Fűtési módok

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.

Szilárd anyagok molekuláinak hő hatására történő rezgése

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.

A molekulák elhagyják a folyadékot, ennek hatására történő rezgése

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.

1.3. 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.
    Tfagy=t+273=0+273=273 °K, azaz 0°C megfelel 273°K-nak.
    Tforr=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.
MegnevezésHőmérséklet (°C)MegnevezésHőmérséklet (°C)
Az eddigi legalacsonyabb-273A vas cseresznyepiros1000
A cseppfolyós levegő-190Gyertyaláng1000
A leghidegebb tél-73Széntűz a kályhában1400
25 km magasban állandóan-70Robbanómotor2000
Az emberi test hőmérséklete37Villanykörte izzószála2300
A madarak testhőmérséklete42Acetilénláng2350
Legnagyobb nyári meleg58Elektromos olvasztókemence4000
A benzin meggyullad415Nap felülete6000
A vas vörösödik500A Nap közepe20 millió

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.

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.

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.

Falba vésett horonyba vezetett csővezeték elfagyhat

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.

Fűtőtest „metszetben”.

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).

Hő terjedése a radiátorban

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.

AnyagHővezetési tényező
Alumínium229
Horgany112
Réz394
Öntöttvas57
Krómacél20-37
Nyersagyag tégla0,93
Vasbeton0,93
Cement0,07
Fa (puhafa – tölgy)0,08-0,44
Ablaküveg0,58-1,05
Alumínium fólia0,035-0,047
Könnyű kőfalazat0,41
Salakgyapot, ásványgyapot0,035- 0,055