Proiectare - Dimensionare vas expansiune

 Dimensiunea vasului de expansiune

Dimensionarea vasului de expansiune la instalatiile solare termice reprezinta un aspect delicat, de aceasta depinzand atat durata in timp cat si functionarea corespunzatoare a instalatiilor. In plus, dimensionarea vasului de expansiune solar este destul de complexa si trebuie sa se tina cont de conditiile speciale de lucru prezentate mai jos.
Spre deosebire de instalatiile de incalzire la care puterea cazanului (care, in ultima instanta, poate fi oprita) este pe deplin controlata, la instalatiile solare, soarele nu poate fi controlat, razele acestuia cazand pe panourile solare chiar si atunci cand acestea nu mai pot ceda caldura boilerului (deja incalzit la temperatura maxima de siguranta). O astfel de situatie are loc destul de des pe timpul verii din cauza zilelor foarte insorite in care consumul energetic este scazut (exemplul tipic este cel al unei familii care in luna august se afla in vacanta). Agentul termic solar prezent in panourile solare atinge astfel temperaturi incontrolabile, cu mult superioare valorilor tipice pentru instalatiile de incalzire, putandu-se transforma in vapori sau nu; sub acest aspect, rolul vasului de expansiune devine extrem de important. Temperaturile mai sus mentionate au, in orice caz, o limita superioara egala cu temperatura de stagnare in panoul solar, aceasta reprezentand una dintre datele esentiale furnizate de producator; de obicei, aceasta valoare este cuprinsa intre 130 si 200 °C in functie de calitatea izolatiei si de tipul cladirii. La temperatura de stagnare, panoul solar degaja in atmosfera aceeasi putere termica pe care o primeste de la soare.

Stabilirea volumului instalatiei

La fel ca in cazul instalatiilor de incalzire, primul lucru ce trebuie cunoscut este volumul total al instalatiei solare care, dilatandu-se sub actiunea temperaturii ridicate, va trebui depozitat in vas.

VA = VK +VWT +VKS +VR +VVor    
Unde: VA reprezinta volumul de incarcare a instalatiei VK reprezinta volumul campurilor de colectoare (colectoare si  racorduri hidraulice) VWT reprezinta volumul schimbatoarelor de caldura (integrate in boiler sau externe) VKS reprezinta volumul setului hidraulic complet (grupul de pompare si diversele supape) VR reprezinta volumul din conducte

Volumele mai sus mentionate sunt disponibile in documentatia tehnica a produsului ales. Pentru conductele din cupru, consultati tabelul urmator.

Baza de calcul a dimensiunii vasului de expansiune

In cazul in care manometrul, supapa de siguranta si vasul de expansiune sunt montate aproape unul de celalalt (sau cel putin la aceeasi inaltime hidrostatica a instalatiei), formulele folosite la calcularea volumului vasului de expansiune sunt urmatoarele:

Unde: VN, MIN reprezinta volumul minim al vasul de expansiune (l) VU reprezinta volumul util care trebuie calculat (l) PVS reprezinta presiunea supapei de siguranta (de obicei, 5 bar) P0 reprezinta presiunea de umplere la rece a instalatiei (bar) HIDR reprezinta diferenta de inaltime dintre colectoarele afl ate in varf si vasul de la baza (m) PV reprezinta presiune de pre-incarcare cu aer in vasul de expansiune (bar)

Pentru calcularea volumului util VU exista doua criterii care conduc la rezultate destul de diferite; prin urmare, volumul nominal al vasului necesar va fi , de asemenea, foarte diferit. Prima metoda are ca efect alegerea unor vase de expansiune cu dimensiuni medii spre mari, a doua la alegerea de vase cu dimensiuni reduse.

Metoda 1

Reprezinta metoda traditionala care respecta norma UNI ENV 12977-1 si care conduce la obtinerea unor volume mari calculate pentru vasul de expansiune. Aceasta metoda se bazeaza pe faptul ca:
- Vasul de expansiune poate compensa dilatatiile termice ale fl uidului din instalatie
- Vasul de expansiune poate sustine, fara a fi necesara o crestere substantiala a presiunii din instalatie, tot continutul lichid al campului de colectoare atunci cand condensul format din cauza temperaturii excesive goleste colectoarele.
Cu alte cuvinte, vasul de expansiune nu trebuie sa contrasteze, prin cresterea presiunii, aparitia condensului in colectoare (care ar avea valoarea aproximativa de 120 °C).

Transformarea lichidului in vapori protejeaza instalatia si componentele acesteia de excesele de temperatura si de presiune; acelasi lichid antigel dureaza mai mult, deoarece singura cantitate solicitata termic este cea foarte mica care se transforma in vapori in interiorul colectorului. Formarea condensului cauzeaza, insa, si o blocare a instalatiei care poate dura o perioada lunga de timp, fapt care determina instabilitatea instalatiei si producerea de zgomote in fazele ulterioare pornirii. Cu ajutorul acestei metode se calculeaza:
V_U = V_C + 0.073 * V_A

Metoda 2

Reprezinta metoda moderna sustinuta de mai multi profesionisti in tehnica de incalzire, o metoda avangardista care conduce la alegerea unor dimensiuni reduse ale vasului de expansiune.
Aceasta metoda se bazeaza pe faptul ca:
- Vasul de expansiune poate compensa dilatatiile termice ale fl uidului din instalatie
- Vasul de expansiune impiedica condensarea lichidului in campul de colectoare, chiar si atunci cand acestea din urma ating temperatura maxima de stagnare, generandu-se o crestere adecvata a presiunii
- Colectoarele utilizate se afl a la temperaturi de stagnare care nu depasesc 150 °C, valoare peste care presiunea necesara pentru a impiedica formarea de condens devine cu adevarat foarte mare (depasind cu mult 6 bar) dupa cum se observa si din tabelul cu vaporii saturati.
Cu alte cuvinte, vasul de expansiune este suficient de mic pentru a genera instantaneu cresteri semnifi cative de presiune in circuit atunci cand au loc dilatatii termice; presiunea din colectoare se mentine astfel constanta, peste presiunea vaporilor saturati la fiecare valoare de temperatura atinsa de camp. Faptul ca fluidul nu se vaporizeaza niciodata asigura o constanta ridicata de functionare a sistemului fara „intreruperi de functionare” si fara „reporniri dificile”. Mai mult, toate componentele instalatiei vor putea functiona si la temperaturi apropiate valorii de 150 °C, precum si la presiuni apropriate de 6 bar. Acest sistem, fiind supus la o solicitare termica si mecanica considerabile, necesita multa atentie in ceea ce priveste calitatea componentelor utilizate, a glicolului, in ceea ce priveste realizarea instalatiei si punerea in functiune a acesteia; de exemplu, o mica scadere de presiune la rece bloca instalatia, fiind prin urmare necesara instalarea unui sistem de alarma conectat la manometru.
Cu ajutorul acestei metode se calculeaza:
V_U=0,090 x V_A
Valabil in cazul extrem de stagnare a panoului la 150 °C. Va prezentam in continuare un tabel de referinta pentru dimensionarea in baza acestei metode, la modifi carea temperaturii de stagnare a campului de colectoare. Dupa cum se observa din tabel, dispare valoarea volumului campului de colectoare, deoarece tocmai condensarea lichidului continut in acestea nu este luata in considerare in cazul utilizarii metodei 2.

 Rezervorul de protectie

Chiar daca vasele pentru instalatia solara sunt certificate de producator in ceea ce priveste rezistenta membranei la temperaturi ridicate, uneori este recomandat sa le protejati de solicitarile termice produse de fluidul solar. Situatiile mai putin placute sunt, evident, cele in care vasul de expansiune este instalat in apropierea campului de colectoare. Prin urmare, se instaleaza un rezervor plin cu fluid intre circuit si vasul de expansiune, aceasta scazand pentru amestec temperaturile fluidului provenit de la colectoare si, in plus, ajuta la compensarea pierderilor minime de fluid primar. Instalarea rezervorului nu se dovedeste foarte utila la instalatiile de dimensiuni mici si medii; in schimb, in cazul instalatiilor de mari dimensiuni acesta devine un element pe care vi-l recomandam.