Hőcserélők alkalmazása napkollektoros rendszerekben I.

A kétkörös, az esetek többségében fagyálló folyadékkal feltöltött napkollektoros rendszerek fontos eleme a hőcserélő. A hőcserélő feladata, hogy átadja a primer, kollektor körben felmelegedett közeg hőenergiáját a szekunder körben lévő, többnyire víz közegnek. A hőcserélő helyes méretezése nagymértékben befolyásolja a napkollektoros rendszer hatékonyságát.

A Magyarországon alkalmazott napkollektoros rendszerek az egyszerű, nyári medencefűtő rendszerek kivételével kétkörösek, vagyis a primer, napkollektor kör külön zárt kör. Ezt az esetek többségében a téli félévben jelentkező fagyveszély miatt fagyálló folyadékkal töltik fel. A visszaürülős, ún. drain-back rendszereknél ugyan fagyálló folyadék helyett vizet alkalmaznak a kollektorokban is, de a kollektor kör ebben az esetben is elkülönített, külön kör. A kollektorokban tehát nem közvetlenül a felmelegíteni kívánt víz kering, ezért hőcserélőt kell alkalmazni a kollektor köri közeg és a felmelegítendő víz hőcseréjének a biztosítására.

Az alkalmazott hőcserélőket alapvetően két csoportra lehet bontani: belső és külső hőcserélőkre. Belső hőcserélőnek azt nevezzük, amikor a kollektorok tárolót fűtenek, és a tárolóban egy beépített csőkígyó található. Ezen belül áramlik a kollektorokban felmelegedett folyadék, kívül pedig a tároló vize veszi körül a csőkígyót. Külső hőcserélő esetén a hőcserélő a tárolón kívül helyezkedik el, és mindkét közeget – a fagyállót és a fűtendő vizet is – szivattyú keringteti.

Belső hőcserélők alkalmazása

Kisebb méretű és egyszerűbb napkollektoros rendszereknél általában belső, tárolóba beépített hőcserélőt alkalmaznak. A legegyszerűbb esetet az 1/a. ábra mutatja. A napkollektorokkal fűtött tároló alsó részébe van elhelyezve a hőcserélő, ezt a napkollektorok úgy fűtik, hogy a hőcserélő felső csonkján lép be a kollektor köri meleg közeg, és az alsó csonkon lép ki a lehűlt, a kollektorokba visszatérő közeg.

1. ábra.

Belső hőcserélők alkalmazása tárolók fűtésére

Nagyobb méretű és hosszabb kültéri csővezeték szakaszt tartalmazó rendszereknél célszerű lehet beépíteni az 1/b. ábra szerinti megkerülű, ún. bypass szelepet a kollektor körbe. Ez alap esetben rövidre zárja a belső hőcserélőt, és így hideg téli napokon az indulás utáni állapotban a kültéri csővezetékből érkező hideg közeg rövid ideig sem hőti vissza a hőcserélőn keresztül a tárolót. A bypass szelep csak akkor vált át a hőcserélő irányába, ha a hőcserélő előtt, az előremenő ágba beépített hőérzékelő már azt jelzi, hogy megérkezett a napkollektorokból a tároló vizénél melegebb közeg.

Szintén nagyobb rendszereknél lehet szükség a tároló két zónára osztott fűtésére. Ekkor a tárolóba beépített alsó és felső hőcserélő is a napkollektoros fűtést szolgálja. Megfelelő napsütés esetén a napkollektorok először a tároló felső, a melegvíz elvételhez közelebbi részét próbálják meg felfűteni, és csak ezután, vagy gyengébb napsütés esetén váltanak át a tároló alsó részének a fűtésére. Gyakran előforduló hiba, hogy a nagyobb hőcserélő felület elérése érdekében a két hőcserélőt sorba kapcsolják, és így a napkollektorok egyszerre fűtik a tároló alsó és felső részét. Ez azért nem jó megoldás, mert a tárolón belül, az alsó és a felső rész között nagyon eltérő lehet a hőmérséklet. Alul lehet egészen hideg a víz hőfoka, míg felül lehet egészen meleg. A napkollektorokkal pedig nem lehet egyszerre fűteni pl. 15°C-os és 60°C-os vizet. Illetve lehet, de ez megszünteti az egyébként kívánatos hőmérséklet szerinti rétegződést a tárolón belül.

A belső hőcserélő hatékonyságának növelése érdekében több cég is kínál különleges, innovatív megoldásokat. Erre látható példa az 1/d. ábrán. Itt a belső hőcserélő egy hengeres kialakítású terelőlemezen belül található. Ez felfűtés esetén a tároló vizének nagyobb sebességű gravitációs áramlását eredményezi a hőcserélő körül, ezzel javítva a hőátadást a hőcserélő külső, tároló felőli oldalán. További előny, hogy a felmelegedett közeg egy ún. gravitációs elosztócsőbe kerül, amiből a saját hőmérsékletének megfelelő hőmérsékletű és magasságú csonkon lép ki. Ez pedig elősegíti a tároló hőmérséklet szerinti rétegződését. Persze ez csak akkor tud megfelelően működni, ha a kollektor köri szivattyú fordulatszáma szabályozható, és így biztosítható a nagy hőmérséklet különbséget eredményező, ún. „low flow” elv szerinti térfogatáram.

A belső hőcserélő felületének meghatározása

A belső hőcserélő nagyságának, vagyis felületének akkorának kell lennie, hogy a hőcserélő a napkollektorok teljesítményét viszonylag kis hőmérsékletkülönbséggel át tudja adni. A hőcserélők alapegyenlete:

Q=k·A·Dt

Ahol:

Q:    a hőcserélő által átvitt hőteljesítmény [W]

k:     a hőátbocsátási tényező [W/m2.K]

A:    a hőcserélő fűtőfelülete [m2]

Dt: a közepes hőmérsékletkülönbség a fűtő és a fűtött közeg között [°C]

A képletből kifejezve a hőcserélő felületét:

A hőcserélő szükséges felületének meghatározásához tehát tudnunk kell mekkora hőteljesítményt akarunk átadni a hőcserélővel, mekkora a hőcserélő hőátbocsátási tényezője, és a teljesítményt mekkora hőmérséklet különbség mellett akarjuk átadni.

Először nézzük, milyen értékkel célszerű figyelembe venni a napkollektorok hőteljesítményét. A napsugárzás maximális értéke Magyarországon ~ 1000 W/m2, a napkollektorok maximális hatásfoka pedig ~80%. Így a napkollektorok maximális fajlagos, 1 m2 hasznos felületre vonatkozó teljesítménye:

Qkoll,max = QNap,max·Eta koll,max = 1000 W/m2· 0,8 = 800 W/m2

Ez azonban csak egy elméleti maximális teljesítmény, ami a valóságban soha, vagy legalábbis nagyon ritkán fordul elő. Ezért a hőcserélőt nem célszerű erre a magas értékre méretezni. A méretezéshez inkább a valóságban is előforduló, átlagos derült idő esetén jellemző üzemállapotot célszerő alapul venni. A napsugárzás reális értéke a nyári félévben, a déli órákban 850-900 W/m2, a kollektorok hatásfoka pedig ilyenkor, átlagos hőmérséklet viszonyok esetén 60-65%. Így a napkollektorok jellemző teljesítménye:

Qkoll = QNap·Eta koll = (850¸900) W/m2· (0,6¸0,65) = 510¸585 W/m2

Qkoll » 550 W/m2

A hőcserélő méretezésekor tehát a napkollektorok jellemző teljesítményeként célszerő 550 W/m2 értékkel figyelembe venni. Ez az érték nem függ attól, hogy síkkollektort, vagy vákuumcsöves kollektort alkalmazunk. A vizsgált viszonylag kedvező üzemállapotban ugyanis a vákuumcsöves napkollektorok hatásfoka sem jobb a síkkollektorokénál.

A tárolókba beépített belső hőcserélők többnyire NA 25 méretű, sima falú acélcsőből készülnek. Egy ilyen belső csőkígyónak a hőátbocsátási tényezője a szakirodalom (Recknagel: 4.4.5. fejezet) alapján ~550 W/(m2·K). Így, ha azt szeretnénk, hogy a napkollektorok teljesítményét a hőcserélőnk 5°C-os hőmérséklet különbséggel adja át, akkor a hőcserélő szükséges felülete:

A fenti egyenlet szerint tehát ahhoz, hogy a hőcserélőnkkel 5°C-os hőmérséklet különbséggel át tudjuk adni a kollektorokteljesítményét, kollektor felület négyzetméterenként 0,2 m2 hőcserélő felület szükséges:

Tehát pl. egy kisebb, 6 m2 napkollektor felületű rendszerhez 0,2 x 6 = 1,2 m2 felületű belső hőcserélő szükséges. De egy 20 m2 felületű rendszerhez már 4 m2, egy 50 m2 felületű rendszerhez pedig 10 m2 hőcserélő felületet kellene alkalmaznunk. Ilyen nagy felülető hőcserélővel megvalósított tárolókat pedig általában már nem gyártanak. Ráadásul a fenti összefüggés csak sima külső felületű csővel megvalósított hőcserélőkre vonatkozik. A hőátadó felület növelése érdekében azonban gyakran ún. bordáscsöves hőcserélőt alkalmaznak. Ennek viszont rosszabb a hőátbocsátási tényezője, mivel a 2. ábrán látható módon a bordák hőmérséklete a csőfaltól távolodva egyre csökken, így a tárolóban lévő közeg már nem a meleg csőfallal, hanem az ennél hidegebb bordafelülettel érintkezik. Így ugyanakkora felületű sima-, és bordáscsöves hőcserélőt összehasonlítva, a bordáscsöves alacsonyabb hőteljesítmény átadására képes. Vagyis azonos hőteljesítmény azonos hőmérsékletkülönbséggel történő átadásához a bordáscsöves hőcserélőből legalább másfélszer nagyobb felületű szükséges. További hátránya a bordáscsöves hőcserélőknek, hogy ha melegvíz-tárolókba építik be azokat, akkor vízkeménységtől függűen nagyon gyorsan lerakódhat rajtuk a vízkő, és ez eltömíti a bordák közötti hézagokat. Ez pedig a hőátbocsátási tényező további drasztikus romlását eredményezi. Ezért ha a napkollektoros rendszerben alkalmazzák a bordáscsöves hőcserélőt, akkor simacsöves hőcserélőnél javasolt 0,2 m2 helyett 0,3¸0,4 m2 hőcserélő felület szükséges kollektor felület négyzetméterenként.

Bordáscsöves hőcserélő esetén:

2. ábra

Hőmérséklet viszonyok sima-, és bordáscsöves hőcserélő esetén

Hatásfok csökkenés nem megfelelő hőcserélő alkalmazásakor

Mi történik akkor, ha a fentebb megállapított hőcserélő felületnél kisebb felületű hőcserélőt alkalmazunk? Ilyenkor a hőcserélő alapegyenletében a k·A érték kisebb lesz, így a hőcserélő ugyanazt a Q hőteljesítményt csak nagyobb Dt hőmérsékletkülönbséggel tudja átadni. Ilyen esetben tehát - ha a napsütés teljesítménye elegendő - a kollektorok hőmérséklete megemelkedik addig az értékig, amíg a hőmérsékletkülönbség növekedése ellensúlyozni tudja az alacsony  k·A értéket. Ha viszont a kollektorok hőmérséklete magasabb lesz, akkor növekszik a hőveszteségük is, ezért csökken a hatásfokuk. Ez a hatásfok csökkenés jelentős is lehet. A 3. ábrából látható, hogy ha egy jellemző hatásfokú napkollektor hőmérséklete DT=30°C-al magasabb a környezeti levegő hőmérsékleténél (pl. kollektor hőfok 50°C, levegő hőfok 20°C), akkor a kollektor hatásfoka ~65%. Ha viszont a kollektorok hőmérséklete pl. a kis felületű hőcserélő miatt 50°C-ról megemelkedik 60°C-ra, akkor a hatásfok már csak 58%, ha pedig 70°C-ra emelkedik a kollektor hőmérséklet, akkor a hatásfok már 52%-ra lecsökken. Látható tehát, hogy a kollektorok hőmérsékletében 1°C hőmérséklet emelkedés a hatásfokban kb. 0,6% csökkenést eredményez.

3. ábra

Napkollektor hatásfokának változása a kollektor és a környezeti levegő hőmérsékletének függvényében

Fentiek alapján leszögezhetjük, hogy a jó napkollektoros rendszer nem a magas kollektor hőmérsékletről ismerszik meg. Éppen ellenkezőleg. A jól méretezett hőcserélővel megvalósuló napkollektoros rendszerekben a kollektorok hőmérséklete csak a hőátadáshoz szükséges mértékben (jó esetben 5-10°C-al) melegebb a fűtött közeg hőmérsékleténél. Ezért van az, hogy nagyobb felületű napkollektoros rendszereket már nem szabad belső hőcserélővel megvalósítani. 20-40 m2 napkollektor felület felett már minden esetben külső hőcserélőt kell használni. A külső hőcserélők alkalmazását, méretezését a következő lapszám napenergia-tudástár rovatában ismertetjük.