ISO 12241:2022 alapú szerelvény hőveszteség számítási metodika ismertetése és az ASTM C680 közti eltérések bemutatása

2022 nyarán jelent meg az ISO 12241 szabvány frissítése, ami többek között a magas hőmérsékletű szerelvények hőveszteségének számítási módszertanát határozza meg. A módszertan 13 szabványos szerelvény esetén adja meg a felület kiszámításához szükséges összefüggéseket, amik közt egyaránt megtalálhatók karimás és hegtoldatos szelepek is.

Cikkemben bemutatásra kerül a hőátadási és hősugárzási tényezők számítása, valamint a szerelvény környezetében található levegő sebességének és áramlási irányának hatásai. Az alábbiakban ismertetem, hogy milyen befolyásoló tényezők vannak egy szelep esetén a kalkuláció során, mint például a levegő sebesség és a szerelvény vízszintes vagy függőleges pozíciója. Konkrét megvalósult energiahatékonysági projekteken keresztül szemléltetem az ISO és ASTM szabvány közti különbségek nagyságát és okait. Emellett bemutatásra kerül a pontos szabvány számításhoz elengedhetetlen kiindulási paraméterek rögzítésének fontossága.

1. Bevezetés

A hazai auditor cégek egyre több szerelvény szigetelés projektet számolnak el és a teljes magyar EKR piacnak növekvő szegmensét jelenti, azonban az energetikusok keresik azokat a módszereket, amivel a legjobban lehet közelíteni a kiinduló, szigeteletlen állapotot. A szigetelésekkel elért hőveszteség csökkenés a gyakorlatban mérhetetlen, mert a kiinduló és szigetelt állapot összehasonlításához tökéletesen megegyező üzemviteli paraméterek szükségesek. Megegyező kazán hatásfok, környezeti hőmérséklet, technológiai hőfogyasztás, üzemóraszám, levegő sebesség stb. Az eredeti és végállapot üzemviteli paramétereinek kifogástalan egyezése a valóságban elérhetetlen, emiatt csak elméleti számítás útján lehet megbecsülni, hogy mekkora energiamegtakarítást eredményezett a szigetelés.

2. ISO 12241 szabvány bemutatása

ISO 12241:2022 megjelenésével hatályon kívül helyezi és felváltja a ISO 12241:2008 szabványt. A szabvány segítséget nyújt az épületgépészeti berendezések hőveszteség számításában, állandósult feltételek mellett. Szigeteletlen és szigetelt esetre is meghatározza az termodinamikai alapösszefüggéseket. Segítségével különböző bemenő adatok alapján meghatározható a szerelvények adott üzemállapothoz tartozó szigeteletlen és szigetelt hővesztesége. Ezeknek ismeretében egyszerű kivonással az elérhető megtakarítást is megkaphatjuk.

2.1. Szigeteletlen hőveszteség

A szigeteletlen hőveszteséget a szabvány egy felületi hőátadási tényezővel jellemzi, ami összevonva tartalmazza a konvektív hőátadási tényezőt és a hősugárzási tényezőt. A felületi hőátadási tényezőt két módon lehet számolni. Az első egy egyszerűsített összefüggés amihez csak felületi, környezeti hőmérsékletre és emissziós tényezőre van szükség, azonban ennek a képletnek az értelmezési tartománya -60°C-100°C hőmérsékleti határok között található. A módszertan előnye egyben a hátránya is, kevés input adatból dolgozik és emiatt pontatlanabb lesz az eredmény. A részletes konvektív hőátadási tényező meghatározásához több bemenő paraméterre van szükség, azonban a számítás jobban megközelíti a valóságot és nagyobb megtakarítást eredményez. A felületi hőátadási tényező kiszámítása után az alábbi összefüggéssel lehet meghatározni a hőveszteséget.

Q̇szigeteletlen = f • hse • A • ΔT + Kfl

13 különböző típusú szerelvény esetén a szabvány definiálja az f korrekciós tényezőt és a DN mérethez tartozó külső csőátmérőtől függő felületet. A Kfl jelenti a szerelvényekhez csatlakozó ellenkarimapár hőveszteségét, tehát a felmérés során a szerelvény beépítési környezetét bemenő adatként kell kezelni és rögzíteni kell a hőveszteség feltárás során, mert jelentős különbséget jelent a végső megtakarításban.

2.2. Szigetelt hőveszteség

A szigetelt hőveszteséget az ábrán látható szigetelt dobozként kezeli a szabvány, ami hőhidat jelent a hőelosztó rendszeren. Nem felületre fajlagosított szigetelt hőveszteséget határoz meg, hanem beépítési hossz függvényében mutatja ki.

Szigetelt szerelvény – insulation box modell

A képen látható elrendezés jól szemlélteti a valóságot, mert a szerelvények paplanos hőszigetelése az egyik bádog peremétől a másik bádog pereméig ér. Ha pedig nincs bádogos szigetelés a szerelvény melletti csővezetéken, akkor a szigetelőpaplanos konstrukció ezt az elrendezést követi oly módon, hogy a csővezetéken elhelyezkedő szigeteléssel fedésben található a szerelvény hőszigetelése.

Q̇szigetelt = ((Tf − Tk) / (Rse + Rka)) • li

A felületi és környezeti hőmérséklet, hőellenállások és a beépítési hossz ismeretében kiszámítható a szerelvény szigetelt hővesztesége. Az éves üzemóra segítségével pedig megkapható, hogy egy év alatt mennyi energiát takarít meg a szigetelés.

Szigetelt szerelvények

3. Hőveszteséget befolyásoló tényezők

Egy szerelvény hőveszteségét a beépítési környezet, pozíció és az emissziós tényező határozza meg a környezeti és üzemeltetési paramétereken kívül. A hőveszteség feltárás során ezek a változók rögzítésre kerülnek minden szerelvény esetében. Az általam kiszámolt eredményeket nem lehet minden esetre általánosítani, azonban a vizsgálatok során arra törekedtem, hogy a munkám során leggyakrabban előforduló szerelvényeket a legtöbbször tapasztalt kiindulási adatokkal tanulmányozzam és az eredmények után alap összefüggéseket vonjak le. Ezek az eredmények rávilágítanak annak a fontosságára, hogy a pontos bemenő paraméterek rögzítésének elmulasztása mekkora pontatlanságot okozhat a számításban. A hőveszteséget befolyásoló tényezők hatásának ismerete a gyakorlatban akkor lehet hasznos, ha a hőveszteség csökkentést lépesenként valósítják meg egy hőelosztó rendszeren, ilyenkor célszerű a legnagyobb veszteséggel rendelkező szerelvényektől haladni a kisebbek felé és ezeknek a meghatározását segítik a következő elemzések.

3.1. Vízszintes és függőleges szerelvény pozíció

Két gyakori szeleptípusra készítettem el az pozíciók közti összehasonlítást. Az elzáró és pillangó szelep esetén a vertikális jellemző méret a beépítési hosszúsággal egyezik meg, míg horizontális esetben a DN méretben megegyező cső külső kerületének a felével. A diagramokon ennek megfelelően az látszódik, hogy a horizontális hőátadási tényező értékei adott DN méretben a két szelep esetén megegyeznek.

Pozíció hatása a hőátadási tényezőre

A vizsgálat során 130 °C felületi és 25 °C környezeti hőmérséklettel számoltam. Kevert áramlást feltételeztem 0,5 m/s levegő sebességgel. Kis DN méretek esetén a hőátadási tényezők közötti különbség 20-47% is lehet. Pillangó szelep esetén a vertikális hőátadási tényező meghaladja egy adott méret felett a horizontális hőátadási tényezőt. Ennek oka, hogy ezeknek a szerelvényeknek a beépítési hosszuk kisebb, mint az átmérőjük, tehát vertikális esetben adott méret felett karakterisztikus hossz kisebb lesz. A DN100 alatti mérettartományban jelentős különbség van a hőveszteségek között, emiatt a szigeteletlen rendszerelemek felmérése során kiemelt figyelemmel kell eljárni a pozíció helyes rögzítése érdekében. A szerelvény méret növekedésével az eltérések csökkennek. Tisztán természetes áramlás esetén, amikor a levegő sebessége 0 m/s, kisebb különbségek alakulnak ki, de jellegre megfelelnek a kevert áramlás esetén kapott görbékkel. Ebben az esetben a maximális eltérés 5-7% között alakult. Fontos megjegyezni, hogy alacsonyabb felületi hőmérsékleteknél az eltérések növekednek.

3.1. Levegő sebeségének hatása

A levegő sebessége a részletes számítási metodika során kap szerepet. Abban az esetben, ha van légáramlat a szerelvény környezetében, nem tisztán természetes áramlás lép fel, hanem a természetes és a kényszerített áramlás egyvelege, tehát kevert áramlás fog kialakulni. A Reynolds-szám meghatározásában játszik szerepet a levegő sebességének értéke, aminek segítségével a lamináris és turbulens áramlás kiszámításával lehet megkapni a Nusselt-szám kényszerített áramlásból adódó részét. Egy horizontális helyzetű DN50-es elzáró szelepre készítettem el az elemzést mindhárom levegő sebesség esetén. A felületi hőmérsékletet változtattam, míg a környezeti hőmérsékletet 25 °C-nak feltételeztem.

Levegő sebesség hatása a hőátadási tényezőre

Az ábrán jól látszódik, hogy az eredmények a hőmérséklet hatására közeledtek egymáshoz. Emellett fontos kiemelni azt, hogy a kültéri szerelvények esetén többszörösére ugrik a hőátadási tényező és ezzel egyenesen arányosan a hőveszteség értéke is. Érdekességképpen egy kültéren üzemelő 40°C-os szelep környezetében akkora lesz a kialakuló hőátadási tényező, amit még egy beltéri 250°C-os szelep sem ér el, ezért különösen fontos a kültéri szerelvények hőszigetelése.

A további elemzés során kiderül, miként csökken a sugárzásos hőátadás aránya az összesített hőátadási tényezőn belül a levegő sebességének növekedésének hatására. A sugárzásos hőátadási tényező a felületi hőmérséklet növekedésével szintén növekszik és mindhárom esetben ugyanazokat az értékeket fogja felvenni. Ez azt jelenti, hogy a levegő sebességének növelésével a sugárzásos hőátadás egyre kisebb szerepet kap a teljes hőveszteségben. Az eredményekből azt mutatják, hogy a 0 m/s levegő sebesség mellett a sugárzásos rész teszi ki a hőátadás nagyobbik részét, ennek oka a magas 0,94-es emissziós tényező. 0,5 m/s esetén általánosságban elmondható, hogy 200°C felett hőveszteség fele származik a sugárzásos hőátadásból. 2 m/s felett pedig magas hőmérsékleteken sem éri el a 40%-os arányt a sugárzásból származó hőveszteség. A hőszigetelés mindkét hőközlési folyamatra egyidejűleg nyújt megoldást.

4. ISO 12241 és ASTM C680 közötti eltérések bemutatása

Az ASTM szabványban a hősugárzásra vonatkozó összefüggések megegyeznek az ISO szabványban található egyenletekkel. Az hőáram arányos az emissziós tényezővel, a Stefan-Boltzmann állandóval és a hőmérséklet különbség harmadik hatványával. Az ASTM C1129 szabványban található minta számítás szerint a szigeteletlen, sötét és alacsony fényvisszaverő képességű szelep emissziós tényezője 0,95, ami összecseng az ISO szabványban alkalmazott 0,94-es értékkel. Az ASTM C680-as szabványban leírtak hasonlóan, empirikus módon közelítik meg a konvektív hőátadást, mint az ISO szabvány. Az egyik legegyszerűbb és leggyakrabban alkalmazott összefüggés a Langmuir által kifejlesztett képlet, ami a tisztán természetes áramlás esetén határozza meg a hőáramot.

Qc = 0,296 • (Tfelületi − Tkörnyezeti)1,25

Ezt az összefüggést később tovább finomították korrekciós tényezőkkel, annak érdekében, hogy szélesebb hőmérséklet tartományon és különböző geometriák esetén lehessen alkalmazni. Az alábbi egyenletben már figyelembe van véve a határréteg átlaghőmérséklete, ami a határréteg sűrűségét, vastagságát és viszkozitását befolyásolja, emellett a C korrekciós tényezőn keresztül az felület geometriáját és a levegő áramlás irányát is meg lehet különböztetni. Megvizsgáltam, hogy a ASTM és az ISO szabványok közti eltérést a hőátadási tényező értékeiben csővezeték és síkfal esetén az elhelyezkedéstől függően. A vizsgálat kiinduló paraméterei a következők: DNcső = 50, Tkörnyezeti = 20°C, Tfelületi = 120°C, v = 0,5 m/s. Az eredményeket az alábbi táblázatba foglaltam össze.

ASTM és ISO szabvány konvektív hőátadási tényező

A két szabvány közötti eltérést nehéz általánosságban értékelni, mert a karakterisztikus hossz az ISO szabványban mindig változik az adott geometriai mérettől függően, az ASTM szabvánnyal ellentétben, ahol például a síkfalak esetén mindig egy geometriai értéket használ. A vízszintes csővezetéknél az ISO szabvány csak a külső átmérőt veszi figyelembe, hasonlóan az ASTM szabványhoz és ennél az esetnél van a legkisebb eltérés. Függőleges pozíciónál karakterisztikus hossz megegyezik a magassággal az ISO szerint, ami minden szerelvénynél különbözik. Emiatt az utolsó három esetben az eltérést az határozza meg, hogy milyen méretű berendezést vizsgálunk.

4.1. Ellenkarimapár

Az ISO 12241 szabvány figyelembe veszi a szerelvény beépítési környezetét az ellen-karimák szempontjából. A hőveszteség feltárás során meghatározunk Type 0-1-2 beépítést attól függően, hogy a szerelvényhez mindkét oldalról másik szerelvény csatlakozik, csak az egyik oldalról vagy egyik oldalról sem csatlakozik másik szerelvény. A Type 2 beépítés esetén az ellenkarimapár is szigetelendő, így annak hőveszteségét is tartalmazza a számítás, ez eddig nem szerepelt az ASTM szabvány alapú számításban.

Ellenkarimapárok jelölése

Az következő táblázat egy megvalósult és ASTM szabvány szerint elszámolt energiahatékonysági projekt mutatószámait tartalmazza, aminek a hőveszteség számítását később összehasonlítás céljából elkészítettem az ISO szabvány szerint is. A legfontosabb paramétereket tartalmazza a táblázat összefoglalva. A projekt egy fűtésrendszer szigetelése volt, beleértve a kazán előlapot, keringtető szivattyúkat, hőcserélőket, osztókat és a szigeteletlenül álló szelepeket. 93 darab rendszerelemet tartalmazott a projekt, amik 3500 üzemórával működtek egy évben. A szerelvények 60 és 90°C közti felületi hőmérséklettel üzemeltek szigeteletlen állapotban.

Az ASTM és ISO oszlopok tartalmazzák a két szabvány szerint kiszámolt különböző eredményeket. Az eltéréseket az amerikai szabványhoz képest határoztam meg. Az ellenkarimapárok nélkül oszlopban találhatók azok az ISO által számolt eredmények, ahol a szerelvényekhez tartozó ellenkarimapárokat nem vettem figyelembe. Ahogy az eredményekből látszódik a két szabvány között a legnagyobb eltérés a felületben található. Az ellenkarimapárok nélkül a felületek közti különbségek feleződnek. Ennek oka, hogy más módon közelíti meg a két szabvány a felület számítását. Az ISO szabvány csak egy változótól, a DN csőhöz tartozó külső átmérő függvényében határozza meg az összefüggéseket. Az ASTM szabványban több méret alapján lehet ezt meghatározni. Mivel eltérnek a hőleadó felületek ennek köszönhetően a hőveszteségek is különböznek. Az eredmények rámutatnak arra, hogy nem egyenesen arányosan csökken a felülettel a hőveszteség. Az ISO szabvány kisebb W/m2 értékekkel számol, mint az ASTM szabvány. Például egy 130°C-os elzáró szelep szigeteletlen hővesztesége az ISO szerint 1500 W/m2, míg az amerikai szabvány 2000 W/m2-el számol. A veszteségek és a megtakarítás az ellenkarimapárok nélkül nagyjából 15%-os különbséget adnak. Ennek az eltérésnek az oka pedig az másfajta összefüggésekben és metódusban keresendő.

Felhasznált irodalom

[1] American Society for Testing and Materials: Standard Practice for Determination of Heat Gain or Loss and the Surface Temperatures of Insulated Pipe and Equipment Systems by the Use of a Computer Program. New York: American Society for Testing and Materials, 1989.

[2] American Society for Testing and Materials: Standard Practice for Estimation of Heat Savings by Adding Thermal Insulation to Bare Valves and Flanges. New York: American Society for Testing and Materials, 2012.

[3] International Organization for Standardization: Thermal insulation for building equipment and industrial installations — Calculation rules. Svájc: International Organization for Standardization, 2022.