• fűtés
• hőáramlás

Hőtani alapismeretek – Fűtés

A hő nem más, mint energia, mely a hőfokkülönbség hatására a melegebb rendszerből a hi­degebb rendszerbe lép át. Az adott anyagban levő molekulák mozgása során keletkező ener­gia. Szilárd halmazállapotú anyagoknál általában az egyensúlyi helyzetükhöz képest mini­málisan elmozdulva rezegnek.

Más a helyzet a folyékony és a gáz- halmazállapotú anyagok­nál, ugyanis ekkor a molekulák mozognak (saját tengelyük körül, illetve hely változást is tesznek), és érintkezésük, ütközésük során keletkezik hő (1.1. ábra). Amennyiben fokozzuk az anyag hőmérsékletét, növelni tudjuk a molekuláinak regését, illetve gáz- vagy folyékony halmazállapotú anyagoknál vándorlását.

1.1. ábra. Szilárd anyagok molekuláinak hő hatására történő rezgése.

Szilárd halmazállapotú közegnél, ha egy bizonyos hőmérsékletet túllépünk, akkor a rezgés olyan nagymértékű lehet, hogy a rácsszerkezetük „szétesik”. A szilárd anyag folyékony hal­mazállapotba megy át. Amennyiben a folyékony halmazállapotú anyaggal további hőt köz­lünk, az anyagban oly nagymértékű lesz a molekulák vándorlása, hogy elhagyják a folyadé­kot (1.2. ábra). Ebben a fázisban forrás következtében kilépnek a folyadékból és gáz-hal­mazállapotú közeggé válnak.

1.2. ábra. A molekulák elhagyják a folyadékot, ennek hatására történő rezgése.

Hőmérséklet

A testek hőmérsékletének méréséhez pontos műszerekre van szükség. Tapintással ugyan meg lehet különböztetni a hideget és a meleget, de azt, hogy pontosan mekkora annak a tárgynak a hőmérséklete, maximum csak közelítve tudjuk meghatározni.

Éppen ezért van szükség olyan szerelvényekre, amikkel tized fokos vagy akár annál pontosabban is meg tudjuk hatá­rozni a hőmérsékletet. A hőmérséklet mérésére szolgáló mérőműszerek közül mértékegység szerint alapvetően hármat különböztetünk meg (Hőmérsékleti skálák összehasonlítása az 1.3. ábra szerint).

1.3. ábra. Hőmérsékleti skálák összehasonlítása.

1. Celsius-skála: Két érték közötti 100 egyenlő részre felosztott skála. Az alsó érték, a
   0°C a víz fagyáspontja, a felső határ a 100°C a víz forráspontja. A 10-es számrendszer
   alkalmazása miatt ezzel a legegyszerűbb a számolás.
2. Kelvin-skála: Ezt nevezhetjük az abszolút hőfokskálának is, ugyanis az alsó érték jelen esetben az abszolút 0°K. A Celsius-skálára való átszámítás egyszerű. Az abszolút 0 fok, pontosan -273°C. Ha K-fokra akarunk átszámolni C-fokról, nincs más dolgunk, mint a Celsius-fokhoz hozzáadni 273-at. Azaz, ha meg szeretnénk határozni, hogy Kel­vin-skálán mennyi a víz fagyáspontja és mennyi a forráspontja, a következő képlettel meghatározhatjuk.
   T_fagy=t+273=0+273=273 °K, azaz 0°C megfelel 273°K-nak.
   T_forr=t+273=100+273=373 °K, azaz 100 °C megfelel 373 °K-nak.
3. Fahrenheit-skála: Ha a °C skálához szeretnénk hasonlítani, akkor elmondható, hogy ezzel a skálával a legnehezebb számolni, annak, aki a 10-es számrendszerhez szokott. Ennél a skálánál ugyanis a 0 pont, a Celsius-skála szerinti -18°C körüli érték. A víz fa­gyáspontja, azaz a 0°C, Fahrenheit-skálán 32°-nak felel meg. A víz forráspontja pedig, ami a Celsius-skálán 100°C, 212°F. Ha meghatározzuk a Fahrenheit-skála szerinti víz fagyás és forráspont közötti hőmérsékletet, 180-at kapunk. Meg kell említeni, hogy a Fahrenheit-skála 100-as pontja az emberi vér hőmérséklete, cca. 37°C.

1.1. táblázat. Jellemző hőmérsékleti értékek.

Hőmennyiség, fajhő

Abban az esetben, ha egy adott anyagot melegítünk, akkor az hőt fog felvenni, ha ez az adott anyag lehűl, akkor pedig hőt ad le.

Fűtővíznél, a hőmennyiség függ a hőmérséklet-különbségtől, azaz a kezdeti és a felmelegí­tett hőmérséklet-különbségtől, valamint a víz mennyiségétől. Nyilván minél több vizet kell felmelegíteni, annál nagyobb hőmennyiségre van szükségünk, azaz

Q= c*m*(t₂-t₁) (kJ)

ahol:

• Q – hőmennyiség (kJ)
• c – fajhő (kJ/kgK)
• t₂– felmelegített közeg hőmérséklete (°C)
• t₁ felmelegítendő közeg hőmérséklete (°C)

Fajhő: Az a hőmennyiség, ami valamely anyag 1 kg-jának, adott hőmérsékletről 1°K-kal va­ló melegítéséhez szükséges.

A fűtővíznek éppen ezért van nagy szerepe, mert nagy a fajhője. Ennek köszönhető, hogy hőszállító közegként alkalmazzák, nagy hőmennyiség befogadására képes.

Hő terjedése

Ideális esetben, a különböző hőmérsékletű anyagok próbálnak kiegyenlítődni. Természete­sen, ha kellő idő áll rendelkezésre, akkor a két különböző hőmérsékletű közeg hőmérséklete kiegyenlítődik. Ha pontosan megegyezik a különböző hőmérsékletű közegek tömege, és ugyanolyan anyagokról beszélünk, akkor a kiegyenlített hőmérséklet a két hőmérséklet számtani közepe lesz.

A mennyiségek változásának függvényében arányosan változik a kiegyenlített hőmérséklet értéke is. Abban az esetben, ha kis mennyiségű, de nagyobb hőmérsékletű közeget keverünk nagy mennyiségű, de hideg közeghez, a kiegyenlített hőmérséklet inkább hideg marad. Ez a kiegyenlítődési folyamat hőterjedés során megy végbe.

Négy különböző csoportot különböztethetünk meg:

a) Hővezetés

A hővezetés általában szilárd testekben, nyugalomban levő folyékony, illetve gáz-halmazállapotú közegekben jön létre. A következőképpen jön létre. Képzeljünk el egy anyagot, amelynek minden részecskéjének hőmérséklete egyfor­ma. Ha elkezdjük melegíteni az egyik végét, akkor a tanultak alapján kideríthető, hogy a részecskék rezegni kezdenek, a bevitt hő hatására. A rezgő részecskék üt­köznek a szomszédos részecskékkel, azoknak is nő a rezgése (nő a hőenergiájuk).

A folyamat mindaddig tart, amíg a teljes anyag összes részecskéjének rezgése ugyanakkora nem lesz. Ugyanez a folyamat zajlódik le a folyékony, illetve gáz hal­mazállapotú közegnél is, csak a részecskéknek nagyobb a „mozgásterük”. Azaz a hővezetés nem más, mint a szilárd, folyékony, illetve gáz-halmazállapotú közegek­ben végbemenő hőközlés, melynél a keletkezett hőt súrlódással adják át egymás­nak a molekulák.

A testek hővezetése függ:

• Az adott test anyagától, valamint hővezetési tényezőjétől,
• A vizsgált test átmérőjétől, keresztmetszetétől,
• Az adott test felületétől,
• A hővezetés idejétől,
• A vizsgált test két végén mérhető hőmérséklet-különbségtől.

Hővezetési tényező:

Az a hőmennyiség, ami az áramlás irányára merőleges 1 (m²) fe­lületű, 1 (m) vastagságú anyagon 1 másodperc alatt átvezetődik, ha a két felület között 1 K hőmérsékletkülönbség van. Az alábbi táblázat tartalmazza néhány anyag hővezetési tényezőjét (1.4. ábra).

1.4. ábra. Néhány anyag hővezetési tényezője.

A táblázatból kiderül, hogy a legjobb hővezetéssel a fémek rendelkeznek. Ha egy fém tárgyat a kezünkbe fogunk hide­gebbnek érezzük azt, mert jobban el tudja vezetni a tenyerünk melegét. Ezért jelent­het például problémát az olyan fémszerke­zet, melytől nincs elszigetelve a csővezeték.

Ugyanis a szigeteletlen fém csővezeték, a vele közvetlenül érintkező fémszerkezetnek gyorsabban átadja a hőjét. Ezeket szoktuk, ún. hőhidaknak ne­vezni. A hőhidak kialakulását elkerülhet­jük úgy, ha kellőképpen leszigeteljük a csővezetéket.

Az épület falszerkezeténél is olyan anya­got választanak, ami rosszul vezeti a hőt, jó hőszigetelő képességű. Az alábbi diagramból például jól látható, hogy ha többrétegű a falszerkezetünk, hogyan változik a fal hőmérsék­lete a belső és a külső hőmérséklet függvényében (1.5. ábra). Sok esetben talán ezért jelenthet problémát, ha nem megfelelően szigetelünk. Mi történhet abban az esetben, ha nem a külső hom­lokzatot, hanem a belső falfelületet szigeteljük le. Képzeljük el a következő esetet!

1.5. ábra. Többrétegű falszerkezet lehűlése.

A csőveze­tékünk a falba van szerelve, és a falszerkezet belső oldalát szigeteljük le. Azt gondoljuk, hogy a belső kellemes hőérzetet biztosítottuk, a szigetelésünk meggátolja, hogy a termelt hővel a külső környe­zetet fűtsük, de elfelejtünk valamit. A falba vésett csatornába rejtett csővezetékünket nem védi meg semmi a külső hőmérséklettől (1.6. ábra). Külö­nösen akkor, ha még szigetelve sincs.

1.6. ábra. Falba vésett horonyba vezetett csővezeték elfagyhat.

Gondoljuk csak el, mi történhet, ha kifogunk egy nagyon hideg időszakot, és a csővezetékben például alig van áramlás, mert mondjuk felújítást vég­zünk. Nos, előfordulhat olyan eset, hogy a külső falon keresztül „érkező” hideg olyan mér­tékben lehűti a csővezetékben levő közeget, hogy megfagy.

A helyiségben nem érezzük a külső hőmérsékletet, viszont csodálkozva tapasztaljuk, hogy nem megy a rendszerünk, az adott szakasz egyszerűen leáll. Nagyon fontos tehát szem előtt tartani a megfelelő mérté­kű szigetelést, a kialakítandó csőfektetést, hogy a kellemetlenségeket elkerüljük.

b) Hőáramlás:

Abban az esetben, ha folyékony vagy gáz-halmazállapotú közeget melegítünk, a közeg különböző hőmérsékletű részecskéi megváltoztatják helyüket a hőáramlás irányába. A helyváltoztatás közben természetesen hőenergiájukat magukkal szállítják. A hőmérséklet növekedésének hatására sűrűségváltozás lesz a válasz, ami azt fogja eredményezni, hogy a kisebb sűrűségű részecskék felfelé, a nehezebbek pedig lefelé áramolnak.

Ennek a természetes áramlásnak köszönhetően hőkiegyenlítődési folyamat zajlik le. Hasonló folyamatok zajlódnak le abban az esetben is, ha fűtési rendszerünk gravitációs módban üzemel. A gravitációs fűtés pont a közeg sűrűségkülönbségéből adódó természetes áramlás miatt üzemel.

Másik épületgépészeti példa a kémény természetes huzata. Ebben az esetben is hőáramlásról beszélhetünk, hiszen a felmelegedett füstgázok felfelé áramlanak, helyükbe a hideg levegő kerül, ami az égést táplálja. Itt is sűrűségkülönbség miatti áramlásról beszélhetünk.

c) Hősugárzás:

Hősugárzásnak nevezzük azt a folyamatot, amikor a közeg, a hőenergiájának egy adott hányadát sugárzási energiává alakítja, és kisugározza azt a környezet felé. Ennek a sugárzó energiának egy részét a szilárd, illetve folyékony halmazállapotú közeg elnyeli, más részét visszaveri.

d) Hőátadás:

Abban az esetben, ha egy áramlásban lévő folyékony, vagy gáz- halmazállapotú közeg szilárd fallal érintkezik, hőátadás jön létre, ha köztük hőmérséklet-különbség van. Ha az áramló közeg melegebb, átadja a hőjének egy részét a vele érintkező felületnek. Fordított esetben, ha az érintkező felület hőmérséklete magasabb, hőjének egy részét átadja az áramló közegnek.

Hőátadási tényező:

Az a hőmennyiség, ami az áramló közeg és a vele érintkező szilárd fal 1 (m²) felülete között 1 másodperc alatt átadódik, ha a közöttük 1 K hőmérséklet­különbség van.

Vizsgáljuk meg az alábbi ábrát (1.7. ábra)! Egy fűtőtest metszeti képe látható. Az áb­ra segítségével a fent ismertetett folyamatokat egyszerűsítjük le.

1.7. ábra. Fűtőtest „metszetben”.

A radiátor belsejében áramló közeg van. Ez az áramló közeg a hőhordozó közeg, melynek feladata, a kazánban megtermelt hő elszállítása a fűtendő helyiségbe. A fűtőtestek feladata, hogy ezt a hőt, illetve annak egy részét átadja a helyiségnek. A rajzon három „réteget” látha­tunk.

A bal oldali a fűtőtestben áramló közeg, a közbenső, a fűtőtest „falvastagsága”, végül a jobb oldali „réteg” a fűtendő légtér. A fűtővíz hőátadással átadja hőjének egy részét a radi­átornak. A radiátor falán keresztül hővezetéssel áramlik a hő, majd a helyiség levegőjével érintkezve ismét hőátadás folyamata zajlódik le (1.8. ábra).

1.8. ábra. Hő terjedése a radiátorban

Ezt az összetett folyamatot hőátbocsátásnak nevezzük, hőátbocsátásról beszélünk abban az esetben, ha két áramlásban lévő közeg között szilárd szerkezet van.

Hőátbocsátási tényező: az a hőmennyiség, ami az áramlás irányára merőleges 1 (m²) fe­lületű szilárd fal két oldalán áramló közegek között 1 másodperc alatt átadódik, ha a két áramló közeg között 1 K hőmérsékletkülönbség van.

Hasonló folyamatok zajlódnak le a falszerkezetben is, annak függvényében, hogy milyen annak a szerkezete.