Colectoarele solare generează constant energie termică în prezența energiei solare. Uneori, acest lucru poate cauza condiții nefavorabile pentru componentele sistemului solar. Acest lucru se întâmplă atunci când selectarea căldurii în sistem este imposibilă sau nerezonabilă. În astfel de cazuri, sistemul solar intră în stagnare sau, cu alte cuvinte, începe procesul de stagnare. Acest proces este nefavorabil pentru sistemele solare. Cu toate acestea, nu ar trebui să fie considerată o situație de urgență. Evitarea este aproape imposibilă și, prin urmare, este necesar să se respecte o serie de recomandări pentru a preveni impactul negativ al procesului de stagnare.
Procesul de stagnare a sistemului de heliu are loc atunci când circulația este oprită în conturul sistemului solar în prezența radiației solare. În acest caz, temperatura lichidului de răcire din colectoare solare este crescut la valoarea maximă și peste punctul de fierbere, prin care lichidul fierbe în rezervor și ca rezultat va crește dramatic și presiunea din circuitul solar.
Datorită suprafeței mari a colectorilor și a consumului mic de căldură utilă de vară, sistemele solare combinate suferă de supraîncălzire mai des decât sistemele solare care funcționează numai pe apa caldă. Protecția adecvată împotriva supraîncălzirii sistemului solar este o problemă importantă pentru asigurarea funcționării corecte și pe termen lung a unui astfel de sistem cu o întreținere minimă. Și procesul de stagnare a sistemelor solare combinate este critic și nedorit.
În timpul verii, sistemele solare de încălzire intră adesea într-o stare de stagnare, deoarece rezervorul de stocare în condiții de vreme solară atinge cu ușurință temperaturile maxime (aproximativ 95 ° C). În acest caz, controlerul dezactiveaza pompa și absorbantul temperaturii colectoare solare începe să crească rapid (așa numita temperatură de stagnare) la 180. Valorile de 210 ° C (colectori plat) 220 sau 300 ° C (colectori de vid). Deseori, evaporarea lichidului de răcire se întâmplă atât cu colectori plane cât și în circuite care au supape de siguranță la 6 bari. În mod tipic, vasul de expansiune este selectată în așa fel încât să compenseze creșterea volumului de agent termic în timpul încălzirii, plus volumul de lichid conținut în rezervoare. Această selecție ar trebui să împiedice acumularea excesivă de presiune și pierderea lichidului de răcire datorită acționării supapei de siguranță.
În ciuda acestui fapt, există situații cu supraîncălzirea și pierderea lichidului de răcire în timpul verii:
Temperatura înaltă în unele părți ale colectorului și acumulatorul de căldură datorită radiației solare intense și ca urmare a defecțiunii componentelor și a scurgerilor de lichid de răcire.
Supapa de siguranță funcționează, în ciuda faptului că volumul supapei de expansiune este selectat conform regulilor de mai sus.
Șocul de la presiunea de condensare din circuitul colectorului și din circuitul secundar.
Faze apărute în timpul stagnării
Stagnarea poate fi împărțită în cinci faze. Există câteva diferențe atunci când supapa de reținere situată în sistem nu permite ca conducta de căldură să pătrundă în rezervorul de expansiune atât din conductă, cât și din linia de alimentare și retur. Restul este întotdeauna aceleași cinci faze, dar cu diferențe cantitative.
Etapa 1. Extinderea lichidului
Temperatura colectorului crește până la atingerea punctului de fierbere al agentului de răcire. Creșterea presiunii este nesemnificativă.
Etapa 2. Extragerea lichidului din rezervor
O cantitate mare de lichid este presată în vasul de expansiune datorită formării de vapori saturați în colector. Ca rezultat, presiunea asupra sistemului crește rapid. Lichidul care este stors prin abur saturat din colector este aproape de punctul de fierbere, ajungând la componentele sistemului, conducându-le la stres de temperatură. Această fază durează doar câteva minute până când se stabilește calea liberă pentru aburul de la intrarea colectorului la ieșire. În același timp, în colector rămâne o cantitate de lichid de răcire.
Etapa 3. Golirea colectorului din cauza fierberii
Răcitorul rămas din colector începe să se evapore și transferă energie sub formă de abur prin sistem. Unele componente ale sistemului sunt încălzite până la punctul de fierbere în timpul condensării agentului de răcire. Temperaturile locale ale secțiunilor sistemului sunt determinate de presiunea și compoziția amestecului (vapori și lichid de răcire) într-un anumit punct al sistemului. La presiuni tipice în sistemele solare combinate de la 1,5 bar la 3,5 bar, punctele de fierbere ale agentului de răcire variază de la 130 ° C la 155 ° C. Energia din colectorul de fierbere este transferată la toate componentele sistemului (conducte, schimbătoare de căldură etc.). La sfârșitul fazei 3, se ating temperaturile și presiunile maxime ale agentului de răcire.
Etapa 4. Golirea colectorului datorită aburului supraîncălzit
Pe măsură ce purtătorul de căldură se evaporă, colectorul se usucă și vaporii din acesta devin supraîncălziți. Din acest motiv, transferul de energie de la colector către elementele sistemului este redus semnificativ. Ca urmare, volumul de abur poate scădea, iar lichidul de transfer de căldură poate curge înapoi în colector, în ciuda faptului că există încă o mare cantitate de căldură de la soare. Faza de abur supraîncălzit poate dura câteva ore în condiții de temperatură scăzută și se termină atunci când radiația solară este în declin.
Faza 5. umplerea rezervorului
Colectorul este umplut cu un lichid de răcire când temperatura din acesta scade sub punctul de fierbere. În același timp, datorită scăderii radiației solare, condensatorul de vapori se condensează.
Fazele critice ale stagnării sistemului solar
Mediul de transfer termic fierbinte expulzat din colector în timpul fazei 2 supune componentele sistemului la o sarcină critică de temperatură. Un fenomen deosebit de periculos este condensarea vaporilor saturați în locurile "reci" ale sistemului, cu posibila degradare ulterioară a nodurilor. Încălzirea excesivă ca urmare a condensării vaporilor agentului de răcire în astfel tradițional „neîncărcate“, temperaturile ridicate și locațiile relativ îndepărtate ca un vas de expansiune amplasat în apropierea rezervorului de stocare.
În fazele 2 și 3 avem temperaturi maxime. Reziduul de agent de răcire lichid, la sfârșitul fazei 2 determină durata fazei 3. Procesul de vaporizare a lichidului de răcire subiecților întregul colector expus temperaturii de saturație (fierbere). Această evaporare are destulă energie. Acest lucru crește debitul de abur, care atinge maximul la sfârșitul fazei 3. Imediat ce tot lichidul de răcire se disipează colector atinge temperatura maximă stagnare și energia de evacuare de la colector la elementele sistemului încetează (aproximativ la jumătatea faza 4).
Caracteristicile evacuării rezervorului în faza 2 sunt caracteristici importante ale instalației. Sistemele și colectorii sunt aceiași, dar cu capacități diferite de golire. Fazele stagnării sunt determinate cu ajutorul unui colector, din care era scăzut. În acest exemplu, o presiune de 3,2 bar corespunde volumului de vapori de mediu de căldură care se află în rezervor. În cazul depășirii acestei presiuni, lichidul de răcire a vaporilor ajunge la componentele instalației de gel îndepărtate de colector.
Rezultatele studiilor arată că temperaturile componentelor unei centrale solare tipice în timpul stagnării pot depăși cu mult temperaturile maxime de utilizare ale producătorului. Acest lucru, la rândul său, poate deteriora componentele instalației și poate scurta durata de viață utilă.
Capacitatea de golire a rezervorului
Capacitatea de golire a rezervorului este caracterizată de cantități precum frecvența de apariție și durata temperaturilor maxime ale sistemului și ale componentelor acestuia. Conducta colectorului trebuie să aibă o bună capacitate de golire pentru a evita problemele caracteristice stagnării. Un sistem cu o capacitate bună pentru golirea minimizează cantitatea de lichid de răcire, care rămâne la sfârșitul fazei 2 și, astfel, reduce durata și intensitatea fazei 3. Tipuri de colectoare cu capacitate slabă de a goli este prezentat schematic în figura 3. colectoare de șină trebuie să fie de așa natură încât să se evite situațiile . Când liniile de alimentare și retur se află în partea de sus a colectorului.
În aceste cazuri, lichidul de răcire se deplasează mai întâi în jos, apoi se rotește și se ridică. Se formează o buclă în formă de U, care conține o mulțime de lichid de răcire rezidual. Acest lichid de răcire nu poate fi stors în timpul stagnării, dar se poate evapora, transferând o cantitate mare de energie altor componente ale sistemului cu abur saturat. Linii pentru alimentarea și returul lichidului de răcire pentru acest aranjament permit transportului căldurii să fie extras din volumul rezervorului. Mediul de transfer de căldură la sfârșitul fazei 2 ocupă un volum mic în punctul inferior al colectorului și este ușor stors prin aburul generat în timpul fierberii. Durata fazei 3 este semnificativ redusă, iar aburul practic nu părăsește limitele colectorului și nu supraîncălzește secțiunile sistemului.
Măsuri de minimizare a efectelor stagnării asupra colectorului cu capacitate slabă de drenaj
În cazul în care caracteristicile unui obiect care nu este permis de a monta sisteme solare, care ar avea o capacitate bună de a goli (geometria obiectului, sistemul solar gata), puteți utiliza o serie de măsuri care vor îmbunătăți comportamentul sistemului în timpul stagnare sau chiar va împiedica apariția acesteia:
Utilizați timp de noapte pentru răcirea sistemului;
utilizarea schimbătoarelor de căldură răcite cu aer pentru a ușura căldura excesivă (de exemplu, bobină ventilator);
îndepărtarea energiei din rezervor prin abur în caz de stagnare:
utilizând un schimbător suplimentar de căldură cu un volum mic și o suprafață de schimb de căldură dezvoltată (un radiator cu un volum mic);
utilizând un schimbător de căldură extern cu circulație forțată a agentului de răcire secundar.
Ultimele metode reduc sarcina termică numai asupra componentelor sistemului, în timp ce sarcina termică pe suportul de căldură nu scade. Utilizarea primei, celei de-a doua și ultimei metode implică utilizarea energiei suplimentare pentru evacuarea surplusului de căldură produs de sistemul termic solar, ceea ce reduce eficiența generală a instalației.
Utilizarea unui schimbător suplimentar de căldură (opțiunea "a"), de exemplu un schimbător de căldură tubular cupru cu plăci din aluminiu, este o opțiune ieftină și destul de eficientă și nu necesită energie suplimentară pentru funcționare. Schimbătorul de căldură trebuie conectat la un nivel de 2 m sau mai mult deasupra componentelor care trebuie protejate de temperaturi ridicate. Schimbătorii de căldură comerciali, fabricați din tub de cupru 18x1 mm și plăci de aluminiu 80x56x0,3 mm, atașați în trepte de 5 mm, pot disipa până la 750 W / m la punctul de fierbere.
Încărcarea termică pe suportul de căldură
Componentele glicolice ale agentului de răcire și ale aditivilor inhibitori pot deveni instabili la temperaturi ridicate și se descompun pentru a forma precipitații sub formă de fulgi și particule solide. Funcționarea normală a sistemului solar nu implică o încărcare termică a lichidului de răcire. Cu toate acestea, perioadele de stagnare pot cauza îmbătrânirea prematură a agentului de răcire, astfel încât acestea să fie evitate ori de câte ori este posibil. Colectorii cu o bună capacitate de golire mai bine tolera sarcină termică pe agentul de răcire, deoarece timpul de stagnare la temperaturi ridicate (temperatura de 130 ° C până la fierbere, 155 ° C) este supus unui volum mic de lichid de răcire care rămâne în rezervor.
În rezervoare cu capacitate slabă de a goli cantitate destul de considerabilă de lichid de răcire poate fi supus la stres prelungit termic (fierbere și evaporare). Rezultatul este o evaporare a apei predominant de fierbere din lichidul de răcire (distilare fractală) și ca o consecință - creșterea concentrației în lichid glicol și inhibitori rezidual. Această creștere locală a concentrației duce la o creștere locală a punctului de fierbere. Procesul continuă atâta timp cât lichidul foarte concentrat încetează să se evapore, iar cu cât acest proces, cu atât mai mare a fluidului de transfer de căldură suferă îmbătrânire (pentru temperatură glicol fierbere pur depășește 210 ° C, la presiuni tipice pentru stagnare). Temperatura ridicată nu este atât de critică a vaporilor în interiorul rezervorului, astfel încât vaporii de apă cuprinde în mare parte și numai o mică proporție de glicol.
Presiune de soc condensing
Instalarea și direcția conductelor în interiorul și în exteriorul colectorului joacă un rol important în apariția "șocului de condensare". Nu toate cazurile au fost studiate temeinic, dar există o serie de fenomene bine cunoscute. De exemplu, atunci când tuburile orizontale lungi sau sag în conducte orizontale, adică în locurile în care aburul poate fi închis pe ambele părți ale fluidului de transfer de căldură în condensarea vaporilor are loc colaps două volume de lichid sau lichid lovind peretele conductei, aceasta este însoțită de zgomot acustic.
Un colector cu o bună capacitate de golire nu este înclinat să producă în masă un astfel de bumbac, dar un colector cu o capacitate slabă de golire are un potențial mult mai mare de a forma o astfel de colaps. Acest lucru se datorează faptului că în aceste rezervoare există fluctuații bruște de presiune, care contribuie la formarea buzunarelor umplute cu abur, în mijlocul volumului de lichid.
Alunecările pot provoca un nivel de inconveniență al zgomotului acustic, deși sapa de presiune este moderată în acest moment (
0,1 bar) și nu declanșează în mod normal o supapă de siguranță. Dar în zona de colaps în sine, salturile de presiune pot fi mai intense, prin urmare, acest fenomen nu poate fi complet exclus ca cauză a apariției unor situații anormale.
Pentru a preveni prăbușirea masei în lacurile de acumulare, cu o bună capacitate de golire solară și, în general, trebuie evitate lung secțiuni de țevi orizontale, conducte care au nămol slăbită au pantă descendentă până la colector (în direcția de deplasare a lichidului de răcire).