Szilárd tüzelésű berendezésekhez kapcsolt fűtési puffertárolók vizsgálata
2017. november 6. | Érces Norbert, dr. Herczeg Levente, Budapesti Mûszaki és Gazdaságtudományi Egyetem | | 0 |
Napjainkban az épületek gazdaságos üzemeltetése mellett egyre nagyobb szerepet tölt be a környezetbarát technológiák és berendezések alkalmazása, azonban a magyarországi épületállomány jelentős százaléka nem tudja teljesíteni a velük szemben elvárt igényeket mind épületfizikai, mind épületgépészeti szempontból.
A szilárd tüzelésű berendezések újra egyre nagyobb teret kapnak az épületek fűtési igényeinek kielégítésére új, korszerű kazánok telepítésével, vagy akár az évek óta üzemen kívül álló, meglévő hőtermelők újra üzembe helyezésével. A szilárd tüzelésű berendezések rendszerbe illesztése során számos, sok esetben elhanyagolt részletre szükséges figyelni tervezői, kivitelezői és üzemeltetői oldalról egyaránt.
A kereskedelemben kapható fűtési puffertárolók kialakítása nagymértékben eltérő megoldásokat mutat. Cikkünkben a belső áramlás terelőlemez nélküli, derékszögű csonkelrendezést követő fűtési puffertárolókban kialakuló hőmérséklet eloszlásokat, és annak a fűtési rendszerre gyakorolt hatását vizsgáljuk meg.
Működési jellemzők
Az égési folyamat létrejöttéhez természetesen több paraméter egyidejű jelenlétére, valamint adott szerkezeti kialakításokra van szükség. Ezek közé tartozik a megfelelő légfelesleg-tényező, elegendő oxigéntartalmú levegő, tűztér kialakítás, a füstgáz elvezetésének kialakítása, illetve a megfelelő gyulladási hőmérséklet az égés beindításához.
A szilárd tüzelésű berendezések, azon belül is a hasábfa, szén, vagy vegyes tüzelésű kazánok rendszerbe illesztése során, a biztonságos üzemvitel érdekében gondoskodni kell a tűztérben uralkodó tűzkép életciklusából származó esetleges csúcsok kezeléséről. Az ilyen kazánokra jellemző tüzelési folyamat a begyújtási szakasztól az égés maximumáig monoton növekedést, majd utána folyamatos hanyatlást produkál az égés végéig.
Egy épületben elhelyezett kazán az esetek túlnyomó többségében a méretezési hőmérséklet mellett jelentkező, az adott épületre jellemző maximális hőigényt képes ellátni. Meglévő, régebbi konstrukciók esetén megfigyelhető az esetleges 1,5-2-szeres túlméretezés is!
Méretezési külső hőmérséklet azonban a fűtési szezon során elenyésző hányadban jelenik meg, ezáltal a szilárd tüzelésű kazánok üzemeltetése során a fölöslegesen megtermelt hőenergiát el kell raktározni.
Természetesen léteznek a piacon az égést, ezáltal a megtermelt hőenergiát befolyásoló szerkezetek, de ezek az égés minőségének módosításával avatkoznak a tüzelési folyamatba. Ez a beavatkozás a kibocsájtott káros anyag növelését és a tüzeléstechnikai hatásfok rontását eredményezi. A korszerű biomassza kazánok, pl. pellet tüzelésű berendezések esetén a beépített automatika lehetővé teszi a tüzelőberendezés teljesítmény modulálását, ebben az esetben a puffertárolók alkalmazása más szemléletet kíván. Esetünkben a fentiekben említett, hagyományos elven működő szilárd tüzelőberendezéseket vizsgáljuk.
Az 1. ábrán egy hasábfa tüzelésű kazán előremenő hőmérsékletének időbeli lefutását láthatjuk az izzási folyamat megkezdéséig. Megfigyelhető, hogy egy nagyságrendileg 30 perces felfűtési idő után a monoton emelkedés iránytangense csökken, majd több mint 2 órás tüzelés után hanyatlani kezd. Az ábra szerinti karakterisztika 85 °C-ra beállított maximális előremenő hőmérséklet mellett jelentkező görbe, azaz a fentiekben említett szabályozó szerelvény 85 °C elérésekor avatkozik be a szekunder égési levegő mennyiségi szabályozásába. Látható továbbá, hogy kb. 25 percen keresztül a beállított maximum érték fölötti előremenő hőmérsékletet tartotta. A maximálisan előírt hőmérsékletre azonban csak méretezési külső hőmérséklet esetén van szükség, amelynél magasabb esetekben hő túltermelés, vagy jelentős túltermelés alakul ki.
1. ábra. Az előremenő vízhőmérséklet alakulása az idő függvényében
2. ábra. Fűtési menetrend 85/60/20 °C hőfoklépcső esetén
Megfigyelhető és könnyen belátható, hogy nagyobb külső hőmérsékletek esetén hogyan alakulna a szükségesen igényelendő hőfoklépcső. Gáztüzelésű berendezések esetén könnyen megoldható a kazánteljesítmény csökkentése. A fentiekben említett szekunder huzatszabályozóval történő modulálásnak azonban határt szab a kazán korrózióvédelme, amely a visszatérő hőmérsékletet minimum 55 – 60 °C-ra korlátozza. A hőfoklépcső függvényében az előremenő hőmérsékletből keveréssel növelhető a visszatérő fűtőközeg hőmérséklete, azonban a 2. ábráról jól látható, hogy fogyasztói oldalon a külső hőmérséklet függvényében nagyságrendileg 2 °C-ig oldható meg a keverés, moduláltatott kazánteljesítmény mellett. Üzemeltetési, kazánvédelmi és környezetvédelmi szempontból is kijelenthető, hogy a hagyományos elven működő szilárd tüzelésű berendezéseket maximális kazánterhelés mellett célszerű üzemeltetni. A fűtési szezonra vetített nagy intervallumban fölöslegesen megtermelt fűtési energiát puffertárolóban célszerű eltárolni.
Kapcsolási megoldások
A szilárd tüzelésű berendezések esetén feltétlenül szükséges a kazán oldalt (primer oldal) hidraulikailag függetlenné tenni a felhasználói oldaltól (szekunder oldal) úgy, hogy fűtési puffertárolót is illesztünk a rendszerbe. Erre a megoldásra két járatos megoldás javasolt. Az egyik a kazánnal sorba kötött puffertároló, amely a hőtároláson túl a hidraulikai leválasztó szerepét is betölti. A másik megoldás egy párhuzamosan kötött fűtési puffertároló és egy hidraulikai leválasztó beépítésével valósítható meg.
A 3. ábrán látható a két említett alap kapcsolási séma. Mindkét esetben megvalósul a primer és szekunder oldal hidraulikai szétválasztása, azonban a soros kötés esetén a fűtési közeg minden esetben keresztülhalad a tartályon. Ebben az esetben a megtermelt fűtési hőenergia szekunder oldalon igényelt része a fogyasztók felé áramlik, míg a fölöslegesen megtermelt energia a tartályban visszafordul, és ott eltárolásra kerül. Indulási szakaszban azonban nem ismert a rendszer késleltetése, valamint az üzem közbeni keveredés mértéke a rendszerben. Járatos megoldás továbbá ennél az elrendezésnél az is, amikor a szekunder előremenő vezetéket a tartály tetejéből kötik ki.
3. ábra. Soros és párhuzamos puffertároló bekötési sémák
Hidraulikai leválasztók üzeme során egy kis rétegtároló hőmérséklet eloszlása valósul meg, ami az előremenő és visszatérő hőmérsékleteket nem befolyásolja. Párhuzamos kialakítás esetén a szekunder rendszer igénye a hidraulikai leválasztón keresztül a sfogyasztók felé halad, míg a fölöslegesen megtermelt hőmennyiség a párhuzamos tartályba kerül. Ebben az esetben a rendszer indítása független a tartálytól és üzem közben is elkerülhető a fogyasztók felé áramló közeg keveredése az esetlegesen kisebb hőmérsékletű tartály űrtartalom miatt. Ennek a rendszernek a kialakításakor azonban nagy hangsúlyt kell fektetni a megfelelő hidraulikai beszabályozásra.
A hétköznapi gyakorlatban a legtöbb gyártó a sorba kötött puffertároló kialakítást ajánlja. A piacon azonban rengeteg puffertároló található, amelyek belső kialakítása nagymértékben eltér egymástól. A családi házakban megtalálható szilárd tüzelésű rendszerek esetében nagyobb százalékban jelent döntő szerepet a fűtési rendszer beruházási költsége, így jellemzően – különösen a fűtési puffertárolók esetén – a legegyszerűbb és ezzel együtt a legolcsóbb tartályra esik a választás. Ezeknél a tartályoknál a legjellemzőbb kialakítás egy közel 90°-os csonkelrendezés, amely az ideális telepítési helykihasználás miatt adódik. Tartályon belül azonban a csonkok nem rendelkeznek áramlást elősegítő meghosszabbítással, vagy terelőlemezzel. A továbbiakban a terelőlemez nélküli, 90°-os csonkelrendezésű tartályok üzem alatti áramlási képét vizsgáljuk meg.
Vizsgálati modell
A vizsgálatok elvégzéséhez a kereskedelmi forgalomban kapható jellemző tartályméreteket vettük alapul 500 – 2000 literig. A modell alkotáshoz Ansys szimulációs szoftvert használtunk, ahol a parametrizálás segítségével az alapmodell a megfelelő peremfeltétel módosításokkal alakítható a kívánt puffertartály méretekre a háló megtartásával. Az alapmodellt egy 1000 literes tartály jelentette. A geometriát négy alaptestre osztottuk föl, amelyben a tartály alsó, felső, valamint a középső része 1-1 hengerként jelent meg. Az alsó és felső „pogácsákban” találhatóak az előremenő és visszatérő fűtőközeg csonkok. Az így kapott négyféle, elszeparált geometria típus önálló hálózást kapott (4. ábra).
4. ábra. Alapmodell-hálózás
A modellen látható, hogy a csonkok környezetében, a tartály csatlakozási felületén, valamint a csonkok sugarán haladva kifelé a háló sűrítését végeztük el. A hálózás 1 135 369 cellából épül fel, a maximális skewness értéke 0,9258.
A CFD szimulációt ANSYS Fluent szoftver segítségével végeztük állandósult üzemállapotban, méretezési külső hőmérséklet melletti 80/65 °C-os hőfoklépcsőre. A modellben az alábbi peremfeltételeket használtuk:
- Energy ON,
- Viscous – Realizable k-e, Enhanced Wall,
- Radiation off.
A tartály anyaga hőszigetelt acél, benne víz található. A peremfeltételeket a négy tartálycsonkra, a folyadékra, valamint a tartály falára vettünk fel. A tartály primer előremenő oldala a kazánból a tartályba lépő csonkot jelenti, amely egy DN40-es csőátmérő. A belépő közeg sebessége 0,345 m/s, hőmérséklete 80 °C. A tartály szekunder visszatérő csonkjának geometria paraméterei az előzővel ekvivalens, azonban a belépési hőmérsékletet 65 °C-ra állítottuk be. A primer visszatérő és a szekunder előremenő outflow peremfeltétellel ellátott változó. A tartályt egy 20 °C-os kazánházba helyeztük, szigetelt falának hőátbocsátási tényezője 0,3 W/m2K.
A térbeli diszkretizáció esetén az alábbi peremfeltételeket használtuk:
- Gradiens – Green-Gauss Node Based,
- Nyomás – Second Order,
- Lendület – Second Order Upwind,
- Turbulens kinetikus energia – Second Order Upwind,
- Turbulens disszipációs ráta – Second Order Upwind.
A szimulációt 10000 iterációs lépéssel végeztük el.
Eredmények
Állandósult állapotra a várható eredményt a rétegtárolókból jól ismert hőmérséklet eloszlás adta. Tartály mérettől függetlenül nagyfokú keveredés tapasztalható a sorba kötött puffertárolók esetében, amelyet a következő oldalon látható 5. ábra szemléltet. A tartály csonkjainak tengelyében 1-1 metszősíkot definiáltunk, hogy a tartály belső részein szemléltetni tudjuk a hőmérséklet eloszlásokat. Jól látható, hogy primer oldalon a tartályba lépés után az áramló közeg sugár irányban tart a szemközti falsíknak, ahol szétterül, kialakítva egy hidegebb, megközelítőleg 72,5 °C-os zónát. Szekunder előremenő fűtőközeg esetén a méretezési külső hőmérséklethez tartozó primer kazánbeállításnál közel 5 °C-kal kisebb hőmérséklet lép ki a tartályból. A visszatérő közeghőmérsékleteknél hasonló hőmérsékletváltozás mutatkozik, csak melegedés jön létre. Ugyanez a fűtőközeg keveredés mutatkozott az összes tartály esetében.
5. ábra. Hőmérsékleteloszlás a tartály tengelysíkjain
A 6. ábrán (ld. a következő oldalon) a különböző, jellemző hőmérséklet felületi eloszlását mutatjuk meg. Az ábra bal oldali tartálya egy 1000 literes, míg a jobb oldali egy 500 literes puffertároló jellemző hőmérséklet zóna felosztását mutatja.
6. ábra. A hőmérsékleti zónák felületi eloszlása
Megfigyelhető, hogy mindkét tartály esetében hasonló eredményt kapunk, a hőmérséklet érték és eloszlás képében egyaránt. Az előzőekben említett rétegtárolókra jellemző elméleti hőmérséklet eloszlást csak kis átmérőjű próba tartály szimulációja eredményezte. A vizsgálati modell egy 100 mm átmérőjű és 1 m magas tartály volt, amelynek tengelysíkjaira jellemző hőmérséklet eloszlása a 7. ábrán látható.
7. ábra. Kis átmérőjű tartály szimulációjának eredményei
A hőmérséklet-keveredések összehasonlítása érdekében az átmérő és a tartály magasság függvényében definiáltunk egy dimenziótlan számot, amelyet d/H-val jelölünk (1. táblázat), lásd a következő oldalon.
1. táblázat. A hőmérséklet keveredések összehasonlításának adatai
Az 1. táblázatban látható mennyiségek:
- d – tartályátmérő,
- H – tartálymagasság,
- d/H – dimenziótlan mutatószám,
- tpe – primer előremenő közeghőmérséklet,
- tpv – primer visszatérő közeghőmérséklet,
- tsze – szekunder előremenő közeghőmérséklet,
- tszv – szekunder visszatérő közeghőmérséklet,
- delta te – a végfelhasználókhoz jutó közeghőmérséklet-változás,
- delta tv – a kazán felé áramló közeghőmérséklet-változás.
A táblázatban szereplő tpe és tszv értéke a szimuláció során előre definiált peremfeltétel. A próbatartály esetében a keveredés mértéke elhanyagolhatónak tekinthető, azonban d/H növekedésével a keveredés növekszik. d/H függvényében átlagosan 6,5 °C-os hőmérsékletváltozással lehet számolni a fenti elrendezést és kialakítást követő puffertartály beépítése során.
Egy 5000 liter fűtési puffertérfogatot igénylő rendszer esetén a hőmérséklet keveredés már 7 °C fok fölé is emelkedhet.
Összefoglalás
A vizsgálati eredmények méretezési külső hőmérséklet esetén kialakuló állandósult állapotot mutatnak be. Átmeneti állapotra, amely során egyszerre valósul meg hidraulikai leválasztási és töltési folyamat is, további vizsgálatokra van szükség.
A következő oldalon bemutatott 8. ábrán látható trendek szerinti hőmérsékletváltozások hatással bírnak a primer és szekunder oldal működésére egyaránt, például egy 5000 liter fűtési puffer térfogatot igénylő rendszer esetén a hőmérséklet keveredés már 7 °C fok fölé is emelkedhet.
8. ábra. A szimulációval kapott hőmérsékletváltozás különböző d/H értékek mellett
A szimulációs eredmények szerinti hőmérséklet-eloszlásból látszódik, hogy ha tároló tetejéből kikötött előremenő szekunder vezetéket alkalmazunk, akkor is hasonló eltérés várható a fűtési víz előremenő illetve visszatérő hőmérséklet változásának tekintetében.
Szekunder oldalon méretezési külső hőmérséklet esetén a radiátoros hőleadók kiválasztásakor kalkulálni kell a hőmérséklet változásával, az esetleges alulfűtés elkerülése miatt, míg primer oldalon a csökkent hőmérsékletkülönbség akár 30%-os kazánhatásfok romlást is előidézhet hosszú távú üzemeltetés során.
Irodalomjegyzék
- V. K. Verma , S. Bram, F. Delattin, P. Laha, I. Vandendael, A. Hubin, J. De Ruyc.: Agro-pellets for domestic heating boilers: Standard laboratory and real Applied Energy 90 (2012) 17–23
- Tomas Persson*, Frank Fiedler, Svante Nordlander, Chris Bales, Janne Paavilainen: Validation of a dynamic model for wood pellet boilers and stoves Applied Energy 86 (2009) 645–656
- Takács, János – Lulkovièová, Otília – Füri, Béla: Helyzetkép a megújuló energiaforrások hasznosítási lehetőségeiről Szlovákiában. Magyar Épületgépészet, 57. évf. 2008/12. szám p. 24-27, ISSN 1215-9913
- Takács, János - Füri, Béla: A lakóépületek és fütörendszerek felújítása. In: ÉPKO 2009 : 13th International Conference of Civil Engineering and Architecture. Csíksomlyó, Románia, 2009. június – Cluj : Hungarian Technical Scientific Society of Transylvania, 2009. - S. 455-460
- Takács, János: Zdroje tepla na biomasu a drevný odpad. In: Urbanistické, architektonické a technické aspekty obnovy vidieka II : Technické aspekty obnovy vidieka. Zborník referátov z Medzinárodnej konferencie. Bratislava : STU v Bratislave SvF, 2002. ISBN 80-227-1802-5. - S. 22-25
- Kajtár L, Szabó J.: The impact of the energy requirements for buildings on the thermal comfort. In: Nyers József (szerk.) Internationale symposium “EXPRES 2014" Subotica: 6th International Symposium of Renewable Energy Sources and Effectiveness. A konferencia helye, ideje: Szabadka, Szerbia, 2014.03.27 - 2014.03.29. Szabadka: Visoka Technicka skola strukovnih studija u Subotici, 2014. pp. 129-131. (ISBN:978-86-85409-96-7)
- Bales C. COMBITEST, A new test method for thermal stores used in solar combisystems. Thesis for the degree of Doctor of Philosophy Building Services Engineering, Department of Building Technology, Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden; 2004. ISBN 91-7291-465-3.
FűtéstechnikaMagyar ÉpületgépészetPuffertároló
Hozzászólás
A hozzászóláshoz be kell jelentkeznie.
