Rozwój technologiczny w konstrukcji kolektorów słonecznych, a także stosowanie ich do wspomagania ogrzewania budynku, spowodowało częstsze występowanie w systemach solarnych podwyższonych temperatur pracy. Przede wszystkim podwyższenie sprawności pracy kolektora słonecznego było skutkiem zastosowania szkła o większej transmisyjności (przepuszczalności) dla promieniowania słonecznego, a także skuteczniejszych izolacji cieplnych i korzystniejszych cech pokryć absorbujących promieniowanie słoneczne.
Produkowane obecnie płaskie kolektory słoneczne o wysokich sprawnościach pracy, przeznaczone do zastosowania w warunkach środkowoeuropejskich, mają często określoną temperaturę stagnacji na poziomie 200 i więcej °C. Kolektory próżniowe mogą mieć jeszcze wyższe temperatury stagnacji na poziomie przekraczającym 300°C. Jakie skutki może przynosić przegrzanie instalacji solarnej? Gdyby były one poddane działaniu takiej temperatury, doszłoby do uszkodzenia np. izolacji cieplnej przewodów, membrany naczynia wzbiorczego, czy też wirnika pompy obiegowej. Przede wszystkim jednak w pierwszej kolejności przegrzewanie zagraża trwałości czynnika grzewczego.
Dobrej klasy czynniki grzewcze (glikole) są w stanie wytrzymywać długotrwałe podwyższone temperatury pracy. Instalacje solarne pracują bardzo często z tym samym glikolem przez okres dłuższy niż 10 lat, pod warunkiem dokonywania systematycznych przeglądów.
Glikol propylenowy w próbie temperaturowej w laboratorium był podgrzewany aż do 235°C. Wytrącenie osadów nastąpiło po 42 dobach (1008 godzinach) stałego podgrzewania do 235°C [1]. Zmiana koloru glikolu świadczy o występowaniu podwyższonych temperatur pracy, jednak nie świadczy o konieczności jego wymiany. Należy dokonać pomiaru temperatury krzepnięcia i odczynu pH.
W praktyce jednak temperatury jakim poddawany jest glikol w kolektorach słonecznych, są znacznie niższe. W kolektorach płaskich i próżniowych Hewalex, gdzie absorbery cechują się korzystną konstrukcją do samoczynnego usuwania glikolu w stanie stagnacji, przyrost ciśnienia w kolektorach słonecznych jest nieznaczny. Już we wstępnej fazie stanu stagnacji, glikol przy temperaturze rzędu 140÷150°C będzie wypierany z kolektora słonecznego i przez to nie poddawany przegrzewaniu.
Stan skupienia glikolu propylenowego w zależności od ciśnienia i temperatury. Przykładowo w małej instalacji solarnej o wstępnym ciśnieniu roboczym 1,5 bar (w kolektorze słonecznym), nastąpić może wzrost ciśnienia o około 1,5÷2,0 bar. Dopiero przy temperaturze około 140°C nastąpi wrzenie i parowanie wody zawartej w roztworze z glikolem, co zapoczątkuje wypieranie glikolu z orurowania absorbera.
Jaki jest związek temperatury stagnacji kolektora słonecznego z jego ochroną przed przegrzewaniem? W praktyce… żaden. Oczywiście kolektory słoneczne o bardzo niskiej temperaturze stagnacji nie będą narażać czynnika grzewczego na przegrzewanie, ale także nie będą zapewniać wysokiej sprawności pracy. Niska temperatura stagnacji oznacza wysokie nachylenie krzywej sprawności i obniżenie wydajności kolektora słonecznego przy wyższych temperaturach pracy (patrz artykuł „Temperatura stagnacji a sprawność kolektora słonecznego”).
Swobodne usuwanie glikolu z orurowania absorbera zapewniają układy z dolnymi przyłączami. Para wodna powstająca w razie wrzenia roztworu glikolu z wodą wypełnia orurowanie od górnej części. Brak zasyfonowań i dolne przyłącza pozwalają na szybkie wypieranie glikolu w początkowej fazie stanu stagnacji. Kolektory płaskie Hewalex w układzie harfowym, a także oferowane kilka lat temu kolektory próżniowe Hewalex KSR10 z dolnymi przyłączami, cechuje korzystne zachowanie w razie wystąpienia braku odbioru ciepła (w stanie stagnacji).
Przebieg stanu stagnacji w kolektorach słonecznych jest ściśle uzależniony od układu orurowania absorbera, a także prowadzenia przewodów w obrębie baterii kolektorów. Decydujące jednak znaczenie odgrywa sposób prowadzenia przewodów w absorberze [2]. Jeżeli nie zapewni się możliwości swobodnego usuwania glikolu w początkowej fazie stanu stagnacji, to będzie następowało długotrwałe wrzenie czynnika grzewczego (glikolu). Wskutek tego glikol będzie narażany na długotrwałe występowanie podwyższonych temperatur pracy. Znaczna ilość powstającej pary wodnej może wypełniać orurowanie instalacji solarnej na dużej długości i zagrażać jej elementom – szczególnie naczyniu wzbiorczemu, pompie obiegowej i armaturze pomiarowej itp.
Przebieg stagnacji – układ orurowania absorbera z górnymi przyłączami: A- stan normalnej pracy, B- początek fazy stagnacji, wrzenie glikolu i powstawanie pary wodnej (nasyconej), początek wzrostu ciśnienia w instalacji solarnej, pompa obiegowa nie pracuje, C- kontynuacja stanu stagnacji, długotrwałe wrzenie glikol, para wodna nasycona wypełnia orurowanie absorbera oraz dociera wgłąb instalacji solarnej maksymalny wzrost ciśnienia w układzie (w skrajnej sytuacji otwieranie zaworu bezpieczeństwa), D- ostatnia faza stanu stagnacji, para nasycona skrapla się w przewodach instalacji solarnej oddając ciepło do otoczenia, ciśnienie w układzie obniża się, orurowanie absorbera wypełnia para przegrzana, zamykając w dolnej przestrzeni czynnik grzewczy – glikol, którego stężenie w roztworze może sięgać 80% (zagrożenie wytrącania osadów). [3]
Zagadnienie ochrony instalacji solarnej przed skutkami stanów stagnacji jest obecnie w znacznej mierze rozpoznane, dzięki zainteresowaniu się tym zagadnieniem ośrodków badawczych szczególnie w Niemczech i Austrii. Na tych rynkach zetknięto się najwcześniej z tego rodzaju problematyką na przełomie lat 90/00, gdy zastosowanie w budowie kolektorów znalazły nowe materiały (szyby, pokrycia absorberów), a także gdy zwiększyło się zastosowanie kolektorów słonecznych do układów wspomagania ogrzewania budynków.
Porównanie przebiegu stanu stagnacji w zależności od układu orurowania absorbera kolektora słonecznego. Przy niekorzystnym układzie (brak dolnych przyłączy) następuje zwiększony wzrost ciśnienia w instalacji solarnej oraz wydłużony czas wrzenia i przegrzewania czynnika grzewczego (glikolu). [2]
Negatywne skutki stagnacji w systemie solarnym są możliwe w takich przypadkach jak [2]:
- niekorzystny układ orurowania absorbera, nie zapewniający łatwego opróżniania z czynnika grzewczego (glikolu) w początkowej fazie stanu stagnacji
- niekorzystne prowadzenie przewodów zasilania i powrotu z baterii kolektorów słonecznych
- niewłaściwy dobór wielkości naczynia wzbiorczego i jego usytuowanie w systemie solarnym
Literatura:
[1] materiały Tyforop Chemie GmbH
[2] „Entwicklung von thermischen Solarsystemen mit unproblematischem Stagnationsverhalten”, AEE INTEC, austriackie Ministerstwo Transportu, Inowacji Technologii (bmvit) 9/2003
[3] „Untersuchungen zum Stagnationsverhalten solartermischer Kollektorfelder”. J.Scheuner. Kassel University