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/m 2 ploché kolektory 80 120 W/m 2 špatné vyprazdňování ploché kolektory 50 90 W/m dobré vyprazdňování 1 m 2 kolektoru při 70 W/m 2 při 35 W/bm dosah páry cca 2 m 110 W/m 2 při 35 W/bm dosah páry cca 3,1 m Produkce páry min. max. vakuové kolektory 1,8 2,2 lt./m 2 kolektoru ploché kolektory 0,9 1,2 lt./m 2 kolektoru ploché kolektory 0,8 1,0 lt./m 2 kolektoru 1 lt. páry při DN 25 cca 2,1 bm potrubí max. 2,5 bm. 3
t [ C] Závislost teploty začátku vypařování PG na tlaku 180 170 160 150 140 130 120 110 100 Atmosférický tlak 100 kpa Koncentrace 50%hm. PG 0 1 2 3 4 5 6 přetlak [bar] přetlak v kolektoru teplota vypař. vysoce selekt. selektivní účinnost výkon kol. účinnost výkon kol. bar C η W/m 2 η W/m 2 2 138 0.37 370 0.22 220 3 148 0.32 320 0.16 160 5 162 0.24 240 0.07 70 Účinnost a výkon kolektoru v závislosti na tlaku (50% PPG, 1000 W/m 2 )
Tepelné ztráty potrubí 5
Vliv vytvoření páry na velikost expanzní nádoby Zvětšení objemu pro návrh EN pro soustavu 100 m 2 90 lt. objem kolektorů roztažnost tekutiny cca 7 9 % - tj. 8 lt. objem kolektorů cca 0,8-0,95 lt./m 2 - tj. 80 lt. objem páry v potrubí 1,1 lt./m 2 t.j. 110 lt. součet 88 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 Teplonosná kapalina 100 litrů Výchozí teplota 20 C Výchozí absolutní tlak v soustavě 51% směs vody a propylenglykolu ~ Solaren 400 kpa Maximální absolutní tlak v soustavě 700 kpa (otevření pojist. ventilu) Varianty velikostí expanzní nádoby 200, 300, 400, 1000 litrů 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
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 teplota [ C] Simulační model procesu vypařování Vlastnosti směsi voda - propylenglykol 260 240 220 700 kpa abs 200 180 400 kpa abs 160 D 140 120 B 100 kpa abs A C 100 80 hmotnostní koncentrace PG [-] Binární diagramy vypařování směsi voda PG pro různé tlaky K tomuto izobarickému vypařování však v solární soustavě nedochází 11
p [bar abs ] Simulační model procesu vypařování Růst tlaku v soustavě 7.0 6.5 6.0 5.5 200 5.0 300 4.5 400 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
zvětšení objemu tekutiny resp. páry [dm 3 ] Simulační model procesu vypařování Zvětšení objemu tekutiny v kolektorovém poli 100 90 1000 80 70 1000 60 50 40 30 400 300 20 200 400 10 300 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 [dm 3 ] 200 300 400 1000 Začátek varu teplota [ C] nevyp. 164 160 155 Začátek varu tlak [kpa] nevyp. 558 518 443 Odfuk teplota [ C] 170,0 173,3 173,4 173,4 Odfuk - zvětšení objemu tekutiny [dm 3 ] 21,4 32,2 43,1 107,1 - z toho pára [dm 3 ] 0,0 10,1 21,1 85,5 - z toho kapalina [dm 3 ] 21,4 22,1 22,0 21,6 14
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 teplota [ C] Simulační model procesu vypařování Koncentrace odfukovaných tekutin 260 240 220 700 kpa abs 200 180 400 kpa abs 160 D 140 120 B 100 kpa abs A C 100 80 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