Getting into Hot Water: A Practical Guide to Hot-Water Heating Systems

A melegvíz-rendszer leglátványosabb része a víztartály. A melegvíz-fűtési rendszerekhez alkalmas szabványos tartályok többféle méretben, kapacitással és falvastagsággal kaphatók. A földalatti tartályok vastagabb falúak, mint a föld feletti változatok, így sokkal jobb a hegesztésük. Ha választani lehet, jobb egy rövid, nagy átmérőjű tartályt használni, mint egy hosszú, vékony tartályt, mivel a rövidebb tartály kisebb felülettel rendelkezik, ami csökkenti a hőveszteséget és a szigetelési költségeket. A 3. táblázat a szabványos kőolajtároló tartályok széles választékának méreteit és kapacitását tartalmazza.

Bár a legjobb új tartályt használni, sok sikeres rendszer épült már használt tartályokból. Használt olajtároló tartályokat gyakran egyszerűen kérésre lehet beszerezni. Ha úgy dönt, hogy használt tartállyal próbálkozik, alaposan vizsgálja meg, nincsenek-e rajta lyukak vagy vékony foltok. Érdeklődjön arról is, hogy milyen folyadékot tároltak a tartályban. Vigyázat! Soha ne hegesszen vagy vágjon olyan tartályon, amelyről gyanítja, hogy gyúlékony anyagot tartalmazott, kivéve, ha alaposan megtisztították és kiszellőztették. Az olaj- vagy benzinmaradványok eltávolításának egyik módszere a nagy tartályokból az, hogy ezer gallon térfogatra körülbelül 2 font mosószert keverünk össze annyi vízzel, hogy az feloldódjon, és ezt az oldatot a tartályba öntjük. Ezután töltse meg a tartályt teljesen vízzel, és hagyja állni néhány napig, mielőtt leengedné és elkezdené a munkát rajta.

Hőtárolási kapacitás

Amint azt egy korábbi szakaszban említettük, a rendszer kapacitásának egyik mérőszáma a hőtárolási kapacitás. A víz az egyik legolcsóbb és legkönnyebben mozgatható és szabályozható anyag. Emellett az egyik legjobb ismert hőtároló közeg is. A víz súlyegységenként négyszer-ötször annyi hőt képes tárolni, mint a kő, akár tízszer annyit, mint a legtöbb fém, és körülbelül négyszer annyit, mint a levegő. Egyetlen hátránya, hogy 212°F feletti hőmérsékleten nem képes hőt tárolni, hacsak nincs nyomás alatt. Ez korlátozza hasznosságát a magas hőmérsékletű alkalmazásokban. Az üvegházakban és más mezőgazdasági, kereskedelmi vagy lakossági alkalmazásokban alkalmazott helyiségek fűtésére azonban ez a korlátozás általában nem jelent problémát.

A definíció szerint egy Brit hőegység (BTU) az a hőmennyiség, amely 1 font víz hőmérsékletének 1°F-os emeléséhez szükséges. Egy gallon víz súlya körülbelül 8,3 font, így az egy gallon víz hőmérsékletének 100°F-os emeléséhez szükséges hőenergia:

8,3 font x 100°F = 830 BTU

Hasonlításképpen, 8,3 font kavics hőmérsékletének 100°F-os emeléséhez csak körülbelül 166 BTU-ra lenne szükség.

Amint korábban említettük, a víz atmoszférikus nyomáson nem melegíthető 212°F fölé. Ez a hőmérséklet határozza meg a nyomás nélküli víz által tárolható hőmennyiség felső határát. Az alsó határt a kívánt töltési hőmérséklet határozza meg. Ha például egy üvegházat 65°F-on kell tartani, akkor ez a hőmérséklet az alsó határ. A felső és az alsó határérték közötti különbség,

212°F – 65°F = 147°F

megmutatja, hogy egy adott vízmennyiség mennyi hasznosítható hőt képes tárolni.

A tárolási hőmérsékletet valójában nem célszerű az alsó határértékig lehúzni. A hőátadás sebessége a terhelés felé (például a radiátoroktól az üvegház belsejében lévő levegő felé) nagymértékben csökken, ahogy a felmelegített bejövő víz hőmérséklete megközelíti a terhelő levegő hőmérsékletét. Ezért kívánatos, hogy a víz alsó tárolási hőmérséklete legalább 35 °F-kal a kívánt terhelési hőmérséklet felett legyen. Az előző példában tehát az alsó határhőmérséklet 100°F lenne, és a hőmérsékletkülönbség nem 147°F, hanem

212°F – (65°F + 35°F) = 112°F

Ezért a víz tárolási hőmérsékleti tartománya 112°F-ra korlátozódik. Ezt az információt alapul véve most meghatározhatjuk, hogy mekkora tárolókapacitásra van szükségünk.

Ha a kívánt hőterhelést óránként 200 000 BTU-ban határozzuk meg, és azt szeretnénk, hogy a tűz kialvása után 6 óra fűtés álljon rendelkezésre, akkor a vízmennyiségnek megfelelőnek kell lennie a tároláshoz:

200 000 BTU/óra x 6 óra = 1 200 000 BTU

Egy font víz 1°F-os emeléséhez 1 BTU szükséges. Minden kiló víz csak 112 BTU-t képes tárolni. Ezért a szükséges vízmennyiség:

1,200,000 BTU ÷ 112 BTU/lb = 10,714 lb

Mivel a víz súlya gallononként 8,3 font, 10,714 font víz 1,291 gallonnak felel meg.

A gyakorlatban a víz maximális hőmérséklete ritkán haladja meg a 200°F-ot; ezért 1.291 gallonnál valamivel nagyobb tárolókapacitásra van szükség.

Ezek a számítások feltételezik, hogy a tartályból vagy a vizet a töltethez és a töltetből szállító csövekből nem veszik el hő. Ezek a veszteségek jelentősek lehetnek, attól függően, hogy a csövek mennyire jól szigeteltek, milyen messze van a tartály és a fogyasztó közötti távolság, valamint a külső hőmérséklet.

Nagyon jó ötlet hőmérőt szerelni a tartály kimeneti vezetékébe. Ez pontos jelzést ad a tartályon belüli vízhőmérsékletről. A vízhőmérséklet óránként több mint 20°F-os csökkenése jó jel arra, hogy a víztartály túl kicsi, mivel a melegvizes rendszer célja, hogy állandó hőforrást biztosítson anélkül, hogy a tüzet állandóan szítani kellene.

A terhelés két oldalán lévő vezetékekbe – például a radiátor vagy radiátorcsoport bemeneti és kimeneti vezetékére – szintén jó ötlet hőmérőt szerelni. Így nemcsak az állapítható meg, hogy mennyi energia vész el a tartály és a terhelés között, hanem az is, hogy a radiátorok milyen hatékonyan vonják el a hőt a vízből.

A rendszer optimális kialakításához a tárolókapacitást az égő maximális névleges teljesítménye, a kívánt hőterhelés és a tüzelőanyag-töltések között kívánt maximális időtartam alapján kell meghatározni. A következő értekezés azt mutatja be, hogy ez a három tényező hogyan hat egymásra.

Tegyük fel, hogy a fenti példához hasonlóan a szükséges átlagos hőterhelés 200 000 BTU óránként. Ez azt jelenti, hogy egy átlagos üzemóra alatt 200 000 BTU hőre van szükség. Valószínű, hogy egy nagyon hideg éjszaka közepén a szükséges hőmennyiség meghaladja ezt a mennyiséget. Ahhoz azonban, hogy elegendő hő álljon rendelkezésre, az égő teljesítményének legalább az átlagos terhelés és a veszteségek összegével kell megegyeznie. Gyakorlati szempontból célszerű az égőt az átlagos hőterhelés másfél-kétszeresére méretezni. Egy nagyobb égő képes hőt termelni a tárolásra és az azonnali felhasználásra is, amikor a terhelés átlagos.

A melegvízben tárolt energia (tartálytároló) mellett lehetőség van arra is, hogy a rendszerben hőenergiát tároljunk el nem égett fa formájában. Ezt nevezzük tüzelőtárolásnak. Egy nagyon hideg éjszakára számítva az üvegház üzemeltetője egész nap tüzelheti a rendszert, hogy a vízhőmérsékletet fokozatosan 212°F közelébe emelje. Annak ellenére, hogy a víz már közel a maximális hőmennyiséget tartja, az üzemeltető közvetlenül az éjszakai távozás előtt ismét feltöltheti a tűztérbe. Ez a további tüzelőanyag energiát ad a rendszerhez. Az égő tüzelőanyag éppen a kimenő hőt pótolhatja, és így fenntartja a magas vízhőmérsékletet. Ha azonban a kiegészítő tüzelőanyag túl gyorsan túl sok hőt ad hozzá, a tartályban lévő víz felforr, és az energia gőz formájában elvesztegetésre kerül.

Nem valószínű, hogy egy melegvizes rendszer a tényleges működés során nagyon nagy terhelésingadozásoknak lenne kitéve. Más szóval, nem lenne szükség arra, hogy egyik órában a maximális teljesítményt termelje, a következőben pedig semmit. Inkább fokozatos növekedés és csökkenés következik be a nap folyamán, ahogy a külső hőmérséklet és sok más tényező változik. Másrészt a tűz által a rendszerbe juttatott hő általában meglehetősen szórványos, attól függően, hogy mennyi és milyen gyakran adagolják a tüzelőanyagot. A melegvizes rendszer értéke részben azon alapul, hogy képes a hőenergiát gyorsan tárolni, de lassan, szabályozott ütemben leadni.

Ha az égő több hőt termel, mint amennyit a rendszer felhasznál, a többlethő tárolásra kerül, feltéve, hogy a tárolókapacitást nem lépte túl. A tárolókapacitás túllépése a víz felforrását okozza. Ha ez megtörténik, a termelt többlethő gőz formájában távozik a rendszerből. A víz felforralásához szükséges energia egyszerűen kárba vész. A gyakori forralás a melegvíz-rendszerben azt jelzi, hogy az égő túl nagy, vagy túl gyakran tüzelnek, vagy hogy a rendszer hőtároló kapacitása túl kicsi.

Ha a hőtároló kapacitás nem megfelelő, az egyik megoldás egy másik tartály hozzáadása. A tandemtartályt általában a lehető legközelebb helyezik el a főtartályhoz, és egy be- és kivezető csővel, valamint szivattyúval kötik össze (3. ábra). Ily módon a tárolókapacitás könnyen növelhető a rendszer többi részének megzavarása nélkül. A két tartály között mindig folyamatosan vizet kell szivattyúzni a hő egyenletes eloszlása érdekében. Ez megoldható egy további szivattyú hozzáadásával vagy egy meglévő szivattyú áramlásának egy részének felhasználásával, ha annak többletkapacitása van.

A melegvizes rendszerek nem gőzrendszerek, azaz a rendszerben soha nincs más nyomás, mint a szivattyúk által termelt nyomás. A melegvíztartályt ki kell szellőztetni, hogy megakadályozza a nyomás kialakulását, amikor a víz felmelegszik és kitágul vagy gőzzé alakul. A szellőzés nélküli tárolótartály rendkívül veszélyes. A tartály tetején legalább két szellőzőnyílásra van szükség. Még jobb, ha a tartály tetejébe az építés során általában bevágott aknát nyitva hagyjuk, de egy fémlemezdarabbal lefedjük.

Szigetelés

A tartály és az összes cső szigetelésére szükség van, hogy megakadályozzuk a hő elszökését. A kültéri tartályok esetében a permetezett poliuretán szigetelés megfelelő, különösen, ha le van festve, és védve van a tűz és a napfény közvetlen hatásától. Egy 1 hüvelyk vastagságú bevonat, amely R-7-es szigetelési értéket biztosít, négyzetlábanként körülbelül 1 dollárba kerül. Például egy 2 000 gallonos, 64 hüvelyk átmérőjű és 12 láb hosszú tartály esetében a szigetelés körülbelül 250 dollárba kerül. A 4. táblázat a tartályok különböző vastagságú poliuretán bevonatainak becsült szigetelési értékét tartalmazza.

Ez a táblázat azt mutatja, hogy a minimális mennyiségű szigetelés alkalmazásának költsége könnyen igazolható az energiaköltségek megtakarításával. Az 1⁄2 hüvelyknél vastagabb szigetelés többletköltségét azonban nehéz igazolni.

Az egyik alternatíva az, hogy a rendszert egy ponyva típusú tető alá helyezik, ahol viszonylag olcsó üvegszálas lapokkal lehet szigetelni. Az üvegszálakat, amelyek alumíniumfóliás hátlappal rendelkezhetnek, nagy hálós csirkedrót tarthatja a helyén. A fészer, a szigetelés, a fólia, a drót és a munka költségei magasabbak lehetnek, mint a permetezett poliuretán szigetelésé, de ez a fajta szigetelés valószínűleg sokkal tovább tart és jobb R-értéket ad.

Rostvédelem

Tanácsos valamilyen rozsdavédelmi intézkedést alkalmazni a tartály és a csövek belsejének korrózió elleni védelme érdekében. Számos olyan kereskedelmi vegyszer áll rendelkezésre, amelyet elsősorban magas hőmérsékletű kazánokban való használatra szánnak. Ezek némelyikének beszerzése meglehetősen drága lenne egy közepes méretű melegvizes rendszer védelméhez szükséges mennyiségben.

Az egyik módszer, amelyet a melegvizes rendszereknél megfelelőnek találtak, bizonyos viszonylag olcsó vegyszerek hozzáadása a víz pH-értékének emelésére. Ezek közé tartozik a kálium-karbonát, a nátrium-karbonát (mosószóda) és a nátrium-hexa-metafoszfát (Calgon). Ezek a vegyi anyagok a rendszerek fémfalainak bevonásával megakadályozzák a korróziót. A fent említett vegyszerek közül a Calgon működik a legjobban. A legtöbb élelmiszerüzletben megvásárolható. Használjon 5 fontot minden 1000 gallon vízhez. Normál körülmények között e vegyi anyagok egyike sem bomlik le, és következésképpen hosszú ideig aktív marad a rendszerben.

Tűzcsövek

Bár némi hő a tűztér falain keresztül jut a vízbe, a hő fő útja a tűzből a vízbe a tűzcsöveken keresztül vezet. A legtöbb rendszert úgy tervezték, hogy a tűz által kibocsátott forró gázok egy sor tűzcsövön haladnak keresztül, amelyek a tárolótartály egyik végétől a másikig futnak. Sok rendszerben a gázok többször is áthaladnak a tartályon.

Nagyon fontos, hogy a tűzcsövek száma és mérete elegendő legyen ahhoz, hogy a hő nagy része a forró gázokból a vízbe kerüljön, mielőtt a gázok távoznak. Ökölszabályként elmondható, hogy minden 2000 BTU névleges teljesítményhez körülbelül 1 négyzetláb hőcserélő felületre van szükség. Például, ha egy rendszert úgy méretezünk, hogy óránként 200 000 BTU-t termeljen, körülbelül 100 négyzetláb hőcserélő területre van szükség. Ez a terület magában foglalhatja a tűztér vízzel hűtött felületét, valamint magukat a tűzcsöveket. Mindkét területet gyakran nevezik tüzelőfelületnek.

A terület kiszámításához a tűzcsövek külső átmérőjét használják. Az 5. táblázat felsorol néhány általánosan használt szabványos csőméretet a tényleges külső átmérőjükkel és az 1 négyzetlábnyi felület eléréséhez szükséges futó lábak számával együtt.

Az alkalmazandó cső megfelelő mérete számos tényezőtől függ. A 200 000 BTU/óra kapacitású példarendszerben 100 négyzetláb hőcserélő felületre van szükség. Az 1. táblázatból az ajánlott tűztérfogat 9 köbláb. Az ilyen térfogatú megfelelő tűztér 11⁄2 láb hosszú, 2 láb széles és 3 láb magas lenne. Ennek a tűztérnek a felülete 27 négyzetláb (a vízhűtéses ajtóval együtt). Ezért a tűztér 27 négyzetlábat biztosítana a szükséges 100 négyzetlábból. A tűzcsöveknek kell biztosítaniuk a többi 73 négyzetlábat.

Az adott átmérőjű cső hosszának megkereséséhez, amely a kívánt felület biztosításához szükséges, szorozza meg az 5. táblázat harmadik oszlopában szereplő számokat. Ha például 11⁄2 hüvelykes csövet választ, szorozza meg a 73 folyómétert 2,01-gyel:

73 láb x 2,01 láb/négyzetláb = 146,72 láb

A 73 négyzetláb hőcserélő felület eléréséhez körülbelül 147 folyóméter 11⁄2 hüvelykes csőre van szükség. Másrészt, ha 3 hüvelykes csövet használ, csak körülbelül 80 lábra van szüksége:

73 ft x 1,09 ft/négyzetméter = 79,73 ft

Melyik méret a legjobb? Szigorúan költségszempontból vizsgálva nincs nagy különbség 147 láb 11⁄2 hüvelykes cső és 80 láb 3 hüvelykes cső között. A nagyobb csövet azonban sokkal könnyebb hegeszteni. Emellett a cső belsejét időről időre meg kell tisztítani a hamu, korom és egyéb lerakódások eltávolítása érdekében. Egy rövidebb hosszúságú, nagyobb cső tisztítása könnyebb. A nagyobb számú kisebb cső azonban valamivel hatékonyabb lenne a hőátadásban. A tapasztalatok azt mutatják, hogy a 2 és 3 hüvelykes csövek összességében a legjobban működnek.

A tűzcsövekben lévő hamu lerakódások nagymértékben csökkentik a hőátadás sebességét. Jó, ha van valamilyen módja annak meghatározására, hogy mennyire jól működnek. Az egyik legjobb és legolcsóbb módszer egy magas hőmérsékletű hőmérő elhelyezése azon a ponton, ahol a gázok elhagyják a tűzcsöveket és elindulnak felfelé a kéményen. Minél közelebb van a víz hőmérséklete, annál hatékonyabban adják át a hőt a tűzcsövek. A 300-350 °F gázhőmérséklet hatékony hőátadást jelez. A 450°F feletti gázhőmérséklet azt jelzi, hogy a hőcserélő felület túl kicsi, vagy a tűzcsövek bevonatot kaptak.

Stratifikáció

Egy furcsa állapot néha előfordul a közepes és nagy rendszereknél. Annak ellenére, hogy a tűztér folyamatosan tüzel, és a tartály tetejéről látható, hogy a víz forr, a tartályból elosztásra kivett víz hőmérséklete csak 170-180°F. Ez a helyzet azokban a rendszerekben fordul elő, ahol a be- és kimenet a tartály aljához közel van, és nincs kiegészítő keringető szivattyú a víz mozgásban tartására. Ezt az állapotot rétegződésnek nevezik, és azt eredményezi, hogy a különböző hőmérsékletű víz különböző rétegekre válik szét, a legmelegebb víz pedig a tetején marad. A rétegződés bármilyen rendszerben előfordulhat, de a nagy rendszerekben általában kifejezettebb.

A víz sűrűsége 100°F-on körülbelül 3,5 százalékkal nagyobb, mint 200°F-on. A levegőhöz hasonlóan a forró víz felemelkedik, a hideg víz pedig lesüllyed. A rétegződés megakadályozása érdekében a vizet mozgásban kell tartani. Az egyik módszer az, hogy a tartály tetején, a tűztér fölött (a rendszer legmelegebb része) csatlakoztatjuk a visszatérő csöveket, és a másik végén a tartály alsó részéből szívjuk a vizet. Ezzel a módszerrel az a probléma, hogy az elosztószivattyúk nem működnek állandóan, és a szivattyúk kikapcsolásakor rétegződés léphet fel.

Jobb megoldás egy folyamatosan működő kiegészítő keringetőszivattyú beépítése, amely a vizet a tartály leghidegebb részéből a legmelegebb részébe mozgatja. A víz állandó keveredése megakadályozza a rétegződést. A keringetőszivattyúnak nem kell nagynak lennie, mivel nagyon kicsi a leküzdendő vízmagasság. Óránként a rendszer kapacitásának 0,2-0,5-szeresét kell tudnia szivattyúzni. Például egy 2 000 gallonos rendszerben egy olyan szivattyúnak kell lennie, amely óránként 400-1000 gallon szivattyúzására képes. Egy 1⁄6-1⁄2 lóerős elektromos szivattyú általában megfelelő.

3. ábra. Egy további tartály növeli a tárolókapacitást.

×

3. ábra. Egy további tartály növeli a tárolókapacitást.