Csővezeték méretének meghatározása napkollektoros rendszerekben

Kis rendszer – indokolatlanul nagy csőátmérő, nagy rendszer – túl kis csőátmérő. Nagyjából így lehetne összefoglalni a napkollektoros rendszerek csővezetékének alkalmazására vonatkozó gyakorlatot.  Rutinos kivitelezők és neves tervezők is sokszor több dimenziót tévednek, ha a szokványos fűtési rendszer helyett, napkollektoros rendszer csővezetékét kell méretezni.

Nagyon gyakran tapasztalható, hogy egyszerű, kisebb, 4-6 m2 napkollektor felületű használati-melegvíz készítő napkollektoros rendszerek csővezetékét 22x1, vagy akár 28x1 mm-es vörösrézcsőből építik ki. Vajon szükség van-e ilyen nagy csőátmérőre? És egy 120 m2 napkollektor felületű rendszernél vajon elegendő-e a 35x1 mm-es csővezeték?

Fenti kérdésekre nyilván egyértelmű választ lehet adni – korrekt méretezéssel. A napkollektoros rendszerek csővezetékét ugyanúgy kell méretezni, mint bármilyen más épületgépészeti rendszerét. Meg kell határozni a szükséges térfogatáramot, és ennek ismeretében úgy kell csőátmérőt választani, hogy a csővezeték nyomásvesztesége a rendszer többi elemével együtt (napkollektorok, hőcserélők) akkora legyen, amit egy normál keringető szivattyúval biztosítani lehet.

A napkollektor köri térfogatáram

A napkollektoros rendszerekben a nemzetközi terminológiát elfogadva alapvetően kétféle térfogatáram elv használatos:

   „High flow” (magas térfogatáram):        30-40 liter/(h·m2)

   „Low flow” (alacsony térfogatáram):     15-20 liter/(h·m2)

Az általában szokásos „high flow” elv alkalmazásának a célja, hogy a napkollektorok hőmérséklete csak a szükséges minimális értékkel legyen magasabb a fűtött tároló hőmérsékleténél, így biztosítható legyen a minél magasabb napkollektor hatásfok. Megfelelő napsugárzás esetén a napkollektorok és a tároló hőmérséklete fokozatosan, együtt emelkedik, a kollektorok a teljes tároló térfogatot homogén módon fűtik. A hőmérséklet különbség a napkollektor köri előremenő és visszatérő ág között jellemzően 10-15°C.

„High flow” térfogatáramú rendszerek alkalmazására láthatunk példákat az 1. ábrán. Belső, és külső hőcserélő alkalmazása esetén is a napkollektorok a tároló alsó részét fűtik, így a tároló hőmérséklete viszonylag egyenletesen emelkedik. Ha „high flow” alkalmazása esetén szeretnénk a tartály rétegtöltését megvalósítani, tehát először a tartálynak csak a felső részét felfűteni, akkor ehhez pl. a c. ábra szerinti megoldást, két belső hőcserélőt, és motoros váltószelepet kell alkalmaznunk.

1. ábra

A ’low flow” elv alkalmazása esetén viszont az a cél, hogy a kollektorokban a hőhordozó közeg egy átfolyás alatt felmelegedjen annyira, hogy ezzel a tároló felső részében előállítható legyen a kívánt felhasználási hőmérséklet. A „low flow” ezért mindig együtt jár a tárolón belüli rétegtöltés megvalósításával, és 2. ábra szerinti speciális áramlás-terelő lemezekkel ellátott belső hőcserélő (a.), vagy külső lemezes hőcserélő (b.), és a szivattyú fordulatszámát az elérni kívánt hőmérséklet függvényében szabályozni tudó automatika alkalmazásával. A hőmérséklet különbség a napkollektor köri előremenő és visszatérő ág között jellemzően 25-30°C.

2. ábra

Csővezeték kiválasztása áramlási sebesség alapján

Ha nem áll rendelkezésünkre számítógépes hidraulikai méretező program, akkor kézi számítási módszerrel csak az áramlási sebesség alapján történő méretezésre hagyatkozhatunk. Az épületgépészeti szakmában elterjedt egyszerű szabály, hogy az áramlási sebesség ne legyen nagyobb 1 m/s értéknél. A napkollektoros rendszerekben azonban az alkalmazott fagyálló folyadék magasabb viszkozitása miatt célszerű ennél alacsonyabb, 0,7 m/s alatti értékre törekedni. Ez alapján a kollektor köri csővezeték átmérője a térfogatáram és az áramlási sebesség függvényében a következő képlettel határozható meg:

Ahol:

  [m3/h]: a térfogatáram

v  [m/s]:     az áramlási sebesség

D [m]:        a csővezeték belső átmérője

Példa:

A napkollektor felület 6 m2,

A fajlagos térfogatáram „high flow”: 40 l/(h·m2),

Az áramlási sebesség v = 0,7 m/s

A napkollektor köri térfogatáram:

  = 6 m2 · 40 l/(h·m2) = 240 l/h =0,24 m3/h

A szükséges csőátmérő:

Tehát a példa szerinti 6 m2 napkollektor felületű rendszerben 15 x 1 mm méretű csővezeték alkalmazása az áramlási sebesség szempontjából megfelelőnek tűnik.

Csővezeték kiválasztása fajlagos súrlódási ellenállás alapján

Az áramlási sebesség alapján azonban nem lehet korrektül meghatározni a szükséges csőátmérőt. Ugyanis azonos áramlási sebesség esetén a kisebb csőátmérőknél nagyobb, a nagyobb csőátmérőknél pedig lényegesen kisebb nyomásveszteség adódik. Például a fentebb kiválasztott 15x1 mm-es csővezeték esetében 0,7 m/s esetén a fajlagos nyomásveszteség 685 Pa/m. Ugyanez a 0,7 m/s áramlási sebesség viszont 35x1 mm-es csővezetékben már csak 212 Pa/m nyomásveszteséget eredményez. Látható, hogy a kisebb csőátmérőben ugyanaz a sebesség több mint háromszoros nyomásveszteséget okozott.

Nyomásveszteséget viszont kézi úton számítani nem tudunk. Erre a célra csak számítógépes programok, vagy megfelelő nomogramok alkalmazhatók. De a szakirodalomban hozzáférhető nomogramok többnyire csak víz közegre vonatkoznak, így ezek nem érvényesek a napkollektoros rendszerekben alkalmazott fagyálló folyadék esetére. Az általánosan használt propilénglikol fagyálló folyadék viszkozitása magasabb mint a vízé, ez pedig a nyomásveszteség akár 50%-os növekedését is okozhatja. Az eltérés főleg alacsonyabb hőmérsékleteken a jelentős, az általánosan jellemző 50-60°C-os napkollektor köri hőmérséklet esetén az eltérés már többnyire csak 20-30%. Ebből persze az is következik, hogy ha nyomásveszteség nomogramokat akarunk használni, akkor azokon fel kell, hogy legyen tüntetve az is, milyen közeg hőmérsékletre vonatkoznak.

A 3. ábrán látható, és napkollektoros rendszerekben jól használható nomogram 40%-os töménységű propilénglikol közegre, és 50°C-os közeghőmérsékletre vonatkozik. Az ábrán zölddel feltüntettük azt a javasolt nyomásveszteség tartományt (100-350 Pa/m) amire a csővezeték kiválasztásakor célszerű törekedni. Az egyszerűbb használat érdekében pedig a vízszintes tengelyen nem csak a térfogatáram értékeket, hanem a térfogatáramnak „high flow” és „low flow” elv alkalmazása esetén megfelelő napkollektor felületeket is feltüntettük.

3. Ábra

A 3. ábra segítségével választ adhatunk a cikk bevezetőjében feltett kérdésekre is. Indokolt-e a 6 m2 felületű napkollektoros rendszert 22x1, 28x1 mm-es csővezetékkel szerelni? Láthatóan nem, hiszen ha az átlagosnak tekinthető 200 Pa/m körüli nyomásveszteségre törekszünk, akkor a 18x1 mm méretű csővezeték még „high flow” esetén is használható 8 m2, „low flow” esetén pedig akár közel 20 m2 napkollektor felületig is. A második kérdésünkre, a 120 m2 napkollektor felületre és a 35x1 mm-es csővezeték alkalmazására vonatkozó kérdésre pedig a helyes válasz az, hogy „low flow” elv esetén igen, „high flow” esetén viszont már nem elegendő a választott 35x1 mm-es csővezeték.

Számítógépes programok használata

A fentebb ismertetett nomogram segítségével ugyan már elég jó közelítéssel meghatározhatjuk a szükséges csőátmérőt, azonban ne feledjük, a nomogram csak az egyenes csővezeték fajlagos nyomásveszteségét adja meg. A teljes rendszer méretezésekor természetesen figyelembe kell venni, hogy mekkora a csővezeték teljes hossza, és mekkora az idomok, szerelvények, és természetesen a napkollektorok és a hőcserélő nyomásvesztesége. Kis rendszereknél ahol a csőhossz rövid, többnyire csak 10-20 m, nagyobb fajlagos nyomásveszteséget engedhetünk meg. Nagy méretű, akár több száz méter hosszúságú csővezetéket tartalmazó rendszereknél viszont kénytelenek vagyunk kisebb fajlagos nyomásveszteségre törekedni.

A csővezeték méretének meghatározását, a teljes hidraulikai méretezést, és a szivattyú kiválasztását legegyszerűbben megfelelő számítógépes program segítségével végezhetjük el. Ilyen programot a neves szivattyúgyártók többsége díjtalanul a rendelkezésünkre bocsát. Célszerű beszerezni, és megtanulni a használatát ezeknek a programoknak. Így elkerülhető lesz az indokolatlanul nagy átmérővel kivitelezett, és így drága, sok fagyállót tartalmazó, nagy tehetetlenségű rendszer ugyanúgy, mint a túl kis csőátmérő alkalmazása miatt az indokoltnál jóval nagyobb szivattyúval szerelt rendszer.