Fafizika 6. elıad. Hıtechnikai NYME, FMK,

Átírás

1 Fafizika 6. elıad adás Hıtechnikai és égési tulajdonságok Prof. Dr. Molnár r SándorS NYME, FMK, Faanyagtudományi nyi Intézet

2 Gyakorlati szerepe A fa hıtágulása A faanyag fajhıje je Hıvezetés, hıdiffúzió A faanyag égési sajátoss tosságai A faanyag energetikai jellemzıi

3 A hıtechnikai tulajdonságok gyakorlati Kapcsolatban a: szerepe Fafeldolgozási technológi giákkal A favédelemmel Az energetikai hasznosítással ssal

4 A fa hıtágulása A hıtágulás jellemzésére a vonalas hıtágulási együtthat tthatókat (α)) használj lják α 1 l = 0 dl dt A térfogati t hıtágulási együtthat ttható meghatároz rozása a vonalas értékek alapján: α v = (1+α h ) (1+α s ) (1+α r )-1

5 Lineáris hıtágulási együtthat tthatók Fafaj Cukorjuhar Balza Nyír Nyár Tölgy Bükk Lucfenyı Erdeifenyı Duglaszfenyı Sőrőség (u = 12%) kg/m Hıtágulási együtthatók, α Húr (α h ) Sugár (α s ) Rost (α r ) 37,6 28,4 4,16 24,1 16,3-39,4 32,3 3,57 33,9 23,3 3,17 41,0 29,3 3,60 34,8 22,0 5,40 34,6 23,9 3,50 29,0 15,0 4,20 45,0 27,1 3,52

6 A fa tartószerkezetek szerkezetek, épületelemek hosszirányban lényegesen (3-5-sz ször) kisebb mértékben tágulnak,, mint a vasbeton és acél szerkezetek, így égéskor nem dılnek össze. A fa-mőanyag anyag kompozitoknál a vonalas hıtágulási együtthat ttható valamivel nagyobb,, mint a természetes faanyagnál. A húrirányú együtthat tthatók a legnagyobbak, ezektıl 20-50% 50%-kal maradnak el a sugárir rirányúak.. A rostirány nyú méretváltozások a legkisebbek,, szer maradnak el a húrirányútól. A faanyag sőrőségének szerepe nem jelentıs, ezzel szemben a nedvességv gváltozásé igen nagy. A hıtágulási értékek nagysága ga elhanyagolhatóan kicsi a nedvesség okozta méretváltozásokhoz (zsugorodás-dagadás) viszonyítva tva.

7 A faanyag fajhıje je A fajhı az egységnyi gnyi tömegő faanyag 1 fokkal történı felmelegítéséhez szüks kséges hımennyiséggel jellemezhetı: 1 dq C = m dt A fajhıt t a hımérsh rséklet és s a nedvességtartalom jelentısen befolyásolja. Az összes fafaj átlagában fogadjuk el a t = 0 C 0 és s u = 0% állapotra a C = 1,117 kj/kg K értéket.

8 A hımérsh rséklet hatását t figyelembe véve v ve (Ct( Ct) ) felírhat rható: C t = 1, ,00487 t A víz fajhıje je közel négyszerese a száraz faanyagénak nak (C víz = 4,1832), ezért C hımérsékleti tartományban nyban,, u u 8% nedvességtartalomn gtartalomnál (C t,u ): 111,7 + 0,487t + 4,1832 = t u C, u u

9 A C hımérsékleti tartományban a közép fajhı (Cm) fogalmát is használj lják C m = 1 t t C dt o Egyes irodalmak javasolják k a növényi n nyi eredető szerves anyagoknál l a 20 C C hımérsh rséklethez kapcsolódó fajhı értéket kereken 1,4 kj/kg K értékben elfogadni Így a nedves fára: f 1,4 + 4,1832 0,01u C u = 1+ 0,01u

10 Hıvezetés, hıdiffúzió A hınek a faanyagban való terjedését és a hımérsékletváltozást két mutatóval lehet jellemezni: a hıvezetési tényezıvel (λ) és a hıdiffúziós tényezıvel (α).

11 Hıvezetési tényezt nyezı A hıvezetési tényezı: egységnyi gnyi idı (T) alatt, egy m 2 keresztmetszeten (A), egy méter távolságra (x) 1 K hımérsékletkülönbség (t) mellett milyen hımennyiség áramlik át [W/ W/mK]: A λ értéke függ a fa sőrőségétıl, nedvességtartalm gtartalmától, rostirány nyától és a hımérsékletétıl. λ = A Q A víz nagyobb λ értéke miatt a nedves fa jobban vezeti a hıt. dx Τ dt

12 Fa- és s egyéb b anyagok hıvezeth vezetési tényezt nyezıje Tölgy Kıris Balza Lucfenyı Egyéb faanyagok: Egyéb anyagok: Fafaj megnevezése rostokkal rostokra rostokkal rostokra rostokkal rostokra rostokkal rostokra forgácslap kemény farostlemez alacsony sőrőségő farostlemez rétegeltlemez levegı víz beton réz acél Hıvezetési tényezı, W/mK 0,29 0,16-0,18 0,31 0,16-0,18 0,04 0,048-0,077 0,22 0,10-0,11 0,12-0,14 0,17 0,048 0,14 0,026 0,60 0,

13 Az európai fafajoknál a rostokra merıleges hıvezetési tényezı mintegy fele a rostirány nyúnak. A sőrőség és a rostirány függvényében a hıvezetési tényezık: λ = 0, ,195 ρ 10-3 ; [W/m K] K λ = 0, ,46 ρ 10-3 ; [W/m K] K A faanyag nedvességtartalm gtartalmának változását a következı összefüggéssel lehet figyelembe venni: λ 2 = λ 1 [1-0,0125 (u 1 - u 2 ]

14 A hıdiffúziós tényezı A hıdiffúziós tényezı (hımérsékletvezetı képesség,, a) [m 2 /h] az instacionáris hıcserénél a hıvezetés sebességét jellemzi: a = C λ Befolyásolja: ρ a nedvességtartalom, a rostirány és a sőrőségs b

15 A faanyag égési sajátoss tosságai: Az égési jellemzık A levegı oxigénj njéneknek jelenlétében bekövetkez vetkezı égési folyamatnak három szakaszát különíthetjük el: felmelegedés, gyulladás égés utóizzás Felmelegedésekor 105 C C után n erısödik a gázok g eltávoz vozása C-ig jelentıs s elváltoz ltozások a fatestben nem következnek be. A faanyagból l kiváló gázok C C körül k l lángra l lobbannak, de az anyag még m g tartósan nem ég. Ez a lobbanási pont C C körül k l az anyag tartósan égni kezd. Ez a határ r az égési pont C C körül k l a faanyagból l távozt vozó gázok önmaguktól (küls lsı lángforrás s nélkn lkül) l) meggyulladnak. Ezt nevezzük gyulladási pontnak.

16 Az égési folyamat jellemzését szolgáló mutatók A gyúlékonys konyság, amely a meggyulladáshoz szüks kséges energiával jellemezhetı; az égési sebesség, amely a lángterjedés sebességét mutatja a felületen leten; az égési tömegveszteséggelggel lehet jellemezni az éghetıséget. Éghetıségük alapján: nem éghetı: a cement(beton)kötéső falapok, lemezek,, pl. Betonyp. nehezen éghetı: az égéskésleltetı szerrel kezelt tömörfák és különféle falapok és lemezek. közepesen éghetı: a természetes faanyagok, forgácslapok cslapok, pozdorjalemezek, rétegeltlemezek. könnyen éghetı: védelem nélkülili farostlemezek,, MDF lemezek a tőzállóság egy összetett,, a szerkezetekre vonatkozó fogalom. Kifejezi a tőz- és hıhatással szembeni szilárds rdsági ellenáll llást órákban.. A tömörfa szerkezetek tőzállósága lényegesen kedvezıbb bb,, mint az acél- és alumínium szerkezeteké. a beégési sebesség az elszenesedés idıbeni elırehalad rehaladását jellemzi a fa vastagsága ga mentén.

17 A fa égését t befolyásol soló tényezık A sőrőség A nedvességtartalom A különbözı fafajok az eltérı sőrőségük, szöveti és kémiai jellemzıik miatt eltérı égési sajátoss tosságokkal rendelkeznek. Az alaki tényezık szempontjából a fa felülete lete és a térfogat aránya a fontos. Az égési jellemzıket természetesen befolyásolja a hımérséklet, a hıvezetési tényezı nagysága ga és a faanyag anizotrópi piája is.

18 A faanyag energetikai jellemzıi Égéshı, főtıérték Az egységnyi gnyi mennyiségő faanyag eléget getésekor keletkezı teljes hımennyiséget égés s hınek h nevezzük. Az elemi összetételbıl l meghatározhat rozható: E = C ( H O 8 ) Az összes fafaj átlagában (u = 0%): E = kj/kg

19 Fontosabb fafajaink égéshıje tömegre (kj/kg) és fatérfogatra (MJ/m 3 ) vonatkoztatva (u = 0%) Fafaj Nyír Akác Cser Gyertyán Bükk Juhar Tölgy Éger Lucfenyı Erdeifenyı Nyár kj/kg MJ/m

20 Főtıérték A fa f eléget getésekor a hidrogénb nbıl és az oxigén egy részébıl vízgız keletkezik, amely gız formájában eltávozik vozik. Így a gyakorlatban felhasználhat lható hımennyiség - a főtıérték [kj/kg] - kisebb, mint a teljes égési hı: F = E u ( u + 9H)

21 A faanyag energetikai hasznosításának nak néhányny jellemzıje A fa környezetbarát tüzelıanyag, égetésekor nem keletkeznek ártalmas gázok; a faanyag bıvítetten újratermelhetı, és növekedéséhez a nap energiáját hasznosítja tja; a szént ntüzeléshez viszonyítva a fa eléget getésekor mindössze 0,5-1,0%, a szénn nnél pedig 25-40% hamu keletkezik; nem termel többlet CO 2 -t, csak az élıfa által megkötött tt mennyiséget juttatja vissza; a fa energetikai hasznosítása sa jelenti az ipari fahulladékok megsemmisítéséhez a legnagyobb lehetıséget get.. A keletkezı főrészpor, kéreg, darabos apró hulladék alkalmas az egyéb energiahordozók kivált ltására.. Pl. 4 tonna fahulladék energiatartalma 1 tonna főtıolajéval egyenért rtékő; gazdaságosan gosan nem mővelhetı területeken értékes energia ültetvények létesíthetık.

22 Köszönöm m a figyelmet!