61 Stagnační chování solárních soustav a vliv na návrh jejich prvků

1/61

Stagnační chování solárních soustav a vliv na návrh jejich prvků  stagnace  teplonosná kapalina  potrubí  tepelné izolace

 pojistný ventil  expanzní nádoba

2/61

Stagnace  stav bez odběru tepla z kolektoru v době příjmu slunečního záření  příčiny:  zásobník (spotřebič tepla) dosáhne požadované teploty, regulátor zastaví oběhové čerpadlo  výpadek elektrické energie  neoprávněný zásah do soustavy (uzavření větve)  důsledky  v kolektoru se zvyšuje teplota  nastává rovnovážný stav: příjem energie = tepelná ztráta  kolektor dosahuje maximální teploty při daných podmínkách  var teplonosné látky, tvorba páry a její pronikání do rozvodů

3/61

Stagnační teplota  záleží na okrajových podmínkách  smluvní extrém: G = 1000 W/m2, te = 30 °C, stanoví se  z průsečíku křivky účinnosti s osou redukovaného teplotního spádu t t  t stg  30  1000   m e   G   0

 z kladného kořene paraboly křivky účinnosti a1  a12  4  0  a 2  G  tm  te      2  a2  G  G   0

4/61

Stagnační teplota typ kolektoru

tstg [°C]

nezasklený kolektor

50 - 65

zasklený neselektivní kolektor

90 – 110

zasklený selektivní kolektor

150 – 180

trubkový vakuový kolektor

250 - 300

na stagnační (nejvyšší) teploty by kolektor měl být navrhován z hlediska spolehlivosti

v provozu se teploty při stagnaci pohybují níže v závislosti na klimatických podmínkách (nižší hladiny ozáření, nižší teploty)

5/61

Stagnační chování  (f1) kapalina se roztahuje  (f2) dosahuje bodu varu (při daném tlaku), začíná var  objevují se bublinky, sytá pára, vytlačování kapaliny z kolektorů  (f3) zbylá kapalina v kolektoru se odpařuje  vyplňování objemu kolektoru sytou párou, vysoký odvod tepla  (f4) pára v kolektoru se přehřívá

 po vyprázdnění kolektoru stabilní stav za trvajícího sl. záření  (f5) pokles teploty kolektoru při poklesu slunečního záření

 kondenzace, kapalina vyplňuje kolektor

6/61

Stagnační chování

7/61

Vyprazdňování kolektorů dobré

špatné

8/61

Zpětná klapka

správně

špatně

9/61

Teplonosná látka  odolná vůči cyklickým změnám skupenství  provoz při nižším tlaku (200 – 300 kPa)  nižší bod varu (120 – 140 °C)

ovlivněn pouze zlomek objemu kolektoru

 vhodné pro kolektory s dobrým vyprazdňováním  zpětná rozpustnost inhibitorů koroze  odolná vůči tepelné degradaci

 provoz při vyšším tlaku (500 – 1000 kPa)  vysoký bod varu (nedochází k vypařování)

ovlivněn celý objem kolektoru

 vhodné pro kolektory se špatným vyprazdňováním

10/61

Ochrana proti problémům  kolektory s dobrou vyprazdňovací schopností  správné umístění zpětné klapky  volba teplonosné kapaliny  správný návrh expanzní nádoby – respektování tvorby páry  správné dimenzování potrubí – funkce zásobníku kapaliny zpomalující průnik páry

 teplotní odolnost všech prvků solární soustavy (potrubí, izolace, ...)  sklon kolektorů – fasádní kolektory výrazně omezují letní špičky  drain back soustavy – samovolné vyprázdnění kapaliny kolektorů v době mimo provoz oběhového čerpadla

11/61

Teplonosné kapaliny pro solární soustavy  požadavky  druhy  vlastnosti

12/61

Požadavky  nízký bod tuhnutí, vysoký bod varu  celoroční provoz (-25 až -30 °C)  stagnace (ploché až 200 °C, trubkové až 300 °C)  vhodné tepelně-fyzikální vlastnosti  vysoká tepelná kapacita, vysoká tepelná vodivost (přenos tepla)  nízká viskozita (tlakové třecí ztráty)

 teplotní odolnost a dlouhodobá stabilita vlastností  vysoké teploty (stagnace)

 omezení vylučování aditiv, snižování pH

13/61

Požadavky  ochrana proti korozi  antikorozní aditiva (skupiny inhibitorů), životnost soustavy  kompatibilita s ostatními materiály  těsnění, potrubí  bezpečnost  nehořlavé, nevýbušné, netoxické, biologicky odbouratelné

 nízká cena

14/61

Typy solárních kapalin  voda  netoxická, nehořlavá, levná, vysoká tepelná kapacita, nízká viskozita  omezený teplotní rozsah použití (sezónní soustavy), může způsobovat korozi či vylučování minerálních látek  etylenglykol  nemrznoucí směs s vodou, jedovatý, relativně nízká viskozita  propylenglykol  nemrznoucí směs s vodou, vysoká viskozita závislá na teplotě, nízká tepelná kapacita (o cca 20 % nižší než u vody), nutnost inhibitorů koroze, stabilizátorů a dalších přísad

15/61

Stagnace x propylenglykol  cyklická změna skupenství  vylučování inhibitorů na vnitřních stěnách registru absorbéru  nutná zpětná rozpustnost inhibitorů koroze  kapalné inhibitory  degradace, zvýšení kyselosti (klesá pH), pevné usazeniny  teplotní zátěž

 tepelný rozklad směsi při vysokých teplotách  oxidační reakce, tvorba organických kyselin, pokles pH

 neutralizace zvýšenou zásaditostí původní kapaliny

16/61

Stagnace x propylenglykol běžné solární kapaliny pH=8.2

pH=6.8

ploché kolektory 150 °C

pravidelné zkoušení pH

trubkové kolektory 300 °C

17/61

Vlastnosti teplota tuhnutí TF

 ... hmotnostní podíl glykolu ve směsi s vodou

TF  A0  A1  A2 2 273,15

hustota, tepelná vodivost, měrná tepelná kapacita 273,15 273,15  273,15  Px  A1  A2  A3  A4  A5   T T  T 

2

dynamická viskozita, Prandtlovo číslo 273,15 273,15  273,15  lnPx   A1  A2  A3  A4  A5   T T  T 

2

zdroj: Conde, M.: Thermophysical properties of brines – Models, Conde Engineering, http://www.mrc-eng.com, Zurich 2002.

18/61

Vlastnosti propylenglykol l

m

[kg/m3]

cp [kJ/kg.K]

[W/m.K]

0

-

-

1

508,41109

2

Parametr A

r

[Pa.s]

Pr [-]

TF [K]

-

-

-

1,0

4,47642

1,18886

-1,02798

6,66139

-0,03736

-182,40820

0,60863

-1,49110

-10,03298

-6,99440

-0,40050

3

965,76507

-0,71497

-0,69682

-19,93497

-18,55114

-

4

280,29104

-1,93855

1,13633

14,65802

12,04640

-

5

-472,22510

0,47873

0,06735

14,62050

14,47735

-

zdroj: Conde, M.: Thermophysical properties of brines – Models, Conde Engineering, http://www.mrc-eng.com, Zurich 2002.

19/61

Vlastnosti propylenglykol hustota

dynamická viskozita

měrná tepelná kapacita

objemová roztažnost

20/61

Vliv vlastností propylenglykolu  na účinnost kolektoru  změna není příliš výrazná (1 %) oproti vodě (zkušebna)

21/61

Vliv vlastností propylenglykolu  na hydrauliku solární soustavy  vyšší viskozita, laminární proudění (třecí ztráty, místní ztráty)  výrazná závislost viskozity na teplotě, změna hydraulického chování soustavy při zahřátí (posun pracovního bodu)

22/61

Kinematická viskozita 

7

2

[mm /s]

6 propylenglykol+voda 5

voda

4 3 2 1 0 20

40

60

t [°C]

80

100

23/61

Vliv vlastností propylenglykolu  na přenášený výkon, výměníky tepla  nižší tepelná kapacita, laminární proudění = nižší výkon u výměníků tepla  na účinnost oběhového čerpadla

 hydraulická charakteristika se nezmění (oproti vodě)  pokles účinnosti čerpadla vlivem vyšších třecích ztrát v těle čerpadla  na velikost expanzní nádoby  objemová roztažnost propylenglykolu (50/50) je vyšší než u vody

24/61

Potrubí a izolace pro solární soustavy  požadavky  materiály  návrh světlosti potrubí  návrh tloušťky izolace

25/61

Potrubí a izolace

 potrubí – propojuje zdroj a spotřebič

 izolace – zabraňuje tepelným ztrátám

26/61

Obecné požadavky  funkčnost  musí odpovídat typu a použití soustavy  životnost  odolnost vůči tlakům a teplotám, stárnutí, atmosférickým vlivům  energetická náročnost  potrubí – nízké třecí ztráty (drsnost), vliv na spotřebu čerpací práce a el. energie pro pohon čerpadel  tepelná izolace – nízké tepelné ztráty, vliv na účinnost a zisky soustavy, potřebu záložní energie

27/61

Potrubí - materiály  plastové (EPDM)  pouze bazénové aplikace  EPDM, polypropylen, polyester, polyetylen

 s ochranou proti UV záření

28/61

Potrubí - materiály  měděné potrubí  nízká drsnost (k = 0,001 mm), neovlivňuje zpravidla součinitel třecí tlakové ztráty (laminární proudění)  (+) jednoduché spojování (pájení, lisované spoje)  (+) stejný materiál jako kolektory, nulový el.-chem. potenciál  (–) cena, zvláště při d > 28 mm

29/61

Potrubí - materiály  ocelové bezešvé  vyšší drsnost (k = 0,02 mm), neovlivňuje zpravidla součinitel třecí tlakové ztráty (laminární proudění)  (–) svařování, závity  (– – –) pozinkované chemické reakce zinek-glykol  (+) cena, zvláště při větších světlostech

30/61

Potrubí - materiály  nerez ocel (vlnovec)  (–) vyšší tlakové ztráty  (–) cena  (+) hygienický atest pro pitnou vodu  (+) ohebné (ro = 2D), tvarovatelné (kombiflex)  (+) rychlá a jednoduchá montáž

31/61

Potrubí - materiály  kompaktní potrubní systémy  flexi nebo Cu potrubí minerální nebo kaučuková izolace kabel čidla  ochranná vrstva

32/61

Vedení potrubí  vedení potrubí  výstupní potrubí vést co nekratší cestou (tepelné ztráty)  Tichelmannův rozvod na vstupním potrubí do kolektoru nebo  vyvažovací ventily (teplotní odolnost !)  co nejméně potrubí ve venkovním prostředí (odolná izolace)

 potrubí nevést v nejvyšším místě (korozní potenciál)  řádné odvzdušnění soustavy

33/61

Vedení potrubí

34/61

Vedení potrubí  délková dilatace – tepelná roztažnost  pevné body x dilatační prvky (U smyčky, ohyby, kompenzátory)  zpravidla každých 10 až 15 m

35/61

Návrh světlosti potrubí  požadovaný průtok kolektorovým polem  soustavy s nízkým průtokem (low-flow): 10 až 20 l/h.m2 vysoké DT na kolektorech 25 až 40 K  soustavy s vysokým průtokem (high-flow): 50 až 100 l/h.m2 nízké DT na kolektorech 5 až 10 K  ekonomická rychlost, ekonomický tlakový spád  rychlost v potrubí 0,2 až 0,6 m/s (analogicky jako u otopných soustav)

36/61

Návrh světlosti potrubí tlakový 1500 spád 1000 [Pa/m] 500 300

200 100 50 30 20

průtok [l/h]

37/61

Návrh světlosti potrubí Návrhové tabulky (tlakový spád, rychlost, průtok, světlost) voda: Laboutka, K., Suchánek, T.: Výpočtové tabulky pro vytápění (Sešit projektanta č. 9). Společnost pro techniku prostředí, Praha 2001. propylenglykol-voda (Solaren): Kramoliš, P., Vrtek, M.: Tabulky pro stanovení hydraulické ztráty třením v kruhovém potrubí a hydraulické ztráty místními odpory při proudění teplonosné kapaliny Solaren. Technické vydavatelství Praha, 2004. ISBN 80-803261-1-0 analytické vztahy (etylenglykol, propylenglykol): Matuška, T.: Solární tepelné soustavy. Sešit projektanta č. 1. STP 2009.

38/61

Návrh světlosti potrubí  požadovaná max. světlost potrubí  světlosti Cu potrubí > 28 x 1.5 mm velmi drahé  dělení primárního okruhu do větví

2500 Kč/m 2000

1500

1000

500

x 28 1 x1 , 35 5 x1 , 42 5 x1 ,5 54 x2 64 x2 76 x2 89 10 x2 8x 2, 5

28

12

 požadovaný objem potrubí

x1

0

 objem potrubí jako ochrana expanzní nádoby proti pronikání páry při stagnaci  Vp = (0,5 až 1,0)Vk; Vp = VEN/2

39/61

Tepelná izolace - požadavky  odolnost vůči teplotám  v blízkosti kolektoru: stagnační teploty minimálně 150 °C až 250 °C  vzdálenější místa: provozní teploty max. 120 °C

40/61

Tepelná izolace - požadavky  odolnost vůči venkovnímu prostředí  vlhkost zvýšení tepelných ztrát degradace izolace nenasákavá izolace  UV záření (–) kaučukové izolace  ptáci, hlodavci vyzobávání, vykusování (–) kaučukové izolace

41/61

Tepelná izolace – materiály  EPDM pěny, syntetický kaučuk  (+) nízká tepelná vodivost  (+) nenasákavost uzavřená struktura

 (+) UV ochrana  (–) potrava pro ptáky

 teplotní odolnost: 170 °C krátkodobě 130 °C dlouhodobě

42/61

Tepelná izolace – skelná vlna  skelná a minerální vlna  (+) odolnost vůči UV záření  (–) otevřená struktura nutnost uzavírat do krytu, hliníková folie, oplechování  (+) dlouhodobá odolnost do 280 °C

43/61

Tepelná izolace – oplechování

44/61

Tepelná izolace – tepelné mosty

úchyty, objímky armatury čerpadla výměníky tepla

45/61

Návrh tloušťky izolace  legislativa pro tepelné soustavy  vyhláška 193/2007 Sb.  požadavek na minimální součinitel prostupu tepla U [W/m.K] U

  d  2  s iz ln e 2liz  de 1

Q z  U  L  t w  t e 

 1 1      e d e  2  s iz 

Cu požadavek 0,035 0,040 de UN siz siz [mm] [W/m2.K] [mm] [mm] 18

0,15

25

34

22

0,15

32

43

28

0,18

29

38

35

0,18

38

48

42

0,18

46

59

46/61

Návrh tloušťky izolace  optimalizační výpočet

120

(vyhláška 193/2007, § 2, odst. 3)

 cena solárního tepla

 hospodárná tloušťka izolace

náklady [Kč/m]

 cena izolace

celkem

100 80

provoz

60 40 20

investice

0 6

9

13

20

25

tloušťka izolace [mm]

 typické hodnoty

 tloušťka izolace = světlost potrubí

de [mm]

siz [mm] *

< 22

20

28 až 42

30

> 42

siz = de

* ČSN EN 12976-2: Tepelné solární soustavy a součásti - Soustavy průmyslově vyráběné. Kapitola 12. ČNI 2006

47/61

Pojistná a zabezpečovací zařízení  tlaky v solární soustavě  pojistný ventil  expanzní nádoba

48/61

Pojistná a zabezpečovací zařízení  pojistný ventil  chrání primární okruh solární soustavy proti nedovolenému tlaku  expanzní nádoba  umožňuje změny objemu teplonosné kapaliny vlivem tepelné objemové roztažnosti bez nedovoleného zvýšení tlaku a zbytečných ztrát kapaliny způsobených otevřením pojistného ventilu a to ani v případě stagnace neexistují zvláštní normy pro jejich návrh v solárních soustavách, analogie s klasickými topenářskými, úprava vzhledem k odlišnostem

49/61

(Pře)Tlaky v solární soustavě otevírací tlak pojistného ventilu pPV maximální provozní tlak pe

pe  pPV  20 kPa

pro pPV  300 kPa

pe  0,9  pPV

pro pPV  300 kPa

rozsah provozních tlaků soustavy ovlivňuje návrh expanzní nádoby p 0  h s  r  g  pd

plnicí tlak p0 hydrostatický tlak ph

minimální provozní tlak v nejvyšším místě pd = 20 kPa až ... kPa

50/61

Pojistný ventil  volba pojistného tlaku  musí respektovat tlakovou odolnost prvků soustavy  ovlivňuje velikost expanzní nádoby  musí odpovídat volbě strategie potlačení nepříznivých účinků stagnace  s změnou skupenství  beze změny skupenství

51/61

Teplota varu

p0

pe

52/61

Pojistný výkon  maximální tepelný výkon kolektorového pole při G = 1000 W/m2

Q p  0  Ak  G  vnitřní průměr pojistného potrubí

d p  15  1,4 Q p ne méně než 19 mm

53/61

Pojistný ventil - určení velikosti  stanovení průřezu pro odvod výkonu v páře  výpočet průtočného průřezu sedla ventilu Q p mm2 So  v  K v

výtokový součinitel [-]

K

konstanta (k dispozici pro sytou vodní páru), [kW/mm2]

Qp

pojistný výkon [kW]

pot [kPa]

250

300

350

400

450

500

550

600

700

800

900

1000

K [kW.mm-2] 1,12

1,26

1,41

1,55

1,69

1,83

1,97

2,1

2,37

2,64

2,91

3,18

54/61

Umístění pojistného ventilu  pojistný ventil musí být umístěn v pojistném úseku  zajištěn volný odtok, bez akumulace nečistot  musí být pravidelně kontrolován  ČSN EN 12828  v pojistném úseku nesmí být uzávěr  pojistný úsek – tlaková ztráta nesmí přesáhnout 3 % otevíracího přetlaku při požadovaném průtoku

55/61

Umístění pojistného ventilu  pojistný průtok (pro páru)

m p  rp

Q p [kW ] rp [kJ/kg ]

[kg/s ]

výparné teplo páry při otevíracím tlaku [kJ/kg]

56/61

Umístění pojistného ventilu

57/61

Expanzní nádoba  uzavřené soustavy  tlaková expanzní nádoba s membránou

58/61

Návrh expanzní nádoby  minimální objem expanzní nádoby  min. objem kapaliny v EN ve studeném stavu Vs  1 – 10 % objemu solární soustavy, min. 2 litry

 změna objemu kapaliny v solární soustavě V objemovou roztažností b z teploty t0 = 10 °C na tmax = 90 až 130 °C

 pohlcení objemu kolektorů Vk vytlačeného při stagnaci (případně i přívodních potrubí – změna v parní skupenství)

VEN,min  Vs  V  b  Vk

59/61

Součinitel objemové roztažnosti b

v (t max )  v (t 0 ) r (t 0 )  1 v (t 0 ) r (t max )

60/61

Návrh expanzní nádoby  stupeň využití expanzní nádoby pe  p 0  pe  pb

pe

maximální tlak v solární soustavě

p0

minimální tlak v solární soustavě

pb

atmosférický tlak (100 kPa)

VEN

pe  100  Vs  V  b  Vk   pe  p0

(x 1.3)

výběr EN s nejbližším vyšším objemem z řady

61/61

Umístění expanzní nádoby správně

přednastavení tlaku EN: pv = p0 – 30 kPa

nesprávně