Проблематика стагнації (кипіння) в геліотермічних установках

Проблематика стагнації (кипіння) в геліотермічних установках

Зростання цін на енергоносії спонукає все більше користувачів інвестувати в альтернативні джерела енергозабезпечення. Основна сфера застосування теплових сонячних установок – це забезпечення гарячого водопостачання, проте останнім часом зростає тенденція використання геліотермічних установок для підтримки опалення. В таких уставках застосовується більша площа колекторів, для отримання достатньої кількості теплової енергії в опалювальний сезон, що призводить до значно довшого часу стагнації установки в літній період.

Під час стагнації (кипіння) утворюються високі термічні навантаження, проте в більшості випадків це не становить загрози геліотермічній установці. Значного навантаження зазнає теплоносій. При температурі понад 160° починається процес розпаду незамерзаючої суміші , в основу якої входить пропіленгліколь. Це обумовлює швидке „старіння“ теплоносія, утворення повітря в геліоконтурі і руйнацію теплоносія. В результаті чого утворюються смолоподібні продукти розпаду рідини, які налипають на внутрішні стінки системи трубопроводів колектора, що призводить до звуження діаметру, зменшення об‘ємного потоку і зниження продуктивності установки. В найгіршому випадку це може призвести до виходу з ладу сонячного колектора.

За останні 10 років продуктивність колекторів значно зросла, що також призводить до збільшення ризику під час стагнації установки. Як наслідок – температура стагнації у вакуумних колекторах може сягати понад 300°С.

Проблематика стагнації в сонячних колекторах практично не відображена в україномовних джерелах, хоча досить добре досліджена в рамках європейського дослідницького проекту CRAFT‐JOULE‐Program: Stagnation Technology for Thermal Solar Systems, 1999‐2000. Дана стаття базується на роботі німецького професора Касельського Університету Йона Шойрена „Дослідження процесів стагнації в геліотермічних установках“ (Jörn Scheuren, „Untersuchungen zum Stagnationsverhalten solarthermischer Kollektorfelder“ 2008).

Характеристика процесів режиму стагнації

Термін “стагнація геліотермічної установки” означає  стан або час коли в контурі геліотермічної установки не відбувається теплообмін, тобто абсорбована теплова енергія сонячних променів не надходить до акумулюючої ємності (бойлера), що також означає кипіння теплоносія в колекторі. Причиною зупинки роботи геліотермічної установки може бути повністю нагріта акумулююча ємкість, дефект насосної станції або знеструмлення. Вперше детальне дослідження процесу стагнації було описано авторами Хауснер і Люстіг в 2002 році. На основі зроблених замірів вони виділяють п‘ять фаз режиму стагнації:

І Фаза – розширення теплоносія

Після вимкнення насосу сонячного контуру зростає температура в колекторі, в найгарячішому місці виникає пар. В цей момент відбувається легке збільшення тиску в геліотермічному контурі , спричинене розширенням рідини.

ІІ Фаза – витиснення теплоносія з колектора

Утворений пар витискає рідкий теплоносій з колектора. Об‘єм пару в колекторі швидко збільшується, що призводить до швидкого зростання тиску. Температура кипіння збільшується. Друга фаза являється завершеною коли пар досяг гідравлічних з‘єднань колектора.

Для подальшого проходження процесу стагнації друга фаза являється вирішальною. Чим більше теплоносія буде витіснено з колектору тим менше рідини залишається для утворення пару

ІІІ Фаза – кипіння теплоносія в колекторі

Теплоносій, який не був витісненим з колектору, лише шляхом кипіння і перетворення в пару виходить з колектору. Об’єм пару і тиск в геліотермічному контурі продовжує збільшуватись і досягає свого максимального значення.

IV Фаза – збільшення концентрації пропіленгліколю

Після досягнення максимального значення тиску в геліоконтурі, кількість теплоносія в колекторі продовжує зменшуватись. Оскільки теплоносій в геліоконтурі – це суміш води і пропіленгліколю то при утворені пари в колекторі збільшується концентрація гліколю в суміші. Температура кипіння чистого гліколю вища, що призводить до подальшого зростання температури в колекторі та обумовлює більше термічне навантаження на теплоносій. По завершенню четвертої фази кількість пари в трубопроводі зменшується і лише колектор залишається заповненим паром.

V Фаза – заповнення колектору теплоносієм

При зменшенні потужності сонячного випромінювання зменшується температура в колекторі, що призводить до конденсації пари. В геліотермічному контурі знижується тиск, мембрана в розширювальному баку витискає теплоносій і таким чином система самостійно заповнюється.

Деградація властивостей теплоносія

В більшості геліотермічних установок в ролі теплоносія використовується суміш незамерзаючої рідини, яка складається на 60% з води і 40% пропіленгліколю, який захищає систему трубопроводів від впливу низької зовнішньої температури. Звичайна вода в ролі теплоносія застосовується лише в геліотермічних установках компанії Paradigma або в сезонних, термосифонних установках.

Окрім функції незамерзаючої рідини теплоносій повинен відповідати наступним критеріям: мати не токсичні властивості, низьку в‘язкість, оптимальну ціну, високу теплопровідність, захищати компоненти установки від корозії і мати довгий строк експлуатації. Водно-гліколева суміш це комбінація різних присадок , таких як інгібітори (присадка, що сповільнює чи зупиняє перебіг хімічних реакцій), стабілізатори та лужні сполуки, які знижують показник рН, за рахунок чого знижується корозійний вплив рідини на компоненти установки і збільшується термін експлуатації.

Одним з недоліків поліпропіленгліколю являється повільний розпад рідини під впливом окислення і термічного навантаження. В результаті окислення виникають органічні кислоти, які знижують показники рН, що призводить до корозійного впливу на компоненти геліотермічної установки. Лужні сполуки, які додаються до рідини нейтралізують органічні кислоти, але з часом їхня частка зменшується. Вони визначають резерв лужності рідини у відсотковому значенні. Резерв лужності – це своєрідний індикатор, що показує залишок антикорозійних властивостей теплоносія. За даними виробника гліколевих рідин фірми Tyforop Chemie, яка виробляє найпоширеніший теплоносій для геліотермічних установок „Tyfocor“, його заміна необхідна в тому випадку, коли резерв лужності складає 10%, в початковому стані цей показник дорівнює 100%.

Пошкодження в результаті деградації властивостей теплоносія

Висока температура в колекторі, яка може бути спричинена стагнацією установки, призводить до термічного розпаду теплоносія. При температурах понад 160°С виникають активні сполучення, які призводять до деградації лужних сполук. Висока температура слугує каталізатором даного процесу. Під час стагнації теплоносій витісняється з колектора під дією пари, але в вакуумних колекторах проточного типу (колектори з u – подібною або з коаксіальною трубкою) рідина не витісняється в повному об‘мі. Теплоносій, який залишився в колекторі піддається впливу високої температури і відсоткова частка пропіленгліколю в суміші зростає, що призводить до збільшення температури кипіння. Пропіленгліколь починає википати, в колекторі утворюються смолоподібні, полімерні продукти розпаду, які не розчиняються в рідині і можуть повністю забити систему трубопроводів колектору.

Розпад теплоносія викликаний процесом стагнації може призвести до тотального пошкодження геліотермічної установки.

Існує безліч стратегій, які дозволяють знизити навантаження на установку під час стагнації, деякі з них враховуються під час планування. Головне завдання знизити можливість утворення пару в колекторі і запобігти перегріву теплоносія. Досягнення даного результату можливе декількома шляхами. Одним із способів захисту системи від перегріву є виконання гідравлічної схеми за принципом системи Драйн Бек (Drain-Back), тобто при досягненні критичної температури, вимикається насос геліоконтуру і теплоносій зливається в додаткову ємкість. Деякі виробники пропонують використовувати спеціальні радіатори для охолодження теплоносія або акумулюючої ємкості. Інші пропонують охолоджувати акумулюючу ємкість через колектор в нічний період часу.

При використанні води в ролі теплоносія геліотермічних установок дана проблематика втрачає свою актуальність. Вода не змінює хімічних властивостей переходячи з одного агрегатного стану в інший. Також вода володіє кращими фізико-хімічними властивостями, що дає змогу за одиницю часу закумулювати більшу кількість теплової енергії в певному об‘ємі і потребує менше часу і площі теплообміну при передачі енергії. Головною перевагою води являється ціна, що не впливає на ріст поточних витрат в процесі експлуатації геліотермічної установки.

Джерело 

Розкажіть про свої враження або задайте запитання