Kazán a háztetőn, avagy a napkollektor, mint hőtermelő berendezés III.
2000/11. lapszám | Hangay Gábor | 14 913 |
Figylem! Ez a cikk 25 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Ahhoz, hogy a különböző gépészeti megoldásokat, működésüket, szükségszerűségüket megértse, szánjon rá az olvasó néhány percet eme két kollektoros alapprobléma elméleti tanulmányozására: Minden kollektorhoz tartozik három állandó, mely alapján szerkeszthető a fenti grafikon. Ennek segítségével meghatározhatjuk kollektorunk teljesítményét a pillanatnyi sugárzásintenzitás, időjárási és működési körülmények függvényében. A legalsó görbe egy borult napot, a következő egy téli napsütést, majd egy nyári átmeneti napsütést, a legfölső pedig a maximális sugárzásintenzitást mutatja. A grafikon alsó tengelyén egy hőmérséklet-különbség van ábrázolva, mely a kollektor közepes „(Te-Tv)/2” hőmérséklete mínusz a környezeti hőmérséklet.
Az Y tengelyről egy hatásfokot olvashatunk le, ezt megszorozva a pillanatnyi sugárzásintenzitással kapjuk a wattos teljesítményt.
Teljesítményelemzés két különböző gépészeti megoldás esetén
A FELADAT: napkollektorral töltsünk meg egy egyszerű tárolóedényt: puffert. Ez a feladat szinte minden napkollektoros rendszernél előfordul. Az első esetben a tartályt egy belső hőcserélővel töltjük, míg a második esetben külső hőcserélőt alkalmazunk, természetesen szabályozott szivattyúüzem mellett. (Hőcserélőre szinte mindig szükség van, hiszen a fagyveszély miatt a kollektor – primer – kör fagyállóval feltöltött.)
Elemezzük a rendszerben uralkodó hőmérséklet-viszonyokat, majd nézzük meg a két műszaki megoldás előnyeit, hátrányait:
Egy belső hőcserélős rendszerben a szekunder oldali hőelvétel a gravitációs áramlás hatására jön létre. Ennek első következménye, hogy a tárolóban lévő közeg összekeveredik, a tartály alja és teteje között alig mérhető hőmérséklet-különbség, a tárolóban egyenletesen emelkedik a vízhőfok. A fűtőközeg átlagos hőmérséklete majd 15-25°C-kal meghaladja a melegítendő közeg hőfokát. Nézzük meg, hogy eközben a kollektor milyen hatásfokkal üzemel. Tételezzünk fel egy téli átlagos 500 W/m²-es sugárzásintenzitást! Példánkban a kollektor közepes hőfoka 65°C. A fenti diagramból leolvashatjuk, hogy a kollektorunk a besugárzott energia mintegy 35%-át képes hasznosítani, azaz kb. 165 wattot négyzetméterenként. Most nézzük meg egy napsütéses napot: a reggeli órákban a sugárzás teljesítményének növekedésével összhangban emelkedik a tartályhőmérséklet, így a déli órákig közel egyenletes kollektorteljesítménnyel számolhatunk, azonban a délutáni órákban, amikor csökken a nap ereje, és a tárolónk már felmelegedett, a rendszerteljesítmény drasztikusan csökken. Gyakorlatilag kihasználatlanul marad a késő délutáni napsütés. Mivel az egész tárolónak fel kell melegednie ahhoz, hogy megfelelő hőmérsékletű vizet nyerjünk, a kollektorfelület és a tároló térfogat aránya szigorúan kötött, 1 m² kollektor kb. 50 l-es bojlert kíván. Ez tapasztalati szám. Látható, hogy csak azonos időjárási körülmények esetén adhat működési optimumot. Tagadhatatlan azonban, hogy a berendezés vezérlése, gépészeti felépítése olcsó és egyszerű.
Egy külső hőcserélős rendszerben a szekunder oldali hőelvételt szabályozott kényszerkeringtetés biztosítja. A tárolóban lévő közeg a szabályozott szivattyúüzemnek köszönhetően nem keveredik össze, hiszen a kollektor egy lépcsőben emeli a hőmérsékletet a kívánt szintre. A tartály aljában és tetejében a kiinduló, illetve a véghőmérséklet mérhető. A hideg, illetve a már felmelegített közeg határán rendkívül nagy a hőmérsékleti gradiens. A fűtőközeg átlagos hőmérséklete a méretezett, speciális hőcserélőnek köszönhetően csak 4°C-kal haladja meg a melegítendő közeg hőfokát. A feladat pontosan ugyanaz, mint az előző példában: 55°C-ra melegíteni a csapvizet. Eközben a kollektor közepes hőmérséklete csak 39°C! A fenti diagramból leolvashatjuk, hogy kollektorunk a besugárzott energia mintegy 59%-át képes hasznosítani, azaz kb. 299 wattot négyzetméterenként. Ez csaknem a duplája az előző példának! Megfelelő méretezés esetén késő délutánra is marad melegítendő hideg víz a tartályban, így a délutáni napsütésből is jelentős energia nyerhető. A kollektorfelület és a tároló térfogataránya jóval szabadabb: 1 m² kollektorfelülethez kb. 30-200 l tárolótérfogat választható. A rendelkezésre álló töltési idő, és a felhasználás teljesítménye határozza meg a pontos térfogatot. Rendkívüli előnye e második megoldásnak, hogy a töltés megkezdése után kb. fél órával már rendelkezésre áll a kívánt hőmérsékletű energia. Tagadhatatlan azonban, hogy a berendezés vezérlése, gépészeti felépítése drágább és bonyolultabb. Magától értetődik a sugárzásteljesítménnyel harmonizáló teljesítményszabályozott keringtetés, és a speciális kis logaritmikus hőfoklépcsőjű ellenáramú hőcserélő készülék. Ezzel a technológiával azonban azonos teljesítmény mellett kollektor felületet, és ezzel pénzt takaríthatunk meg!
