Какое давление в солнечном коллекторе

Стагнация солнечного коллектора

Стагнация гелиосистем.

Что такое режим стагнации, почему он происходит, как влияет на систему?

Стагнация солнечного коллектора (фр. stagnation, от лат. stagno — делаю неподвижным, останавливаю; лат. stagnum — стоячая вода) — это режим, при котором прекращается проток теплоносителя по контуру гелиосистемы.

Отсутствие расхода в гелиоконтуре может возникнуть по нескольким причинам:

• отсутствует электроснабжение на циркуляционном насосе (до 30 минут), при высокой солнечной активности;
• выход из строя циркуляционного насоса;
• засорение контура сторонними элементами;
• воздушная пробка в контуре. разгерметизация контура, низкое давление;
• не правильно настроенный или вышедший из строя контроллер. действия третьих сил (например, случайное перекрытие запорной арматуры на контуре).

Солнечные коллекторы генерируют тепловую энергию постоянно при наличии солнечной энергии. Иногда это может вызвать неблагоприятные условия для компонентов гелиосистемы. Это происходит тогда, когда отбор тепла в системе невозможен или нецелесообразен. В таких случаях солнечная система входит в стагнацию или, другими словами, начинается процесс застоя. Этот процесс неблагоприятен для гелиосистем, однако и не стоит считать его аварийным. Избежать его практически невозможно и поэтому необходимо придерживаться ряда рекомендаций для предотвращения негативного воздействия процесса застоя.

Стагнация гелиосистемы чаще всего происходит в летнее время в комбинированных гелиосистемах с отбором энергии на отопление. Это связано с возникновением переизбытка тепловой энергии летом. Стагнации могут быть подвержены и любые другие солнечные системы при отключении электроэнергии или при отсутствии потребления горячей воды и тепловой энергии.

Процесс стагнации возникает в момент отключения циркуляции в контуре гелиосистемы при наличии солнечного излучения. При этом температура теплоносителя солнечных коллекторах возрастает до максимального значения и превышает температуру кипения, вследствие чего происходит кипение жидкости вколлекторе. Вследствие резко возрастет и давление в гелиоконтуре.

Процессы, происходящие в солнечном коллекторе при стагнации гелиосистемы.

1. Расширение жидкости.

Фаза 1. Стагнация начинается с выключения насоса гелиоконтура.

При остановке насоса температура в коллекторе растет, пока не будет достигнута температура кипения теплоносителя. Давление при этом возрастет незначительно, примерно на 1 бар.

2. Испарение теплоносителя.

Фаза 2. Примерно через 10 минут коллектор достигает температуры кипения и начинается испарение теплоносителя.

Большое количество жидкости вытесняется в расширительный бачок из-за формирования в коллекторе насыщенного пара. В результате давление в системе начинает возрастать быстрее. Жидкость с температурой близкой к температуре кипения может дойти до компонентов гелиоконтура, подвергая их температурному стрессу.

3. Кипение в коллекторе.

Фаза 3. В течении следующих 30 минут происходит парообразование.

Оставшийся теплоноситель в коллекторе начинает испарение и распространяет энергию в виде пара по системе. При этом, возможен нагрев некоторых компонентов системы до температуры кипения при конденсации теплоносителя.

4. Перегрев.

Фаза 4. Вплоть до прекращения инсоляции коллектор имеет температуру стагнации.

Теплоноситель продолжает испаряться, и в коллекторе образовывается перегретый пар. При этом незначительно уменьшается давление а коллектор становится практически сухим.

5. Заполнение теплоносителя.

Фаза 5. С уменьшением инсоляции происходит уменьшение температуры и конденсация пара.

При уменьшении солнечной инсоляции, температура в коллекторе и давление в гелиосистеме снижается. Парообразный теплоноситель конденсируется и солнечные коллекторы снова заполняются жидким теплоносителем.

Парообразование в гелиосистеме может быть незначительным, вследствие этого уменьшается негативное воздействие стагнации на компоненты солнечной системы, особенно это касается теплоносителя. Для этого необходимо чтобы третья фаза стагнации была как можно короче. Это происходит тогда, когда во второй фазе теплоноситель полностью вытесняется из коллекторов и практически не кипит в них.

Способность к опорожнению солнечных коллекторов

Этот процесс называется способностью к опорожнению коллектора. У различных гелиоколлекторных полей и отдельно взятых коллекторов эта способность различна и зависит от многих факторов, таких как, прокладка магистрали, объем расширительного бака, угол наклона коллекторов и тип солнечного коллектора. У плоских солнечных коллекторов, как правило, способность к опорожнению выше, чем у вакуумных трубчатых коллекторов. Поэтому очень важно на стадии проектирования и монтажа учесть факторы, которые бы способствовали к улучшению способности к опорожнению гелиополя.

График зависимости давления в солнечных коллекторах для различных солнечных коллекторов во время стагнации (исследования)

Меры для снижения влияния стагнации гелиосистемы.

В случае если все же невозможно добиться максимальной способности к опорожнению солнечных коллекторов, следует применять ряд мер, которые минимизируют негативное влияние во время стагнации гелиосистемы, или будут препятствовать к её возникновению.

Расширительный бак должен компенсировать объем теплоносителя при закипании.

Необходимо правильно рассчитать объем расширительного бака, так чтобы он смог компенсировать весь теплоноситель с учетом объема в солнечных коллекторах. Формула по которой можно рассчитать минимальный объем мембранного расширительного бака:

VЗ — объем заполнения гелиоконтура, л;

VК — емкость солнечного коллектора, л;

n — коэффициент расширения (для воды при нагреве от 20 до 100 °С n = 0,042);

nК — количество солнечных коллекторов;

p0 — давление заполнения системы, бар;

pmax — давление в системе при стагнации, бар.

Величину p0 обычно считают равной:

p0 = 0,1·hстат. + 0,7,

где hсртат. — высота в метрах между серединой расширительного бака и наивысшей точкой гелиосистемы.

Давление в состоянии стагнации, обозначаемое как pmax, бар, выбирается из условия:

pmax ≤ pПК — 0,2 для pПК ≤ 3 бар;

pmax ≤ 0,9 · pПК для pПК > 3 бар,

pПК — давление срабатывания предохранительного клапана.

Применение предварительного бака или теплообменника охладителя.

Удаление энергии от коллекторов через пар во время стагнации. Этот вариант снижает термическую нагрузку только на компоненты системы (на теплоноситель влияние не снижается) уже во время наступления стагнации гелиосистемы. При слабой способности к опорожнению в коллекторах, образовавшийся пар может достичь некоторых компонентов системы и вывести их из строя. Особенно могут пострадать циркуляционный насос и мембрана расширительного бака. Для предотвращения попадания высоких температур на эти компоненты используют специальные промежуточные теплообменники и промежуточные баки.промежуточный бак-теплообменник.

Схема реализации защиты расширительного бака.

Энергия пара и радиус его действия.

Удельный объем и радиус распространения пара, образовавшегося во время третьей фазы зависит от способности опорожнения коллекторного поля и от удельных теплопотерь в коллекторах и трубопроводах.

Приблизительные значения удельной мощности парообразования для хорошо опорожняемых систем равна 50-60 Вт/м² в то время как для плохо опорожняемых систем 120-200 Вт/м². Рассчитав радиус действия пара, принимая во внимание длину магистрали гелиосистемы, мы сможем оценить достигнет ли пар до уязвимых компонентов системы. Если этот процесс неизбежен, то необходимо подобрать соответствующие меры (промежуточный теплообменник или бак).

Максимальный радиус действия пара в метрах рассчитывается по формуле:

Rmax = Dmax*A/Q , где

Rmax — максимальный радиус действия пара в м;

Dmax — максимальная мощность парообразования в Вт/м;

А — апертурная площадь коллекторов м²;

Q — тепловые потери трубопровода в Вт/м.

Для примера рассчитаем, радиус действия пара для установки с вакуумными коллекторами с общей площадью апертуры равной 4 м².

Rmax = 200 * 4/25 = 32 м

Таким образом, если длинна трубы (в одну сторону) до насосного модуля будет меньше, необходима установка предварительного бака.

Для системы с плоскими солнечными коллекторами аналогичной площади апертуры максимальный радиус парообразования составляет примерно 10 м, что в три раза меньше чем для вакуумных коллекторов.

Принцип действия предварительного бака.

Объем предварительного бака рекомендуется подбирать не меньше половины объема теплоносителя в трубопроводах и солнечных коллекторах.

Источник

Стагнация гелиосистем

Солнечные коллекторы обеспечивают бесперебойное генерирование тепловой энергии при стабильном поступлении на их поверхность солнечных лучей. Впрочем, постоянное обеспечение теплом, помимо преимуществ для потребителя, имеет негативные последствия для компонентов самой системы. Когда забор тепла в коллекторе нецелесообразен или невозможен, в гелиосистеме начинается процесс застоя, или стагнации. Такой застой неблагоприятно влияет на состояние системы, но не является аварийным. Избежать проявления стагнации практически невозможно, однако предотвратить негативный результат процесса можно, если придерживаться ряда рекомендаций специалистов.

Стагнация гелиосистемы, как правило, происходит в жаркое время года в комбинированных солнечных установках с отбором энергии для отопления. Впрочем, такому явлению могут быть подвержены гелиосистемы и других типов в условиях отключения электроэнергии, отсутствия потребления тепла, горячей воды, то есть отключения циркуляции.

Данный процесс возникает в результате чрезмерного поступления, переизбытка тепловой энергии. Температура теплоносителя в солнечных коллекторах возрастает до максимального значения, превышая температуру кипения, что вызывает закипание жидкости в коллекторе и, как следствие, резкий скачок давления в контуре системы.

Процессы, происходящие в солнечном коллекторе при стагнации гелиосистемы

1. Расширение жидкости

При выключении циркуляционного насоса температура в коллекторе возрастает до уровня температуры кипения теплоносителя. Данный процесс сопровождается незначительным (около 1 бар) повышением уровня давления.

2. Испарение теплоносителя

Вторая фаза сопровождается образованием большого количества насыщенного пара, который вытесняет теплоноситель в большом количестве в расширительный бачок. В результате давление в гелиосистеме начинает повышаться в ускоренном темпе. Жидкость, температура которой близка к температуре кипения, способна дойти до компонентов контура гелиоустановки, подвергая их термальному стрессу.

3. Кипение в коллекторе

Процесс дальнейшего нагревания теплоносителя вызывает его испарение, и образовавшийся пар распространяется по системе. При конденсации теплоносителя возможно нагревание некоторых компонентов гелиосистемы до температуры кипения.

4. Перегрев

Процесс испарения теплоносителя продолжается, и в системе образуется горячий пар. При этом уровень давления незначительно падает, а коллектор становится практически сухим.

5. Заполнение теплоносителя

При уменьшении количества солнечного излучения, попадающего на поверхность коллектора, снижаются температура в солнечном коллекторе и давление в самой системе. Теплоноситель в парообразном состоянии конденсируется, и солнечные коллекторы вновь заполняются им, но уже в жидкой форме.

Негативное воздействие явления стагнации на компоненты гелиосистемы может быть снижено за счет уменьшения парообразования на третьей стадии стагнации. Достичь этого можно, если на второй фазе теплоноситель полностью вытесняется из коллекторов и практически не доходит до закипания в них.

Данный процесс называется способностью к опорожнению гелиоколлектора. Такая способность у различных коллекторных полей и самих коллекторов отличается и зависит от таких факторов, как:

— объем расширительного бака;

— длина магистрали;

— угол наклона коллектора;

— тип коллектора.

Способность к опорожнению у плоских коллекторов выше, чем у вакуумных солнечных коллекторов. Для того чтобы улучшить способность к опорожнению гелиополя, важно учесть факторы влияния еще на стадии проектирования и установки.

Меры для снижения влияния стагнации гелиосистемы

Бывают случаи, когда максимальной способности к опорожнению солнечных коллекторов добиться невозможно. Для снижения нежелательных последствий во время стагнации гелиосистемы следует предпринять ряд мер, препятствующих возникновению данного процесса, а именно:

1. Правильно рассчитать объем расширительного бака. Это делается для того, чтобы бак смог компенсировать теплоноситель в полном объеме.

2. Использовать контроллеры, в которых предусмотрена функция снижения риска стагнации. Алгоритм работы таких устройств прост: при достижении в коллекторе критической температуры (близкой к возникновению стагнации) контроллер включает циркуляционный насос буквально на несколько секунд. Это вызывает снижение температуры в коллекторе за счет более низкой температуры в накопительном баке. Данный процесс длится, пока температура в баке не достигнет максимально возможного уровня. Применяя такие контроллеры, можно значительно снизить риск стагнации.

3. Применять функцию охлаждения в ночное время, особенно при длительном отсутствии забора тепла. Контроллер, включая ночью циркуляционный насос, вызывает снижение температуры в баке до максимально возможного уровня, а в светлое время суток аккумулятор вновь накапливает тепло.

4. Использовать охлаждаемые теплообменники для сброса переизбытка тепла (в роли таких, например, — бассейны, фанкойлы и т.д.).

5. Сброс избыточной теплоэнергии через пар в процессе стагнации. Использование данного варианта снижает термическую нагрузку на компоненты системы (за исключением теплоносителя) непосредственно во время стагнации гелиосистемы. Низкая способность к опорожнению солнечных коллекторов может послужить причиной тому, что под действием образовавшего пара из строя выйдут некоторые компоненты системы. Особенно негативно влияние может сказаться на циркуляционном насосе и мембране расширительного бака. Для того, чтобы предотвратить воздействие высокой температуры на указанные компоненты, стоит применять промежуточные теплообменники и баки.

6. Применение высокотемпературного теплоносителя. Проблемы стагнации возникают при закипании теплоносителя и переходе его из жидкой фазы в парообразную. Эта проблема может быть решена кардинальным образом использованием теплоносителей с высокой температурой кипения. Например, наше предприятие предлагает своим клиентам теплоноситель с рабочим температурным диапазоном от — 50 до +330 градусов. Использование такого теплоносителя полностью исключает возможность возникновения этого крайне неприятного эффекта.

7. Однако самым прогрессивным, на настоящий момент, методом борьбы с перегревом солнечных системы считается применение солнечных аккумуляторов тепла, располагаемых внутри вакуумной трубки — самой термонапряженной зоны системы. Данные аккумуляторы позволяют не только «впитывать» в себя излишки тепла, обеспечивая тем самым комфортный режим работы гелиосистемы, но и обеспечивают ее возврат потребителю после захода солнца, повышая тем самым эффективность работы системы «в целом».

Источник