Hőcserélők alkalmazása napkollektoros rendszerekben II.

A kétkörös, az esetek többségében fagyálló folyadékkal feltöltött napkollektoros rendszerek fontos eleme a hőcserélő. A hőcserélő helyes méretezése nagymértékben befolyásolja a napkollektoros rendszer hatékonyságát. A Napenergia-tudástár előző cikkében a belső hőcserélőkről volt szó, most nézzük a külső hőcserélők alkalmazásának a feltételeit.

Az előző cikkben meghatároztuk, hogy belső, tárolóba beépített hőcserélő alkalmazása esetén 0,2 négyzetméter hőcserélő felület szükséges 1 négyzetméter hasznos napkollektor felülethez. Ez azt jelenti például, hogy 20 négyzetméter napkollektor felülethez 4 négyzetméter felületű belső hőcserélőre lenne szükség. Ekkora hőcserélő felülettel rendelkező tárolókat azonban általában már nem gyártanak. Ha viszont a hőcserélő felülete kisebb a szükségesnél, akkor ez a napkollektor hőmérsékletének megemelkedését, és így a hatásfok csökkenését eredményezi. Az előző cikkben megállapítottuk azt is, hogy átlagos síkkollektorok alkalmazása esetén 1 °C hőmérséklet emelkedés a kollektorok hatásfokát kb. 0,5%-al csökkenti. A kelleténél kisebb hőcserélő a kollektorok hőmérsékletét akár 30-40°C-al is megemelheti, így a hatásfok 15-20%-al is csökkenhet. Ezért nagyobb, 20-30 négyzetméter hasznos napkollektor felület feletti rendszerek esetében már nem szabad belső hőcserélőt használni, hanem megfelelően méretezett külső hőcserélőt kell alkalmazni.

Külső hőcserélők kapcsolásai

A külső hőcserélővel megvalósított napkollektoros rendszerek jellemző kapcsolásai az 1. ábrán láthatók. Legegyszerűbb esetet az 1/a. ábra mutatja. A külső hőcserélő primer oldalán a napkollektorokban felmelegedett fagyálló folyadékot, szekunder oldalán pedig a napkollektorokkal fűtött tároló vizét keringeti egy-egy szivattyú. Ügyelni kell arra, hogy a két közeg a hőcserélőben egymással szemben áramoljon. A szivattyúkat a napkollektoros rendszer szabályozója vezérli. A két szivattyú indítását célszerű különválasztani. Először a napkollektor köri szivattyú indul el akkor, ha a kollektorok hőmérséklete (Tk) megfelelő értékkel magasabb, mint a tároló alsó részének hőmérséklete (Ta). A tároló köri szivattyú pedig csak akkor indul, ha már a kollektor köri előremenő ág hőmérséklete (Te) is melegebb, mint a tároló alsó részének a hőmérséklete. Így elkerülhető, hogy induláskor a kollektor köri csővezetékben lévő hideg folyadék – ha kis mértékben is – visszahűtse a tárolót.

1. ábra

Ha viszont a primer és a szekunder köri szivattyú indítását különválasztjuk, akkor célszerű a primer körbe, a hőcserélő elé egy megkerülő, ún. bypass szelepet is beépíteni (1/b. ábra). Ennek hideg téli napokon lehet szerepe, főleg akkor, ha a kollektorok körüli kültéri csővezeték szakaszok hosszúak. Fagypont alatti külső hőmérséklet esetén ugyanis induláskor a primer körben is a nulla fok alatti fagyálló folyadék kering. Ez pedig akár szét is tudja fagyasztani a hőcserélő szekunder, vízoldalát, mivel a szekunder köri szivattyú ilyenkor – nagyon helyesen, a tároló visszahűtését megakadályozandó – még nem indul el. A bypass szelep csak akkor engedi rá a hőcserélőre a kollektor köri folyadékot, ha már leért a meleg a kollektorokból, ezt az előremenő ágba beépített hőérzékelő (Te) észlelte, és ezzel egyidejűleg elindul a szekunder köri szivattyú is.

Az 1/c. ábrán a külső hőcserélővel fűtött tároló két hőmérsékleti zónára osztása, ún. rétegtöltése látható. A tároló körbe két motoros váltószelep kerül beépítésre, amelyek egyszerre működnek. Ha mindkét szelep az alsó, „A” ág felé van nyitva, akkor a tároló alsó része fűthető. Ilyenkor a szekunder köri szivattyú a tároló alsó részéből szív, és a középső részbe nyom vissza. Ha viszont a szelepek átváltanak, akkor a tároló felső része lesz fűthető, mivel ekkor a szivattyú a tároló középső részéből szív és a felső részbe nyom vissza. Ezt a rétegtöltést normál, ún. „high flow” térfogatáramok esetén lehet használni, amikor a felmelegedés a kollektorokban jellemzően 10-15°C. Ha viszont alacsony, ún „low flow” térfogatáramot alkalmaznak, akkor a felmelegedés a kollektorokban elérheti a 30°C körüli értéket is. Ilyenkor elegendő a hőcserélő utáni ágba beépíteni váltószelepet. Megfelelő napsugárzás esetén a tároló alsó részéből vett víz egy lépcsőben felmelegíthető a kívánt hőmérsékletre, és azt a váltószelep „B” állásával be lehet engedni a tároló legfelső részébe. Így a tároló felfűtése rétegtöltéssel, felülről lefelé történik meg.

A külső hőcserélő méretezése

A külső hőcserélő „méretezését” sokszor elintézik az átviendő teljesítmény alapján történő kiválasztással. Ez helytelen gyakorlat, hiszen a teljesítmény csak egy jellemző a sok közül. Legalább ilyen fontos megadni, hogy a teljesítményt milyen hőmérsékleteken, milyen térfogatáramok mellett, és milyen közegek esetén kell a hőcserélőnek átvinnie. Egy lemezes hőcserélő hőmérséklet viszonyai a 2. ábrán láthatók. Az adott hőcserélővel megvalósuló hőátadást leginkább a fűtő és a fűtött közeg közötti logaritmikus hőmérsékletkülönbség (logDt) jellemzi. Minél kisebb ennek az értéke, annál alacsonyabb kollektor hőmérséklet érhető el, tehát annál magasabb lehet a kollektorok hatásfoka. Napkollektoros rendszereknél reális és gazdaságos cél lehet 5 °C körüli logaritmikus hőmérséklet különbség elérése. Ezen kívül természetesen ügyelni kell arra is, hogy a hőcserélő nyomásvesztesége ne legyen túl nagy, illetve arra is, hogy a hőcserélő csonkjainál az áramló közegek sebessége ne lépje túl a megengedett értéket.

2. ábra

Hőcserélőt méretezni számítógépes programokkal lehet. Szerencsére szinte minden gyártó rendelkezik ilyennel, és ezek többnyire ingyenesen beszerezhetők és szabadon felhasználhatók. A program azonban természetesen nem végez el helyettünk mindent, a méretezendő napkollektoros rendszerre vonatkozó pontos bemenő paramétereket nekünk kell meghatározni és beírni. Az alábbiakban egy példán keresztül bemutatjuk, hogyan tehetjük ezt meg.

A hőcserélő kiválasztásához a legfontosabb, hogy meghatározzuk, mekkora teljesítményt kell a hőcserélőnek átvinnie. Az előző cikkben már megállapítottuk, hogy Magyarországon mekkora a napkollektorok jellemző teljesítménye. Ennek megállapításához átlagos nyári napot vettünk alapul, amikor a napsugárzás teljesítménye a déli órákban Qnap=900 W/m2, a külső hőmérséklet 20-25°C, a napkollektorok hőmérséklete pedig 50-60°C. A napkollektorok hatásfoka ilyenkor Eta_koll=61%, így lesz a 900 W/m2-es napsugárzásból Qkoll=550 W/m2-es napkollektor teljesítmény.  El kell döntenünk azt is, milyen térfogatáramokat fogunk alkalmazni. A kollektor körben normál térfogatáram esetén 30 liter/h, alacsony „low flow” térfogatáram esetén pedig 15 liter/h értéket kell figyelembe venni. A szekunder kör térfogatárama általában közelítőleg megegyezik a primer kör térfogatáramával. Ezek a teljesítmény, hőmérséklet és térfogatáram viszonyok láthatók a 3. ábrán. A feltüntetett értékek fajlagosak, egy négyzetméter napkollektor felületre vonatkoznak, és a figyelembe vett napkollektor köri térfogatáram Vkoll=30 liteh/h.

3. ábra

A hőcserélő méretezésének a lépései:

• Hőcserélő típus kiválasztása. Általában lemezes hőcserélőt célszerű használni, forrasztott kivitelben. Lehetőleg hosszúkás, karcsú, azaz kevés lemezszámú hőcserélő alkalmazására kell törekedni, mert a célként kitűzött alacsony hőmérséklet-különbség mellett akkor lehet a kívánt teljesítményt átadni, ha a fűtő és a fűtött közeg viszonylag hosszú úton áramlik egymással szemben.
• Meg kell állapítani a méretezendő rendszer napkollektor felületének a nagyságát (Akoll). Napkollektor felületként a hasznos, általában az abszorber felületet, vagy az ún. szabad nyílásfelületet (ahol a napsugárzás be tud jutni a napkollektorok belsejébe) kell figyelembe venni, és nem a kollektorok befoglaló méretét jelentő teljes, bruttó felületet.
• A fajlagos 550 W/m2-es értékkel ki kell kiszámítani a teljes napkollektor mező teljesítményét (Qkoll = 550 · Akoll)
• El kell dönteni, hogy normál, azaz „high flow”, vagy alacsony, azaz „low flow” térfogatárammal üzemelő rendszert akarunk-e megvalósítani.
• A kiválasztott fajlagos térfogatáram ismeretében meg kell állapítani a konkrét tömegáramokat a kollektor és a tároló körben (a két kör térfogatárama közel azonos). Mivel a víz és a fagyálló folyadék fajsúlya is megközelítőleg 1 kg/liter, ezért a térfogatáramra l/h mértékegységben megadott értékek számszerűen megegyeznek a tömegáram kg/h mértékegységben megadott értékével.

Normál térfogatáram esetén:

Alacsony térfogatáram esetén:

   Meg kell adni a hőhordozó közegeket. A primer, napkollektor körben ez általában 40%-os propilénglikol-víz keverék, a szekunder, tároló körben pedig víz. Ezek fajhője:

Meg kell állapítani a hőcserélő belépő hőmérsékleteit úgy, hogy a hőcserélőn a logΔT megközelítőleg 5°C legyen. Kiindulásként a napkollektorokkal fűtött tároló alsó részének a hőmérsékletét kell felvenni. Jellemző üzemállapotot feltételezve legyen ez megközelítőleg Tszek1=40°C. Tehát feltételezzük, hogy a nyári félévben, a déli órákban vagyunk, és ekkor a tároló már nem teljesen hideg, hanem a napkollektorok már felfűtötték azt ~40°C-ra.

• 
  
• Kiszámoljuk a felmelegedést a szekunder körben. Ehhez használjuk az áramló közegekre vonatkozó jól ismert Q=c·m·ΔT képlet hőmérséklet különbségre átrendezett alakját. Az egyszerűség kedvéért a képletbe az alábbi mértékegységekben célszerű behelyettesíteni:
• Hőteljesítmény, Q: [W]
• Fajhő, c: [Wh/(kg·K)]
• Tömegáram, m: [kg/h]

• Kiszámoljuk az átlagos hőmérsékletet a szekunder körben:

• Kiszámoljuk az átlagos hőmérsékletet a primer, kollektor körben úgy, hogy ez csak 5°C-al legyen melegebb a szekunder kör átlagos hőmérsékletétnél. A bemenő adatok meghatározásánál logaritmikus hőmérséklet különbség helyett egyszerűen az átlag hőmérsékletek különbségével számolhatunk, hiszen a pontos számítást úgyis a szoftver fogja elvégezni.

• Kiszámoljuk a felmelegedést a kollektor körben:

• Kiszámoljuk a napkollektor köri előremenő hőmérsékletet, ami egyben a hőcserélő primer köri belépő hőmérséklete is:

Fenti lépések elvégzése után már minden szükséges adat a rendelkezésünkre áll, ezeket csak be kell írni egy megfelelő hőcserélő méretező és kiválasztó szoftverbe. A szoftver pontosan meg fogja határozni a kialakuló hőmérséklet viszonyokat, így a logDT értékét is. A számítás/kiválasztás gomb megnyomása előtt még állítsuk be azt is, hogy mekkora maximális nyomásesést engedünk meg a primer és a szekunder körben (általában 10-20 kPa).

4. ábra

Példaként a 4. ábrán látható méretezési programba egy 100 m2 felülető napkollektoros rendszer adatait vittük be. A kollektorok jellemző teljesítménye ebben az esetben 55 kW, a térfogatáram a kollektor és a tároló körben is megközelítőleg 3000 l/h. A szoftver az adott gyártó XB 40-1 50 típusú hőcserélőjét javasolja nekünk. A program számítási ablakából láthatjuk, hogy a hőmérsékletek hogyan fognak alakulni a valóságban, és hogy a kiválasztott hőcserélő esetén a logaritmikus hőmérséklet különbség valóban a célul kitűzött 5°C érték alatti, ténylegesen 4,7°C. Ha valóban ezt a hőcserélőt építik be, és a többi rendszerelem méretezésekor is hasonló gondossággal járnak el, akkor a napkollektoros rendszerünk az elvárt magas hatásfokkal fog üzemelni.

5. ábra

Melegvíz-tárolók fűtése külső hőcserélővel