Számítások 3. Kályha általános adatai, tűztértérfogat

Azaz a kályha általános, alapadatai, felhasznált famennyiség, tűztérméret / térfogat következne.

Az előző bejegyzésből megtudtam, hogy egy 6kw-os tömegkályhára lesz szükségem.

És folytatnám a számításokat.

Ezek a számítások az angol, orosz, magyar és román net publikus információiból való tallózásaimra támaszkodnak.

Kiemelnék közülük néhányat.

Külön köszönettel tartozom az MHA (The Masonry Heater Association of  North America, mha-net.org) oldaláról tallózott információkért,

a román nyelvű sobarul.com kályhásfórum kályhás szakembereinek a munkájáért, külön kiemelve egy ott tevékenykedő Flavius nevű úriember munkáját (mulțumim Flavius!),

( ő Shkolnik AE “Печное отопление малоэтажных зданий” / 'Oven heating of low-rise buildings' - Moscow: Higher School, 1986 könyvére alapozta számításait, amelyeket az orosz számítási módszer szerint elsősorban kettősharang-rendszerű, felsőégésű tűzterű, orosz szokás szerint épített és használt, késleltetett tüzelésű berendezésekre tart alkalmazhatónak, de nemcsak, ugyanis gyorségésű, fordított- és alsóégésű tűzterekhez is ad útmutatást).

Shkolnik könyve online is olvasható oroszul ezen az oldalon: http://remont.townevolution.ru/books/item/f00/s00/z0000002/index.shtml ,

De aki olyan sokat lógott orosz óráról mint én (bocsánat Hegyi tanár úr, de megpróbáltam bepótolni informatikából, illetve matek és fizika órán), az a Google Chrome-al megnyitva az oldalt és bekapcsolva a fordítót, a lényeget meg tudja érteni.

Szintén kiemelt köszönet jár Libik Andrásnak, a „Fatüzelésű épített kályhák” alapmű szerzőjének (2013-as kiadás, TERC Szakkönyvkönyvkiadó), akinek a számítási adataihoz igazodtam, és szintén összevetettem vele a saját számításaimat.

És mindenkinek, köztük pár tömegkályhatulajdonosnak is, aki lehetőséget adott és akinek a kályháját megnézhettem és akivel akár pár szót is válthattam ezáltal szűrhettem le a magam módján információkat.

Szintén köszönet Krista Tamásnak a cricerom.ro, azaz a Székelykeresztúr melletti Csekefalván tevékenykedő téglagyár tulajdonosának, aki az Alsóboldogfalvi bányából használt agyagot finomítja és feldolgozza fazekasság, no meg kályhaépítők céljára, és akinek a tégláiból reményeim szerint dolgozni is fogok majd és aki megengedte, hogy a nála felépített kályhák építésébe betekintést nyerjek.

Szintén köszönet annak a pár szakembernek is, akivel kályhaépítésről szót válthattam és segítőkészségének akár kisebb vagy nagyobb részét megvillantotta felém.

És akkor lássuk a számításokat:

Kályha névleges teljesítménye, nevezzük el mondjuk, Tn=6kw

Névleges fűtési idő, Fi: 12óra

Napi tüzelések száma, Tsz: 2

Egy tüzelés időtartama, Ti:  1.9 óra

(dán típusú kályháknál az őt használók beszámolói szerint a Ti-t 1,5-2 órának mérték, lévén, hogy nagyobb mennyiségű fa lesz itt egyszerre betéve én 1,9-el számolok az én esetemben.

Érdekes lesz megfigyelni és rászámolni, hogy ha pld. nyújtom vagy nyújtanám ezt az időt, akkor óránkénti kevesebb famennyiség jön ki, értelemszerűen kevesebb szükséges égési levegő kell hozzá, kisebb keresztmetszetű levegőbevezető nyilások, és kisebb keresztmetszetű kémény, az óránként bejövő levegővel arányos füstgáztérfogat csökkenése miatt)

Tüzeléshez használt fa fűtőértéke, Ff: 4,16 kwh/kg

(

kis kitérő: 

 Itt érdemes tudni, hogy ez a szám a középeurópai számításoknál használt átlagérték (Libik is ezzel számol), amit 20%-nál kisebb nedvességtartalmú fáknál vehetünk számításba.

Másként a különböző fafajták fűtőértéke 4-4,5kwh/kg között mozog, a kilogramra vetített legnagyobb fűtőértéke a közhiedelemmel ellentétben a fenyőfajtáknak van a bennük lévő kiemelt mennyiségű lignin, gyanták, olajok miatt, amelyek jól égnek.

 A 20%-os nedvességtartalmat, szárítási mód függvényében már 1-2év alatt elérhetjük, szerintem javasolt első évben 2 évre való tüzelőanyagot venni, utána már csak egyesével kell, így mindig száraz fával tüzelhetünk(ugyanolyan árban).

Tudni kell, hogy a nedves fa fűtőértéke ennek a fele is lehet, tehát nagyobb mennyiségű fára lesz szükség, ez több átáramló füstgázmennyiség, kisebb hatásfokú égés(a vizet ugyebár el kell párologtatni, ami hőelvonással jár), alacsonyabb tűztérhőmérséklet, kevésbé tiszta égés, ebből kifolyólag kátrányosodás, kéménybe való lecsapódások, kéménykiégéssel számíthatunk.

Nem beszélve arról, hogy a kályha számított paraméterei is mások lesznek. Tehát: tüzelés száraz fával!

)

Mivel adott a kályhatípus, amiknek a hatásfokát már sokan megmérték, és tudjuk, hogy ilyen szerkezetű kályhát építünk, így a számításoknál támaszkodhatunk erre és ezért meg kell adnunk a kályha hatásfokát.

Ebből ugyanis egykét méret adódni fog.

Ismeretlen típúsú kályha építésénél (aminek még nem történt meg bemérése) ez a módszer valószínűleg tévútra vezethet. Én a neten olvasott információkra támaszkodva határoztam meg ennek a dán kályhának a hatásfokát, illetve Libik könyv, ahol Ő pár adatlapot is közöl a jellemzők bemutatásával, illetve pár javaslatot a hatásfok növelésére is le lehet szűrni belőle. 

Ő ha jól emlékszem valamelyik írásában beszámol arról, hogy vett részt 82%-os Lars Helbro féle dán kályha hatásfokmérésen. A könyvében is szerepel egy 82%-os szcenárió. Ebből kifolyólag én 81%-ot veszek most.

Kályha számított hatásfoka, Hk: 0,81 (0,8075 kerekítve)

Kályha tüzeléstechnikai hatásfoka (tűztér hatásfoka), Ht: 0,95

(ez az égés minőségét jellemző adat 0,9-0,97 közé eshet egy jól megépített, másodlagos levegőbevezetésű, előmelegített levegőjű tűztérnél (megpróbálok én is ilyet), illetve 0,8-0,9 egy hagyományos, csak elsődleges levegőjű tűztérnél)

Hőtároló hatásfoka (köpeny-padka-segédkémény rendszeregyüttes), Hh: 0,85

(ez az adat azt jellemzi, hogy mennyire jól tárolja a kályha a rövidégés(ami viszont jó minőségűnek mondható) során hirtelen felszabaduló hőt, , illetve mennyit enged belőle kifutni a kéményen. 

Harang rendszerű kályhák esetében ezt az értéket 0,8-0,9 között számolják, járatos kályhák esetében kisebbeket olvastam (0,7-0,8), de ez engem most úgysem érint, mert én kamrásat építek, én itt is egy középértéket választottam: 0,85)

Tudni kell, hogy igazából a Ht és Hh-t választottam meg, a kályha hatásfoka, Hk az ezekből számított érték, azaz a kettő szorzata.

Kályha által 24óra alatt leadott hőmennyiség, H24=Tn*24=6*24=144kwh

(ez ugyebár már nem teljesítmény, hanem effektív leadott hő, kwh-ban mérve)

Óránként eltüzelt famennyiség, Fh= H24/(Ff*Tn*Tsz*Ti)= 144/(4,16*0,8075*2*1,9)=11,2808kg/h

Innen számítható a tűztér teljesítménye, Tt=Fh(kg/h)*Ff(kw/kg)*Ht=11,2808*4,16*0,95=44,5817kw

(úgy is fogalmazhatjuk, hogy 1óra égés alatt a tűztér által leadott hőmennyiség)

Egy begyújtáskor felhasznált famennyiség, Fm=Fh*Ti=11,2808*1,9= 21,43kg

Tűztér mérete (ami kell az égéshez szükséges levegőnek), Tme=Tt*1000/400=44,5817*1000/400=111,46 liter

(Ennek a fenti képletnek a forrása: Shkolnik könyvében szilárd tüzelőanyag esetében 400-500-as osztótényezővel számolnak, ebből vettem a kisebbik határt, így picivel nagyobb a számított eredmény, lásd: http://remont.townevolution.ru/books/item/f00/s00/z0000002/st012.shtml )

Tűztér mérete (ami kell a berakott fának ró=500kg/m3 átlag fasűrűséggel számolva, ró=m/V képletből V=m/ró), Tmf=Fm*1000/500=21,43*2=42,87 liter

Tűztér teljes mérete ( a fenti kettő összege), Tm=111,46+42,87=154,33liter

A legfontosabb alapparaméterekkel meg is volnánk, kell még ide az, hogy mennyi levegőt kell adni az égéshez egy ilyen tűzterű kályhának.

A fa égését sok helyen leírták már molekuláris szinten, így nem kell feltalálnunk a kereket, és a kémiai egyenletekből, a résztvevő molekulákból, azoknak levegőben meglévő százalékarányából ki lehet számítani, hogy 1kg fa elégetéséhez mennyi levegőre van szükség.

Az égés folyamán ugyanis a fából felbomló fagázak egyesülnek az égést tápláló levegő molekuláival, kémiai folyamatok játszódnak le. Nézzen utána akinek fontos a fa égése mögött zajló folyamatok, jelszó: pirolízis. 

Ami számunkra fontos, hogy a fa élete során a napenergia segítségével megköti a levegőben lévő széndioxidot (amit mi is termelünk folyton), és helyette oxigént ad vissza, ezért szeretek én is erdőben császkálni Budapest (és Udvarhely :) szmogos utcái helyett,

viszont a levegővel való égésekor ez visszaalakul, CO2 kerül vissza a légkörbe(plussz még valamennyi nála veszélyesebb CO, hogy épp mennyi az az égés tisztaságától függ, valamennyi szilárd mocsok, amit általában a hamuzóból gyűjtünk össze, viszont nagyon jó a kertnek, kéményből kéményseprő által levakart mocsok, nos reméljük ilyenből minél kevesebb lesz nálunk, ilyesmik...

plussz hő szabadul fel, nos ez utóbbi fűti a házat. És ezért nevezik a fát megújuló energiaforrásnak, ui. jó, hogy szennyezi a légkört, mert senki sem szereti szagolni a füstöt, de csak annyi „mocskot” ad vissza a légkörbe, amennyit az élete során őmaga már megtisztított, ha pedig nem égetnénk el, hanem korhadni hagynánk, ugyanannyi CO2-t adna vissza a légkörbe, szóval ez egy fair-nek mondható cserebere és nem pedig itt a kosz és fussvéle.

Az elméleti levegőmennyiség ami kell 1kg fa elégetéséhez Ve=4 Nm3 (normálköbméter).

(Libik is ezzel számol a könyvében)

Mivel a levegő gáznemű, azaz elég könnyen „összenyomható”, pld. amikor különböző járatokba, és különböző hőmérsékleten futtatjuk, így a sűrűsége változó, egy különböző keresztmetszetű járatokban vizsgált anyag tömegmennyisége viszont állandó(tömegmegmaradás elve). A térfogat ugyebár függ, fordítottan arányos a sűrűséggel.

Adott tömegű levegő sűrűsége / térfogata egy kályha esetében viszont függ a légköri nyomástól (ami más 0m tengerszint feletti magasságban a Fekete tenger partján és más a Hargita tetején), és a hőmérsékletétől.

A fent említett 4Nm3-t úgy értelmezhetjük, hogy ilyen térfogatú (4m3) levegő szükséges 1kg fa elégetéséhez, ha az égés 0m tengerszint feletti magasságon történik (az ahhoz tartozó légköri nyomáson), ha 0 C fokos levegőt adunk az égéshez.

Persze a kályhánál nem éppen így van: ha pld. a hamuzón kapja a szobahőmérsékletű levegőt (amit vegyünk 20 C fok hőmérsékletűnek), akkor a melegebb levegő ugye tudjuk kitágul, sűrűsége kisebb lesz, tehát nagyobb lesz a térfogata, és máris nagyobb levegőbeömlő nyílásokkal számolhatunk.

Hogy mennyi a nagyobb (vagy hűtés esetén a kisebb), azt Gay-Lussac I. Törvénye az izobár állapotváltozásról / ból tudhatjuk meg, ami szerint: ha egy ideálisnak tekinthető gázt állandó nyomáson melegítünk, akkor a térfogata minden egyes Celsius fok hőmérséklet-emelkedésnél, a 0 C fokon elfoglalt térfogatának 1/273-ad részével növekszik (273 a víz fagyáspontja Kelvinben) (hűtés esetén pedig csökken).

Ezzel a képlettel kiszámíthatjuk a Normálköbméterek alapján, hogy a kályha különböző járatszakaszain, amihez a folyamatos hőleadás miatt különböző hőmérsékletek tartoznak, szóval, hogy milyen mennyiségű levegő vagy füstgáz fog ott átáramlani. Ha pedig alakítjuk a járat átmérőjét, akkor ezzel változtatjuk a füstgáz áramlási sebességét.

Ugyancsak nem illik elhanyagolni a számításokból a tengerszint feletti magasságot. 

Hogy mennyi lesz a 4Nm3 levegőből ’z’ méter tengerszint feletti magasságon, azt a Vgy=Ve*ftm képlettel számíthatjuk ki (lásd Libik könyv 123. Oldal). 

A ftm magasságkorrekciós faktor képlete:

Ftm = 1 / (e a -9,81*z/78624 hatványon).

Ezt ha alkalmazom az én esetemre (537m tengerszint feletti magasságon lévő udvarhelyi kis dombocska) ahol építeni akarom a kályhát, magasságkorrekciós faktornak Ftm=1,07 jön ki, én ezzel fogok számolni a továbbiakban.

Van még két adat amivel szintén számolnunk kell a továbbiakban.

Az egyik, hogy 1kg fa égésekor, Ve=4Nm3 elméleti levegőt használunk fel, amihez ugyebár hozzáadódnak a fagázak is, így Vfg=4,8Nm3 füstgáz keletkezésével számolhatunk.

A másik pedig a légfelesleg tényező:

A fentiek elméleti mennyiségek: a gyakorlatban az a gond, hogy nehezen megoldható, főleg egy fatüzelésű kályhában, hogy pontosan az elméleti mennyiségű levegő keveredjen a fagázakkal (ha csak annyit engednénk be, nem tudna összekeveredni).

Így belódítunk annál jóval többet, hogy legyen elég levegő az égéshez.

Hogy mennyi az annyi, azaz hányszor több a gyakorlati levegőmennyiség az elméleti levegőmennyiségnél, azt légfelesleg tényezőnek nevezzük. 

Ezzel az a baj, hogy ha túl sokra vesszük, akkor egyrészt hűtjük vele a tűzteret, ergo tökéletlenebb az égés (nagyobb szénmonoxid CO kibocsátás), ha pedig túl kevés akkor is tökéletlen lesz az égés, mert a kémiai reakciókhoz szükséges minimális mennyiség sem tud összekeveredni a fagázakkal.

Szóval illik eltalálni az optimális értéket, ha jobbacska kályhát akarunk.

Elvileg 2,7-3,2 –es intervallumban választva meg a légfelesleg tényezőt a CO termelés minimálisnak mondható.

Libik a könyvében (és még sok helyen a neten) kifejtik, hogy az európai normák szerinti optimálisnak mondható érték akkor adódik, amikor a kéményen kimenő füztgázban 13%-os oxigén koncentrációt mérnek. 

Van is erre egy szép kis  képlet, amivel most nem untatlak, de amiből kiderül az, hogy ennek a 2,95-ös légfelesleg tényező felel meg.

Libik is említi, hogy ez az érték jóval magasabb a nagyon sok helyen alkalmazottnál, de ők ezt tartják mértékadónak.

Olvastam én ilyen olyan régi helyeken 1,7-2-2,5-ös értékeket is.

Érdekes, hogy Shkolnik a könyvében az orosz kályhák méretezésénél 2,5-ös légfelesleg tényezővel számol (lásd L0: http://remont.townevolution.ru/books/item/f00/s00/z0000002/st009.shtml )

Adott kályha esetében ez a légfelesleg tényező maga után vonja a levegőbeömlő nyílások méretét, illetve a füstgáz különböző járatainak, a kéménynek a méretét, keresztmetszetét.

Lévén, hogy elég nagy teljesítményű kályhát építenék, amit viszont valószínűleg a maximumnál kevesebb fával fogok az esetek döntő többségében üzemelni, hogy a járatok ne legyenek épp akkora óriásiak, én itt is középarányost számolok, a tiszta égés / minimális  CO termelésnek megfelelő intervallum alsó pontját veszem, azaz

lambda=2,7-es légfelesleg tényezővel számolok a továbbiakban.

Azt hiszem ennyi egyelőre egy lapra, talán ez is sok, és nehezen áttekinthető, a számítások folytatása következik.