1/61 Stagnační chování solárních soustav a vliv na návrh jejich prvků

Transkript

1 1/61 Stagnační chování solárních soustav a vliv na návrh jejich prvků stagnace teplonosná kapalina potrubí tepelné izolace pojistný ventil expanzní nádoba

2 Stagnace 2/61 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 Stagnační teplota 3/61 záleží na okrajových podmínkách smluvní extrém: G = 1000 W/m 2, t e = 30 C, stanoví se z průsečíku křivky účinnosti s osou redukovaného teplotního spádu t stg t m t G e 0 z kladného kořene paraboly křivky účinnosti t m t G e a1 a1 4 0 a 0 2 a G G

4 Stagnační teplota 4/61 typ kolektoru t stg [ C] nezasklený kolektor zasklený neselektivní kolektor zasklený selektivní kolektor trubkový vakuový kolektor 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 Stagnační chování 5/61 (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 Stagnační chování 6/61

7 Vyprazdňování kolektorů 7/61 dobré špatné

8 Zpětná klapka 8/61 správně špatně

9 Teplonosná látka 9/61 odolná vůči cyklickým změnám skupenství provoz při nižším tlaku ( kpa) nižší bod varu ( C) vhodné pro kolektory s dobrým vyprazdňováním zpětná rozpustnost inhibitorů koroze odolná vůči tepelné degradaci provoz při vyšším tlaku ( kpa) vysoký bod varu (nedochází k vypařování) vhodné pro kolektory se špatným vyprazdňováním ovlivněn pouze zlomek objemu kolektoru ovlivněn celý objem kolektoru

10 Ochrana proti problémům 10/61 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 11/61 Teplonosné kapaliny pro solární soustavy požadavky druhy vlastnosti

12 Požadavky 12/61 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 Požadavky 13/61 ochrana proti korozi antikorozní aditiva (skupiny inhibitorů), životnost soustavy kompatibilita s ostatními materiály těsnění, potrubí bezpečnost nehořlavé, nevýbušné, netoxické, biologicky odbouratelné nízká cena

14 Typy solárních kapalin 14/61 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 Stagnace x propylenglykol 15/61 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 Stagnace x propylenglykol 16/61 běžné solární kapaliny ph=8.2 ph=6.8 pravidelné zkoušení ph ploché kolektory 150 C trubkové kolektory 300 C

17 Vlastnosti 17/61 teplota tuhnutí T F T F 273,15 A 0 A A hmotnostní podíl glykolu ve směsi s vodou hustota, tepelná vodivost, měrná tepelná kapacita P x A 1 A A ,15 T 273,15 A4 A T 5 273,15 T 2 dynamická viskozita, Prandtlovo číslo ln P x A 1 A A ,15 273,15 A4 T T A 5 273,15 T 2 zdroj: Conde, M.: Thermophysical properties of brines Models, Conde Engineering, Zurich 2002.

18 Vlastnosti propylenglykol 18/61 Parametr A r [kg/m 3 ] c p [kj/kg.k] l [W/m.K] m [Pa.s] , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Pr [-] T F [K] zdroj: Conde, M.: Thermophysical properties of brines Models, Conde Engineering, Zurich 2002.

19 Vlastnosti propylenglykol 19/61 hustota měrná tepelná kapacita dynamická viskozita objemová roztažnost

20 Vliv vlastností propylenglykolu 20/61 na účinnost kolektoru změna není příliš výrazná (1 %) oproti vodě (zkušebna)

21 Vliv vlastností propylenglykolu 21/61 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 Kinematická viskozita 22/61 [mm 2 /s] propylenglykol+voda voda t [ C]

23 Vliv vlastností propylenglykolu 23/61 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 24/61 Potrubí a izolace pro solární soustavy požadavky materiály návrh světlosti potrubí návrh tloušťky izolace

25 Potrubí a izolace 25/61 potrubí propojuje zdroj a spotřebič izolace zabraňuje tepelným ztrátám

26 Obecné požadavky 26/61 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 Potrubí - materiály 27/61 plastové (EPDM) pouze bazénové aplikace EPDM, polypropylen, polyester, polyetylen s ochranou proti UV záření

28 Potrubí - materiály 28/61 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 Potrubí - materiály 29/61 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 Potrubí - materiály 30/61 nerez ocel (vlnovec) ( ) vyšší tlakové ztráty ( ) cena (+) hygienický atest pro pitnou vodu (+) ohebné (r o = 2D), tvarovatelné (kombiflex) (+) rychlá a jednoduchá montáž

31 Potrubí - materiály 31/61 kompaktní potrubní systémy flexi nebo Cu potrubí minerální nebo kaučuková izolace kabel čidla ochranná vrstva

32 Vedení potrubí 32/61 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 Vedení potrubí 33/61

34 Vedení potrubí 34/61 délková dilatace tepelná roztažnost pevné body x dilatační prvky (U smyčky, ohyby, kompenzátory) zpravidla každých 10 až 15 m

35 Návrh světlosti potrubí 35/61 požadovaný průtok kolektorovým polem soustavy s nízkým průtokem (low-flow): 10 až 20 l/h.m 2 vysoké DT na kolektorech 25 až 40 K soustavy s vysokým průtokem (high-flow): 50 až 100 l/h.m 2 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 Návrh světlosti potrubí 36/61 tlakový spád [Pa/m] průtok [l/h]

37 Návrh světlosti potrubí 37/61 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 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, ISBN analytické vztahy (etylenglykol, propylenglykol): Matuška, T.: Solární tepelné soustavy. Sešit projektanta č. 1. STP 2009.

38 Návrh světlosti potrubí 38/61 požadovaná max. světlost potrubí světlosti Cu potrubí > 28 x 1.5 mm velmi drahé 2500 Kč/m dělení primárního okruhu do větví požadovaný objem potrubí objem potrubí jako ochrana expanzní nádoby proti pronikání páry při stagnaci V p = (0,5 až 1,0)V k ; V p = V EN / x1 28x1 28x1,5 35x1,5 42x1,5 54x2 64x2 76x2 89x2 108x2,5

39 Tepelná izolace - požadavky 39/61 odolnost vůči teplotám v blízkosti kolektoru: stagnační teploty minimálně 150 C až 250 C vzdálenější místa: provozní teploty max. 120 C

40 Tepelná izolace - požadavky 40/61 odolnost vůči venkovnímu prostředí vlhkost zvýšení tepelných ztrát degradace izolace nenasákavá izolace UV záření ( ) kaučukové izolace ptáci, hlodavci vyzobávání, vykusování ( ) kaučukové izolace

41 Tepelná izolace materiály 41/61 EPDM pěny, syntetický kaučuk (+) nízká tepelná vodivost (+) nenasákavost uzavřená struktura (+) UV ochrana ( ) potrava pro ptáky teplotní odolnost: 170 C krátkodobě 130 C dlouhodobě

42 Tepelná izolace skelná vlna 42/61 skelná a minerální vlna (+) odolnost vůči UV záření ( ) otevřená struktura nutnost uzavírat do krytu, hliníková folie, oplechování (+) dlouhodobá odolnost do 280 C

43 Tepelná izolace oplechování 43/61

44 Tepelná izolace tepelné mosty 44/61 úchyty, objímky armatury čerpadla výměníky tepla

45 Návrh tloušťky izolace 45/61 legislativa pro tepelné soustavy vyhláška 193/2007 Sb. požadavek na minimální součinitel prostupu tepla U [W/m.K] U 1 2l iz d ln e 2 s d e iz 1 e d e 1 2 s iz Cu d e [mm] požadavek U N [W/m 2.K] 0,035 0,040 s iz [mm] s iz [mm] 18 0, , , , , Q z U L t w t e

46 Návrh tloušťky izolace 46/61 optimalizační výpočet (vyhláška 193/2007, 2, odst. 3) celkem cena izolace cena solárního tepla hospodárná tloušťka izolace náklady [Kč/m] provoz investice tloušťka izolace [mm] typické hodnoty tloušťka izolace = světlost potrubí d e [mm] s iz [mm] * < až > 42 s iz = d e * ČSN EN : Tepelné solární soustavy a součásti - Soustavy průmyslově vyráběné. Kapitola 12. ČNI 2006

47 47/61 Pojistná a zabezpečovací zařízení tlaky v solární soustavě pojistný ventil expanzní nádoba

48 Pojistná a zabezpečovací zařízení 48/61 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 (Pře)Tlaky v solární soustavě 49/61 otevírací tlak pojistného ventilu p PV maximální provozní tlak p e p p e e p PV 0,9 p 20 kpa PV pro pro p p PV PV 300 kpa 300 kpa rozsah provozních tlaků soustavy ovlivňuje návrh expanzní nádoby p 0 h r g s p d plnicí tlak p 0 hydrostatický tlak p h minimální provozní tlak v nejvyšším místě p d = 20 kpa až... kpa

50 Pojistný ventil 50/61 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 Teplota varu 51/61 p 0 p e

52 Pojistný výkon 52/61 maximální tepelný výkon kolektorového pole při G = 1000 W/m 2 Q p 0 A k G vnitřní průměr pojistného potrubí d p 15 1,4 Q p ne méně než 19 mm

53 Pojistný ventil - určení velikosti 53/61 stanovení průřezu pro odvod výkonu v páře výpočet průtočného průřezu sedla ventilu Q p So mm 2 K v v výtokový součinitel [-] K konstanta (k dispozici pro sytou vodní páru), [kw/mm 2 ] Q p pojistný výkon [kw] p ot [kpa] 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 Umístění pojistného ventilu 54/61 pojistný ventil musí být umístěn v pojistném úseku zajištěn volný odtok, bez akumulace nečistot musí být pravidelně kontrolován ČSN EN v pojistném úseku nesmí být uzávěr pojistný úsek tlaková ztráta nesmí přesáhnout 3 % otevíracího přetlaku při požadovaném průtoku

55 Umístění pojistného ventilu 55/61 pojistný průtok (pro páru) m p Q r p p [kw ] [kj/kg ] [kg/s ] r p výparné teplo páry při otevíracím tlaku [kj/kg]

56 Umístění pojistného ventilu 56/61

57 Expanzní nádoba 57/61 uzavřené soustavy tlaková expanzní nádoba s membránou

58 Návrh expanzní nádoby 58/61 minimální objem expanzní nádoby min. objem kapaliny v EN ve studeném stavu V s 1 10 % objemu solární soustavy, min. 2 litry změna objemu kapaliny v solární soustavě V objemovou roztažností b z teploty t 0 = 10 C na t max = 90 až 130 C pohlcení objemu kolektorů V k vytlačeného při stagnaci (případně i přívodních potrubí změna v parní skupenství) V EN,min V V b s V k

59 Součinitel objemové roztažnosti 59/61 b v( t max v( t ) v( t 0 ) 0 ) r( t r( t 0 ) max ) 1

60 Návrh expanzní nádoby 60/61 stupeň využití expanzní nádoby p p e e p p 0 b p e maximální tlak v solární soustavě p 0 minimální tlak v solární soustavě p b atmosférický tlak (100 kpa) V EN V s V b V k p p e e 100 p 0 (x 1.3) výběr EN s nejbližším vyšším objemem z řady

61 Umístění expanzní nádoby 61/61 správně nesprávně přednastavení tlaku EN: p v = p 0 30 kpa