VLIV STAGNAČNÍCH STAVŮ NA SOLÁRNÍ SOUSTAVY Petr Kramoliš, samost. projektant Mojmír Vrtek, VŠB - TU Ostrava Stanislav Plaček, VŠB - TU Ostrava
Báňská Bystrica 2012
1
Proces stagnace Fáze 1 – Roztažení kapaliny Fáze 2 – Vytlačení kapaliny z kolektoru s prvním vytvořením páry Fáze 3 – Vyprázdnění kolektoru – fáze s nasycenou párou Fáze 4 – Vyprázdnění kolektoru – fáze s nasycenou párou a přehřátou párou Fáze 5 – Opětovné naplnění kolektoru
2
Parní výkon – dosah páry Parní výkon kolektorů
min.
max.
vakuové kolektory
160
220 W/m2
ploché kolektory
80
ploché kolektory
50
120 W/m2 špatné vyprazdňování 90 W/m
dobré vyprazdňování
1 m2 kolektoru při 70 W/m2 při 35 W/bm – dosah páry cca 2 m 110 W/m2 při 35 W/bm – dosah páry cca 3,1 m Produkce páry
min.
max.
vakuové kolektory
1,8
2,2 lt./m2 kolektoru
ploché kolektory
0,9
1,2 lt./m2 kolektoru
ploché kolektory
0,8
1,0 lt./m2 kolektoru
1 lt. páry při DN 25 cca 2,1 bm potrubí – max. 2,5 bm.
3
Závislost teploty začátku vypařování PG na tlaku 180 170 160
t [°C]
150 140 130 120
Atmosférický tlak 100 kPa Koncentrace 50%hm. PG
110 100 0
1
2
3
4
5
6
přetlak [bar] přetlak v kolektoru bar
teplota vypař. °C
2 3 5
138 148 162
vysoce selekt. účinnost výkon kol. η W/m 2 0.37 0.32 0.24
370 320 240
selektivní účinnost výkon kol. η W/m 2 0.22 0.16 0.07
220 160 70
Účinnost a výkon kolektoru v závislosti na tlaku (50% PPG, 1000 W/m2)
Tepelné ztráty potrubí
5
Vliv vytvoření páry na velikost expanzní nádoby Zvětšení objemu pro návrh EN pro soustavu 100 m2 – 90 lt. objem kolektorů roztažnost tekutiny – cca 7 – 9 %
-
tj. 8 lt.
objem kolektorů cca 0,8-0,95 lt./m2 -
tj. 80 lt. součet 88 lt.
objem páry v potrubí 1,1 lt./m2 t.j. 110 lt.
Objem pro výpočet EN: původně cca 88 lt. reálný při stagnaci 198 lt. Nutné - zkontrolovat obsah páry, zda nepronikne na citlivé komponenty ve strojovně. Pokud ano, nestačí zvětšit EN - je nutno použít chladiče a další řešení. 6
Schéma primárního okruhu soustavy
7
Stavy a komponenty ovlivňující tvorbu páry Rozhodující vliv na výkon páry má okamžik zastavení čerpadla. Ráno při nízkých teplotách a mírném záření jsou hodnoty parního výkonu nižší než v solární poledne. V oblasti regulace zařízení by se měla učinit opatření, která zabrání vzniku stagnace v poledne. Měření objemu páry v okruhu kolektoru ukázala, že v současnosti běžný výpočet objemu páry na základě obsahu fluidu v kolektoru není vhodný pro zajištění smysluplného dimenzování expanzní nádoby. Maximální objem páry je mj. ovlivněn tloušťkou izolace potrubí, typem kolektoru a jeho schopností se vyprazdňovat, tlakem v systému a interní a externí hydraulikou kolektorů. Obsah tekutiny v kolektorovém poli přitom hraje podřadnou roli.
8
Schéma zapojení kolektorů
9
Simulační model procesu vypařování Výchozí stav a předpoklady Činný objem kolektorového pole
100 litrů
Teplonosná kapalina
51% směs vody a propylenglykolu ~ Solaren
Výchozí teplota
20 °C
Výchozí absolutní tlak v soustavě
400 kPa
Maximální absolutní tlak v soustavě
700 kPa
Varianty velikostí expanzní nádoby
200, 300, 400, 1000 litrů
(otevření pojist. ventilu)
Předpoklady:
Rozložení tlaku a teploty v kolektorovém poli a vytlačené tekutině je rovnoměrné.
Kapalina v potrubí mezi kolektorovým polem a EN se chová pouze jako píst a tedy
součet objemu kolektorového pole a objemu expanzní nádoby je při všech stavech konstantní.
Expanzní nádoba je naplněna dusíkem a předpokládá se v ní konstantní teplota 20 °C. 10
Simulační model procesu vypařování Vlastnosti směsi voda - propylenglykol 260 240
700 kPaabs
220
400 kPaabs
180 160
D
140
C
100 kPaabs B
120
A
100
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
80
0.0
teplota [°C]
200
hmotnostní koncentrace PG [-]
Binární diagramy vypařování směsi voda – PG pro různé tlaky K tomuto izobarickému vypařování však v solární soustavě nedochází
11
Simulační model procesu vypařování Růst tlaku v soustavě 7.0
6.5
p [barabs]
6.0
5.5
200 300
5.0
400 4.5
1000 4.0 20
40
60
80
100
120
140
160
180
t [°C]
Průběh tlaku v soustavě v závislosti na teplotě pro různé velikosti expanzních nádob 12
Simulační model procesu vypařování Zvětšení objemu tekutiny v kolektorovém poli zvětšení objemu tekutiny resp. páry [dm3]
100 90
1000
80
1000
70 60 50
400
40
300 30
200
20
400 300
10 0 150
152
154
156
158
160
162
164
166
168
170
172
174
176
178
t [°C]
Průběh zvětšení objemu tekutiny a páry v soustavě v závislosti na teplotě pro různé velikosti expanzních nádob
13
Simulační model procesu vypařování Srovnání základních výsledků
Expanzní nádoba Začátek varu – teplota Začátek varu – tlak Odfuk – teplota Odfuk - zvětšení objemu tekutiny - z toho pára - z toho kapalina
[dm3] [°C] [kPa] [°C] [dm3] [dm3] [dm3]
200 nevyp. nevyp. 170,0 21,4 0,0 21,4
300 164 558 173,3 32,2 10,1 22,1
400 160 518 173,4 43,1 21,1 22,0
1000 155 443 173,4 107,1 85,5 21,6
14
Simulační model procesu vypařování Koncentrace odfukovaných tekutin 260 240
700 kPaabs
220
400 kPaabs
180 160
D
140
C
100 kPaabs B
120
A
100
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
80
0.0
teplota [°C]
200
hmotnostní koncentrace PG [-]
Binární diagramy vypařování směsi voda – PG pro různé tlaky 15
VLIV STAGNAČNÍCH STAVŮ NA SOLÁRNÍ SOUSTAVY Petr Kramoliš, samost. projektant Mojmír Vrtek, VŠB -TU Ostrava Stanislav Plaček, VŠB - TU Ostrava
Děkujeme za pozornost 16
