2 ⋅e h τ0 h

Ahol „f” és „g” paraméterek értéke a vizsgált körzetre vonatkozóan határozható meg. Budapest vonatkozásában a javasolt értékek f = 0,12 és g = 17,52. Az összefüggés alkalmazásával a külső levegő hőmérséklet függvényében meghatározott mindenkori hőigényhez hozzárendelhető annak időtartama. 2.2.3. A fűtési hőigény tartamfüggvény

A vizsgálatok általánosítása érdekében célszerű a mindenkori fűtési hőigény esetében is a viszonyított értékekkel számolni. Ez esetben a mindenkori fűtési hőigényt a méretezési külső hőmérsékletnél fellépő hőigényhez viszonyítjuk. tb = 20 °C belső léghőmérséklet feltételezésének esetében a fűtési hőigény viszonyított értékeit a külső léghőmérséklet függvényében a 6. táblázat és 15. ábra tartalmazza.

7. ábra A fűtési hőigény viszonyított értékeinek tartamdiagramja

A külső léghőmérséklet tartamfüggvényéhez hasonlóan a számítások egyszerűsítése és gyorsítása érdekében a fűtési hőigény tartamfüggvénye is kifejezhető matematikai függvény formájában. A fűtési hőigény viszonyított értékének tartamfüggvényét jó közelítéssel írja le a következő összefüggés: q& f = q& f 0 + (1 − q& f 0 ) ⋅ 1 + z α − zβ − z γ

(

)

19


& Q Ahol: q& f = & f , Qfcs

& τ Q és τf a fűtési idény hossza. q& f 0 = & f 0 , z = τf Qfcs 6. táblázat A fűtési hőigény viszonyított értékei

T [°C]

& Q q& f = & f Qfcs

-12,00 -11,00 -10,00 -9,00 -8,00 -7,00 -6,00 -5,00 -4,00 -3,00 -2,00 -1,00 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00

1,00000 0,96875 0,93750 0,90625 0,87500 0,84375 0,81250 0,78125 0,75000 0,71875 0,68750 0,65625 0,62500 0,59375 0,56250 0,53125 0,50000 0,46875 0,43750 0,40625 0,37500 0,34375 0,31250 0,28125 0,25000

A meteorológiai statisztikai adatok alapján meghatározott éves időtartam jellegét vizsgálva az összefüggésben szereplő „α”, „β” és „γ” paraméterekkel kapcsolatban a következők állapíthatók meg: • a földrajzi helytől függetlenül felvehető „α” és „β” paraméterek értéke (α = 2 és β = 2,5), • a vizsgált körzetre vonatkozó meteorológiai statisztikai adatokkal meghatározott fűtési hőigény tartamfüggvényt jó közelítéssel írja le a fenti egyenlet, ha annak „γ” paraméterét a (-6; +10 ) °C külső hőmérséklet tartományhoz tartozó lehetséges értékek várható értékének vesszük fel. Budapest vonatkozásában „γ” javasolt értéke: 0,43926. A fűtési idényben vételezett hőmennyiség (évi fűtési hőigény: Qf) a mindenkori hőigénynek a fűtési időszak tartományában meghatározott időszerinti integrálja. Legyen a fűtési időszak hossza: τf. Az időtartamot τ-val jelölve az éves fűtési hőigény: τf

& (τ) ⋅ dτ Qf = ∫ Q f 0

20


Az általánosabb leírást eredményező dimenziótlan alakban felírt viszonyított értékekkel felírható: 1 & Q & Qf = Qfcs ⋅ τf ⋅ ∫ q& f ⋅ dz ahol q& f = f ill. z = τ/τf & Q fcs

z =0

Az előzőek szerint: qf =

1

1

1

1

∫ q& f ⋅ dz = q& f 0 + (1 − q& f 0 ) ⋅ (1 + α + 1 − β + 1 − γ + 1)

z =0

Ennek megfelelően:

& ⋅τ ⋅q Qf = Q fcs f f

A fűtés évi csúcskihasználási időtartama ezek után:

τfcs = τf ⋅ q f

Fentiek alapján megállapítható, hogy a vizsgált földrajzi területekre (ami az éghajlati viszonyoktól függően egy országrész, vagy egy város) meghatározható az ún. fajlagos hőfelhasználási mutató (qf). Mely értékének meghatározásával egy olyan – az adott körzetre jellemző – konstans értéket kapunk, amely jól felhasználható a várható hőfelhasználás meghatározásához. 2.2.4. A hőigény meghatározása a melegvíz igény figyelembevételével & HMV) általában fügA melegvíz-szolgáltatás napi átlagos hőigénye ( Q

getlen a külső levegő hőmérsékletétől. A hőtermelő berendezések és a távhőrendszerek tervezésekor a melegvíz-szolgáltatás napi átlagos hőigényét a fűtési csúcshőigény százalékában (8-15%) szokás meghatározni. Legyen a melegvíz-szolgáltatás átlagos hőigényének és a fűtési csúcshőigénynek a viszonya: & Q q& HMV = &HMV Qfm Ezzel a fűtési és melegvíz-szolgáltatás együttes hőigénye: & =Q & +Q & =Q & ⋅ q& + β& Q fm

f

m

fcs

(f

m

)

A fűtési és melegvíz-szolgáltatás évi együttes csúcskihasználási időtartama (a levezetést nélkülözve): Q (τ ⋅ q + τ ⋅ β& ) τcs = & fm = f f &mcs m Qcs 1 + βm Technológiai hőigény esetén a hőtermelő berendezések és a távhőrend& ge) és az éves hőszerek tervezésénél az egyidejű csúcshőigénnyel ( Q igénnyel (Qg) vesszük figyelembe. Amint azt a melegvíz-szolgáltatás napi átlagos hőteljesítményének meghatározásánál tettük, célszerű a technológiai csúcshőigényt is a fűtési csúcshőigényre vonatkoztatott értékével kifejezni: & Q g β& g = & Qfcs A fogyasztói rendszer összhőigényét a fűtési, a melegvíz-szolgáltatási

21


és a technológiai hőigény összegeként kapjuk: & ⋅ (τ ⋅ q + τ Q = Q +Q = Q ö

fm

g

fcs

f

&

mcs ⋅ βm

f

+ τgcs ⋅ β& g )

A méretezési külső levegő hőmérsékletnél a fogyasztói rendszer hőteljesítmény igénye: & & & Q öcs = Q cs + Q ge A technológiai hőfogyasztás csúcskihasználási időtartama: Q τ gcs = T & Q Tcs

A fűtés, melegvíz-szolgáltatási valamint technológiai hőfogyasztás által igényelt hőteljesítménynek a csúcsteljesítményhez viszonyított értéke: & +Q & & & & & Q HMV + QT = q f + q HMV + q T q& c = f & +Q & & 1 + q& HMV + q& T Q fm HMV + QT Az 16. ábrán a fűtési hőigény (a), a fűtési és melegvíz-szolgáltatási hőigény (b), valamint a fűtési, melegvíz-szolgáltatási és technológiai hőigény (c) összege viszonyított értékeinek változása látható az időtartam függvényében.

8. ábra A hőigények viszonyított értékeinek változása

A fűtési hőigény leíró egyenletében szereplő „α”, „β” és „γ” paraméterek az összhőigény leírásához is megfelelőek. Így a fogyasztói rendszer fűtési időszak alatti hőigénye az alábbi egyenlettel határozható meg: & Qö = Q öcs ⋅ τf

1

∫ q& ödz .

z =0

A vizsgált földrajzi területen a fajlagos hőfelhasználási mutató (α, β, γ) változatlan értékei mellett) csak a q& 0 függvénye lesz ( q& 0 a felhasználás függvényében a 8. ábra szerinti q& a0 , q& b0 vagy q& c0 értékeit veszi fel). Ha a fűtési mellett, HMV és technológiai hőigény is van, q& 0 értéke egy 22


∆q& növekménnyel számolható. Tételezzük fel, hogy a fűtési hőszükséglethez tartozó q& f0 = q& a0 = 0,25. Ekkor a HMV és technológiai hőigényt is figyelembevevő q& 0 a ∆q& növekmény függvényében a 17. ábrán láthatjuk.

9. ábra A hőigény viszonyított értékének , és a fajlagos hőfelhasználási mutatónak q változása

Adott q& a0 = 0,25 esetében, – feltételezve ∆ q& HMV = 10 % HMV és ∆ q& T = 20 % technológiai hőigény növekményt – q& b0 és q& c0 értéke (lásd a 9. ábra) q& b0 = 0,318, q& c0 = 0,423 lesz. A fajlagos hőfelhasználási mutatók értéke qa = 0,515, qb = 0,559, qc = 0,627. 2.2.5. A hőhasznosítási mutató

A hőhasznosítási mutató, qh, [MJ/m3], a vizsgált időszakban a fogyasztó által hasznosított hő, ΣQ [MJ], és a hő szállítására felhasznált vízmennyiség ΣV [m3] aránya: ∑Q qh = ∑V Ez az arány a mérési eredmények alapján utólagosan számolható, és a fogyasztói hőközpont és rendszer jellemzésére felhasználható. Abban az esetben, ha a hőszolgáltatás hatékonysága a fűtőközeg jobb lehűtésével növelhető, a hőhasznosítási mutató a szolgáltatott hő árán keresztül fogyasztóhoz eljuttatott hő minél nagyobb mértékű hasznosításának ösztönzője lehet. A fogyasztói rendszertől és üzemviteli paramétereitől függ a hőhasznosítási mutató értéke. Minél nagyobb a hőhasznosítási mutató értéke, annál kedvezőbb és hatékonyabb a távhőrendszer üzemeltetése. Emiatt a hőhasznosítási mutató a fogyasztói rendszer jellemzésére is felhasználható, értékétől függően a fogyasztónak árkedvezmény adható.

4.1. A hőhasznosítási mutató célértéke & m [W] hő szállítását biztosító, c [J/kg K] fajhővel és ρ [kg/m3] sűA Q & [m3/s], melynek előremenő hőmérséklete rűséggel rendelkező vízáram V te [°C], visszatérő hőmérséklete tv [°C], a fogyasztónál hasznosított hőmér-

23


séklet különbsége ∆t = t e − t v az alábbi képlettel számolható: & & = Qm V ρ ⋅ c ⋅ ∆t A hő szállítását biztosító vízáram halmozott mennyisége ΣV [m3] τf [s] fűtési időszakban (minőségi szabályozású rendszer feltételezésével) & ⋅ τ [m3] V=V f

A fentebb definiált hőfelhasználási tényező értékével a hőfelhasználás halmozott értéke & ⋅ τ ⋅ q [J] ∑Q = Q m f Az előző egyenletekből meghatározható a hőhasznosítási mutató (18. ábra): qh = q · ρ · c · ∆t ≈ 4,2 · q · ∆t A hőhasznosítási mutató célértéke minőségi szabályozású fűtési rendszereknél az előremenő és a visszatérő fűtőközeg közötti névleges hőmérsékletkülönbség függvényében határozható meg. Az 18. ábrán 90/70°C hőmérséklet rendszerű fűtési és 130/70°C hőmérséklet rendszerű távhőrendszer esetére jelöltük a célértéket, ha azt feltételeztük, hogy a fajlagos hőfelhasználási mutató q = 0,65.

10. ábra A hőhasznosítási mutató változása különböző rendszerek esetében

24

8. Fogyasztói hőközpontok

8. Fogyasztói hőközpontok A fűtési rendszerek hőforrása központi fűtésnél a kazán, távfűtésnél a fogyasztói hőközpont. Fogyasztói hőközpont ?

A fogyasztói hőközpont a primer és szekunder rendszer kapcsolatától függően: • közvetlen (direkt) kapcsolású • közvetett (indirekt) kapcsolású A fűtési és a használati melegvíz (esetleg szellőzési) hőigény kielégítése, ill. hőcserélőinek kapcsolása alapján az alábbi kapcsolású hőközpontokat különböztetjük meg: • soros • osztott soros • párhuzamos • vegyes

Fogyasztói hőközpontok csoportosítása ?

8.1. Közvetlen kapcsolású fogyasztói hőközpont A közvetlen kapcsolású fogyasztói hőközpontban a forróvizes primer rendszer a melegvizes fűtési rendszerrel hidraulikailag össze van kötve (29. ábra). A primerköri fűtőközeg az épület fűtési rendszerébe jut, az épületből visszatérő fűtőközeg egy része a primerköri visszatérő víz. Emiatt a primer és szekunder visszatérő víz hőm azonos, így e hőközpontoknál a hasznos hőmérsékletesés nagyobb lehet, mint a közvetett kapcsolású hőközpontoknál. A primer fűtőközeg hőmérsékletét az alacsonyabb szintű szekunder hőmérsékletszintre visszakeveréssel csökkentik. Ez különböző módon történhet. Az 29a. ábrán egy háromutú keverő szabályozó szelep a külső hőmérséklet függvényében állítja be a szekunderköri előremenő hőmérsékletet. A visszakeveréshez szükséges nyomáskülönbséget az SZ2 szivattyú biztosítja. A hőközpont hőforráshoz viszonyított helyétől (primer- és szekunderköri nyomásviszonyoktól) függően a visszakeverő szivattyú a viszszakeverő (29b. ábrán, SZ), vagy a szekunderköri előremenő ágban (29c. ábrán, SZ1) is elhelyezkedhet.

Közvetlen kapcsolás ?

11. ábra Közvetlen kapcsolású hőközpontok egyszerűsített kapcsolási vázlata

A 30. ábrán az egyszerűsített hőközponti kapcsolás fölé felrajzoltuk a nyomásábrát is. A hőközpontnál a primer hálózati nyomást „A”-val és „B”

25


-vel jelöltük. A nyomásábrán a primerköri nyomás minimális (pmin) és a szekunderköri nyomás maximális (pmax) értékét is feltüntettük. Az első a kigőzölgés elkerülése, a másodikat a radiátorok megengedett nyomása (46 bar) miatt fontos. Ha a primerköri visszatérő nyomás B, a hőközpontban az SZ2 szivattyút kell üzemeltetni. Ha a primerköri nyomás B’, akkor az SZ szivattyú alkalmazása elégséges.

Az alsó B legyen B’, fűtőérték helyett fűtőtestek névleges nyomásától 12. ábra Közvetlen kapcsolású hőközpontok egyszerűsített kapcsolási vázlata és nyomásábrája

Feladat: Határozzuk meg a szivattyúzási teljesítményigény arányát azonos szivattyú hatásfok feltételezésével, ha az SZ2, vagy az SZ szivattyút alkalmazzák! (A hőmérséklet miatti sűrűségkülönbség elhanyagolható.) Megoldás: Legyen az SZ2 szivattyú teljesítményigénye „P2”, az SZ szivattyú teljesítményigénye „P”. Az SZ2 szivattyú által szállított tömegáram „m2”, az SZ szivattyú által szállított tömegáram „mv”. A csomóponti egyenletből és a hőmérsékletkülönbségekből megállapítható, hogy: mv = ⅔ m2 A hasonlósági egyenletekből megállapítható, hogy SZ szivattyú teljesítményigénye: P = P2 · (mv/m2)3 = P2 ·(⅔)3 = 0,3 · P2

26


Látható, hogy a köbös arány miatt az ⅓-al kevesebb tömegáram kevesebb, mint ⅓ szivattyúzási teljesítményt igényel. A kapott eredmény arra ösztönöz, hogy ha egyéb körülmény nem akadályozza, a szivattyút célszerű a visszakeverő ágba helyezni. A közvetlen kapcsolású hőközpontokban a szekunderköri fűtőközeg visszakeverésére valamikor sugárszivattyúkat is alkalmaztak (31. ábra). A sugárszivattyúk előnyeként tartották számon a nagy megbízhatóságot, kis beruházási és üzemeltetési költséget, a könnyű karbantarthatóságot, s azt hogy nem volt szüksége villamosenergia forrásra. Hátrányaként említhető, hogy a primerköri nyomás változása (az előremenő, vagy visszatérő vezetékben) megváltoztatja a bekevert mennyiséget, s ez alulfűtést, vagy túlfűtést okozhat. A jó működés feltétele a kellő nyomáskülönbség, korlátot jelent a szekunderkörben megengedhető maximális nyomás.

Sugárszivattyú ?

A sugárszivattyú alkalmazását Magyarországon szinte teljes mértékben megszüntették, mert üzemeltetésük „feleslegesen komplikáltnak” bizonyult. A keringtető szivattyúk és villamosenergia viszonylag alacsony ára miatt kedvezőbbnek mutatkozott a szivattyús megoldás választása. A jövőben számítani lehet arra, hogy az energiafelhasználás csökkentése érdekében a szabályozható sugárszivattyúk ismét alkalmazásra kerülnek.

13. ábra Sugárszivattyús közvetlen kapcsolású hőközpont egyszerűsített kapcsolási vázlata és nyomásábrája

8.2. Közvetett kapcsolású fogyasztói hőközpont A közvetett kapcsolású fogyasztói hőközpont esetében a forróvizes

27


primer rendszert a melegvizes fűtési rendszerrel hőcserélő köti össze. A hőátvitel felületi hőcserélőkben történik. A két kör hidraulikailag különválasztott (32. ábra), a szekunder körben a fűtőközeg keringetését önálló keringető szivattyú biztosítja. A keringető szivattyút az ábrán látható módon a visszatérő ágba szokás helyezni, elhelyezhető ugyanakkor az előremenő ágba is. Mind a szivattyú hőterhelése, mind a kavitáció elkerülése érdekében a szekunder ágba történő elhelyezés a kedvezőbb. Az ábrán látható esetben a fűtési rendszerben az előremenő fűtőközeg hőmérsékletét a primer rendszer hőcserélő előtti ágában elhelyezett szabályozó szelep a külső hőmérséklet függvényében állítja be. A szekunderköri keringető szivattyúhoz hasonlóan a szabályozó szelep mind az előremenő, mind a visszatérő ágba helyezhető. A közvetett kapcsolású hőközpontok esetében a primerkörben a visszatérő fűtőközeg hőmérséklete a hőátvitel miatt szükséges hőmérséklet különbséggel magasabb az épületből (fűtési rendszerből) visszatérő víz hőmérsékleténél.

Közvetett kapcsolású fogyasztói hőközpont ?

14. ábra Közvetett kapcsolású hőközpont egyszerűsített kapcsolási vázlata

A használati melegvíz (HMV) termelés szempontjából a hőközpontok közvetett kapcsolásúak. A fűtési és a használati melegvíz (esetleg szellőzési) hőigény kielégítése, ill. a hőcserélők kapcsolása szempontjából soros kapcsolású hőközpontot egykor fűtőműves hőközpontnak is nevezték. A soros kapcsolású hőközpontokat Magyarországon ún. előre kapcsolható („csiki-csuki”) és előnykapcsolásos („ERMASÉ”) üzemmódban üzemeltették. Az előre kapcsolható jelző a HMV hőcserélő helyére utal. Alaphelyzetben a HMV hőcserélő a fűtési hőcserélő után kötött (33. ábra), ugyanakkor a valóságban a vezetékek úgy vannak kiépítve, hogy szelepek elzárásával és nyitásával a fűtési hőcserélő elé kapcsolható. Az előnykapcsolás esetén a HMV hőcserélő mindig a fűtési hőcserélő után – az ábra szerint –, helyezkedik el, a hőközponti szabályozás van oly módon kialakítva, hogy szükség esetén, a HMV előírt hőmérsékletének kialakítása a fűtés rovására előnyben részesül. Az előnykapcsolásnak elsősorban a korlátolt primerköri térfogatáram miatt van jelentősége. A fűtési rendszer és a fűtött helyiség hőtároló kapacitása miatt, a HMV megfelelő hőmérsékletének elérése érdekében a rövid ideig tartó szekunderköri előremenő hőmérséklet csökkenés a fűtésben nem okoz zavart.

Soros kapcsolású hőközpont ?

28


15. ábra Soros kapcsolású hőközpont egyszerűsített kapcsolási vázlata

Valamikor fűtőerőműves hőközpontnak is nevezték az ún. osztott-soros kapcsolást (34. ábra). Az osztott-soros kapcsolás arra utal, hogy a HMV hőcserélő egy elő- és egy utófűtőre osztott. Az előfűtő (E) a fűtési hőcserélő után kapcsolva a fűtési hőcseréléről távozó víz hőjét hasznosítja, az utófűtő (U) biztosítja szükség esetén a HMV előírt hőmérsékletének elérését. A fűtőerőműves jelzőt a kapcsolás feltehetően azért kapta, mert a tisztán soros kapcsolásúhoz képest e kapcsolás által nagyobb mértékben hasznosítható a hőközponba eljuttatott hő (azonos peremfeltételek esetében nagyobb mértékű lehűlést eredményez).

Osztott -soros kapcsolású hőközpont ?

29


16. ábra Osztott-soros kapcsolású hőközpont egyszerűsített kapcsolási vázlata

A fenti ábrákon látható soros és osztott-soros kapcsolású hőközpontokat állandó tömegáramú hőközpontoknak nevezik. Az állandó tömegáram a kétutú szelepekkel történő hőközponti szabályozásra utal. A kétutú szabályozószelepek a hőigény függvényében a hőcserélős, vagy a hőcserélő nélküli ágon engedik át a primerköri fűtőközeget. E hőközpontok esetén előfordulhat, hogy a primerköri fűtőközeg hőcserélővel történő találkozás nélkül jut vissza a hőforrásba. A keveredések ún. „minőségi veszteségeket” okoznak. A párhuzamos (35. ábra) és vegyes (36. ábra) kapcsolású hőközpontok az ún. változó tömegáramú hőközpontok. A változó tömegáram az egyutú szeleppel történő szabályozásra utal. Ez esetben a hőkozpontokon ill. egyes ágain a szabályozó szelepek annyi primerköri fűtőközeget engednek keresztül, amennyi a szekunderköri közeg előírt hőmérsékletre történő melegítéséhez szükséges.

Párhuzamos kapcsolású hőközpont ?

Vegyes kapcsolású hőközpont ?

30


17. ábra Párhuzamos kapcsolású hőközpont egyszerűsített kapcsolási vázlata

18. ábra Vegyes kapcsolású hőközpont egyszerűsített kapcsolási vázlata

8.3. Közvetett kapcsolású fogyasztói hőközpontok összehasonlítása Tekintettel arra, hogy a fentebb ismertetett ún. állandó tömegáramú, energiagazdálkodás szempontjából kedvezőtlen hőközpontok alkalmazásáról már Magyarországon is áttérnek a változó tömegáramú hőközpontok alkalmazására, az összehasonlítást ez utóbbiakra végezzük el, soros, párhuzamos és vegyes kapcsolás feltételezésével. Az összehasonlítás során azt feltételeztük, hogy azonos hőigényt, azonos hőcserélő fűtőfelülettel kell kielégíteni. Azt kerestük, melyik kapcsolási módnál lesz nagyobb mértékű a hőközpontba szállított hő hasznosítása ill. a primerköri fűtőközeg lehűlése. A 37. ábrán látható változó tömegáramú forróvizes fogyasztói hőközpont fűtési és használati melegvíz (HMV) hőcserélője sorba van kapcsolva. Az ábra felső részén az egyszerűsített kapcsolási vázlat látható az ágak és a & ) jelölésével. A tömegáramoknál az indexek a követketömegáramok ( m

Hőközponti kapcsolások összehasonlítási kritériumai ?

31


zők: p s h HMV

- primerköri melegvíz - szekunderköri melegvíz - hálózati hidegvíz - használati melegvíz

A használati melegvíz hőmérsékletét az „R” szabályozó az „M1” és az „M2” motoros szelepekkel szabályozza. A szabályozás első lépésben az „M1” szeleppel történik zárt „M2” szelep mellett. Ha a HMV hőmérséklete a 13 sz. ág teljes nyitását követően sem éri el a kívánt értéket, az „M2” szelep nyit mindaddig, amíg a hőmérséklet megfelelő nem lesz.

19. ábra Soros kapcsolású hőközpont ágáramai és a kialakuló hőmérsékletek

Az ábra alsó részén a hőközpont primerköri vezetékeiben (ágaiban) áramló fűtőközeg hőmérsékletének változása látható a fűtési idény átmeneti szakában +10 °C külső levegő hőmérsékletnél. Különös figyelmet érdemel, miként emelkedik meg a már lehűlt fűtőközeg hőmérséklete a keveredés következtében. Amint az ábrán látható, a hőközpontba belépő víz hőmérséklete 80 °C. A fűtési hőcserélőn átáramló fűtőközeg 43 °C hőmérsékletre hűl le. Tekintettel arra, hogy ilyen hőmérsékletű vízzel nem lehet 55 °C hőmérsékletű melegvizet előállítani, az M2 szelep addig növeli a fűtési hőcserélőt megkerülő ágon a vízáramot, amíg a HMV hőcserélőbe lépő kevert víz el nem éri a 63 °C hőmérsékletet. Ilyen hőmérsékletű fűtővízzel lehet a hálózati víz hőmérsékletét 55 °C-ra emelni. A vizsgált kapcsolással és szabályozási móddal a fűtési és HMV hőigény az ábrán látható hőmérséklet és tömegáram értékekkel elégíthető ki.

Miért van keverés a hőközpontban ?

Ábrázolja a hőmérsékletváltozását egy fogyasztói hőközpont vezetékeiben !

E kapcsolási módnál gyakran tapasztalható, hogy a szabályozási koncepció miatt az átmeneti időszakban a szolgáltatóknak túl magasan kell tartani a primerköri előremenő fűtőközeg hőmérsékletét. A fenti típusú soros kapcsolású hőközpontok esetében kedvezőbb üzemviszonyok érhetők el, ha a fűtési hőcserélőben már lehűlt vizet nem keverjük össze a megkerülő ágon átáramló vízzel. (Az átmeneti időszakban 32


egyébként a HMV termelés érdekében tartjuk a primerköri előremenő hőmérsékletet magasabban, mint azt a fűtési hőigény kielégítése igényelné.) Sok soros kapcsolású hőközpontban a már beépített elzáró szelepek zárásával/nyitásával, vagy néhány szelep beépítésével megoldható a HMV hőcserélő előre, vagy párhuzamos kapcsolása. A szakmai berkekben ún. „csikicsuki” kapcsolásnak nevezett üzemvitellel jelentős mértékű energiamegtakarítás érhető el. Hátránya, hogy meg kell határozni és figyelni kell az előre ill. hátrakapcsolás megfelelő időpontját. A primerköri fűtőközeg hőmérsékletének változását az előző kapcsoláshoz hasonlóan a 38. ábrán látható párhuzamos kapcsolás alkalmazása esetén is szemléltetjük.

20. ábra Párhuzamosan kapcsolt hőközpont ágáramai és a kialakuló hőmérsékletek

A két ábrán látható paraméterek ugyanazon fűtési és HMV hőigény és hőcserélő felületek mellett lettek meghatározva. E kapcsolás esetében 65 °C hőmérsékletű primer fűtőközeggel kielégíthető mindkét hőigény. A hőközpontba belépő 65 °C hőmérsékletű primer fűtő-közeg keveredés nélkül a HMV hőcserélőre jutva feltudja melegíteni a hálózati vizet a megkívánt 55 °C hőmérsékletre. Az ábrákon látható, hogy a primerköri tömegáram és a fűtőközeg lehűlésének mértéke a két esetben csaknem megegyezik, (ez a szemléltetésre kiválasztott munkapontra véletlenül alakult így), jelentős eltérés azonban az, hogy amíg az egyiknél 80 °C az előremenő fűtőközeg igényelt és 56,5 °C a visszatérő kialakuló hőmérséklete, a másiknál 15 °C-al kevesebb.

Miért csökken a tömegáram a párhuzamos kapcsolásnál a soroshoz képest ?

Az 39. ábrán a párhuzamos és vegyes kapcsolású hőközpont egyszerűsített kapcsolási vázlata és üzemviteli szimulációjának eredménye alapján felrajzolt primerköri hőmérséklet változása látható.

33


21. ábra Párhuzamos és vegyes kapcsolású hőközpont üzemviteli szimulációjának eredménye +10 °C külső léghőmérsékletnél

Az ábra alapján megállapítható, hogy energetikai szempontból a vegyes kapcsolás a párhuzamos kapcsolásnál is kedvezőbb. E kapcsolás a fűtőközeg jobb lehűlését teszi lehetővé, így azonos hőigény kielégítéséhez kevesebb primerköri vízáram szükséges. Az alacsonyabb primerköri visszatérő fűtőközeg hőmérséklet a hálózati hőveszteség csökkenését eredményezi, kapcsolt hő- és villamosenergia termelés esetén hatására kevesebb lesz a hőkiadás miatt kieső villamos teljesítmény. A kevesebb primerköri vízáram kisebb szivattyúzási teljesítményt igényel. Tekintettel arra, hogy a vegyes kapcsolású hőközpont beruházási költsége kis mértékben nagyobb a párhuzamos kapcsolásénál, általános jelleggel tézisként állapítható meg, hogy "van egy olyan hőteljesítmény határ, amelyen belül a párhuzamos kapcsolású, azon kívül a vegyes kapcsolású fogyasztói hőközpont alkalmazása a gazdaságosabb. A hőteljesítmény határ függ a hőtermelő és szállító rendszertől, a hőközponti elemek beruházási költségétől, valamint az energia ill. energiahordozó árától."

Energetikai szempontból a soros, a párhuzamos, vagy a vegyes kapcsolású fogyasztói hőközpont a kedvezőbb? Miért?

Gyakorló feladatok: 1) Az 21. ábra adatainak feltételezésével határozza meg milyen arányban csökken a szivattyúzási teljesítmény ill. munka, ha párhuzamos kapcsolású hőközpont helyett vegyes kapcsolású hőközpontot alkalmaznak! A hasonlósági törvény értelmében a vegyes kapcsolású hőközpontok esetében a szivattyúzási teljesítményigény, Pv és a párhuzamos kapcsolású hőközpontok esetében szükséges szivattyúzási teljesítményigény, Pp aránya megegyezik a vegyes kapcsolású hőközpontok esetében a szivattyúzott tér& v és a párhuzamos kapcsolású hőközpontok esefogatáram (tömegáram) m & p arányának harmadik tében a szivattyúzott térfogatáram (tömegáram) m

34


hatványával, azaz: 3

3 & v   0,56  Pv  m = = = 0,77  & p   0,61  Pp  m

Ebből következik, hogy a vegyes kapcsolású hőközpontoknál a szivattyúzási teljesítményigény: Pv = 0,77 · Pp 2) Mennyi keringetési villamosenergia takarítható meg vegyes kapcsolással, egy távhőrendszerben a 4000 h hosszú fűtési idényben, ha a primerköri keringetett térfogatáram párhuzamos kapcsolásnál 1000 m3/h (névleges hőteljesítmény: ~70 MW), a keringető szivattyú emelőmagassága: ~ 60 m (~ 0,6 MPa) és a szivattyúzás hatásfoka 70 %? A szivattyúzási teljesítményigény párhuzamos kapcsolásnál: & 0,6[MPa ] ⋅ 106 ⋅ 1000[m3 / h ] ∆p ⋅ V = 238,1 [kW ] Pp = = 3600 ⋅ 0,7 η A szivattyúzási teljesítményigény vegyes kapcsolásnál: Pv = 0,77 · Pp = 0,77 · 238,1 = 183,3 [kW] A megtakarítás: ∆E = (238,1-183,3) · 4000 = 219,2 [MWh/fűtési idény] 3) A kapcsoláscsere mennyi költség és CO2 kibocsátás csökkenést eredményez 15 [Ft/ kWh] villamosenergia ár és 590 [g/kWh] fajlagos CO2 kibocsátás feltételezésével? ∆K = 219 200 · 15 = 3,3 [MFt/fűtési idény] ∆CO2 = 219 200 · 0,59 = 129,3 [t/fűtési idény]

35

2. Hőszállítás

2. Hőszállítás 2.1. A fűtőközeg kiválasztása A hő szállítására fűtőközegként forróvizet, vagy gőzt használnak. A technológiai hőigények kielégítésére, s a távhőellátás bevezetésének időszakában elsősorban gőzzel üzemelő rendszereket építettek. Később a távhőellátásban a forró vizes rendszerek terjedtek el. Napjainkban, egyre gyakrabban alkalmazzák a melegvizes, (általában 110 °C hőmérsékletig meleg, ennél magasabb hőmérséklet esetében forróvizes rendszernek nevezik,) vagy a 120-130 °C hőmérsékletet meg nem haladó forróvizes távhőrendszereket. Előfordul, hogy a nagytávolságú hőellátás esetében műszakigazdasági elemzés a tranzitvezetékben keringetett forróvíz hőmérsékletét 180-200 °C értékben határozza meg.

Melegvíz / forróvíz ?

A víz, vagy vízgőz választása mellett egyrészt a fogyasztói igény figyelembevételével lehet dönteni. A gőzigényű fogyasztók esetén – amelyek elsősorban technológiai célra igényelnek gőzt – célszerű lehet az egész primerköri hálózatot gőzzel üzemeltetni. Ugyanakkor egy közép hőmérsékletszintű fogyasztói rendszer esetén a víz vagy vízgőz fűtőközeg egyenrangú lehet. A fűtőközeg és hőcserélő fala közti hőátadási tényező értéke a két esetben közel megegyező. A távhőellátásnál fontos a fűtőközeg paramétereinek helyes megválasztása. Ha a távhőrendszer hőforrása fűtőmű, gyakran magasabb hőmérsékletű fűtőközeget alkalmaznak, hogy csökkentsék a szállítás beruházási és üzemeltetési költségeit. A fűtőközeg paramétereinek növelése a vezetékátmérő csökkenésével jár. Víz esetében kisebb lesz a keringetéshez felhasznált villamos energia is. Kisebb távhő rendszereknél ez valóban gazdaságos, nagyobb rendszereknél a kisebb vezetékátmérő miatti anyagmegtakarítás mértékét csökkenti a vezetékek falvastagságának a nagyobb nyomásszint miatt szükséges növelése. A fűtőerőműves távhőrendszereknél a fűtőközeg hőmérsékletét a hőforrás gazdaságos működtetésével összhangban kell meghatározni. Különös figyelmet kell ugyanakkor fordítani az ipari fogyasztók hőellátására. Technológiai célokra általában különböző nyomású gőzt igényelnek. Ezek kielégítése nyomástartalékkal történik. Gyakran előfordul, hogy az üzemek a magasabb nyomásigényt, nem a technológiai folyamat igényével összhangban határozzák meg, hanem a helyi adottságok véletlenszerű feltételeivel. A technológiai folyamat gőzigényének elemzése során sok esetben csökkenthető a fogyasztó által meghatározott nyomásszint. A fűtőközeg hőmérsékletének meghatározását az egész rendszerre kiterjedő műszaki-gazdasági elemzés alapján kell elvégezni. Ügyelni kell a hőforrás, az elosztóhálózat, hőközpontok és egyéb fogyasztói berendezések célszerű kialakítására és üzemvitelére is. A gőz hőtartalma jelentős mértékben (a párolgáshővel) meghaladja a forró víz hőtartalmát, ennek ellenére

36

2. Hőszállítás

energiagazdálkodási szempontból a víz alkalmazásának számos előnye van a gőzzel szemben. A több fokozatban történő felmelegítése növeli az ellennyomású villamos energia termelés mértékét, ill. kondenzációs fűtőerőművek esetén csökkenti a hőkiadás miatt kieső villamos energia mennyiséget. Kapcsolt hő- és villamos energia termelésnél előnyösebb az alacsony hőmérsékletszintű forró/melegvizes rendszerek alkalmazása. A gőzzel üzemelő távhőrendszerekbe a gőzt elvétellel, vagy magasabb nyomású ellennyomású turbinákkal biztosítják. Ez mindenképpen a villamos energia termelés csökkenését okozza. A fűtőközeg hőmérsékletének meghatározásánál fontos szempont az alkalmazott távhővezeték szigetelőanyaga is. A napjainkban nagy mértékben alkalmazott előre szigetelt műanyag köpenyes távhővezetékek szigetelőanyaga nem teszi lehetővé, hogy külön szigetelés nélkül 130°C-nál magasabb hőmérsékletű fűtőközeggel tartósan üzemeltessék a rendszert.

Elsődlegesen hőtermelésre létesített erőmű ?

Elsődlegesen villamosenergia termelésre létesített erőmű ?

A forróvizes távhőrendszerek előnyei és hátrányai a gőzzel üzemelő rendszerekkel szemben a következők: 2.1.1. Előnyök • nagyobb fajlagos villamosenergia termelés • a kondenzátum a hőforrásban marad, ami elsősorban a nagynyomású fűtőerőműveknél fontos • a hőközponti hőmérséklet vagy tömegáram szabályozás egyszerűbben megoldható • elmaradnak a gőzrendszerre jellemző kondenzátum veszteségek

Forróvizes távhőrendszer előnyei?

• nagyobb a hőtárolás lehetősége 2.1.2. Hátrányok • A szivattyúzási munka ténylegesen nagyobb a kondenzátum visszaszállításához szükségesnél, aminek elsősorban a fűtőműves rendszerben nagy a jelentősége. A fűtőerőműben megtermelt villamos energia ezt pótolja. • A hő szállításához nagyobb mennyiségű víz szükséges, mint gőz, emiatt nagyobb a meghibásodás lehetősége is. Mivel a gőznek nagy a fajtérfogata, kisebb meghibásodások mellett a rendszer még üzemben tartható, miközben a forróvizes rendszert le kell állítani.

Forróvizes távhőrendszer hátrányai?

2.2. Az elosztóhálózat topológiája Az elosztóhálózat alapvető feladata, hogy az ellátandó körzet hőigényét kellő biztonsággal elégítse ki. Ennek megfelelően vonalvezetését és méreteit a fogyasztói körzetben várható hőigény függvényében tervezik, ill. a várható fejlődés figyelembe vételével kell megtervezni. E tekintetben különös figyelmet kell fordítani a legnagyobb hőmennyiséget (hőteljesítményt) szállító tranzit és gerinc vezeték helyének és rendszerének megválasztására.

Forróvizes távhőrendszer csoportosítása?

37

2. Hőszállítás

A távhőhálózat – a fűtőközeg (gőz, meleg- és forróvíz), valamint a vezetékrendszer (egy-, két-, három- vagy négyvezetékes) szerinti alapvető csoportosítás mellett – a helyi adottságoktól, domborzati, geológiai, beépítési viszonyoktól függően különféle rendszerű lehet: • A sugaras kialakítású hálózatok mind a gőz, mind a forró/meleg víz fűtőközeg esetén legelterjedtebbek. A sugaras rendszerű hálózatoknál a gerincvezetékek a legmegfelelőbb, sok esetben a legrövidebb útvonalon haladnak a fogyasztói körzet felé. A gerincvezetékből ágaznak le az elosztóhálózat vezetékei (40. ábra), amelyek a hőleadás helyét képező hőközpontokban a visszatérő ágba csatlakoznak.

22. ábra Sugaras és hurkolt távhőhálózat elvi vázlata

• Hurkolt rendszerű az a távhőhálózat, amelynél a különböző gerincvezetékből táplált ágak egymáshoz közeli végei össze vannak kötve (22. ábra szaggatott vonal). A hurkolt hálózat előnye, hogy az összekapcsolt vezetékről táplált fogyasztók mindkét gerincvezetékről elláthatók. Ennek előnye akkor jelentkezik, ha az egyik gerincvezetéket részben, vagy meghibásodás esetén rövid időre teljesen elzárják.

Hurkolt távhőhálózat?

A hurkolt hálózat különösen előnyös a gőz esetén, mert a gerincvezetékek összekapcsolásával kiegyenlítődik a terhelés, javul a nyomásviszony mind a gőz, mind a kondenzvezetékben. A forróvizes rendszerben a hőhordozó közeg tömegárama, és ezáltal a gerincvezetékről elvihető hőteljesítmény is arányos az előremenő és visszatérő vezetékek közötti nyomáskülönbséggel. A nyomáskülönbség jelentős mértékben megváltozik, ha a hő elvétele csak egy gerincvezetékről táplált hálózatrészből történik (41. ábra). Ilyen esetben előfordulhat, hogy az elzárt gerincvezeték közelében levő fogyasztók hőigényét csak részben lehet kielégíteni. Ez esetben a gerincvezetékről táplált más fogyasztók hőellátási feltételei is rosszabbodnak. A forróvizes elosztóhálózatokat általában sugaras rendszerben üzemeltetik. Az ilyen üzemvitel mellett elkerülhető az áramlás nélküli vezetékszakaszok kialakulása (ilyen lehet „l” a „b1” és „b2” közötti sza-

38

2. Hőszállítás

kasz), s bennük a lehűlés miatt hideg vízdugók keletkezése. A hideg vízdugók az áramlási viszonyok megváltozását követően üzemviteli gondokat okozhatnak.

23. ábra Különböző gerincvezetékről táplált fogyasztói helyeken a nyomás változása az előremenő és visszatérő ágban (22. ábra jelölései szerint)

• Körvezetékes (gyűjtősines) rendszer esetén a gerincvezeték a fogyasztói körzeten körbe haladva önmagába visszatér. A kör/gerinc vezetékhez csatlakoznak az elosztó vezetékek, amelyek további hurkokat alkothatnak. Az ágak többségének, vagy akár egészének összekapcsolásával keletkezik az ún. rácshálózat, amely az ivóvíz hálózat esetében gyakori, távhőhálózat esetében ritkán forduló elő. A körvezetékes hálózat mind gőz, mind forróvíz esetében alkalmazható. Forróvíz esetében az ún. Tichelmann hurok (42. ábra) kivételével – melyet a kedvező nyomásviszonyai miatt (ahol műszakilag megoldható és gazdaságos), alkalmazni kellene – ritkán alkalmazzák. Az utóbbi időben, a különböző telephelyű, szigetüzemű távhőrendszerek hőforrásainak az üzemvitel gazdaságosságának növelése érdekében történő összekapcsolása által válik egyre gyakoribbá. Az alkalmazását korábban azért is kerülték, mert nem tudták követni a nyomásviszonyok változását, az előremenő és visszatérő ág között a megbízható hőellátáshoz szükséges nyomás különbség rendelkezésre állását. Mivel a körvezetékes rendszer a hurkolt hálózat egyik fajtája, bizonyos vezetékszakaszokon ez esetben is előfordulhat a fűtőközeg áramlásának lelassulása, esetleg megszűnése és hideg vízdugók keletkezése.

Tichelmann rendszer?

39

2. Hőszállítás

24. ábra Tichelmann kapcsolás elvi vázlata

• Segéd gerincvezetékes hálózat úgyszintén alkalmazható mind gőz, mind forróvíz esetében. Előfordulhat, hogy az ellátási körzet kiterjesztésének egyetlen megoldása a segéd gerincvezeték (43.a ábra). Rövid ideig tartó technológiai gőzigények kielégítésekor a nagynyomású friss gőz rendszerre kapcsolása is előnyös lehet, mert a rendelkezésre álló nagy nyomáskülönbség kisebb átmérőjű vezeték beruházását teszi lehetővé. Természetesen az átmérő megválasztását gazdasági vizsgálat alapján kell megtenni. A segéd gerincvezetéket a hőforrástól a lehető legrövidebb úton célszerű az elosztóhálózat azon pontjához vezetni, amelynek kimerült a hőátviteli kapacitása. Gőzhálózat esetén a 43. ábrának megfelelően a hőforrás redukciós állomásának szerepét is betöltheti. Mindezek ellenére nyomáscsökkentő szelepen keresztül kell csatlakoztatni a hálózathoz, mert a belépő pt állandó nyomás mellett a vezeték végén levő pn nyomás az elvétel függvényében fog változni. A nyomáscsökkentő szelep az elvételi hely megválasztásának szabályozására is felhasználható – ellennyomású, vagy friss gőz kerüljön a vezetékre. Beállítása arra a legkisebb nyomásértékre történik, amely lehetővé teszi a kellő mennyiségű gőz elvételét abból a csomópontból, amelyikre a segéd gerincvezeték csatlakozik. Ha a segéd gerincvezetékre nincs fogyasztó kapcsolva, üzemeltetése csak a nagy hőelvétel esetén szükséges. Ilyen esetben egy vezetékes rendszerként tervezhető, mivel a kondenzátum visszavezetése a már meglevő rendszer kondenzátum vezetékén megvalósítható. Az ilyen megoldású segéd gerincvezetéken a kezdő nyomás nagyobb kell legyen az előző hálózat belépő nyomásától (pt>>pe). A gőzelvétel a friss gőz vezeték mellett/helyett a gőzturbina magasabb nyomású helyéről is történhet.

40

2. Hőszállítás

25. ábra Segéd gerincvezetékes (SG) távhőhálózat (a), valamint fűtőerőművi kapcsolásának (b) elvi vázlata gőzrendszer esetén

2.3. A nyomásviszonyok változása a vezetékekben Az elosztóhálózat vezetékeiben a nyomásviszonyok elsősorban a közeg áramlása során létrejövő nyomásesés miatt változnak. A nyomás(esés) változását általában az áramló mennyiség (vezeték jelleggörbe) és a vezeték hossz függvényében fejezik ki és ábrázolják. Ez utóbbi esetben a vezeték egyes keresztmetszeteiben az áramló közeg nyomását a geodetikus magasság figyelembevételével határozzák meg. Körkeresztmetszetű vezetékben állandósult állapotban „v” sebességgel áramló közeg térfogatárama: 2 & = d ⋅ π ⋅ v [m3/s] V 4

& = tömegárama: m

d2 ⋅ π ⋅ v ⋅ ρ [kg/s] 4

Mivel a tömegáram a nyomás függvényében nem változik (ellentétben a térfogatárammal), összenyomható közegek esetében célszerűbb az utóbbi összefüggést alkalmazni. Bizonyos számításokhoz jó közelítéssel alkalmazhatók az alábbi összefüggések: • 75°C közepes hőmérsékletű ρ = 975 kg/m3 sűrűségű víz esetén, mmben megadott vezeték átmérő (d) és m/s-ban megadott áramlási sebességnél az óránkénti térfogat ill. tömegáram számítására: & = 2,83 ⋅ 10−3 ⋅ d 2 ⋅ v [m3/h] és m & = 2,76 ⋅ d 2 ⋅ v [kg/h] V • p" [MPa] nyomású telített vízgőzre a tömegáram (ρ = 5 · p" [MPa]): & = 0,146 ⋅ d 2 ⋅ v ⋅ p" [kg/h] és m & = 4,06 ⋅ d 2 ⋅ v ⋅ p" [kg/s] m • p" [kp/cm2] nyomású telített vízgőzre a tömegáram: & = 1,49 ⋅ d 2 ⋅ v ⋅ p" [kg/h] m 2.3.1. A csővezeték jelleggörbe

A körkeresztmetszetű csővezetékben a nyomás változását a tömegáram függvényében összenyomhatatlan közeg (folyadék) esetében, az alábbi összefüggés írja le:

41

2. Hőszállítás

∆p =

ahol:

λ d L v & m ρ

ρ ⋅λ ⋅L ⋅v 2 ⋅d

2

= 0 , 811 ⋅ λ ⋅ L ⋅

- a csősúrlódási tényező - a vezeték átmérője - a vezeték egyenértékű hossza - a folyadék sebessége a vezetékben - a tömegáram - a közeg sűrűsége

m& d

5

2

⋅ρ

[Pa]

[-] [m] [m] [m/s] [kg/s] [kg/m3]

A vezeték helyi ellenállásait (kompenzátorok, elzáró szerelvények, stb.) is figyelembe vevő egyenértékű hossz (L) az egyenes szakaszok (Σl) és a helyi ellenállások (Σlζ) egyenértékű hosszának összegeként számolható: d L = ∑ l + ∑ l ς = ∑ l + ∑ ς ⋅ [m] λ ahol: ζ - egyenértékű hossza [-] d - a vezeték átmérője [m] L - a vezeték egyenértékű hossza [m] Folyadék szállítása esetén feltételezhető, hogy sűrűsége a nyomás változásának függvényében nem változik. Ugyancsak változatlannak tekinthető a nyomás függvényében a vezeték átmérője, a vezetékek hossza és a helyi ellenállások tényezője is. Ezek feltételezésével írható, hogy a nyomásesés: &2 d m K    & 2 = konst ⋅ m &2 ∆pf = 0,811 ⋅  ∑ l + ∑ ς ⋅  ⋅ λ ⋅ 5 = K1  K 2 + 3  ⋅ λ ⋅ m λ λ  d ⋅ρ   Mivel teljesen turbulens áramlás esetében a csősúrlódási tényező nem függ a Reynolds számtól, és így az áramló mennyiségtől, a nyomásesés jelleggörbéje parabola lesz (44. ábra 1 jelű görbe). A turbulens áramlás bizonyos eseteiben a csősúrlódási tényező ugyan függ a Reynolds számtól és így az áramló mennyiségtől is, ez azonban nem meghatározó, hatását a helyi ellenállások nagyrészt kompenzálják, ezért a parabolikus összefüggés elfogadható. A lamináris áramlás esetén, mivel ez nagyon kis folyadékáramoknál lép fel, a nyomásesés változása az áramló mennyiség függvényében lineárisnak tekinthető (44. ábra 2 jelű görbe). A rendszer – „vezeték és szivattyú” – munkapontját, azaz a szállított mennyiséget és a szivattyú emelő magasságát a csővezeték és a szivattyú jelleggörbéjének metszéspontja határozza meg (45. ábra). Az összenyomható közegek – gőzök, gázok – esetében a nyomás változásának jellegét a: &2 K  m  ∆p g = K1 ⋅  K 2 + 3  ⋅ λ ⋅ ρ λ   összefüggés figyelembevételével határozzuk meg. Mivel a gőz sűrűsége nem egyenesen arányos a nyomással, a jelleggörbe meredekebb lesz mint a

42

2. Hőszállítás

folyadék esetén (44. ábra 3 jelű görbe).

26. ábra Csővezeték jelleggörbék különböző közegek szállításakor

& 2 ): 1) összenyomhatatlan közeg (folyadék) turbulens áramlásnál ∆p = f ( m 2) összenyomhatatlan közeg lamináris áramlásnál 3) összenyomható közeg (gőz, gázok) turbulens áramlásnál ∆p = f ( L ): 4) összenyomhatatlan közeg 5) összenyomható közeg, ha pg /ρ = const.

27. ábra Csővezeték és szivattyú jelleggörbék

ahol: V - vízvezeték jelleggörbéje S1 - szivattyú jelleggörbéje S2 - párhuzamosan kapcsolt azonos szivattyúk eredő jelleggörbéje ( ab = bc, ac = 2 · ab ) m1 - a szállított vízmennyiség egy szivattyú esetén H1 - a szállító magasság egy szivattyú esetén m2 - a szállított vízmennyiség két párhuzamosan kapcsolt szivattyú esetén (m1<<m2) 43

2. Hőszállítás

H2 - a szállító magasság két párhuzamosan kapcsolt szivattyú esetén (H2>>H1) H - a szivattyú szállító magassága a szállított közeg oszlop magasságával kifejezve ∆p - a csővezetékben a nyomásesés mértéke nyomás mértékegységben kifejezve 2.3.2. A nyomás változása a csővezetékben

A csővezetékekben a nyomás változását a szokásos üzemvitel és szélsőséges esetekben kell elemezni. A nyomást, vagy a geodetikus magasságot is figyelembe vevő túlnyomás változását az elemzés céljából általában a csővezeték hosszának függvényében ábrázolják. Mindemellett a nyomásesést a vezeték egyenértékű hosszának figyelembevételével számolják. A nyomás változása a szokásos üzemvitel mellett

A nyomás értéke a szokásos üzemvitel mellett a csővezeték tetszőleges „x” keresztmetszetében az alábbi összefüggéssel határozható meg v 2 − v0 2 p x = p x − ∆p0 − x − (h x − h 0 ) ⋅ g ⋅ ρ − ε ⋅ ρ ⋅ x [Pa] 2 [Pa] ahol: p0 - a nyomás értéke a szakasz elején ∆p0-x - a nyomásesés a szakasz elejétől [Pa] h0 - a geodetikus magasság a szakasz elején, [m] hx - a geodetikus magasság a vizsgált helyen, [m] g - a gravitációs gyorsulás, [m/s2] ρ - a közeg sűrűsége, [kg/m3] ε - a mozgási energia valós és számított értékének aránya (az áramlástól függően a vezeték keresztmetszetben kialakuló sebességprofil figyelembevételével lamináris áramlásra ε = 2, turbulens áramlásra ε = 1,1 - 1,03 érték javasolható.) v0 - az áramlási sebesség a szakasz elején [m/s] vx - az áramlási sebesség a vizsgált helyen [m/s]

(

)

Az egyes tényezők hatását a szokásos üzemviteli paraméterek esetén az 7. táblázat tartalmazza.

Nyomásesés

Sűrűség

Áramlási sebesség

Dinamikus Dinamikus Magasság nyomás nyomás különbség 2 ( ρ · v / 2 ) különbség

Nyomás különbség

[MPa]

[bar]

[kg/m3]

[m/s]

[Pa]

[%]

[m]

[MPa]

0,3 ÷ 2

3 ÷ 20

1000

0,7 ÷ 2

250 ÷ 2000



kb. 100-ig

kb.1-ig

100 %





<1%

< 0,5 %



150 %-ig

0,2 ÷ 1,5 2 ÷ 15

1÷8

20 ÷ 60

200 ÷ 30000



Gő z

Víz

Hőhordozó

7. táblázat Az áramló közeg nyomásviszonyait meghatározó tényezők hatása a szokásos üzemviteli paraméterek esetén

kb. 100-ig kb. 0.008-ig

44

2. Hőszállítás

100 %





<2%

<1%



< 0,5 %

A táblázat adatai alapján megállapítható, hogy az áramló közeg mozgásenergia változása jelentéktelen mértékben befolyásolja a hálózati nyomást, ezért elhanyagolható. Vízszintes vezetékek esetén a szokásos áramlási sebességeknél elmarad a geodetikus magasságkülönbség, így a csővezeték tetszőleges „x” keresztmetszetében a nyomás értékét meghatározó öszszefüggés a következő alakra egyszerűsödik p x = p 0 − ∆p0 − x Az összefüggés a távhőhálózat nyomásának ábrázolására azért is alkalmas, mert a vezetékek magassági különbsége a vezeték hossza mentén szintén ábrázolható, és a nyomások így szemléletesen összerendelhetők (46. ábra). A nyomásviszonyok kialakulásánál a fentiek figyelembevételével, meghatározó szerepet kap a nyomásesés változása a vezeték egyenértékű hossza függvényében, ∆p = f (L). Mivel a vizsgált esetben a vezeték átmérője és a tömegáram értéke változatlannak tekinthető, a fentiekhez hasonlóan az alábbiak szerint célszerű meghatározni: &2  m d l (K + K 5 ) ∆p = 0,811 ⋅ λ ⋅ 5  ∑ l + ∑ ς ⋅  = K 4 ⋅ λ ⋅ ∑ + 4 = const ⋅ L λ ρ ρ d ⋅ρ

28. ábra A nyomásváltozás szemléltetése nem vizszintes csővezetékben történő folyadékáramlásnál (1 - a tényleges px nyomás ábrázolása, 2 - az egyszerűsített ábrázolás px*,>
Folyadék turbulens áramlása esetén, a fajsúlyt és a csősúrlódási tényezőt állandónak tekintve a nyomásesés a vezeték hossza mentén lineárisnak tekinthető, ∆pf = const · L (47. ábra).

45

2. Hőszállítás

29. ábra A nyomás változása kétcsöves, forróvíz közegű távhővezetékben a vezeték hossza függvényében állandó kezdő nyomáskülönbségnél különböző tömegáramok (m) esetében (folytonos vonal λ=const, szaggatott vonal λ=f(Re,d/k))

Összenyomható közeg – gőz, gáz – esetén turbulens áramlás feltételezésével a vezeték kezdő pontjában és a vizsgált helyen a nyomáskülönbség az alábbi összefüggéssel írható le: p2g0 −∆p2gx = const · L Ennek megfelelően a vezeték hossza mentén a nyomásesés változása másodfokú görbével ábrázolható (48. ábra). Mivel a csősúrlódási tényező értéke csak kis mértékben függ az áramló közegmennyiségtől, a közeg hőmérsékletétől és nyomásától, az összefüggések az egyszerűsített számításokhoz jó közelítéssel alkalmazhatók. Az ún. nyomásábrák készítésénél egyszerűsítést jelent ugyanakkor az is, hogy amíg a nyomásesést az egyenértékű vezetékhosszal számítjuk (L), az ábrázolás a tényleges hossz ( lt ) függvényében történik.

46

2. Hőszállítás

30. ábra A nyomás változása gőz közegű távhővezetékben a vezeték hossz függvényében állandó kezdő nyomás (pg0=const), vagy állandó végponti nyomás (pn=const) esetében

Amint az ábrákon látható, a nyomásesés jelentős mértékben függ az áramló mennyiségtől és az üzemvitel módjától, ami a 30. ábrán látható gőzáram esetében azt jelenti, hogy az állandó nyomás tartása a vezeték elején, vagy a végén történik.

2.4. A víz és gőz áramlása vezetékben A folyamat az anyag és energia-megmaradás törvénye alapján megy végbe. Az ezekből levezetett kontinuitás és hálózat nyomásviszonyait állandósult állapotban meghatározó Bernoulli törvénye meghatározó elemei a matematikai leírásának. 2.4.1. A hőhordozó közeg mennyiségének meghatározása

& hőAz elosztó hálózat veszteségét is figyelembe véve a hőforrásból Q áram szállítását kell biztosítani. A hőáram szállításához szükséges hőhordozó közeg mennyisége: & & Q Q & =m & ⋅ ∆h = m & ⋅ c ⋅ ∆t [W] azaz m & = = [kg/h] Q ∆h c ⋅ ∆t Gőz esetében általában a közeg ∆h hasznosítható fajlagos entalpiája teremt kapcsolatot a hőáram és a tömegáram kötött. A forró/meleg víz esetében a ∆t hasznosítható hőmérsékletkülönbség alkalmazása a jellemző. A hasznosítható fajlagos entalpia a szállított gőz és a visszatérő kondenzvíz eltalpiájának különbsége. A hasznosítható hőmérsékletkülönbség az előremenő és visszatérő forró/meleg víz hőmérséklete közötti különbség. A távhővezeték szállítását a hőhordozó által szállított hőáram ill. hő-

47

2. Hőszállítás

hordozó tömegáram jellemzi. Jól szigetelt, nagy hőáramot szállító forróvizes vezetéknél a hőforrás falánál mért hőmérséklet különbség a hálózati hőveszteség ellenére megegyezik a hőközpontoknál mért hőmérsékletkülönbségek átlagával, mivel a hálózati hőveszteséget a szivattyúzással bevitt hő fedezi. Kisebb szállítóképességű vezetékeknél (DN200 és kisebb) az áramló víz lehűlése jelentékenyebb. 100 méterenkénti néhány tized °C-tól 1°C hőmérsékletig terjedhet, esetleg még ennél több is lehet. Tekintettel azonban arra, hogy az ilyen átmérőjű vezetékek általában rövidek, jó pontossággal elfogadható a fenti összefüggéssel meghatározott tömegáram értéke. A nedvesgőz fajlagos entalpiájának az átlagos értéke gőzvezetékekben általában alkalmazott 0,3-1,5 MPa túlnyomás tartományban: hg = 2760 kJ/kg Amint az a 49. ábrán is látható az eltérés ± 1-2 %. A gőz redukcióval (fojtással) az entalpiája nem változik, mivel a fojtás miatt bekövetkező hőveszteség elhanyagolható az átfolyó hőáramhoz képest. A fenti entalpiakülönbség tehát jó közelítéssel alkalmazható a telített gőzből redukált gőz esetében is.

31. ábra A nyomás és a túlhevítés hatása a gőz szállítóképességére

A túlhevítéssel a gőz entalpiája ugyan nő, a mérsékelt túlhevítés – a távhőszolgáltatásban alkalmazott 40-50 °C – azonban mindössze 3-5 %-al növeli a gőz entalpiáját. A hasznosítható fajlagos entalpiakülönbségre lényegesen nagyobb hatással van a kondenzvíz hőmérsékletének csökkentése. A kondenzvíz 50 °C-ra történő lehűlése esetén az elpárolgási hő figyelembevételével 20-30 %-al nő az entalpiakülönbség.

48

2. Hőszállítás

Túlhevített gőz szállítása csak a hőforrástól kis távolságra lévő fogyasztóhoz, nagy hőterhelésnél lenne lehetséges. A gyakorlatban nem alkalmazzák, mivel kis mennyiségű fogyasztás esetén a hőveszteség következtében a túlhevített gőz telítetté válna. A túlhevített gőz szállítása nem is lenne gazdaságos, mivel a túlhevített gőz magas hőmérséklete növeli a hőveszteséget és csökkenti a vezetők szállítóképességét. Túlhevített gőz esetében ugyan ∆hg / ∆hg” arányban nő a gőz hasznosítható hőtartalma azonban adott nyomásviszonyok esetében csökken a gőzáram, mivel megnő a gőz térfogata. A gőzvezetékben a nyomásesés azonos értéken akkor tartható, ha a gőzáramot: v g ,, &g m = & g ,, m vg arányban csökkentjük. (A súrlódási tényező érteket is változatlannak tekintettük.) A vezeték hőszállító képessége tehát a következő arányban változik – általában csökken: & ∆h g vg ,, Q = ,, , , & Q ∆h g v g A túlhevített gőz szállítása esetén a hőveszteség a hőmérsékletkülönbség változásával egyenes arányban nő, azaz q t−t = ,, 0 ,, q t − t0 A túlhevített gőz szállításának hatását a hőveszteségre és a vezeték szállítóképességére a 50. ábra szemlélteti.

32. ábra A gőz túlhevítés hatása a gőz szállítóképességére és a hőveszteségre 8 bar nyomáson

49

2. Hőszállítás

2.4.2. A gőz nyomásának esése a csővezetékben

A gőz nyomásesése olyan összefüggéssel számolható, amely tartalmazza a sűrűség ill. fajsúly és a gőz nyomásának függvény kapcsolatát. Telített, vagy kis mértékben túlhevített vízgőz esetében a függvénykapcsolat a következő egyszerű kifejezéssel írható le: pg pg pg = ω = 1 = 2 ≅ állandó ρg ρg 1 ρ g 2

Sűrűség ?

Fajsúly ?

Az ω arányossági tényező közelítő értékeit és az összefüggés alkalmazásával elkövetett hibatartományt az 8. táblázat tartalmazza. 8. táblázat Az ω arányossági tényező közelítő értékei és az összefüggés alkalmazásával elkövetett hibatartomány

Vízgőz

nedves gőz

túlhevített gőz (200 ÷ 260 °C)

Nyomás [MPa] 0,3 ÷ 0,8 0,2 ÷ 1,2 0,15 ÷ 1,0 0,1 ÷ 1,0 0,4 ÷ 15 ∼ 0,4 ∼0,8 ∼1,2

Nyomás [kp/cm2] 3÷8 2 ÷ 12 1,5 ÷ 16 1 ÷ 10 4 ÷ 16 4 8 12

ω* = p / ρ

1,9 1,85 1,95 2,3

Eltérés tartomány [%]** + 2,6 +5,0 +6,8 +6,8 +3,4 +5,4 +8,1 +5,8

-3,2 -5,1 -6,2 -7,0 -3,5 -7,1 -5,8 -8,7

*

A feltüntetett ω értékek a gőz abszolút nyomására pg vonatkoznak, ezért az összefüggésbe való behelyettesítésnél figyeljünk a megfelelő mértékegységben történő behelyettesítésre. ** A számított eltérés: ∆ρ = ρ – ρω és ∆ρ / ρ = 1 – (ρω / ρ) ahol ρ a vízgőz táblázatban található valós sűrűség, ρω pedig az ω aktuális értékével számolt sűrűség

A nyomásesés a csővezetékben összenyomhatatlan közegre: L w2 ∆p = λ ⋅ ⋅ ⋅ρ d 2 A műszaki gyakorlatban történő alkalmazásra ezt az összefüggést célszerű a következő alakra átalakítani: &2 0,811⋅ λ ⋅ L ⋅ m ∆p = [Pa] ρ ⋅ d5 ha: L - a vezeték hossza [m] & m - az áramló tömegárama [kg/s] ρ - az áramló közeg sűrűsége [kg/m3] (v =

& 16 4⋅m 16 ⋅ m 2 2 → v = → = 0,81057 ) 2 4 2 2 ⋅ π2 π⋅d ⋅ρ π ⋅d ⋅ρ

Az áramló közeg nyomásesését gyakran villamos hálózatokhoz hasonlóan fejezik ki. A villamos hálózatokban az egyes ellenállásokon feszültség hatására villamos áram folyik. Az anyagáram a két pont között fennálló nyomáskülönbség hatására jön létre, s hálózat és a hálózatban található rendszerelemek az anyagáram ellenállásaként tüntethetők fel. Egy technológiai készüléken/csővezetéken létrejövő U nyomásesés és a rajta áthaladó tömegáram kapcsolatát az általánosított Ohm-törvény értelmében a készü& ) ellenállása valósítja meg: lék/csővezeték R( m

50

2. Hőszállítás

& )⋅ m & U = R (m

ill. csővezetékre: ∆p =

& 0,811 ⋅ λ ⋅ L ⋅ m & = R (m & )⋅ m & [Pa] ⋅m 5 ρ⋅d

Összenyomható közeg esetén a nyomásesés a fenti összefüggés differenciális alakjából határozható meg, amely az egymáshoz nagyon közeli felületek ill. nagyon rövid csővezeték feltételezésével írható: &2 &2 0,811 ⋅ λ ⋅ m 0,811 ⋅ λ ⋅ m − dp = ⋅ dL = ⋅ ω ⋅ dL ρg ⋅ d 5 pg ⋅ d5 Az összefüggésben a gőz nyomásától és az elemi hosszától nem függ a tömegáram és a vezeték belső átmérője, turbulens áramlás esetén érdes felületű csőben (a gyakorlatban ez érvényesül) a súrlódási tényező sem. Jó közelítésként ugyancsak állandónak tekinthető ω értéke is, ezért írható, hogy: − pg ⋅ dp = C1 ⋅ dL Az integrálás elvégzése után: p12 − p 22 = C2 ⋅ L 2 ill. ω értékét behelyettesítve: &2 &2 p12 − p 22 0,811 ⋅ λ ⋅ L ⋅ m 0,811 ⋅ λ ⋅ L ⋅ m =& ⋅ p1 = p1 ⋅ ∆p1 =& ⋅ p 2 = p 2 ⋅ ∆p 2 . 2 ρg1 ⋅ d 5 ρg 2 ⋅ d 5 Az összefüggésekben ∆p1 egy ρg1 sűrűségű összenyomhatatlan közeg feltételezett nyomásesése. A ρg1 sűrűséget a gőzvezeték elején levő paraméterekkel p1 nyomás és t1 hőmérséklet értékkel kell meghatározni. Hasonlóképpen ∆p2 egy ρg2 sűrűségű összenyomhatatlan közeg feltételezett nyomásesése. A ρg2 értékét a gőzvezeték végén levő paraméterekkel, p2 nyomás és t2 hőmérséklet értékkel kell meghatározni. A fenti összefüggésből a gőz nyomásesésének meghatározására a következő egyenletek fejezhetők ki:    2 ⋅ ∆p1 ⋅ ∆p 2 ∆p  ∆p ∆pg = p1 − p 2 = p1 ⋅ 1 − 1 − 2 ⋅ 1  = p 2 ⋅  1 + 2 ⋅ 2 − 1 = p1  p2    ∆p1 + ∆p 2

A szakasz végén a nyomás (ha ismert a nyomás a szakasz elején): ∆p p 2 = p12 − 2 ⋅ ∆p1 ⋅ p1 = p1 1 − 2 ⋅ 1 p1 A szakasz elején a nyomás (ha ismert a szakasz végén a nyomás): ∆p p1 = p 22 + 2 ⋅ ∆p 2 ⋅ p 2 = p 2 ⋅ 1 + 2 ⋅ 2 p2 Az egyenletek tetszőleges nyomások esetén alkalmazhatók, figyelni kell azonban arra, hogy azonos dimenzióban legyenek behelyettesítve a

51

2. Hőszállítás

nyomásértékek. Megállapítható, hogy a ∆pg / p1 , ∆pg / p2 , p2 / p1 és p1 / p2 arányok: ∆p ∆p 1 − 2 ⋅ 1 és 1 + 2 ⋅ 2 p1 p2 kifejezések függvényei. Számbeli értékei a 51. ábrán láthatók.

33. ábra ∆pg/p1, ∆pg/p2, p2/p1, és p1/p2, értékek változása ∆p1/p1 és ∆p2/p2 függvényében gőz és gáz áramlása esetén

Az összenyomható közegre levezetett fenti összefüggések általános érvényűek. Egyaránt alkalmazhatók gőzre és gázra, ha a vizsgált csőszakaszra a nyomás és sűrűség aránya állandó, p / ρ = p · v = állandó. A telített és kismértékben túlhevített gőzre, feltételezve hogy p” / ρ” = ω = állandó, 2 · p1 · ∆p1 és 2 · p2 · ∆p2 kifejezéseknek azonos az értékük, ezért felírható az alábbi összefüggés: &2 1,622 ⋅ λ ⋅ L ⋅ m ⋅ω 2 ⋅ p1 ⋅ ∆p1 = 2 ⋅ p 2 ⋅ ∆p 2 = d5 A műszaki gyakorlatban a csősúrlódási tényező értékét gyakran λ = 0,02-nek feltételezik. Ekkor egy L = 100 m hosszú, d [m] átmérőjű cső& [kg/s] tömegáram figyelembevételével a gőzvezeték vezetéken áramló m elején és végén a nyomás jó közelítéssel számolható az alábbi összefüggésekkel:

p1 = p 22 + 3,24 ⋅

&2 &2 m m 2 és ⋅ ω p = p − 3 , 24 ⋅ ⋅ ωx 2 1 x d5 d5

Az átmérő ötödik hatványának ill. gyökének meghatározását segíti a 52. ábra [5].

52

2. Hőszállítás

Az áramló vízgőz nyomásesésének számítását segíti az 53. ábra [5]. Ezek segítségével meghatározható a k = 0,2 mm abszolút érdességű vezetéken átáramló gőz nyomása a vezeték végén, ha ismert a belépő nyomásérték: ,,

2

p g 2 = p g1 − B ⋅ L

34. ábra A vezetékátmérő ötödik hatványa ill. gyöke

53

2. Hőszállítás

35. ábra Az áramló vízgőz nyomásesése

ill. a szakasz elején levő nyomás, ha ismert a végén a nyomás: ,,

2

pg1 = p,,g 2 + B ⋅ L

ill. a nyomásesés: ∆p,g, = p,g,1 − p,g,12 − B ⋅ L = p,g, 22 + B ⋅ L − p,g, 2 Az egyenletek a sűrűség nyomásfüggőségét tartalmazzák. Feltételezve, hogy a mozgásenergia a 7. táblázatban foglalt adatok alapján elhanyagolható. Nagy áramlási sebességek esetében, – s ezek a gőz és gázok áramlása esetén előfordul – megnő a mozgásenergia jelentősége a nyomásenergia mellett. A műszaki gyakorlatban használatos, hogy az áramlás gyorsítására fordított energia miatti, nyomáscsökkentést a nyomásesés növekményeként vegyék figyelembe. Ez a súrlódási tényező értékének megnövelésével valósítható meg. Az λ tényező helyett: ∆λ   λ + ∆λ = λ  1 +   λ  tényező vehető figyelembe ∆λ / λ értékei a sebesség függvényében a 54. ábrán láthatók. Megállapítható, hogy 2 %-nál nagyobb nyomásesés-növekmény 60 m/s áramlási sebességnél nagyobb sebességeknél fordul elő. Ilyen a gőzvezetékekben csak szélsőséges esetekben alakul ki.

54

2. Hőszállítás

Azokban az esetekben, amikor a nyomásesés a vizsgált szakaszon várhatóan csak nagyon kicsi lesz pl.: p1− p 2 p1 − p 2 = ≈ 0,1 p1 p2 A nyomásesés számítására alkalmazható az összenyomhatatlan közegekre alkalmazott összefüggés. Ekkor a képletbe a gőzvezeték elején, vagy a végén levő nyomásokhoz tartozó sűrűséget kell behelyettesíteni. Az öszszenyomhatatlan közeg nyomásesésének számítására alkalmazott összefüggés gőz nyomásesésére történő alkalmazhatóságának tartománya jelentős mértékben kiterjeszthető, ha a sűrűséget a kezdő és végnyomáshoz tartozó értékeinek átlagával vesszük figyelembe. Mivel ehhez a számítás elején feltételezni kell egy nyomásesést, a számítás sorozatos megismétlésével pontosítjuk az előzetes feltételezést.

36. ábra ∆λ / λ értékei a sebesség függvényében

2.4.3. A kondenzátum nyomásesésének számítása

A kondenzvezetékben a nyomásesés számítására az összenyomhatatlan közegre alkalmazott összefüggés használható. Az egyenletbe a kondenzáram tényleges értékét kell figyelembe venni, ami kondenzszivattyúzás esetén meghaladhatja a gőzáramot is. A kondenzvezetékben a nyomásviszonyok változását befolyásolja a szivattyúzott mennyiség és az alkalmazott szivattyúk jelleggörbéje. A szivattyú - kondenzvezeték jelleggörbe kölcsönhatása kedvező is lehet, mert a térfogatáram növeléssel nő a vezeték ellenállása, emiatt megnő a szivattyú szállítómagassága, s ez a szállított mennyiség csökkenéséhez vezet. Mivel a szállított kondenzmennyiség a fogyasztások egyidejűsége, a szivattyúk, s csővezetékek jelleggörbéje nem határozhatósága meg kellő pontossággal, a gyakorlatban a kondenzvezetékek átmérőjét gyakran nem számításokkal, hanem tapasztalati úton határozzák meg. Azoknál a gőzrendszereknél, amelyekből a kondenz teljes mennyisége visszajut a hőforráshoz, a kondenzvezeték átmérőjét a 9. táblázatban található értékeknek célszerű választani [5].

55

2. Hőszállítás 9. táblázat A gőzrendszerek kondenzvezetékének javasolt értékei

Névleges Gőzvezeték, dg 80 100 125 150 200 250 300 350 400 500 átmérő 125 150 200 [mm] Kondenzvezeték, dk 40 50 65 80 100 Arány dk / dg 0,48 0,51 0,56 0,55 0,48 0,48 0,41 0,42 0,36 0,40

2.4.4. A vezetékek átmérőjének meghatározása

A vezetékek belső átmérőjének számítására három módszer alakult ki: 1. A közeg áramlási sebességének figyelembevételével. 2. Az adott, vagy megkívánt nyomásesés figyelembevételével. 3. A gazdasági kritériumok alapján optimalizálva. A vezetékek átmérőjének meghatározása az áramlási sebességből

Az áramlási viszonyok, műszaki és gazdasági számítások tapasztalatai alapján a különböző közegek áramlási sebességének gyakorlatban kialakult értékei a vezetékek belső átmérőjének meghatározásául szolgálnak. A 7. táblázatban már utaltunk rá, hogy a víz csővezetékben történő áramlási sebességét 0,7 ÷ 2 m/s, a gőzét 20 ÷ 60 m/s értékek között szokás tartani. A víz 3 m/s-ot meghaladó sebességnél már hallható zajjal áramlik, ezért ez a sebesség határértéknek tekinthető. A vezeték átmérője az adott áramlási sebesség függvényében az alábbi összefüggésből kifejezve határozható meg. & 4⋅m v ⋅ ρ ⋅ π ⋅ d2 & = → d= m 4 π⋅ v⋅ρ & tömegáramot t/h-ban, a ρ sűrűséget kg/m3-ben, a v áramlási seAz m bességet m/s-ban behelyettesítve a vezeték átmérőjét mm-ben kapjuk az alábbiak szerint: A vízvezeték átmérőjének meghatározása: A gőzvezeték átmérőjének meghatározása:

& m v & m d g = δg ⋅ v⋅p

d v = δv ⋅

ahol „δv” és „δg” a fentiekben megadott mértékegységek figyelembevételével az átszámítási tényező (55. ábra, 10. táblázat) és „p” a gőz nyomása [bar].

56

2. Hőszállítás

37. ábra A δv és δg tényezők értékeinek változása 10. táblázat δv és δg tényezők számszerű értékei

Víz hőmérséklete [°C] 20 50 70 90 110 150 180 200 18,82 18,92 19,02 19,14 19,28 19,64 19,97 20,22 δv tényező Nedves gőz Nyomás [MPa] 0,196 0,44 0,74 1,275 797,9 819,75 830,5 841,05 δg tényező Hőmérséklet [°C] δg tényező

Túlhevített gőz 180 210 845 883

250 922

290 958

Az 56. ábra a tömegáram, vezetékátmérő és áramlási sebesség közti összefüggést szemlélteti arra az esetre, amikor a kétcsöves távhőrendszer előremenő és visszatérő vezetékében az 1 km-re vonatkozó együttes nyomásesés: ∆pe + ∆p v [MPa/km] L ha a helyi ellenállások együttes átlagos értékét kilométerenként Σζ = 20.

57

2. Hőszállítás

38. ábra A tömegáram, vezetékátmérő és áramlási sebesség közti összefüggés (110 °C közép hőmérsékletű víz esetén, ha a vezeték hossza 1 km, a helyi ellenállások együttes értéke Σζ = 20)

A vezetékek átmérőjének meghatározása az adott / megkívánt nyomásesés figyelembevételével

A vezeték d [m] átmérőjét az adott, vagy megkívánt nyomásesés figyelembevételével az alábbi összefüggésekből származó egyenlettel lehet meghatározni: &2 ρ ⋅ λ ⋅ L ⋅ v2 m ∆p = = 0,811⋅ λ ⋅ L ⋅ 5 , vagy a 2⋅d d ⋅ρ 2 2 2 & &2 p1 − p 2 0,811 ⋅ λ ⋅ L ⋅ m 0,811 ⋅ λ ⋅ L ⋅ m =& ⋅ p = p ⋅ ∆ p = ⋅ p 2 = p 2 ⋅ ∆p 2. 1 1 1 & 2 ρg1 ⋅ d 5 ρg 2 ⋅ d 5 A vezeték átmérőjét úgy kell meghatározni, hogy az adott tömegáram, közegsűrűség, vezetékhossz és a helyi ellenállások feltételezésével az áramló közeg nyomásesése egyezzen meg, vagy kevesebb legyen egy megadott értéknél. A számítás során hibalehetőségként vetődik fel a csősúrlódási tényező és a helyi ellenállások miatti egyenértékű csőhossz meghatározhatóságának pontatlansága, mert ezek a vezetékátmérő függvényei. d  v⋅d d  λ = f ,  valamint ∑ l ζ = ∑ l ζ ⋅ λ  ν k A hibalehetőség mértéke csökkenthető azáltal, hogy egy feltételezett áramlási sebességgel az előző fejezetben ismertetett módon meghatározzuk a vezeték átmérőjét, vagy pedig becsülve a csősúrlódási tényező és a helyi ellenállások és a vezetékhossz arányát, meghatározásra kerül az egyenértékű csőhossz:  ∑lζ   L ≅ l t 1 +   l ∑  

A fentiek szerint meghatározott átmérő elfogadható pontossággal közelíti meg a tényleges értéket, mert a nyomásesés az átmérő ötödik hatványával arányos és változásának hatása kicsi. Azt sem szabad elfelejteni, hogy a vezetékeket szabvány szerinti méretekkel gyártják, s számítással kapott átmérő csak irányadó a névleges átmérő kiválasztásához. A vezeték javasolt átmérője az adott nyomásesés függvényében egy58

2. Hőszállítás

szerűsített képlettel is meghatározható, ha 100 °C közepes hőmérsékletű víz esetében ρ = 958 kg/m3 sűrűséggel és λ = 0,012 – 0,030 közötti súrlódási tényezővel vesszük figyelembe. Ekkor a vezeték átmérőt mm-ben kap& tömegáramot t/h-ban, a ∆p nyojuk a következő összefüggéssel, ha az m másesést MPa-ban helyettesítjük be: L & 2 [mm] d v ≈ (60...72) ⋅ 5 ⋅m ∆p v A képletben szereplő egyenértékű csőhosszat az lt vezetékhossz és a helyi ellenállások egyenértékű hosszának arányában az alábbi összefüggéssel határozzuk meg  ∑lζ   [m] L = l t ⋅ 1 +  l t   Egyenlő átmérőjű előremenő és visszatérő vezetékek esetében a kétszeres hosszal 2 · L és kétszeres nyomáseséssel ∆p = ∆pe + ∆pv számolva kell az átmérőt meghatározni. A vezeték javasolt átmérője a gőzhálózat esetében az alábbi egyszerű& tömegáramot t/h-ban, s a p nyosített képlettel határozható meg, ha az m mást ill. a ∆p nyomásesést MPa-ban helyettesítjük be, s a csősúrlódási tényezőt λ = 0,012 - 0,030 közötti tartományban, az ω = pg / ρg arányt 1,9 2,3 · 104 tartományban feltételezzük d g ≈ (12...14) ⋅ 5

&2 L⋅m [mm] p 2p1 − p 2p 2

A gőzvezeték átmérője az összenyomhatatlan közeg nyomásesésének képletéből is kifejezhető és kellő pontossággal alkalmazható, ha a számításhoz az ismert (adott) kezdő és végnyomás értékekhez tartozó sűrűség számtani középértékével számolunk. A vezetékek átmérőjének meghatározása gazdasági kritériumok alapján optimalizálva

A vezetékek átmérője rendelkezésre álló beruházási és üzemeltetési költségek esetén optimalizálás által határozható meg. A legkisebb összköltségre törekedve az optimalizálás alapját képező célfüggvény összetevői: • Kb beruházás (létesítés) vizsgált időszakra vonatkozó költsége • Kk karbantartási és személyzeti költség • Ks szivattyúzási energiaköltség • Kq hőveszteség költségterhe A vizsgált időszak lehet egy év, a teljes élettartam, vagy a gazdaságossági vizsgálat hossza, a vezeték hossza lehet egy egységnyi (m, vagy km), de lehet a teljes vezetékszakasz. Fontos az, hogy minden költségösszetevő azonos időszakra és vezetékhosszra legyen vonatkoztatva. Az egyes összetevők és összegük változását a vezeték átmérőjének függvényében ábrázoljuk (57. ábra). Miközben növekvő vezetékátmérőhöz növekvő beruházási,

59

karbantartási és hőveszteség költségek tartoznak, a szivattyúzás költsége csökkenő. Emiatt az összes költségnek van egy minimum helye, amely a legkedvezőbb átmérőnél alakul ki.

39. ábra Az optimális vezetékátmérő meghatározásának grafikus ábrázolása

60

A veszteségek csökkentése a szállító rendszerben

A veszteségek csökkentése a szállító rendszerben A hőszállítás változó költségét elsősorban a hőveszteség és a szivatytyúzási költség határozza meg. A távhőrendszerek elosztóhálózatának hővesztesége a forgalmazott hő 4 ÷ 20% (az európai átlag 12%). Az átlag figyelembevételével a primerköri visszatérő fűtőközeg hőmérsékletének csökkentése 1 °C-al ~ 0,6% hőveszteség csökkenést eredményez. Azaz a visszatérő hőmérséklet 1 °C-al való csökkentésével a szállított hőmennyiség 0,07%-ával csökkenthető az elosztóhálózat hővesztesége. A visszatérő hőmérséklet csökkentése a keringetett fűtőközegáram csökkenését eredményezi. A szivattyúzási munka csökkenése a villamosenergia felhasználáson keresztül eredményez költségcsökkenést. A visszatérő fűtőközeg hőmérsékletének csökkenésével egyenesen arányos a tömegáram csökkenés és köbösen arányos a szivattyúzási teljesítmény ill. felhasznált energia csökkenés.

A szivattyúzási teljesítményigény és a szállított tömegáram kapcsolata ?

A szivattyúzási teljesítményigény és az emelőmagasság kapcsolata ?

A hőmérséklet csökkentésének módja A visszatérő fűtőközeg hőmérsékletének csökkentésére változatlan hőfelhasználás esetén a fogyasztói hőközpontokban és a fűtési rendszerekben van lehetőség. A különböző hőközponti kapcsolásokat és a kapcsolások hatását a visszatérő fűtőközeg hőmérsékletre a „Hőtermelés, szállítás, tárolás” c. kötetben ismertettük. Most a korszerűsített fűtési rendszerben a hőközponti szabályozás megváltoztatásának hatására mutatunk be példát. A fűtési rendszer korszerűsítése alatt az ún. harmadik szintű szabályozás megvalósítását, a fűtőtestek termosztatikus szelepekkel történő ellátását értjük. Feltételezzük ugyanakkor, hogy a termosztatikus szelepek kiválasztása, beépítése és a rendszer beszabályozása a fűtési rendszer hidraulikai viszonyainak ismeretében, körültekintő tervezés alapján történt. Feltételezzük továbbá, hogy a szekunderköri keringető szivattyú fordulatszám szabályozású, s a hőközponti szabályozó lehetővé teszi a szekunderköri előremenő fűtőközeg hőmérsékletének külső hőmérséklet szerinti szabályozását. A 58/a. ábra a külső hőmérséklet függvényében az előremenő és négy különböző esetre a visszatérő fűtőközeg hőmérsékletének változását mutatja. Az előremenő fűtőközeg hőmérsékletének ábrán látható változását nevezzük tervezési értéknek (te). A visszatérő fűtőközeg hőmérsékletének változását azonos hőszükséglet és előremenő hőmérséklet feltételezésével a tervezési (tv), valamint 10 és 15%-al túlméretezett (tv+10, tv+15), ill. 10%-al alulméretezett (tv 10) fűtőtestek feltételezésével ábrázoltuk.

A hőközponti kapcsolás hatása a visszatérő fűtőközeg hőmérsékletére ? (lásd Épületgépészeti energetika, Fogyasztói hőközpontok)

Logaritmikus középhőmérséklet ?

Mivel a fűtőtestek túlméretezése a legtöbb esetben valószínűsíthető, a termosztatikus radiátorszelepek beépítése a visszatérő fűtőközeg lehűtését fogja eredményezni.

61


tv t em2 t vm2 t vm1 te t em1

18

15

9 12

6

3

0

-3

-6

-9

b.) 2

5

18

15

9 12

6

3

0

-3

-6

2 -9

-1

-1

5

a.)

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -1

tv t v-10 t v+10 t v+15 te

-1

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

40. ábra A fűtőközeg hőmérsékletének változása a külső hőmérséklet függvényében

A fűtőközeg lehűtésének további lehetősége az előremenő fűtőközeg hőmérsékletének megemelése. A 40/b. ábra a tervezési előremenő (te) és visszatérő (tv) fűtőközeg hőmérsékletének változása mellett azt mutatja, miként fog változni a visszatérő fűtőközeg hőmérséklete (tvm), ha az előremenőt a tervezettnél magasabban (tem) tartják. (A primerköri fűtőközeg mind a hideg, mind az átmeneti időszakban lehetővé teszi az előremenő hőmérséklet ábrán látható változástatását.) A fentiek alapján megállapítható, hogy jól választott irányítási algoritmussal a hőközponti előszabályozással jelentős mértékben változtatható a szekunderköri visszatérő fűtőközeg hőmérséklete, s lemezes hőcserélővel biztosítható a primerköri jobb lehűtése.

Csővezeték hővesztesége Egy 250 mm átmérőjű, 10 m hosszú, 500 °C hőmérsékletű gőzt szállító csővezetéken a hőszigetelés vastagsága 80 mm. A szigetelőanyag hővezetési tényezője 0,058 W/(m K). A vezeték környezetében a hőmérséklet 40 °C. Mekkora a napi hőveszteség ezen a csőszakaszon? Megoldás: A gőz és a csőfal közötti hőátadási tényezőt 3000 W/(m2K) értékűnek becsüljük, ezzel 1 m hosszú cső belső fali hőellenállása: Rb =

1 1 = = 0,000424 (m2K/W)m α b dπ 3000 ⋅ 0,25 ⋅ π

Hőellenállás ?

A csőfal és a szigetelés burkolatának hőellenállását elhanyagolhatjuk, így a fal teljes hőellenállása: R fal =

d 250 + 2 ⋅ 80 1 1 = 1,357471 (m2K/W)m ln k = ln 250 2πλ d b 2 ⋅ π ⋅ 0,058

A külső hőátadási tényező a falhőmérséklet függvénye, ezért azt felvesszük 63 °C értékűre. Belső térben, nyugvó levegőn csőre a külső hőátadási tényező: α k = 9,4 + 0,052(t fal − t k ) = 9,4 + 0,052 ⋅ (63 − 40) = 10,596 W/(m2K)

62


Ezzel a külső hőellenállás: Rk =

1 1 = = 0,07327 (m2K/W)m α k (d + 2s)π 10,596 ⋅ (0,25 + 2 ⋅ 0,08)π

Az eredő hőellenállás: R = R b + R fal + R k = 1,431165 (m2K/W)m A felvett falhőmérséklet visszaellenőrzése: t fal = t k +

Rk (t b − t k ) = 40 + 0,073270 ⋅ (500 − 40) = 63,55 °C, 1,431165 R

a felvett érték tehát megfelelő volt. A csővezeték méterenkénti hővesztesége: t −t 500 − 40 Q1 = b k = = 321,4 W/m. R 1,431165 Az óránkénti hőveszteség a teljes csőszakaszra: Q = 3,6Q1L = 3,6 ⋅ 321,4 ⋅ 10 = 11570 kJ/h

A napi hőveszteség: 11570 ⋅ 24 = 277680 kJ/nap.

Gőzvezeték nyomásvesztesége Egy 200 mm belső átmérőjű, 20 m hosszú gőzvezetéken 30 t/h 300 °C hőmérsékletű, 16 bar (abs) nyomású gőz áramlik. Mekkora a nyomásesés, ha a vezetékszakaszon 1 db sarokszelep, 1 db T-idom, 3 db 90O-os csőív és 2 db átmeneti elzárószelep van beépítve? Megoldás: (egyszerűsített megoldás az átlagos áramlási sebességgel számolva) Gőztáblázatból a gőz fajtérfogata 300 °C hőmérsékleten és 16 bar nyomáson 0,1585 m3/kg, sűrűsége ennek a reciproka: 1 / 0,1585=6,309 kg/m3. Az áramlási keresztmetszet: d 2 π 0,2 2 π = = 0,3142 m2 4 4 ezzel az áramlási átlagsebesség: A0 =

w=

m ⋅ v 30000 ⋅ 0,1585 = = 42,0 m/s. A0 3600 ⋅ 0,3142

Ilyen nagy sebességeknél ( Re ≈ 66 ⋅ 10 6 ) már minden csővezeték érdesnek számít, csősúrlódási tényezője állandó. Esetünkben λ=0,0206 értékkel számolhatunk. Az idomdarabok ellenállásai: 1 db sarokszelep ξ=

Veszteség tényező ?

5,4

63


1 db T-idom 3 db 90O-os ív 2 db átmeneti szelep Összesen:

ξ= 1,4 ξ=3x0,5= ξ=2x6,2= ξ=20,7

1,5 12,4

A vezetékszakasz ellenállása: L  w2 20  42 2   ∆p =  ∑ ξ + λ  ρ =  20,7 + 0,0203 ⋅ 6,309 = 1,266 ⋅ 105 Pa.  d 2 0,2  2  

Kondenz- és gőzrendszerbeli beavatkozások A gőzrendszerek veszteségelemzése során tapasztalt leggyakrabban előforduló hibák: • • • • •

elöregedett, nem kellően karbantartott rendszerek szivárgások rossz kondenzedények, kondenzveszteség sarjúgőz veszteség rossz szigetelés

Kondenzedény ?

Mindezen veszteségeket fokozza a rendszer nyomásszintje. A 59. ábra a különböző átmérőjű nyíláson kiáramló gőz veszteségét mutatja be a gőznyomás függvényében.

64


41. ábra Különböző átmérőjű nyíláson kiáramló gőz vesztesége a gőznyomás függvényében.

65


Szivattyúzási teljesítmény Egy kazánüzem feladószivattyúja az atmoszférikus gyűjtőtartályból, annak szintjéhez viszonyítva 4,2 m magasságba az 1,21 bar nyomású gáztalanítós táptartályba nyomja a 20 m3/h mennyiségű tápvizet. Mekkora lesz a szivattyú teljesítménye, ha a vezeték összes hossza 6 m, belső átmérője 80 mm és a csőszakasz 4 db (bővítővel ellátott) T-idomot, 3 db 90°-os csőívet, 2 db elzáró szelepet és 1 db visszacsapó szelepet tartalmaz. A feladott víz hőmérséklete 60°C. Megoldás: Az ellenállás-tényezők: 4 db T idom 3 db csőív 2 db elzáró szelep 1 db visszacsapószelep Kilépési veszteség Összesen:

ξ=4x0,6=2,4 ξ=3x0,5=1,5 ξ=2x6,2=12,4 ξ=7,4 ξ=1,0 ξ=24,7

A csővezeték áramlási keresztmetszete: A0 =

d 2 π 0,08 2 ⋅ π = = 0,005026 m2, 4 4

ezzel a sebesség: w=

V 20 = = 1,11 m/s. A 0 3600 ⋅ 0,005026

A víz sűrűsége 60 °C-on ρ = 983 kg/m3, kinematikai viszkozitása ν = 0,471 ⋅ 10 −6 m2/s. A Re-szám: Re =

wd 1,11 ⋅ 0,08 = = 188535 ν 0,471 ⋅10 − 6

A csősúrlódási tényező: λ=

0,316 4

Re

=

0,316 4 188535

Reynolds szám ?

= 0,01516

Az összes nyomásveszteség: L  w2 6  1,112   ∆p =  ∑ ξ + λ  ρ =  24,7 + 0,01516 983 = 15646 Pa  d 2 0,08  2  

Csősúrlódási tényező ?

Az összes nyomáskülönbség: nyomáskülönbségből: 121000-101300= 19700 Pa

66


a magasságkülönbségből: nyomásveszteségből: Összesen:

983x9,81x4,2= 40501 Pa 15646 Pa 75847 Pa

A szivattyú teljesítményfelvétele, ha a hatásfoka 65 %: P=

V ⋅ ∆p 20 ⋅ 75847 = = 648 W. 3600 ⋅ 0,65 ηsz

Fordulatszám szabályozású, energiatakarékos szivattyúk alkalmazása A fűtési rendszerek korszerűsítéséhez kapcsolódva célszerű megvizsgálni a hőforrásban ill. a fogyasztói hőközpontban elhelyezett keringető szivattyú cseréjének hatását. A változó tömegáramú fogyasztói hőközpontok kialakítása, a hőleadókra a termosztatikus radiátorszelepek beépítése, a rendszer beszabályozása, esetleg új üzemviteli menetrend meghatározása új szivattyú beépítését teheti szükségessé. A szivattyú kiválasztásának általános szempontjai mellett különös figyelmet kell fordítani arra, hogy lehetőleg energiatakarékos motorral legyen ellátva, és fordulatszám szabályozású legyen. A fordulatszám szabályozás lehetőségét az indokolja, hogy a szabályozószelepek zárása ill. nyitása a hálózat hidraulikai ellenállásának változtatásával jár, s amint arra már korábban is felhívtuk a figyelmet, a tömegáram ill. fordulatszám változásával köbösen arányos a szivattyú villamos teljesítményigényének változása.

Változó tömegáramú hőközpont ?

Az adott munkaponthoz megfelelő szivattyú keresése alkalmával sokszor nem találunk olyan szivattyút, amelynek jelleggörbéje pontosan a munkapontra illeszkedik. Ekkor vetődik fel a kérdés: a kisebb, vagy a nagyobb szivattyút válasszuk? A fűtési rendszerek tulajdonságainak ismeretében a gazdaságos üzemvitel érdekében célszerűbb a kisebb szivattyút választani. Példa:

Egy épület szekunder oldali fűtésrendszerének kivitelezése során, a tervezett térfogatáram és a csővezeték jelleggörbéje (Cs) alapján kapott munkapontra (M) nem illeszkedik egyetlen szivattyú jelleggörbéje sem (60. ábra). Van azonban két szivattyú (A és B), amelyeknek a jelleggörbéje a munkapont közelében metszi a csővezeték jelleggörbét. Melyik szivattyút választaná, és miért? Tételezzük fel, hogy a szivattyúk jelleggörbéi az ábra szerint metszik a csővezeték jelleggörbéjét. Ha a szivattyúk által szállított térfogatáramok ±10%-kal változnak akkor a szükséges emelőmagasság a parabolikus jelleg (V2) miatt az „A” esetében 21%-kal nő a munkaponthoz (HN) képest:

Szivattyú jelleggörbék ?

8 8  l   l  h A cső =  λ ⋅ + 1 ⋅ 2 4 ⋅ (1,1⋅ V) 2 = 1,21 ⋅  λ ⋅ + 1 ⋅ 2 4 ⋅ V 2  d  π ⋅d ⋅g  d  π ⋅d ⋅g

67


h A cső = 1,21 ⋅ h cső

míg a „B” esetben 19%-kal csökken: 8 8  l   l  h Bcső =  λ ⋅ + 1 ⋅ 2 4 ⋅ (0,9 ⋅ V) 2 = 0,81⋅  λ ⋅ + 1 ⋅ 2 4 ⋅ V 2  d  π ⋅d ⋅g  d  π ⋅d ⋅g h Bcső = 0,81 ⋅ h cső

42. ábra Szivattyúk munkapont közeli jelleggörbéi és teljesítményfelvételének változása

Ezek alapján a „B” esetben 20%-kal kevesebb szekunder vizet szállítana a szivattyú, mint az „A” esetben, több mint 35%-kal kisebb lenne a vezeték ellenállása, és a szivattyúk által felvett villamos teljesítmény is közel a fele lenne. Így mind a felvett teljesítmény, mind a szivattyú ára szempontjából kedvezőbb a kisebb, „B” szivattyú. Figyelembe kell venni ugyanakkor, hogy egy fűtési rendszerről van szó, ahol a szekunder oldalon a kisebb szivattyú 20%-kal kevesebb vizet fog keringetni. Mivel a fűtési rendszernek nem a szállított vízmennyiséget, hanem a ∆t hőfoklépcsőtől, és a tb szobahőmérséklettől is függő fűtést (hőteljesítményt) kell biztosítania, a kisebb térfogatáram az alábbiak szerint könnyen kompenzálható. A térfogatáram és a hőteljesítmény viszonyát, állandó szobahőmérséklet mellett a 61. ábrán látható tipikusnak tekinthető hőcserélő (radiátor)

68


jelleggörbe szemlélteti. Látható, hogy a térfogatáram 10%-os megváltozása csak 2%-os hőteljesítmény változást okoz. Az előremenő fűtőközeg hőmérsékletének megemelésével ez, a térfogatáram csökkenés miatt fellépő kismértékű teljesítménycsökkenés könnyen kiegyenlíthető. A tapasztalat azt mutatja, hogy a csővezetékek átmérőjét és a radiátorok fűtőfelületét nagy tartalékkal határozzák meg, ezért az elméletileg meghatározott teljesítménycsökkenés kompenzálásához a hőmérséklet emelésre sincs szükség. A kisebb (B) szivattyú beépítésének a kisebb felvett villamos teljesítmény, és az olcsóbb ár mellett további előnye, hogy a részterheléseken is kedvezőbb üzemviszonyok alakulnak ki, ezért általánosságban is kijelenthető, hogy hasonló esetben a kisebb szivattyú választása a kedvezőbb.

Radiátor jelleggörbék ?

43. ábra A hőteljesítmény változása a térfogatáram függvényében

69

Irodalom

Irodalom [1]

Műszaki Lexikon. Akadémiai Kiadó, Budapest

[2]

Feuerungstechnik-Handbuch 1989. KLÖCKNER Wärmetechnik, Verlag Gustav Kopf Gmbh, Stuttgart, 1989.

[3]

Olessák D.- Szabó L.: Energia hulladékból. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1984.

[4]

K. Raźnjevič: Hőtechnikai táblázatok. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1964.

[5]

J. Cikhart: Soustavy centralizovaného zásobování teplem. SNTL-Nakladatelství Technické Literatury, Praha, 1977.

[6]

www.atomeromu.hu

[7]

Lipták A.: Mérés, szabályozás és vezérlés az épületgépészetben - Hőellátás. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1983.

70

Fából készült gőzkazán (1801-1812 között egy Philadelphiai vízműben üzemelt)

Lángcsöves kazán (1812)

Lángcsöves kazán (1861)

71

VEZETÉKES ENERGIAELLÁTÁS

Recommend Documents