Стагнація геліосистем

Сонячні колектори генерують теплову енергію постійно за наявності сонячної енергії. Іноді це  спричиняє несприятливі процеси, такі як стагнація геліосистеми або процес застою. Це відбувається тоді, коли відбір тепла в системі неможливий або недоцільний. Цей процес несприятливий для геліосистем, проте не варто вважати його аварійним. Уникнути його практично неможливо і тому необхідно дотримуватись ряду рекомендацій для запобігання негативному впливу процесу застою.

Стагнація геліосистеми найчастіше відбувається у літній час у комбінованих геліосистемах з відбором енергії на опалення через надлишки теплової енергії влітку. Стагнація відбувається у будь-яких інших сонячних системах при відключенні електроенергії або при відсутності споживання гарячої води.

Процес стагнації виникає у момент відключення циркуляції у контурі геліосистеми за наявності сонячного випромінювання. При цьому температура теплоносія у сонячних колекторах зростає до максимального значення та перевищує температуру кипіння, внаслідок чого відбувається випаровування рідини в колекторі. Внаслідок різко зросте тиск у геліоконтурі.

Процеси, що відбуваються в сонячному колекторі під час стагнації геліосистеми

1. Розширення рідини

При зупинці насоса температура в колекторі зростає, доки не буде досягнуто температури кипіння теплоносія. Тиск при цьому зросте трохи, приблизно на 1 бар.

2. Випаровування теплоносія

Велика кількість рідини витісняється в розширювальний бачок через формування в колекторі насиченої пари. В результаті тиск у системі починає зростати швидше. Рідина з близькою температурою до температури кипіння може дійти до компонентів геліоконтуру, піддаючи їх температурному стресу.

3. Кипіння в колекторі

Теплоносій, що залишився в колекторі починає випаровування і поширює енергію у вигляді пари по системі. При цьому можливе нагрівання деяких компонентів системи до температури кипіння при конденсації теплоносія.

4. Перегрів

Теплоносій продовжує випаровуватися, і в колекторі утворюється перегріта пара. При цьому дещо зменшується тиск, а колектор стає практично сухим.

5. Заповнення теплоносія

При зменшенні сонячної інсоляції, температура в колекторі та тиск у геліосистемі знижується. Пароподібний теплоносій конденсується і сонячні колектори знову заповнюються рідким теплоносієм.

Пароутворення в геліосистемі може бути незначним, внаслідок цього зменшується негативний вплив стагнації на компоненти сонячної системи, особливо це стосується теплоносія. Для цього необхідно, щоб третя фаза стагнації була якомога коротшою. Це відбувається тоді, коли у другій фазі теплоносій повністю витісняється з колекторів та практично не кипить у них.

Здатність до спорожнення сонячних колекторів

Ця властивість називається здатністю до випорожнення колектора. У різних геліоколекторних полів і окремо взятих колекторів ця здатність різна і залежить від багатьох факторів, таких як прокладання магістралі, об’єм розширювального бака, кут нахилу колекторів і тип сонячного колектора. У плоских сонячних колекторів, як правило, здатність до спорожнення вище, ніж у трубчастих вакуумних колекторів. Тому дуже важливо на стадії проектування та монтажу врахувати фактори, які б сприяли поліпшенню здатності до випорожнення геліополя.

Графік залежності тиску в сонячних колекторах для різних сонячних колекторів під час стагнації (дослідження)

Заходи щодо зниження впливу стагнації геліосистеми

Якщо все ж таки неможливо досягти максимальної здатності до спорожнення сонячних колекторів, слід застосовувати ряд заходів, які мінімізують негативний вплив під час стагнації геліосистеми, або перешкоджатимуть її виникненню.

Розширювальний бак повинен компенсувати об’єм теплоносія під час закипання.

Необхідно правильно розрахувати об’єм розширювального бака, щоб він зміг компенсувати весь теплоносій з урахуванням об’єму в сонячних колекторах.

Формула за якою можна розрахувати мінімальний об’єм мембранного розширювального бака:

• V_З –об’єм заповнення геліоконтуру, л;
• V_К – ємність сонячного колектора, л;
• n – коефіцієнт розширення (для води при нагріванні від 20 до 100 °С n = 0,042);
• n_К – кількість сонячних колекторів;
• p₀ – тиск наповнення системи, бар;
• p_max – тиск у системі при стагнації, бар.

Величина p₀ вираховується:

p₀ = 0,1·h_стат. + 0,7,  где

• h_сртат. – висота в метрах між серединою розширювального бака та найвищою точкою геліосистеми.

Тиск у стані стагнації, що позначається як p_max, бар, вибирається з умови:

p_max ≤ p_ПК – 0,2 для p_ПК ≤ 3 бар;
p_max ≤ 0,9 · p_ПК для p_ПК > 3 бар,

• p_ПК – тиск спрацьовування запобіжного клапана.

Застосування попереднього бака або теплообмінника охолоджувача

Видалення енергії від колекторів через пару під час стагнації. Цей варіант знижує термічне навантаження лише на компоненти системи (на теплоносій вплив не знижується) вже під час стагнації геліосистеми. При слабкій здатності до спорожнення в колекторах, пара може досягти деяких компонентів системи і вивести їх з ладу. Особливо можуть постраждати циркуляційний насос та мембрана розширювального бака. Для запобігання попаданню високих температур на ці компоненти використовують спеціальні проміжні теплообмінники та проміжні баки.

Схема реалізації захисту розширювального бака

Енергія пари та радіус її дії

Питомий об’єм і радіус поширення пари, що утворився під час третьої фази, залежить від здатності випорожнення колекторного поля та від питомих тепловтрат у колекторах і трубопроводах. Приблизні значення питомої потужності пароутворення для систем, що добре спорожняються, дорівнює 50-60 Вт/м² в той час як для погано спорожнюваних систем 120-200 Вт/м². Розрахувавши радіус дії пари, беручи до уваги довжину магістралі геліосистеми, ми зможемо оцінити чи досягне пара до вразливих компонентів системи. Якщо цей процес неминучий, необхідно підібрати відповідні заходи (проміжний теплообмінник чи бак).

Максимальний радіус дії пари в метрах розраховується за формулою:

Rmax = Dmax*A/Q, где

• Rmax – максимальний радіус дії пари, м;
• Dmax – максимальна потужність пароутворення, Вт/м;
• А – апертурна площа колекторів, м²;
• Q – теплові втрати трубопроводу, Вт/м.

Для прикладу розрахуємо, радіус дії пари для установки з вакуумними колекторами із загальною площею апертури рівною 4 м².

Rmax = 200 * 4/25 = 32 м

Таким чином, якщо довжина труби (в один бік) до насосного модуля буде меншою, необхідна установка попереднього бака. Для системи з плоскими сонячними колекторами аналогічної площі апертури максимальний радіус пароутворення становить приблизно 10 м, що втричі менше, ніж для вакуумних колекторів.

Принцип дії попереднього бака

Об’єм попереднього бака рекомендується підбирати не менше половини об’єму теплоносія у трубопроводах та сонячних колекторах.