Számítások 4. Levegő-, füstgáz térfogatáramok

Az előbbi bejegyzésben csak vázoltam a számítási módszert, ezért most hadd fejezzem be konkrétan is a szükséges levegőmennyiség illetve a keletkezett füstgázmennyiség számításait.

Mivel a számított 6kw-os tömegkkályha (amelynek a tűztere 44,58kw-os) által felhasznált óránkénti elhasznált famennyiség Fh=11,2808kg/h, 1kg fa égéséhez szükséges elméleti levegőmennyiség Ve=4 Nm3 (normálköbméter), lambda=2,7 –es légfelesleg tényezővel számolva az égéshez szükséges (normál) gyakorlati levegőmennyiség óránként: Vgyn=Ve*lambda*Fh=4*2,7*11,2808=121,83 Nm3/h.

Figyelem, ez normálköbméter, azaz 0 Celsius fokos levegőhőmérsékletet véve alapul, tengerszinten.

A pontos mennyiség az a hőmérséklettől és tengerszint feletti magasságtól is függ, így a képlet a következőképpen alakul, a gyakorlati égésilevegő mennyiség óránként:

Vgy=Vgyn*Fhm*Fmag m3/h, ahol Fhm-hőmérsékletkorrekciós faktor az előbbi bejegyzésben említett Gay-Lussac törvény alapján számítva Fhm=(1+levegőhőmérséklete/273),  Fmag pedig magasságkorrekciós faktor (számítási képlet szintén előző bejegyzésben...), az én esetemben 537m tengerszint feletti magasságot véve figyelembe ez 1,07 lesz.

Ha a teljes levegőbevezetés a hamuzón és a rostélyon keresztül történik, akkor a levegőt vehetjük szobahőmérsékletűnek, legyen ez 20 Celsius fok. Így,

Tehát Vgy=121,83*(1+20/273)*1,07=139,91 m3/h, azaz vajmi 19m3 óránkénti levegővel több, mint ha nem számítottam volna korrekciós tényezőket.

Ha pedig külső térből (nem a szobából) való levegőbevezetéssel számolunk, ahol a levegőbevezető járat esetleg előmelegíti a kinti levegőt, tegyük fel, hogy a föld alatt jön, aminek a hőmérsékletét 8-10 fokosra vehetjük, mondjuk legyen 10 a számítások kedvvéért, akkor Vgy=121,83*(1+10/273)*1,07=135, 14 m3/h.

Lássuk ez mit jelent a kályhába való levegőbevezető nyílások nagyságát, azaz keresztmetszetét illetően.

Ha a levegő egyetlenegy nyíláson, pld. a hamuzón jön, és egy relatív „kényelmes” 1,5m/s áramlási sebességgel számolunk (2-3m/s sebességnél nagyobbat semmiképpen sem illik használni a fellépő, sebességgel négyzetesen arányos súrlódások miatt, lásd dinamikus nyomás, ami alapján a súrlódás is számolódik, Pd=ró*vénégyzet/2, azaz sűrűség*sebesség a négyzeten /2 , na szóval akkor:

Lbev= Vgy(20fokon) /(3600*1,5))*10000 cm2=139,91/(3600*1,5)*10000=259,10 cm2, azaz négyzetcentiméter.

Ha ezt a felületet egy kör alakú nyílással oldanánk meg, akkor ennek a körnek az átmérője, amit a számított felülethez tartozó hidraulikus átmérőnek is nevezhetünk, lásd Libikkönyv 126. oldal:

Dh=2*R=2*négyzetgyökalatt(Lbev/pí)=2*gyökalatt(259,1/3,1415)=18,17cm

Ugyanezt megoldhatjuk egy neki megfelelő négyzet alakú nyílással is, amely négyzetnek az oldalhossza a fent kiszámított hidraulikus átmérő.

Figyelem: ennek a négyzetnek az effektív felülete(területe) 18,17*18,17cm2=330,14cm2, ami nagyobb effektív a számított Lbev=259,1cm2 –nél, azaz a négyzetbe írt kör területénél, viszont a négyzet sarkai miatt fellépő nagyobb súrlódási/áramlási veszteségek miatt egyenértékűnek mondható a 259,10cm2 felületű, azaz beléje írt körrel.

Lehet használni más alakú keresztmetszeteket mint pld. téglalap és a téglakályhás gyakorlatban ez szokott lenni.

Túlzásokba ott sem lehet menni, van azért egy szabály, lásd kémények , hogy egy bizonyos "laposságnál" "laposabb" téglalapokat nem illik használni, azaz a két oldal aránya nem lehet túl nagy(én nem téglalap keresztmetszetű kéményben gondolkozom, de mintha 1,5 arányról olvastam volna, ezt illik lecsekkolni, aki ilyet akar!!

De akár más formájú keresztmetszeteket is használhatunk, pld. háromszög vagy bármi, amiknek a számított Dh, azaz hidraulikus átmérője megegyezik(vagy picivel nagyobb) a fentebb kiszámolt Dh=18,17 cm-el.

A számított hidraulis átmérő képlete ez esetben, Dh=4*A/U cm, ahol A a vizsgált járatszakasz, ez esetben a levegőbevezetés keresztmetszetének a területe, cm2-ben, U pedig a járat belső kerülete, cm-ben.

Konkrét példaként, a forgalomban lévő, megvásárolható hamuzóajtók téglalap alakúak (én csak ilyet láttam, nem mintha nem lehetne háromszöget barkácsolni otthon), mindenképpen nem a külső méretet kell figyelembe venni, hanem a beépítési méretet, amit általában feltüntetnek a kályhás boltok a weboldalaikon, ha pedig nem, akkor meg kell mérni centiméteressel.

A fent említett Dh=18,17cm-ből számolok egy 25cm*15cm-es téglalapot, aminek a felülete: 375cm2, viszont a számított hidraulikus átmérője: Dh’=4*375/(2*25+2*15)=18,75cm

Figyelem: Dh’ > Dh, tehát ez jó, azaz elég nagy a 25*15-ös nyílás, de pld ha 25*14-et vennénk, akkor Dh’=4*350/78=17,9cm,  Dh’<Dh, tehát a 25*14-es nyílás már nem elegendő.

Persze ha mégis így sülne el a dolog(mert előre megvan az ajtó és nem számoltunk ezzel), még mindig nem katasztrófa, egy bizonyos határon belül kisebb levegőnyílás azt eredményezi, hogy átmegyünk „kandallózás” irányába, hosszabb lefutású lesz az égés, és valamennyit változnak a kályha paraméterei...

Ismerek olyan dán tömegkályha tulajdonost, akinél a teljes tűz 4-5 óráig tart (elég nagy teljesítményű kályhájával (27 kilónyi fát rak be egyszerre, már ez a blog alapján is bárki ki tudja számolni vagy megsaccolni a teljesítményt), nem teljesen szabályos, állandó keresztmetszetű kéménnyel, aminek a belső átmérője 16-18cm, és számomra érdekes módon (csodálkozom rajta), de mégis működik.

A kályhát a magyarországi netről mindenki által jól ismert kályhás workshopján részt vevő tanonc, szintén kályhás készítette.

Én ezt úgy magyaráztam meg magamnak, hogy a légfelesleg által előírtnál jóval kevesebb levegőt ad neki, 

(nem vagyok meggyőződve, hogy ezeken a workshopokon van idő, hogy a "kéz összesározása" mellett a számításokkal is foglalkozzanak, érdekes módon a magyarországi kályhás szakik ezt már elismerik, hiszen van papírja, részt vett egy workshopon és kifizette a részvételi díjat, ugyanakkor mást, aki esetleg ezt tudja, de nem vett részt fizikailag egy workshopon sem, azt startból letácsolják, itt nem a workshop szükségtelenségéről beszélek, sőt ha lenne a közelemben, simán passzióból is elmennék olyanra, hanem a helyzet árnyaltságát akartam csak megvilágítani, zárójel bezárva),

na szóval ezáltal óránként kevesebb füstgáz termelődik, ami miatt a dolog működik (úgy értem a füst kijut egy kisebb keresztmetszetű kéményén is).

Én mindenképpen úgy gondolom, hogy a fentebb kiszámított Dh-hoz azért tartani fogom magamat, legalábbis legyen meg, megközelítőleg. 

Huzatszabályzót mindenképpen akarok rakni minden levegőbevezetésre, ami által majd használatkor megpróbálom belőni a számomra optimálisat.

Hamuzóajtókon, tűztérajtókon szokott lenni huzatszabályzó, legalábbis szerintem érdemes olyat venni.

Egy számomra leszűrt következtetés, az ajtókat általában előre meg szoktuk venni, a tűztérajtó mérete nem is olyan fontos, viszont a hamuzóajtó mérete az fontos (ha azon szándékszunk levegőt adni az égéshez)!

Tehát kályhaajtó vásárlást (vagy készítést) számítás előz meg!

Legyen ez egy mai tanulság.

A  levegő bevezetés a kályhába történhet több nyíláson keresztül is, főleg ha külső térből hozzuk, például két darab feleakkora Dh-jú nyílás, az is OK.

Arra kell ügyelni, hogy ha sok apró nyílást használunk 1-2 nagyobbacska helyett, akkor illik az aprókra egy picit rászámolni, a fellépő nagyobb súrlódás miatt.

(pld. Bio - / Ökó tűztereknél szoktak rakni sok vékony nyílást..)

Persze ez magánvélemény.

Én úgy fogom csinálni, hogy a hamuzótérbe fogom bevezetni az égéshez szükséges levegőt (amit úgy csinálok meg, hogyha kell hamuzón jöjjön, de hogyha nem akarom (mert pld. összeakad a konyhában lévő nagyteljesítményű 150m3/h-s gőzelszívóval), akkor simán fogom magam és lezárom a hamuzót és a külső térből jövő levegőnyílásnak az állítható suberjét megengedem és onnan adom a levegőt

(figyelem, onnan hidegebb levegő fog jönni, tehát kisebb átmérő is elég lehet, tehát azt is ki kell számítani).

Ez a két helyről jövő levegő egy elosztó kamrába fog jutni (ez a hamuzó az én esetemben), ahonnan beengedem a tűztérbe. Több helyen ott is (primer + szekunder), a primer fog menni szobahőmérsékleten, a szekunder előmelegítve ( s figyelem ez utóbbinál az előmelegített miatt nőnek a nyílások!).

Kiszámolgatom azokat is szép lassan.

És akkor lássuk a füstgázt:

Ami az égés után keletkező füstgázmennyiséget illeti, az különbözik az égéshez szükséges, és beengedett levegőmennyiségtől, lévén, hogy a fagázakkal való kémiai rekcióból keletkeznek.

1kg fa égésekor keletkező elméleti füstgázmennyiséget megtudtuk az előző bejegyzésből (időrendi sorrendben következnek ebben a blogban). Vfg=4,8Nm3 (nagyobb az elméletileg szükséges levegőmennyiségnél Ve=4-nél ugyebár).

A légfelesleget is figyelembe véve, könnyű kilogikázni a gyakorlati, 1kg fa égésekor keletkező füstgázmennyiséget:

 A Vfg a fagáz és Ve együtteséből keletkezik. Levegőt viszont Ve*légfeleslegtényező mennyiséget juttatunk be, amiből legtöbb Ve mennyiség résztvesz az égésben, a különbség pedig simán hozzákeveredik a füstgázhoz, a kéményfüstben keletkező kisebb-nagyobb oxigénkoncentrációt okozva.

Szóval a gyakorlati füstgáz Vfggy=Vfg+ (Ve*légfeleslegtényező-Ve)=4,8+4*(2,7-1)=11,6 Nm3 / 1kg fára számolva.

Mindez persze normálköbméter, azaz a füstgáz térfogatát 0 C fok és 0m tengerszint feletti magasságon számolva.

Ugyanez az 1kg fára vonatkoztatott füstgázmennyiség pld. a kémény bejáratánál, tegyük fel 160 C fokos kéménybelépő füstgázhőmérséklettel számolva, 537m tengerszint feletti magasságon = 11,6*(1+160/273)*1,07=19,69 m3. 

Persze mindez 1 kg fára volt számolva, megszorozva az óránkénti famennyiséggel, esetünkben 11,2808kg/h, kiderül, hogy  Vfggy=11,6 Nm3 * 11,2808 kg/h,

Azaz Vfggy=130,86 Nm3 füstgáz keletkezik óránként( szemben a Vgyn=121,83 Nm3/h égési levegőmennyiséggel).

Ezt a füstgázmennyiséget a különböző járatokban (ahol különböző hőmérsékleten fut a gáz), a levegőbevezetésnél megismert hőmérséklet- és magasságkorrekciós faktorokkal ugyanúgy meg kell szorozni mint a levegőnél ( azaz *(1+hőm/273)*1,07 ) az én esetemben.

Egyelőre ennyit egy szuszra, s egy lapra.