Előző számunkban bemutattuk a D-ÉG egyik új, saját fejlesztésű termékét, az osztó-gyűjtő egységet. Ennek kapcsán a padlófűtésekre láttunk alkalmazási példát, mely a megbízható méretezést is tartalmazta. Természetesen az osztó-gyűitő egységet bonyolultabb rendszereknél is alkalmazni lehet. Különféle fogyasztói köröknél, így padlófűtés, valamint radiátoros egy- és kétcsöves fűtés egy osztógyüjtőre is kapcsolódhat. Ezek méretezése nem egyszerűsíthető le a padlófűtésnél látott módszerre. Elsősorban a fűtőtestek kapcsolása és szabályozása miatt van szükség alapos tervező munkára. Ebben a lapszámban azokat az elméleti alapokat és méretezési módszereket tekintjük át, melyek a bonyolult kapcsolások tervezéséhez szükségesek.

Vízszállító csővezetékek áramlási ellenállása

A csővezetékben áramló közeg nyomásveszteségét két részre bonthatjuk: az egyenes, azonos átmérőjű csöveknél súrlódási, míg az egyéb vezetékbeli szerkezetek esetén alaki ellenállásról beszélhetünk. Melegvízfűtésnél két feltételezéssel szoktunk élni. Egyrészt a közeget összenyomhatatlannak tekintjük, másrészt a víz anyagjellemzőinek változásától eltekintünk. Ez utóbbi egyszerűsítés nem jelenti azt, hogy az anyag jellemzőket nem kell figyelembe venni. Például a cső hossza mentén bekövetkező hőmérsékletcsökkenés hatásától eltekintünk. A sűrűség és a viszkozitás a víznél és a gyakran használt fagyálló hőhordozó folyadéknál lényegesen eltér, ezért ezt feltétlenül fígyelembe venni. Megjegyezzük, hogy melegvízfűtésnél a lehűlés okozta sűrűségváltozásból eredő gravitációs nyomáskülönbség jelentős lehet, ezért esetenként ezt figyelembe kell venni. Ezzel a fizikaí jelenséggel és méretezési kérdéseiről egy későbbi számunkban kívánunk foglalkozni.

Súrlódási nyomásesés

A víz jellemzőin kívül az átmérő, a csőhossz és a súrlódási nyomásveszteség határozza meg egy egyenes cső ellenállását. Ezek közül adátmérő és a ? csősúrlódási tényező jelent érdekességet. Kevesen veszik tudomásul, hogy a nyomásveszteség az átmérő 4-5. hatványával fordítottan arányos. Ennek főleg akkor van jelentősége, ha a tervről eltérő csövet építünk be. Hadd szabadjon egy elrettentő gyakorlati példát említení. A kivitelező szóbeli egyeztetés alapján egy 10-es csövet épített be 10-es cső helyett. A gond ott volt, hogy a kivitelező a 10-es cső alatt külső átmérőt értett, míg a tervező belső átmérőt. Az MSZ 99 szerinti 10-es csőnél a belső átmérő 0,8 mm, míg az MSZ 120/2 szerinti normál falvastagságú 3/8″ (10) menetes acélcsőnél 12,3 mm. A híbás értelmezésnek az eredménye az, hogy a csőszakasz ellenállása több mint l6-szoros lett. Ezen szélsőséges gyakorlati példán túlmenően a gyártási hiba is kiemelhető, hiszen 3″-os csőnél a szakirodalomban 19,75-21,6 mm belső átmérőkkel találkozunk. Ez az ellenállásban 50% eltérést eredményez. A csősúrlódási tényezőt is számos tényező befolyásolja. Az anyagjellemzőkön túlmenően az átmérő (lásd az előbbi fejezetet) és az áramlás jellege is meghatározó. A gyakorlatban jelentős egyszerűsítésekkel szoktak élni, általában állandónak tekintik értékét.

Alaki ellenállás

Mint a bevezetőben már említettük, az egyenes csővezetéken kívül minden elemet alaki ellenállásnak tekintünk. Az alaki ellenállás-tényező és az ún. dinamikus nyomás szorzata adja meg az alaki ellenállást. A gyakorlatban négyféle módon szokták megadni az alaki ellenállást. 1. Az előzőekben ismertetett ? alaki ellenállás-tényezőt többnyire csőidomok és egyszerűbb elzárószerkezetek jellemzésére szokták megadni. Itt arra kell különösen ügyelni, hogy az alaki ellenállás-tényező egy névleges csőátmérőhöz tartozik. Igényes tervezési segédleteknél ezeket az átmérőket feltüntetik. Például az Oventrop fűtőtestszelepek gyártmányismertetőben feltüntetik a figyelembe veendő átmérőket a DIN 2440 szerint (3/8″ = 12,5 mm; ?” = 16 mm; ?” = 21,6 mm; 1″ = 27,2 mm; 11/4″ = 35,9 mm). Ugyanakkor karimás szelepeinél a DIN 2448 szerinti átmérőket szerepelteti (DN 20-nál 21 mm; DN 25-nél 24,8 mm; DN 32-nél 32,8 mm stb). Látható, hogy egy névleges átmérőnél is zavarok jelentkeznek. Ennél nagyobb hibát eredményezhet az, ha az alaki ellenállás-tényezőt nem kötjük a hozzátartozó névleges átmérőhöz. Igen gyakran előfordul, hogy például fűtőtestekre ? = 5 értéket adnak meg egyes szakirodalmakban, a csatlakozó méret megadása nélkül. Ha például ezt ?”-os csatlakozásra kellene értelmezni, akkor ?”-os csatlakozásnál ez 3,3-szoros, míg 3/8″-os csatlakozásnál 9,3-szoros ellenállást eredményez a méretezés során. Szerencsére a gyakorlatban ez nem okoz ilyen ijesztő hibát, elsősorban kétcsöves fűtésnél.

2. Szabályozó szelepeknél nehézkes az alaki ellenállás-tényező használata, mert a szelepek zárásával a végtelen felé tart. Talán ezért vezették be a szelepkapacítás (kv) érték fogalmát, mely alatt azt a térfogatáramot értjük m3mértékegységben, amely 1 bar nyomáskülönbség hatására átáramlik a szelepen. Víz esetén a sűrűségnek nincs szerepe az értelmezésben. Ha nem víz hőhordozót alkalmazunk, akkor a sűrűséget is feltétlenül figyelembe kell venni a kvérték használatánál. A gyakorlatban általában táblázatos fomnában adják meg a kvértéket a különféle diszkrét szelepállásoknál. A nyitott szelep (maximális) átfolyási értékét kvsjellel szokás megadni. Termosztatikus szelepeknél a szokásos méretezési 2 K(°C) kapacitást kv2-vel jelöljük. A szelepkapacitás értelmezés előnye, hogy értéke a szelep névleges méretétől független. Vannak szeleptípusok, amelyeknél a kv, értéke független a szelep névleges átmérőjétől, és vannak szelepek, melyeknél mindez változó.

3. Gyakran találkozunk olyan gyártmányismertetővel, amelyben a kérdéses szerkezet ellenállását matematikai függvénnyel adják meg. Ez általában ?p = am2= b V2 alakú, ahol a, illetve b konstansok, míg m a tömegáram, illetve V térfogatáram.

4. Végül a segédletek tartalmazhatják az előző függvényt diagram fomnájában. Ezek a függvények log-log léptékű tengelyeknél egyenesek.

1. ábra Hydrocontrol R ellenállása

A mellékelt 1. ábrán példaként bemutatjuk egy Oventrop Hydrocontrol mérőszabályozó szelep katalógus lapját, amely a matematikai függvényalak kivételével a három szokásos variációt mutatja. Az ábra különlegessége az, hogya megengedhető zajhatárt is tartalmazza.

A súrlódási és az alaki ellenállásnál is láttuk, hogy már a tervezésnél is meglehetősen nagy a tévedési lehetőség. Természetesen a kivitelezésnél ez jelentősen fokozódhat. Mint azt az előző számunkban már bemutattuk, szerencsére a fűtőtestek szabályozási jelleggörbéje olyan, hogy a tömegáram hibára meglehetősen érzéketlen a fűtőtest. A többlet tömegáram (a tervezettől kisebb ellenállás megvalósulása esetén) az adott fűtőtestnél nem okoz lényeges túlfűtöltséget, de ez a tömegáramtöbblet valahonnan hiányzik, így a szétszabályozódás fokozódik. Fentiek alapján kap különös jelentőséget a méréses beszabályozás.

Összetett szerkezetek áramlási ellenállása

Láttuk, hogy egyetlen elemnél is gondok jelentkeznek az ellenállás meghatározásában. Több sorosan és párhuzamosan kapcsolt szerkezeti elem eredő ellenállása különösen bonyolulttá teszi a tervezést. A D-ÉG osztó-gyűjtő tervezői bemutatásánál egy három körös egység helyettesítő kapcsolási vázlatát látha1ták. Ha ismerjük az egyes elemek ellenállás-tényezőjét vagy szelepkapacitás értékét, akkor az eredő is meghatározható hosszadalmas, de nem túl bonyolult eljárással.

Példaként cikkünk fő témájához kapcsolódóan egy kétcsöves fűtőtest csomópont eredő ellenállás számítását mutatjuk be.
A fűtőtest, a fűtőtestszelep és esetenként a visszatérőszelep (helytelen elnevezéssel torló) szerves egységet alkot. Ez három sorbakapcsolt elemet jelenet. Mint ismeretes, ilyen kapcsolásnál a térfogatáram azonos, míg a nyomásesések összeadódnak. Ebből adódóan az eredő szelep kapacitás értéke meghatározható (lásd 2. ábra).
A mellékelt ábrán egy kétcsöves kapcsolású fűtőtest mellett látjuk a különféle szelepek egymásra gyakorolt hatását. AzAgörbe a visszatérő fűtőtestszelep alapjelleggörbéje a nyitott álláshoz viszonyítva (kvs=2). Ez a fűtéstechnikában szokásos jó szabályozóképességű szelepekre jellemző görbe.
Ha elhanyagoljuk a viszonylag kis ellenállású fűtőtestet (kvft= 15), akkor standard szelepnél (kv2=0,49) kapjuk aBgörbét, míg kis ellenállású fűtőtestszelepnél (kv2=O,87) aCeredő jelleggörbe adódik. Megállapítható, hogy az elemek egymásra gyakorolt hatása jelentős, és bizonyítást kap az a szelepautoritás kapcsán ismert megállapítás, hogy jól szabályozni akkor lehet, ha a szabályozó szelep ellenállása lényegesen nagyobb, mint a szabályozott szakasz többi elemének ellenállása. Szabályozott szakasz alatt azt az áramköri részt kell érteni, melyen érvényesül a szabályozó szelep térfogatáram változtató hatása.

2. ábra Szabályozásai jelleggörbe

Vízszintes kétcsöves fűtések áramlástani méretezése

Az előbb láttuk, hogy az egyes ellenállások jelentős hatást gyakorolhatnak egymásra, ezért egyáltalán nem mindegy, hogy milyen kapcsolást és milyen jellemzőkkel rendelkező elemeket alkalmazunk. A továbbiakban vizsgáliuk meg, különféle kötéseknél milyen szelepeket célszerű alkalmazni.

A fűtőtestek felületének meghatározásakor két tervezői felfogás érvényesülhet. Kétcsöves fűtésnél leggyakrabban azonos lehűlést választ a tervező. Mivel az előremenő fűtővíz-hőmérséklet kétcsöves fűtésnél azonosnak vehető minden fűtőtestnél, ezért azok közepes hőmérséklete is ugyanaz. Ez azt jelenti, hogy az egyes fűtőtestek térfogatáramát a szükséges hőteljesítmény határozza meg kizárólagosan. Egy fűtési rendszernél általában azonos fűtőtest, szelep stb. típusokat alkalmazunk, és a csővezeték átmérő is gyártási és kivitelezési okok miatt meghatározott. A fűtőtest kötés csatlakozási pontjánál lévő nyomáskülönbséget (lásd az ábrán: ? pe) a hálózat határozza meg, vagyis független a fűtőtest kötéstől. Mindezen kötöttségek miatt van szükség fojtószelep beépítésére. Az előző fejezet példájában ezt a szerepet a visszatérő szelep látta el.

Gyakran szokásos az előbbi beszabályozásokra szolgáló fojtószerkezetet a termosztatikus fűtőtestszelepbe beépíteni, melyeket előbeállításos szelepnek is szokták nevezni. Ezeknél két fojtóelem van sorba kapcsolva egymással, melyek közül az egyik a termosztatikus szelep tányérszelepe (általában 2K eltérésre méretezve), míg a másik egy különleges állítási lehetőséggel rendelkező beszabályozó szelep. Ennél a variációnál nincs szükség visszatérő szelepre, de ha használati okok miatt le akarják választani a fűtőtestet a rendszerről, akkor a visszatérőbe csapot vagy igen kis ellenállású (kvs> 1,8) szelepet célszerű beépíteni. Ekkor ugyanis az előremenőbe épített beszabályozószelep jelleggörbéje (szabályozó képessége) kevésbé torul (lásd előző fejezet).

Az élenjáró fűtőtest gyártók igyekeznek minél sokoldalúbb termékeket kifejleszteni. Igy járt el a DUNAFERR is, amikor kialakította a LUX-uNi fűtőtestcsaládot. Ennél a különleges előnyöket nyújtó kapcsolási lehetőségen túl az is újdonság, hogy ebbe az erre a célra kifejlesztett előbeállításos termosztatikus szeleptest is beépíthető, illetve megvásárolható. Ezt a kötést elsősorban olyan rendszereknél célszerű alkalmazni, ahol a fűtőtestek közötti szétosztás nem D-ÉG osztóval történik. De ha az előzőekből már megismert osztó-gyűjtőt alkalmazzuk, akkor a tervezőnek, illetve kivitelezőnek egy kedvező választási lehetőség áll rendelkezésére. Ha kedvezőbb az osztó-gyűjtőn elvégezni a beszabályozást, akkor a fűtőtestnél az elő beállítást maximális állásra kell tenni. Ha inkább a fűtőtestnél célszerű beszabályozni, akkor a gyűjtőnél legnagyobbra állítsuk a beállítást. Természetesen ezt a tervezés során alapul kell venni.

Az ezzel kapcsolatos kutatás-fejlesztési tevékenység jelenleg folyik még, ezért a későbbiekben részletesen foglalkozunk a tervezési és alkalmazási kérdésekkel.

3. ábra Termosztatikus szelep alap-jelleggörbéje

Egycsöves fűtések méretezése

Felmerül a kérdés: mi történik, ha nem szabályozzuk be a fűtőtesteket, vagy nem alkalmazunk előbeállítós szelepeket? A 3. ábrán a termosztatikus szelep alapjelleggörbéjét látjuk. Ezen bejelöltük a 2 K arányos eltéréshez tartozó méretezési szelepkapacitás értéket. Ha a fűtőtestbe nem a méretezési térfogatáram lép be méretezési hőigény mellett, akkor a szelepkapacitásnak megfelelően a helyiség hőmérséklet meg fog változni. Ha kisebb a tömegáram, alacsonyabb lesz a helyiség hőmérséklet. Igaz, hogy az ábra szerint nőni fog ekkor a szelepkapacitás, de ez csak alacsonyabb helyiség hőmérsékletnél következik be. A helyiség mindenképpen alulfűtött lesz. Vagyis a szelep nem tud olyan mértékben nyitni, hogy az előírt hőmérséklet alakuljon ki. Maximális arányossági sávnak a 3 K különbséget tekinthetjük.

Ha méretezési hőigénynél nagyobb a térfogatáram, mint a méretezési, akkor a fűtőtest teljesítménye növekszik, ezért a szelep zárni kezd, és a túlfűtés csökkenni fog. Ebben az esetben a 2 K (°C) arányossági sávon belül maradunk. Ha például 20 °C a méretezési hőmérséklet és 2 K a méretezési arányossági sáv, akkor nagyobb térfogatáramnál 20-22 °C tartományban lesz a helyiséghőmérséklet. Ezt megfelelő állapotnak tekintjük. Ha lényegesen nagyobb a fűtőtest teljesítménye a hőigényhez képest, akkor a kialakuló arányossági sáv igen kicsi lesz. Szeleptípustól függően a minimális arányossági sáv 0,5-1 K. A gyakorlatban hőmérsékletkülönbségeknél egyre inkább a K (Kelvin) hőmérséklet mértékegységet használják °C helyett. Az arányossági sáv csökkenésével szabályozási okok miatt a fűtőtest és szelep üzeme egyre bizonytalanabbá válik, a szelepek élettartama jelentősen lecsökken.

Az optimálisnak tekinthető 2 K eltérés csak a beszabályozott fűtőtestnél valósulhat meg, vagyis akkor, ha azonos hőfokesésre méretezett fűtőtestekről van szó. Ha nem tervezünk azonos beszabályozást, az azt jelenti, hogy a hőfokesés nem azonos. Ekkor a tömegáramot nemcsak a hőteljesítmény, hanem a rendelkezésre álló csatlakozási nyomáskülönbség is meghatározza. Létezik tehát olyan méretezési alapelv is, hogy nem alkalmazunk beszabályozást, hanem meghatározzuk a teljesítmény és a nyomáskülönbség alapján, hogy milyen térfogatáram, illetve arányossági sáv alakul ki. Ha ez a megengedhető tartományba esik, akkor a fűtőtestméretet megfelelőnek tekinthetjük. Ezt a bonyolult módszert kétcsöves fűtések korszerűsítésénél szokták néha alkalmazni, de egycsöves fűtéseknél általánosnak tekinthető.

Meglévő függőleges egycsöves fűtésnél kis ellenállású fűtőtestszeleppel (visszatérő szelep nélkül) megvalósítható a helyi automatikus szabályozás szivattyúcsere nélkül. Beszabályozni csak az összekötővezetékeket (strangokat) szükséges. A méretezés során meg kell határozni, hogy az egyes helyiségekben milyen hőmérséklet alakul ki az adott geometriai és hidraulikai jellemzők mellelt, és ha az arányossági sáv 1 K (esetenként 0,5 K)-nél nagyobb, akkor nincs szükség fűtőtestcserére. A méretezés tehát a strangbeszabályozás mellett a fűtőtest méret ellenőrzésére szolgál.

Új fűtéseknél csak vízszintes egycsöves fűtés jön szóba, bár az is visszaszorulóban van. Ezeknél a fűtőtesteknél elvileg van lehetőség a beszabályozásra, de ritkán élnek vele. Általában állandó beömlési tényezőt választva a termosztatikus szelep arányossági sávja változó lesz, és a tervezés egyik feladata ennek ellenőrzése.