Стагнация гелиосистемы

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.

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

Гелиотермальные системы, как и вся отрасль возобновляемой энергетики, находится в фазе интенсивного развития на нашем рынке. Но, как ни странно, технологии, хорошо отработанные за рубежом, при переносе в отечественные условия часто дают сбой. В большинстве случаев причиной таких сбоев является слабая подготовка специалистов проектных и монтажных организаций в данной области. И если гелиосистемы горячей воды на санитарные нужды уже новинкой не назовешь, то комбинированные гелиосистемы, служащие как для нагрева воды на нужды ГВС, так и для подогрева теплоносителя отопления, малоизвестны большинству специалистов. Предвидя вопросы, связанные с проектированием и установкой таких систем, а также с нештатными ситуациями, которые могут возникнуть в ходе эксплуатации и методами их устранения, мы предлагаем вам ознакомиться со статьей «Стагнация гелиосистем». Ее авторы Роберт Хауснер и Кристиан Финк — сотрудники возобновляемой энергетики австрийского Института устойчивых технологий.

Из-за большой площади коллекторов и малых летних полезных потреблениях тепла, комбинированные гелиосистемы чаще страдают от перегрева, чем гелиосистемы работающие только на ГВС. Адекватная защита от перегрева гелиосистемы является важным вопросом для обеспечения правильной и длительной работы такой системы с минимальным техническим обслуживанием. А процесс стагнации комбинированных гелиосистем является критическим и нежелательным.

Введение

  В летний период отопительные гелиосистемы часто входят в состояние стагнации, так как накопительный резервуар при солнечной погоде легко достигает максимальных температур (около 95°С). В этом случае контроллер отключает насос гелиоколлекторов и температура поглотителя начинает быстро возрастать (так называемая температура стагнации) до значений 180...210°С (плоские коллекторы) или 220...300°С (вакуумные коллекторы). Часто испарение теплоносителя случается и с плоскими коллекторами, и в контурах, имеющих предохранительные клапаны на 6 бар. Обычно расширительный бак подбирается таким образом, чтобы компенсировать увеличенный при нагреве объем теплоносителя плюс объем жидкости, содержащийся в коллекторах. Такой подбор должен препятствовать чрезмерному росту давления и утере теплоносителя из-за срабатывания предохранительного клапана.

  Несмотря на это, случаются ситуации с перегревом и утерей теплоносителя в летний период:

• Высокая температура в некоторых частях коллектора и аккумулятора тепла из-за интенсивного солнечного излучения, и как результат — выход из строя компонентов и утечка теплоносителя.

• Срабатывание предохранительного клапана, несмотря на то, что объем расширительного подобран по вышеизложенным правилам.

• Шок от давления конденсации в контуре коллектора и во вторичном контуре.

Фазы возникающие во время стагнации

  Стагнацию можно разделить на пять фаз. Немного отличий наблюдается в случае, когда обратный клапан, расположенный в системе, не позволяет теплоносителю поступать в расширительный бак из обоих трубопроводов и подающей и обратной линий. В остальном всегда наблюдаются те же пять фаз, но с количественными различиями.

Фаза 1. Расширение жидкости

  Температура коллектора растет, пока не будет достигнута температура кипения теплоносителя. Увеличение давления при этом незначительно.

Фаза 2. Выдавливание жидкости из коллектора

  Большое количество жидкости выдавливается в расширительный сосуд из-за формирования в коллекторе насыщенного пара. В результате давление к системе быстро растет. Жидкость которая выдавливается насыщенным паром из коллектора близка к температуре кипения, доходя до компонентов системы, она приводит их к температурному стрессу. Данная фаза длится всего несколько минут пока не установится свободный путь для пара от входа коллектора до выхода. При этом в коллекторе остается некоторое количество жидкости теплоносителя.

Фаза 3. Опорожнение коллектора из-за кипения

  Оставшийся теплоноситель в коллекторе начинает испаряться и переносить энергию в виде пара по системе. Происходит нагрев некоторых компонентов системы до температуры кипения при конденсации теплоносителя. Локальные температуры участков системы определяются давлением и составом смеси (парообразный и жидкий теплоноситель) в определенной точке системы. При типичных давлениях в комбинированных гелиосистемах от 1,5 бар до 3,5 бар температуры кипения теплоносителя меняются от 130°С до 155°С. Энергия от кипящего коллектора передается все компонентам системы (трубопроводы, теплообменник и т. д.). В конце фазы 3 достигаются максимальные значения температур и давления теплоносителя.

Фаза 4. Опорожнение коллектора из-за перегретого пара

  По мере выпаривания теплоносителя коллектор становится сухим, а пар в нем — перегретым. Из-за этого перенос энергии от коллектора к элементам системы значительно снижается. В результате объем пара может уменьшиться, а жидкий теплоноситель — поступать назад в коллектор, несмотря на то, все еще есть большой теплоприток от солнца. Фаза перегретого пара может длиться несколько часов при безоблачной погоде, и заканчивается, когда солнечное излучение идет на убыль.

Фаза 5. заполнение коллектора

  Коллектор заполняется теплоносителем, когда температура в нем падает ниже точки кипения. При этом из-за снижения солнечного излучения парообразный теплоноситель конденсируется.

Критические фазы стагнации гелиосистемы

  Горячий теплоноситель, выдавливаемый из коллектора на протяжении фазы 2, подвергает критической температурной нагрузке компоненты системы. Особо опасное явление представляет собой конденсация насыщенного пара в «холодных» местах системы с потенциальной последующей деградацией узлов. Возможен перегрев в следствии конденсации паров теплоносителя в таких традиционно «ненагруженных» высокими температурами и довольно удаленных местах как расширительный бак, расположенный недалеко от бака-аккумулятора.
На протяжении фазы 2 и 3 мы имеем максимальные температуры. Остаток жидкого теплоносителя в конце фазы 2 определяет продолжительность фазы 3. Процесс испарения жидкого теплоносителя подвергает весь коллектор воздействию температуры насыщения (кипения). При этом испарении отводится довольно много энергии. Это приводит к увеличению потока пара, который достигает своего максимума в конце фазы 3. Как только весь теплоноситель испарился, коллектор достигает максимальной температуры стагнации и отвод энергии от коллектора к элементам системы прекращается (приблизительно середина фазы 4).

  Особенности опорожнения коллектора на протяжении фазы 2 является важными характеристиками установки. Системы и коллекторы одинаковы, но с различной способностью к опорожнению. Фазы стагнации определены при помощи коллектора, у которого он была низкой. В этом примере давление 3,2 бара соответствует объему пара теплоносителя, который находится в коллекторе. В случае превышения указанного давления парообразный теплоноситель достигает удаленных от коллектора компонентов гелеоустановки.

  Результаты исследований показывают, что температуры компонентов типичной гелиоустановки во время стагнации могут далеко выходить за регламентируемые производителем максимальные температуры использования. Это в свою очередь может привести к повреждению компонентов установки и сокращению срока ее службы.

Способность к опорожнению коллектора

  Способность опорожнения коллектора характеризуется такими величинами, как частота возникновения и длительность максимальных температур системы и ее компонентов. Обвязка коллектора должна иметь хорошую способность опорожнения, чтобы избежать проблем, характерных для стагнации. Система с хорошей способностью к опорожнению минимизирует объем теплоносителя, который остается в конце фазы 2, и таким образом сокращает продолжительность и интенсивность фазы 3. Типы коллекторов с плохой способностью к опорожнению схематически приведены на рисунке 3. Обвязка коллекторов должна производиться таким образом, чтобы избегать ситуаций. Когда подающий и обратный трубопровод находятся в верхней точке коллектора.

  В этих случаях теплоноситель движется сначала вниз, затем делает поворот и идет вверх. Образуется U-образная петля, которая содержит много остаточного теплоносителя. Этот теплоноситель не может быть выдавленным при стагнации, а может только испаряться, перенося насыщенным паром большое количество энергии к другим компонентам системы. Линии подачи и возврата теплоносителя при такой компоновке позволяют выдавливать теплоноситель из объема коллектора. Теплоноситель в конце фазы 2 занимает небольшой объем в нижней точке коллектора и легко выдавливается паром, генерируемым при кипении. Длительность фазы 3 значительно уменьшается, и пар практически не покидает пределов коллектора и не перегревает участки системы.

Меры по минимизации влияния стагнации на коллектор при плохой способности к опорожнению

  В случае, если особенности объекта не позволяют смонтировать гелиосистему, которая имела бы хорошую способность к опорожнению (геометрия объекта, готовая гелиосистема), можно использовать ряд мер, которые улучшат поведение системы во время стагнации или вообще будут препятствовать ее возникновению:

• использование ночного времени для охлаждения системы;

• применение охлаждаемых воздухом теплообменников для сброса лишней теплоты (например, фанкойл);

• удаление энергии от коллектора через пар в случае стагнации:

• используя дополнительный теплообменник с малым объемом и развитой поверхностью теплообмена(радиатор с малым объемом);

• используя внешний теплообменник с принудительной циркуляцией вторичного теплоносителя.

  Последние способы снижают термическую нагрузку только на компоненты системы, при этом термическая нагрузка на теплоноситель не снижается. Применение первого, второго и последнего способа подразумевает использование дополнительной энергии для сброса излишков вырабатываемого гелиоустановкой тепла, что снижает общую эффективность использования установки.
  Применение дополнительного теплообменника (вариант «а»), например медного трубчатого теплообменника с алюминиевыми пластинами, является недорогим и довольно эффективным вариантом, и при этом не требует дополнительной энергии для работы. Теплообменник нужно подключать на уровне 2 м или выше над компонентами, которые необходимо защитить от высокой температуры. Коммерческие теплообменники из медной трубы 18x1 мм и алюминиевых пластин 80x56x0,3 мм, нанизанных с шагом 5 мм, могут рассеять до 750 Вт/м при температуре кипения.

Термическая нагрузка на теплоноситель

  Гликолевые компоненты теплоносителя и ингибиторные добавки могут становиться нестабильными при высоких температурах и разлагаться с образованием осадков в виде хлопьев и твердых частиц. Нормальная эксплуатация гелиосистемы не подразумевает термической нагрузки на теплоноситель. Однако периоды стагнации могут вызвать преждевременное старение теплоносителя, поэтому их необходимо по возможности избегать. Коллекторы с хорошей способностью к опорожнению лучше переносят термическую нагрузку на теплоноситель, так как во время стагнации действию высоких температур (температуры кипения от 130°С до 155°С) подвергается небольшой объем теплоносителя, остающийся в коллекторе.

  В коллекторах с плохой способностью к опорожнению довольно значительный объем теплоносителя может подвергаться длительным термическим нагрузкам (кипение и испарение). Результатом кипения становится преимущественно испарение воды из теплоносителя (фрактальная дистилляция) и вследствие этого - повышение концентрации в остаточной жидкости гликоля и ингибиторов. Это локальное повышение концентрации приводит к локальному повышению температуры кипения. Процесс продолжается до тех пор, пока высококонцентрированная жидкость не прекратит испаряться, и чем длительнее этот процесс, тем сильнее теплоноситель подвергается старению (для чистого гликоля температура кипения превышает 210°С при давлениях, характерных для состояния стагнации). Высокая температура пара внутри коллектора не так критична, так как пар содержит преимущественно воду и лишь незначительную долю гликоля.

Шок давления конденсации

  Укладка и направление труб внутри и снаружи коллектора играют большую роль в возникновении «шока конденсации». Не все случаи изучены досконально, но есть ряд явлений, которые хорошо известны. Например, при длинных горизонтальных трубах или провисаниях на горизонтальных трубах, то есть в местах, где пар может находиться закрытым с двух сторон жидким теплоносителем при конденсации пара происходит схлопывание двух жидкостных объемов или удар жидкости о стенки трубопровода, что сопровождается акустическим шумом.
  Коллектор с хорошей способностью к опорожнению не склонен к массовому генерированию подобных хлопков, но коллектор с плохой способностью к опорожнению имеет намного больший потенциал формирования подобного схлопывания. Это объясняется тем, что в таких коллекторах происходят резкие колебания давления, что способствует образованию карманов, заполненных паром, посреди жидкостного объема.

  Схлопывания могут вызвать некомфортный уровень акустического шума, хотя скачки давления при этом умеренные ( ~0,1 бар) и обычно не вызывают срабатывания предохранительного клапана. Но в самой зоне схлопывания скачки давления могут быть более интенсивными, поэтому нельзя полностью исключать это явление как причину возникновения нештатных ситуаций.

  Для предотвращения массовых схлопываний в коллекторах с хорошей способностью к опорожнению и гелиосистемах в целом следует избегать длинных горизонтальных участков труб, труб которые имеют провисания иле имеют нисходящий уклон вниз к коллектору (по ходу движения теплоносителя).