Tágulási tartály méretezése napkollektoros rendszerekben

A nyomás alatti, zárt napkollektoros rendszerek zavartalan működésének egyik legfontosabb feltétele a megfelelő méretű és előnyomású tágulási tartály beépítése.  Ez biztosítja, hogy a rendkívül tág határok között változó hőmérséklet viszonyok mellett a napkollektor kör nyomása viszonylag egyenletes maradjon, és csak az előre meghatározott értékhatárok között mozogjon.

A tágulási tartály többnyire acélból készül, és a térfogata rugalmas, általában gumi anyagú membránnal ketté van választva. A membrán egyik oldalán a kollektor köri folyadék, a másik oldalán gáz, általában nitrogén, vagy levegő van. A tartály működési elve a gázok összenyomhatóságán alapul. Ha a kollektoros rendszerben megnő a hőmérséklet, a kitágult folyadék a membránon keresztül össze tudja nyomni a tartályban lévő levegőt úgy, hogy a rendszer nyomása csak a megengedett mértékben emelkedik meg. A tágulási tartályt tehát akkorára kell választani, hogy a nyomás a legmagasabb hőmérséklet, így a legnagyobb folyadék térfogat esetén se haladja meg a rendszerre megengedett maximális nyomást.
A napkollektoros rendszerekben viszont a hőtáguláson kívül még figyelembe kell venni gőzképződés lehetőségét is. Erős napsugárzás és üresjárat esetén ugyanis a jó minőségű napkollektorokban forrás is bekövetkezhet. Ilyenkor a folyadék elgőzölög, és a keletkező gőz kiszorítja a napkollektorokból a folyadékot. Ez azonban nem okoz semmilyen problémát, ha a tágulási tartály a gőz által kinyomott folyadék mennyiségét is fel tudja venni. Ha a napkollektorok visszahűlnek, a gőz visszaalakul folyadékká, és a gőztérfogat helyére a tágulási tartályból a membrán visszanyomja folyadékot a kollektor körbe. Ezzel helyreáll a normális, folyadékkal feltöltött állapot, és a napkollektoros rendszer újra működőképessé válik anélkül, hogy kezelői beavatkozásra lett volna szükség.

Nyomásviszonyok a napkollektoros rendszerekben

A napkollektoros rendszerek biztonságos működéséhez szükséges, hogy a túlnyomás a legmagasabb ponton is minimum 50 kPa = 0,5 bar legyen. A maximális nyomást pedig az alkalmazott biztonsági szelep határozza meg. A megengedett maximális nyomást célszerű a biztonsági szelep nyitónyomásánál 50 kPa = 0,5 bar értékkel alacsonyabbra választani. Az pedig, hogy milyen névleges nyomású biztonsági szelepet alkalmazzunk, attól függ, hogy a forrás, elgőzölgés szempontjából milyen stratégiát választunk.
Az egyik stratégia szerint alacsony nyomást kell alkalmazni, és ezzel engedni az elgőzölgést már viszonylag alacsony, 130-140°C körüli hőmérsékleten. Ekkor, mivel a képződő gőz kiszorítja a kollektorokból a folyadékot, csak viszonylag kevés folyadék térfogat lesz kitéve üresjárat alatt a hosszabb idejű hősokknak, és így kevésbé károsodik az alkalmazott fagyálló folyadék.
A másik stratégia viszont igyekszik a forrást inkább elkerülni, ezért magas nyomást alkalmaz, ahol a forrás csak ~170°C fölött következik be. Így a gőzképződés tényleg nagyon ritkán fordul elő, viszont nagyobb térfogatú folyadék melegedhet fel a kollektorokban 140-170° közötti hőmérsékletre. Ezért fontos, hogy az alkalmazott fagyálló folyadék 170-180°C-ig ne károsodjon, ne bomoljon fel alkotóelemeire, mert ez savasodást és kátrányosodást eredményezhet. Alacsony nyomású stratégia esetén általában az üzemi nyomás ~150 kPa (1,5 bar), a biztonsági szelep nyitónyomása pedig 250-300 kPa (2,5-3 bar). Magas nyomású stratégia esetén viszont az üzemi nyomás 400-600 kPa, a biztonsági szelep nyitónyomása pedig 0,6-1 MPa (6-10 bar).
A nyomásviszonyok megállapításánál természetesen figyelembe kell venni a geodetikus magasságokat is, hiszen a napkollektoros rendszerek többnyire jelentős függőleges kiterjedéssel rendelkeznek. Amint azt tudjuk, 1 m magasságkülönbség 10 kPa (0,1 bar) nyomáskülönbséget jelent. A tágulási tartályt rendszerint az alacsony ponton, a kazánházban helyezik el. Ilyenkor ügyeljünk arra, hogy a kollektorok magas pontján lévő nyomáshoz képest a tágulási tartály magasságában a nyomás az 1. ábra jelölésével:
ptart = pkoll + (hgeo × 10) [kPa]

1. ábra

A tágulási tartály üzemállapotai

A tágulási tartály gáz és folyadék oldalt elválasztó membránja a napkollektoros rendszer működése során a 2. ábra szerinti állapotokat veheti fel. Az 2/a. ábra azt az állapotot mutatja, amikor a napkollektoros rendszer még üres, nincs feltöltve folyadékkal. Ilyenkor a gáz kitölti a tartály teljes térfogatát. A gáz nyomását, az ún. előnyomást (pelő) nekünk kell beállítanunk a tartályon található gázszelepen keresztül. Erre a célra kisebb rendszereknél kézi pumpa, míg nagyobb rendszereknél kompresszor használható.

2. ábra

A 2/b. ábra a hideg folyadékkal való feltöltés utáni állapotot mutatja. A napkollektoros rendszert a tartály előnyomásához képest magasabb, phideg értékű nyomásra töltjük fel. Ekkor a tágulási tartályba folyadék kerül, ezért a membrán kis mértékben összenyomódik.  Azt a térfogatot, amit hideg állapotban töltünk a tartályba, tartalék térfogatnak nevezzük (Vtart), mivel ennek a feladata, hogy pótolja az esetleges szivárgási, vagy légtelenítési veszteségeket. Ennek a térfogatnak kell továbbá pótolni a hideg téli napok esetén a feltöltési hőmérséklethez képest akár 20-40°C-al is hidegebb folyadék térfogatcsökkenését is. A tapasztalatok szerint a tartalék térfogat értékét célszerű a tágulási tartály teljes térfogatának 10%-ában meghatározni. Ezt úgy tudjuk megvalósítani, ha a tartály levegő oldali előnyomását 10%-al alacsonyabbra állítjuk be, mint a feltöltési nyomás.

Ügyeljünk arra, hogy a fenti képletbe a nyomás értékeket a gáztörvény szerint abszolút nyomásban kell behelyettesíteni. Ha például a napkollektoros rendszerünkben hideg állapotban 400 kPa (4 bar) túlnyomást szeretnénk megvalósítani, akkor ez abszolút nyomásban 500 kPa, a tágulási tartály gáz oldalát pedig pelő = 0,9 × 500 kPa = 450 kPa abszolút nyomásra kell beállítani, ami 350 kPa (3,5 bar) túlnyomásnak felel meg.

A 2/c. ábrán a tágulási tartálynak azt az állapotát láthatjuk, amikor a napkollektoros rendszer felmelegedett a maximális átlagos hőmérsékletre. Ennek figyelembe vehető értéke kb. 140°C. Természetesen a napkollektorok lehetnek ennél melegebbek, de az átlagos hőmérséklet többnyire nem haladja meg ezt az értéket. Ilyenkor a kollektor köri folyadék Vhőtág értékkel kitágul, és ez a folyadék mennyiség kerül be a tágulási tartályba, összenyomva a tágulási tartályban lévő gáz térfogatát.

A 2/d. ábra pedig a tágulási tartálynak azt a legkedvezőtlenebb állapotát mutatja, amikor a napkollektorokban üresjárat esetén gőz képződik, és ez kiszorítja a napkollektorokból a folyadékot. A keletkező gőz térfogatának megfelelő folyadék mennyiség (Vgőz) is a tágulási tartályba kerül, tovább összenyomva ezzel a tartályban lévő gáz térfogatát. A tágulási tartályt úgy kell méretezni, hogy még ebben az esetben sem emelkedjen meg a kollektor kör nyomása a maximálisan megengedhető érték fölé, és így elkerülhető legyen a biztonsági szelep kinyitása.

A tágulási térfogat kiszámítása

A napkollektoros rendszerek feltöltésére többnyire 40%-os töménységű propilénglikol-víz keveréket alkalmaznak. Ennek a folyadéknak a térfogat változása a hőmérséklet függvényében a 3. ábrán látható. Ha a feltöltési hőmérsékletet 10°C-nak vesszük, a maximális átlagos hőmérsékletet pedig 140°C-nak, akkor az ábra alapján megállapítható, hogy a relatív térfogat változás értéke 0,1. Ez a folyadék 10%-os tágulását jelenti. Ezzel a folyadék térfogat növekedése a maximális hőmérséklet esetén:

Ahol:
: A relatív térfogat változás
: A napkollektor kör teljes térfogata

3. ábra

A gőztérfogat meghatározása

Mivel jó minőségű napkollektorok alkalmazása esetén a gőzképződést nem tudjuk kizárni, ezért a tágulási tartály méretének meghatározásakor célszerű a gőz által kiszorított térfogatot is figyelembe venni. Gőz nemcsak a napkollektorokban, hanem az azok közelében, a kollektorok magasságában, vagy annál magasabban elhelyezkedő csővezeték szakaszokban is képződhet. Ezért is fontos, hogy ne használjunk indokolatlanul nagy csőméreteket, és lehetőség szerint a kollektorok szintjénél ne vezessük magasabbra a csővezetéket. A tágulás szempontjából figyelembe vehető gőztérfogat meghatározása:

Ahol:
Vkoll:        A napkollektorok térfogata
Vcső,gőz:     A gőzképződés szempontjából figyelembe vehető csővezeték térfogat

A tágulási tartály méretének meghatározása

A tágulási tartály mérete a tartály gáztérfogatára felírt gáztörvény egyszerűsített, állandó hőmérsékletre vonatkozó összefüggése alapján határozható meg. Az állandó hőmérséklet feltételezése természetesen a tágulási tartály gáz töltetének a hőmérsékletére vonatkozik. Ez a valóságban nem állandó, hiszen a meleg folyadék beáramlásakor kisebb mértékben a gáztöltet is felmelegszik, ennek figyelmen kívül hagyása azonban csak elhanyagolható nagyságú hibát eredményez.
A gáztörvény állandó hőmérsékletre vonatkozó összefüggése:

Ezt alkalmazva a 2. ábrán látható tágulási tartály a, és d, állapotára:

Ahol:
Vt:                                A tágulási tartály térfogata [liter]
pelő:                              A tágulási tartály levegő oldali előnyomása [Pa, vagy bar]
pmax :                            A napkollektor kör maximális megengedett nyomása [Pa, vagy bar]
DV = Vhőtág + Vgőz       A tágulási térfogat [liter]
Vt – Vtart = 0,9 × Vt      Ha a nyomásviszonyokra elfogadjuk a pelő = 0,9 · phideg arányt

Az egyenletet átrendezve, a tágulási tartály méretére az alábbi összefüggés adódik:

Ügyelni kell arra, hogy a nyomás értékeket itt is abszolút nyomásban kell behelyettesíteni, tehát az általánosan használt túlnyomás értékekhez hozzá kell adni a légköri nyomás 100 kPa = 1 bar értékét.

Példa

(Az alábbi példában a nyomás értékek mértékegységét a szabványos Pa helyett a kivitelezői gyakorlatban megszokottabb bar mértékegységben adjuk meg.)
Vrendszer = 50 liter
Vkoll = 5,2 liter
Vcső,gőz = 1,5 liter
Ha a példa szerinti napkollektoros rendszerben 6 bar nyitónyomású biztonsági szelepet alkalmazunk, és hideg állapotban 4 bar nyomásra szeretnénk feltölteni a kollektor kört, akkor a nyomásviszonyok:
pmax = 5,5 bar túlnyomás = 6,5 bar abszolút nyomás
phideg = 4 bar túlnyomás = 5 bar abszolút nyomás
A tágulási tartály levegő oldali előnyomása:
Pelő = 0,9 × phideg = 0,9 × 5 bar = 4,5 bar abszolút nyomás = 3,5 bar túlnyomás
A tágulási térfogat a felmelegedés miatt:
Vhőtág = DVrel · Vrendszer = 0,1 · Vrendszer = 0,1 · 50 liter = 5 liter
A tágulási térfogat a gőzképződés miatt:
Vgőz = Vkoll + Vcső,gőz = 5,2 liter + 1,5 liter = 6,7 liter
A teljes tágulási térfogat:
DV = Vhőtág + Vgőz = 5 liter + 6,7 liter = 11,7 liter

A tágulási tartály minimális mérete:

A választott tágulási tartály a legközelebbi, a számítottnál nagyobb, kereskedelemben kapható méret, jelen esetben pl. 80 liter

Varga Pál

Magyar Installateur, 2010