Induljunk el a kályhától 5. – A levegő természetrajza #2

Az “Induljunk el a kályhától” cikksorozat a MACSOI kályhás újságban jelent meg az évek során folyamatosan. Ezekben a cikkeinkben a hőtannal, a termodinamikával foglalkozunk, hőfolyamatokkal összefüggő legáltalánosabb törvényszerűségeket és ezek fizikai alapjait – hőmérséklet, hő, energia, hőátadás fogalmát – ismertetjük.

Jóllehet e témák feldolgozása során több kötetnyi szakirodalmat lehetne közzétenni, nyilvánvaló, hogy sorozatunkban – terjedelmi korlátok miatt – csak az alapfogalmak kifejtésére szorítkozunk. Fontos célunk azonban, hogy a törvényszerűségek leírását és magyarázatát gyakorlati kontextusba helyezzük.

A Cikksorozat eddigi cikkjei:

_________________________________________________________________________

Ezzel a cikkünkkel elérkeztünk az “Induljunk el a kályhától” cikksorozat végéhez.

…És vegyünk egy mély levegőt!

Előző cikkünkben tett ígéretünkhöz híven folytatjuk a levegő természetrajzával összefüggő, a kéménnyel, az égési levegővel és a friss légbevezetéssel kapcsolatos tudnivalók szélesebb kibontását. A szakmaiság szellemében arra is kísérletet próbálunk tenni, hogy a kufárszemlélettel megtermékenyített, profitéhségtől összekuszált információk tengerében rendet vágjunk.

A kémény, mely égéstermék elvezető berendezés

Szándékos a címbe rejtett szóhasználat, mert a kémény önmagában egy építmény. Az épület tartozéka, de nem biztos, hogy alkalmas bármely tüzelőberendezés égéstermékének elvezetésére. Nem célunk az elkövetkezendőkben a kémények funkcionalitásával, tervezésével, méretezésével foglalkozni; annál is inkább mert ez egy külön szakma területe.

A fizikai alapismeretekből kiindulva rávilágítunk azokra a „rejtelmekre”, melyeknek taglalása egyáltalán nem vagy csak ritkán fordul elő a szakirodalomban. Nézzük a fizika oldaláról, milyen feltételek kellenek ahhoz, hogy a kémény valóban égéstermék elvezető berendezés legyen.

Az 1. ábra a.) része egy olyan helyzetet szemléltet, amikor földfelszín közeléből egy határoló falat – nevezzük kéménynek – emelünk függőleges irányba, mely alsó és felső végeinél nyitott.

F1 a felső, míg F2 az alsó nyitott felületre gyakorolt légnyomásból (p1, p2) származó erő.
G a határoló falon belüli levegő tömegéből (m) és az erre ható gravitációból (g) adódó súlyerő.

G = m x g

F1 = A x p1

F2 = A x p2

ahol „A” a határoló fal (kémény) felső és alsó nyílásainak keresztmetszete.

Ha F2 = G + F1, a kéményen belüli levegő lebeg, vagyis mozdulatlan.
Ha F2 < G + F1, a levegő a kéményen belül lefelé mozog.
Ha F2 > G + F1, a levegő a kéményen belül felfelé mozog.

Könnyen belátható, hogy a kéményen belül lévő levegő mozgásirányát és sebességét ez a három faktor határozza meg. Mindhárom közül a legfontosabb tényező a G, mely a kéményben lévő levegő sűrűségével és a kémény térfogatával arányos.

A kémény térfogata a belső keresztmetszetének és magasságának szorzata. Ezzel bővebben a kémény rendellenességeinek tárgyalásánál fogunk foglalkozni.

Az 1. ábra b.) része szerint alulról melegíteni kezdjük a kéményen belüli levegőt, melynek sűrűsége és tömege (m) csökken, úgyszintén a G értéke. A kéményben elindul a helycserés folyamat. Vagyis a kéményen kívüli nagyobb sűrűségű levegő szorítja ki a helyéről a belül lévő meleg levegőt, amely ez által fölfelé torlódik. Itt megemlítjük, hogy amennyiben a határoló fal, vagy kémény nem légtömör, nagy mértékben változik a nyomásviszony és ezzel együtt csökken a légáramlás sebessége.

Az 1. ábra c) részén sematikusan azt az állapotot mutatjuk, amikor a hőforrást egy bővített határoló fallal burkoljuk (szabadban lévő tűztér-kéménnyel). Ha itt nem biztosítanánk kívülről a friss levegő beáramlását, rövid idő alatt elfogyna az oxigén és kialudna a tűz. Gondoljunk a régen használt petróleum lámpa működésére, amelyeknél a lámpabúra alatt biztosították az égési levegő beáramlását. A kémény autonómiájába úgy tudunk beleszólni, ha biztosítjuk az égéshez szükséges levegő szabályozott és kontrollált beáramlását.

Nézzük meg, mi történik a kéményben és tűztérben, ha elvonjuk a levegő utánpótlását. (Ez egyébként a teljesen lezárt fűtő alkalmatosság esete.) A rendszeren belül elindul a helycsere. Egy le-fölirányuló anyagi részecske mozgás, melyek egymást akadályozva kiszámíthatatlan pályájú légáramlást eredményeznek. Kialakul egy kaotikus állapot: a mozgáskáosz. Akárcsak egy szűk folyosón, amikor mindkét irányból nagy tömegű sietős és fegyelmezetlen emberek egymással ütközve és küszködve célba akarnak jutni. A mi esetünk annyiban különbözik, hogy a gravitáció hatására a lefelé mozgó, sűrűbb (hidegebb) anyagi részecskék szorítják ki helyükről a kevésbé sűrű (melegebb) részecskéket. Közben rugalmas ütközésük során hőátadás-hőelvétel történik. Hosszas folyamat, amíg kialakul az egyensúlyi állapot, vagyis a külső környezet, a kémény és az ezen belüli levegő azonos energiaszintje.

A levegő, mely nemcsak az égés feltétele

Tovább bonyolítjuk a helyzetet, ha az 1. ábra d.) része szerint egy újabb határoló falat építünk, mely esetünkben a „szakszerűen” szigetelt lakás légtömör állapotban. Ez a mi életterünk. Mielőtt tovább gondolkodnánk, vegyünk egy mély levegőt, de talán előtte nyissuk ki az abalakot, és néhány percig szellőztessünk, hogy tisztán tudjunk gondolkodni.

Ne feledjük, az oxigén az égés elengedhetetlen kelléke, úgyszintén létünk feltétele. Hiszen valójában mi is azért élünk, mert folyamatosan égünk, ha nem is lánggal, mint a tűz. Vagyis használói vagyunk a bezárt levegőnek. Míg a kémény légszivattyúként a lakás levegőjét szorgalmasan üríti, addig mi gyanútlanul ugyanennek a légtérnek oxigénjét pusztítjuk. Ez utóbbira – számomra érthetetlen módon – nem fordítunk kellő figyelmet.

Nézzük a tényeket: 10 kg fa elégetéséhez 35-40 m3 levegő oxigénje szükséges. Ennyi levegőt szív ki a kémény normál esetben adott famennyiség elégetésekor.

Határozott meggyőződésem, hogy a tűztérbe történő friss légbevezetés az esetek többségében nemcsak fölösleges, hanem hátrányos is, akkor, ha a lakóterünk komfortja nincs biztosítva kontrollált szenzoros szellőztetővel. Mielőtt bárki megrökönyödne, igyekszem megnyugtatni, hogy a friss légbevezetés nagyon is szükséges. Nem minden esetben direkt a tűztérbe, mint ahogy már korábban jeleztem, hanem a belső légtérbe, ahol a kandalló vagy kályha működik.

Légfűtéses kandalló esetében a legcélszerűbb a levegőt a konvekciós térbe bevezetni. Ez esetben az égést belső levegővel tápláljuk. A lakótér légutánpótlását a konvekciós térben felmelegített és sterilizált friss levegővel biztosítjuk. Amennyiben a levegő bevezetése a konvekciós térbe bonyolult és költséges lenne, úgy célszerű a kereskedelemben kapható passzív szellőztető légbevezetőt alkalmazni.

Ám az ez ügyben meghozandó döntés előtt célszerű mérlegelni a szellőztetés megvalósítható körülményeit. Az a helyes, ha nem csupán a tüzelés oxigénigényét vesszük számba, hanem a lakók oxigénszükségletét is.

Tüzelőberendezésekkel, kéményekkel kapcsolatos gyakori panasz, hogy a lakásban kéménybűz terjeng (putriszag), melyre szomorú tapasztalatom szerint, rendszerint nem tudunk kielégítő magyarázatot adni. Pedig az ok megfejtése nagyon egyszerű.

A kéménybűz néhány lehetséges gyakori oka:

A kémény alsó szekciójában (lakásunkban) depressziós, alulnyomásos állapot alakul ki. Erre többnyire a szellőztetés megoldatlansága ad magyarázatot.
A kéményben lévő levegő hidegebb, vagyis sűrűbb, mint a külső környezetben lévő. Ez főleg átmeneti évszakokban, szigeteletlen külső kéményeknél fordulhat gyakran elő, különösen akkor, ha az erős napsütés gyorsan felmelegíti a kinti levegőt. A hiba kijavítására vonatkozóan sokkal célszerűbb a kémény szigetelését javasolni, mint a magasság növelését. Átmeneti megoldásnak ajánlhatjuk a kéményben lévő levegő felmelegítését akár a tisztító ajtón keresztül, papír elégetésével. Eredményt hozó megoldás, ha a kandallóban elhelyezünk egy gyertyát, és hosszasan égetjük. Rövid idő alatt helyes irányba fordulhat az áramlás.
Mély völgyben fekvő településen lehet olyan környezet, ahol nyomott légköri zóna alakul ki. Ez ritkán, rövid ideig tartó állapot, de ilyenkor a kémények alkalmatlanok lehetnek a biztonságos üzemelésre.
Akár egy közepes sebességű szél is okozhat akkora torló nyomást a kémény kiömlő nyílásában, hogy vissza tudja fordítani az áramlás irányát. Ennek kivédhető módja, ha szélkakast vagy egyéb, már nagy választékban beszerezhető kéményfedő idomot helyezünk a kémény nyílására.

Konklúzióképpen fontos rögzítenünk, hogy a kéményben az áramlás az égéstermék és a levegő sűrűségkülönbségéből keletkező felhajtóerő (huzat, vagy régiesen huzam) hatására alakul ki, vagy mesterségesen (ventillátorral) hozzák létre.

Írta: Gyergyay Csaba, okleveles gépészmérnök

_________________________________________________________________________

Ezzel a cikkünkkel elérkeztünk az “Induljunk el a kályhától” cikksorozat végéhez.