Проблематика 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, однак останнім часом зростає тенденція використання геліотермічних установок для підтримки опалення. У таких уставках застосовується велика площа колекторів, для отримання достатньої кількості теплової енергії в опалювальний сезон, що призводить до значно більш тривалого часу стагнації установки в літній період.
При стагнації (кипіння) утворюються високі термічні навантаження, проте в більшості випадків це не становить загрози геліотермічні установці. Великий навантаження відчуває теплоносій. При температурі понад 160 ° починається процес розпаду незамерзаючої суміші, в основу якої входить пропіленгліколь. Це обумовлює швидке "старіння" теплоносія, освіти повітря в геліоконтуре і руйнування теплоносія. В результаті чого утворюються смоловидна продукти розпаду рідини, які налипають на внутрішні стінки системи трубопроводів колектора, що призводить до звуження діаметра, зменшення об'ємного потоку і зниження продуктивності установки. У гіршому випадку це може привести до виходу з ладу колектора.
За останні 10 років продуктивність колекторів значно зросла, що також призводить до збільшення ризику при стагнації установки. Як наслідок - температура стагнації в вакуумних колекторах може досягати більше 300 ° С.
Характеристика процесів режиму стагнації
І Фаза - розширення теплоносія
Після виключення насоса сонячного контуру зростає температура в колекторі, в гарячому місці виникає пар. У цей момент відбувається легке збільшення тиску в геліотермічні контурі, викликане розширенням рідини.
ІІ Фаза - витіснення теплоносія з колектора
Пара, що утворюється витісняє рідкий теплоносій з колектора. Обсяг пара в колекторі швидко збільшується, що призводить до швидкого зростання тиску. Температура кипіння збільшується. Друга фаза є завершеною коли пар досяг гідравлічних з'єднань колектора.
Для подальшого проходження процесу стагнації друга фаза є вирішальною. Чим більше теплоносія буде витіснений з колектора тим менше рідини залишається для утворення пари
ІІІ Фаза - кипіння теплоносія в колекторі
Теплоносій, який не був витіснений з колектора, тільки шляхом кипіння і перетворення в пару виходить колектора. Обсяг пару і тиск в геліотермічні контурі продовжує збільшуватися і досягає свого максимального значення.
IV Фаза - збільшення концентрації пропіленгліколю
Після досягнення максимального значення тиску в геліоконтуре, кількість теплоносія в колекторі продовжує зменшуватися. Оскільки теплоносій в геліоконтуре - це суміш води і пропіленгліколю то при утворені пари в колекторі збільшується концентрація гліколю в суміші. Температура кипіння чистого гліколю вище, що призводить до подальшого зростання температури в колекторі і обумовлює більш термічна навантаження на теплоносій. По завершенню четвертої фази кількість пара в трубопроводі зменшується і тільки колектор залишається заповненим паром.
V Фаза - заповнення колектора теплоносієм
При зменшенні потужності сонячного випромінювання зменшується температура в колекторі, що призводить до конденсації пари. У геліотермічні контурі знижується тиск, мембрана в розширювальному баку вичавлює теплоносій і таким чином система самостійно заповнюється.
Деградація властивостей теплоносія
У більшості геліотермічних установок в якості теплоносія використовується суміш незамерзаючої рідини, яка складається на 60% з води і 40% пропіленгліколю, який захищає систему трубопроводів від впливу низької зовнішньої температури.Обичная вода в якості теплоносія застосовується тільки в геліотермічних установках компанії Paradigma або в сезонних, термосифонних установках.
Крім функції незамерзаючої рідини теплоносія повинен відповідати наступним критеріям: мати не токсичні властивості, низьку в'язкість, оптимальну ціну, високу теплопровідність, захищати компоненти установки від корозії і мати довгий термін експлуатації. Водно-гліколева суміш це комбінація різних присадок, таких як інгібітори (присадка, уповільнює або 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 є 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 їх частка зменшується. Вони визначають резерв лужності рідини в процентному значенні. Резерв лужності - це своєрідний індикатор, який показує залишок антикорозійних властивостей теплоносія. За даними виробника гликолевих рідин фірми Tyforop Chemie, яка виробляє найпоширеніший теплоносій для геліотермічних установок "Tyfocor", його заміна необхідна в тому випадку, коли резерв лужності 10%, в початковому стані цей показник дорівнює 100%.
Пошкодження в результаті деградації властивостей теплоносія
Висока температура в колекторі, яка може бути заподіяна стагнацією установки, призводить до термічного розпаду теплоносія. При температурах понад 160 ° С виникають активні повідомлення, які призводять до деградації лужних соедіненій.Температура служить каталізатором цього процесу. При стагнації теплоносій витісняється з колектора під дією пара, але в вакуумних колекторах проточного типу (колектори з u - образної або коаксіальної трубкою) рідина не витісняється в повному обсягами. Теплоносій, який залишився в колекторі піддається впливу високої температури і процентна частка пропиленгликоля в суміші зростає, що призводить до збільшення температури кипіння. Пропіленгліколь починає википати, в колекторі утворюються смоловидна полімерні продукти розпаду, які не розчиняються в рідині і можуть повністю забити систему трубопроводів колектора.
Розпад теплоносія викликаний процесом стагнації може привести до тотального пошкодження геліотермічної установки.
Існує безліч стратегій, які дозволяють знизити навантаження на установку під час стагнації, деякі з них враховуються при плануванні. Головне завдання знизити можливість утворення пар в колекторі і запобігти перегріву теплоносітеля.Достіженіе даного результату можливо декількома шляхами. Одним із способів захисту системи від перегріву є виконання гідравлічної схеми за принципом системи Драйна Бек (Drain-Back), тобто при досягненні критичної температури, вимикається насос геліоконтуру і теплоносій зливається в додаткову ємність. Деякі виробники пропонують використовувати спеціальні радіатори для охолодження теплоносія або акумулюючої ємності. Інші пропонують охолоджувати акумулюючі ємності через колектор в нічний період часу.
При використанні води в якості теплоносія геліотермічних установок дана проблематика втрачає свою актуальність. Вода не змінює хімічних властивостей переходячи з одного агрегатного стану в інше. Також вода володіє кращими фізико-хімічними властивостями, що дозволяє за одиницю часу акумулювати більшу кількість теплової енергії в певному обсязі і вимагає менше часу і площі теплообміну при передачі енергії. Головною перевагою води є ціна, що не впливає на зростання поточних витрат в процесі експлуатації геліотермічної установки.