Сонячні колектори генерують теплову енергію постійно при наявності сонячної енергії. Іноді це може викликати несприятливі умови для компонентів геліосистеми. Це відбувається тоді, коли відбір тепла в системі неможливий або недоцільний. У таких випадках сонячна система входить в стагнацію або, іншими словами, починається процес застою. Цей процес несприятливий для геліосистем. однак і не варто вважати його аварійним. Уникнути його практично неможливо і тому необхідно дотримуватися ряду рекомендацій для запобігання негативного впливу процесу застою.
Процессстагнаціігеліосістеми виникає в момент відключення циркуляції в контурі геліосистеми при наявності сонячного випромінювання. При цьому температура теплоносія в сонячних колекторах зростає до максимального значення і перевищує температуру кипіння, внаслідок чого відбувається кипіння рідини в колекторі і як результат різко зросте і тиск в геліоконтуре.
Через велику площі колекторів та малих літніх корисних споживання тепла, комбіновані геліосистеми частіше страждають від перегріву, ніж геліосистеми працюють тільки на ГВС. Адекватний захист від перегріву геліосистеми є важливим питанням для забезпечення правильної і тривалої роботи такої системи з мінімальним технічним обслуговуванням. А процес стагнації комбінованих геліосистем є критичним і небажаним.
У літній період опалювальні геліосистеми часто входять в стан стагнації, так як накопичувальний резервуар при сонячній погоді легко досягає максимальних температур (близько 95 ° С). У цьому випадку контролер відключає насос геліоколекторів і температура поглинача починає швидко зростати (так звана температура стагнації) до значень 180. 210 ° С (плоскі колектори) або 220. 300 ° С (вакуумні колектори). Часто випаровування теплоносія трапляється і з плоскими колекторами, і в контурах, що мають запобіжні клапани на 6 бар. Зазвичай розширювальний бак підбирається таким чином, щоб компенсувати збільшений при нагріванні об'єм теплоносія плюс обсяг рідини, що міститься в колекторах. Такий підбір повинен перешкоджати надмірного росту тиску і втраті теплоносія через спрацювання запобіжного клапана.
Незважаючи на це, трапляються ситуації з перегрівом і втратою теплоносія в літній період:
Висока температура в деяких частинах колектора і акумулятора тепла через інтенсивного сонячного випромінювання, і як результат - вихід з ладу компонентів і витік теплоносія.
Спрацьовування запобіжного клапана, незважаючи на те, що обсяг розширювального підібраний по вищевикладеним правилам.
Шок від тиску конденсації в контурі колектора і у вторинному контурі.
Фази виникають під час стагнації
Стагнацію можна розділити на п'ять фаз. Трохи відмінностей спостерігається в разі, коли зворотний клапан, розташований в системі, не дозволяє теплоносія надходити в розширювальний бак з обох трубопроводів і прямого та зворотного трубопроводів. В іншому завжди спостерігаються ті ж п'ять фаз, але з кількісними відмінностями.
Фаза 1. Розширення рідини
Температура колектора зростає, поки не буде досягнута температура кипіння теплоносія. Збільшення тиску при цьому незначно.
Фаза 2. Витискання рідини з колектора
Велика кількість рідини видавлюється в розширювальний посудину через формування в колекторі насиченої пари. В результаті тиск до системи швидко росте. Рідина яка видавлюється насиченою парою з колектора близька до температури кипіння, доходячи до компонентів системи, вона приводить їх до температурного стресу. Дана фаза триває всього кілька хвилин поки не встановиться вільний шлях для пара від входу колектора до виходу. При цьому в колекторі залишається деяка кількість рідини теплоносія.
Фаза 3. Спорожнення колектора через кипіння
Що залишився теплоносій в колекторі починає випаровуватися і переносити енергію у вигляді пари по системі. Відбувається нагрів деяких компонентів системи до температури кипіння при конденсації теплоносія. Локальні температури ділянок системи визначаються тиском і складом суміші (пароподібний і рідкий теплоносій) в певній точці системи. При типових тисках в комбінованих геліосистемах від 1,5 бар до 3,5 бар температури кипіння теплоносія змінюються від 130 ° С до 155 ° С. Енергія від киплячого колектора передається все компонентам системи (трубопроводи, теплообмінник і т. Д.). В кінці фази 3 досягаються максимальні значення температур і тиску теплоносія.
Фаза 4. Спорожнення колектора через перегрітої пари
У міру випаровування теплоносія колектор стає сухим, а пар в ньому - перегрітою. Через це перенесення енергії від колектора до елементів системи значно знижується. В результаті обсяг пара може зменшитися, а рідкий теплоносій - надходити назад у колектор, незважаючи на те, все ще є великий теплоприток від сонця. Фаза перегрітої пари може тривати кілька годин при безхмарним погоді, і закінчується, коли сонячне випромінювання йде на спад.
Фаза 5. заповнення колектора
Колектор заповнюється теплоносієм, коли температура в ньому падає нижче точки кипіння. При цьому через зниження сонячного випромінювання пароподібний теплоносій конденсується.
Критичні фази стагнації геліосистеми
Гарячий теплоносій, що видавлюється з колектора на протязі фази 2, піддає критичної температурної навантаженні компоненти системи. Особливо небезпечне явище являє собою конденсація насиченої пари в «холодних» місцях системи з потенційною подальшої деградацією вузлів. Телефон може перегрітися в слідстві конденсації пари теплоносія в таких традиційно «ненавантажених» високими температурами і досить віддалених місцях як розширювальний бак, розташований недалеко від бака-акумулятора.
Протягом фази 2 і 3 ми маємо максимальні температури. Залишок рідкого теплоносія в кінці фази 2 визначає тривалість фази 3. Процес випаровування рідкого теплоносія піддає весь колектор впливу температури насичення (кипіння). При цьому випаровуванні відводиться досить багато енергії. Це призводить до збільшення потоку пара, який досягає свого максимуму в кінці фази 3. Як тільки весь теплоносій випарувався, колектор досягає максимальної температури стагнації і відведення енергії від колектора до елементів системи припиняється (приблизно середина фази 4).
Особливості спорожнення колектора на протязі фази 2 є важливими характеристиками установки. Системи і колектори однакові, але з різною здатністю до спорожнення. Фази стагнації визначені за допомогою колектора, у якого він була низькою. У цьому прикладі тиск 3,2 бару відповідає обсягу пара теплоносія, який знаходиться в колекторі. У разі перевищення зазначеного тиску пароподібний теплоносій досягає віддалених від колектора компонентів гелеоустановкі.
Результати досліджень показують, що температури компонентів типовою геліоустановки під час стагнації можуть далеко виходити за регламентовані виробником максимальні температури використання. Це в свою чергу може привести до пошкодження компонентів установки і скорочення терміну її служби.
Здатність до спорожнення колектора
Здатність спорожнення колектора характеризується такими величинами, як частота виникнення і тривалість максимальних температур системи і її компонентів. Обв'язка колектора повинна мати хорошу здатність спорожнення, щоб уникнути проблем, характерних для стагнації. Система з хорошою здатністю до спорожнення мінімізує обсяг теплоносія, який залишається в кінці фази 2, і таким чином скорочує тривалість та інтенсивність фази 3. Типи колекторів з поганою здатністю до спорожнення схематично наведені на малюнку 3. Обвязка колекторів повинна проводитися таким чином, щоб уникати ситуацій . Коли подає і зворотний трубопровід знаходяться у верхній точці колектора.
У цих випадках теплоносій рухається спочатку вниз, потім робить поворот і йде вгору. Утворюється U-подібна петля, яка містить багато залишкового теплоносія. Цей теплоносій не може бути видавленим при стагнації, а може тільки випаровуватися, переносячи насиченою парою велика кількість енергії до інших компонентів системи. Лінії подачі і повернення теплоносія ін і такій компоновці дозволяють в идавлівать теплоносій з обсягу колектора. Теплоносій в кінці фази 2 займає невеликий обсяг в нижній точці колектора і легко видавлюється паром, що генерується при кипінні. Тривалість фази 3 значно зменшується, і пар практично не залишає меж колектора і не перегріває ділянки системи.
Заходи щодо мінімізації впливу стагнації на колектор при поганій здатності до спорожнення
У разі, якщо особливості об'єкта не дозволяють змонтувати геліосистему, яка мала б хорошу здатність до спорожнення (геометрія об'єкта, готова гелиосистема), можна використовувати ряд заходів, які поліпшать поведінку системи під час стагнації або взагалі будуть перешкоджати її виникнення:
використання нічного часу для охолодження системи;
застосування охолоджуваних повітрям теплообмінників для скидання зайвої теплоти (наприклад, фанкойл);
видалення енергії від колектора через пар в разі стагнації:
використовуючи додатковий теплообмінник з малим об'ємом і розвиненою поверхнею теплообміну (радіатор з малим об'ємом);
використовуючи зовнішній теплообмінник з примусовою циркуляцією вторинного теплоносія.
Останні способи знижують термічну навантаження тільки на компоненти системи, при цьому термічна навантаження на теплоносій не знижується. Застосування першого, другого і останнього способу має на увазі використання додаткової енергії для скидання надлишків виробленого геліоустановкою тепла, що знижує загальну ефективність використання установки.
Застосування додаткового теплообмінника (варіант «а»), наприклад мідного трубчастого теплообмінника з алюмінієвими пластинами, є недорогим і досить ефективним варіантом, і при цьому не вимагає додаткової енергії для роботи. Теплообмінник потрібно підключати на рівні 2 м або вище над компонентами, які необхідно захистити від високої температури. Комерційні теплообмінники з мідної труби 18x1 мм і алюмінієвих пластин 80x56x0,3 мм, нанизаних з кроком 5 мм, можуть розсіяти до 750 Вт / м при температурі кипіння.
Термічна навантаження на теплоносій
Гліколеві компоненти теплоносія і інгібіторні добавки можуть ставати нестабільними при високих температурах і розкладатися з утворенням опадів у вигляді пластівців і твердих частинок. Нормальна експлуатація геліосистеми не має на увазі термічного навантаження на теплоносій. Однак періоди стагнації можуть викликати передчасне старіння теплоносія, тому їх необхідно по можливості уникати. Колектори з хорошою здатністю до спорожнення краще переносять термічну навантаження на теплоносій, так як під час стагнації дії високих температур (температури кипіння від 130 ° С до 155 ° С) піддається невеликий обсяг теплоносія, що залишається в колекторі.
В колекторах з поганою здатністю до спорожнення досить значний обсяг теплоносія може піддаватися тривалим термічних навантажень (кипіння і випаровування). Результатом кипіння стає переважно випаровування води з теплоносія (фрактальна дистиляція) і внаслідок цього - підвищення концентрації в залишкової рідини гліколю і інгібіторів. Це локальне підвищення концентрації призводить до локального підвищення температури кипіння. Процес триває до тих пір, поки висококонцентрованих рідина не припинить випаровуватися, і чим довший цей процес, тим сильніше теплоносій піддається старінню (для чистого гліколю температура кипіння перевищує 210 ° С при тисках, характерних для стану стагнації). Висока температура пара всередині колектора не так критична, тому що пар містить переважно воду і лише незначну частку гліколю.
Шок тиску конденсації
Укладання і напрямок труб всередині і зовні колектора грають велику роль у виникненні «шоку конденсації». Не всі випадки вивчені досконально, але є ряд явищ, які добре відомі. Наприклад, при довгих горизонтальних трубах або провисання на горизонтальних трубах, тобто в місцях, де пар може перебувати закритим з двох сторін рідким теплоносієм при конденсації пари відбувається схлопування двох рідинних обсягів або удар рідини об стінки трубопроводу, що супроводжується акустичним шумом.
Колектор з хорошою здатністю до спорожнення не схильний до масового генерування подібних ударів, але колектор з поганою здатністю до спорожнення має набагато більший потенціал формування подібного схлопування. Це пояснюється тим, що в таких колекторах відбуваються різкі коливання тиску, що сприяє утворенню кишень, заповнених паром, посеред рідинного обсягу.
Схлопування можуть викликати некомфортний рівень акустичного шуму, хоча скачки тиску при цьому помірні (
0,1 бар) і зазвичай не викликають спрацьовування запобіжного клапана. Але в самій зоні схлопування скачки тиску можуть бути більш інтенсивними, тому не можна повністю виключати це явище як причину виникнення нештатних ситуацій.
Для запобігання масових схлопування в колекторах з хорошою здатністю до спорожнення і геліосистемах в цілому слід уникати довгих горизонтальних ділянок труб, труб які мають провисання мулі мають спадний ухил вниз до колектора (по ходу руху теплоносія).