Prvky solárních soustav (I)

ÚVOD

Pro přenos tepla v solárních soustavách z místa zdroje (kolektorů) do místa spotřeby (zpravidla akumulační zásobník) se využívá různých teplonosných látek, nejčastěji vzduchu (vzduchové solární soustavy) nebo kapaliny (kapalinové solární soustavy), velmi vzácně pevných látek (sypký písek). Pro celoroční použití kapalinových solárních soustav je pak nejrozšířenější použití nemrznoucí směsi s ohledem na ochranu soustavy v zimním období před poškozením mrazem. Nemrznoucím směsím je proto v článku věnováno nejvíce prostoru.

VLASTNOSTI

Teplonosná látka musí splňovat řadu požadavků pro zajištění dlouhodobě bezproblémového provozu solárních soustav:

• nízký bod tuhnutí (nejlépe kolem -25 až -30 °C)
• dobré tepelně-fyzikální vlastnosti (tepelná kapacita, viskozita), co nejvíce podobné vodě
• nehořlavost
• ochrana proti korozi
• kompatibilita s těsnícími materiály
• ekologické aspekty (netoxická, biologicky rozložitelná)
• dlouhodobá stálost vlastností- teplotní odolnost
• rozumná cena

TYPY

Voda je netoxická, nehořlavá a levná. Je ideální z hlediska vysoké tepelné kapacity a tepelné vodivosti a nízké viskozity. Bohužel, voda má nízký bod varu a především vysoký bod tuhnutí, což ji předurčuje pro použití pouze v sezónních solárních soustavách s letním provozem. Voda může způsobovat korozi, pokud její pH (hladina kyselosti-zasáditosti) není udržována na neutrální hodnotě 7, a dále samozřejmě při nevhodné kombinaci faktorů jako obsah kyslíku, teplota, koncentrace dalších rozpuštěných chemických látek či elektrochemický potenciál přítomných kovů. V případě použití vody s vysokým obsahem minerálů (tvrdá voda) může docházet k vylučování minerálních usazenin při vyšších teplotách v kolektorech (zarůstání).

Glykolové nemrznoucí směsi mohou být dvojího druhu: směs etylenglykolu a vody nebo propylenglykolu a vody, zpravidla v objemovém ředění 40-50 % glykolu podle potřebné teploty tuhnutí. Etylenglykol je vysoce jedovatý a měl by být používán pouze v takových soustavách, kde je primární okruh oddělen od pitné vody dvěma teplosměnnými plochami. V současné době se od jeho použití upouští a upřednostňuje se směs netoxického propylenglykolu a vody s potřebnými inhibitory koroze. Korozivita čisté směsi propylenglykol-voda je totiž významně vyšší než u čisté vody nebo čistého glykolu, je nepřímo úměrná koncentraci glykolu. Inhibitory, rozpuštěné v kapalině, umožňují zamezit korozi vytvořením tenké ochranné vrstvy na povrchu kovů. Zatímco solární soustavy obsahují různé materiály (měď, bronz, ocel, litina), v současné době není k dispozici univerzální inhibitor a problém se zpravidla řeší kombinací několika různých (organických, anorganických) inhibitorů s ochranným potenciálem pro specifický kov.

Nemrznoucí směsi propylenglykolu a vody mají sklon ke stárnutí vlivem vysokých teplot při stagnačních podmínkách v kolektorech. Stagnací nazýváme stav, kdy z kolektoru není odebíráno teplo, dochází k přehřívání kolektoru a teploty dosahují hodnot až 200 °C (kvalitní ploché kolektory) nebo 300 °C (kvalitní vakuové kolektory) [1]. Při nárůstu teploty nad bod varu směsi dochází k tvorbě bublinek páry a vypařování kapaliny. U dobře navržených kolektorů a soustav dochází k přeměně v páru pouze u malého množství směsi, vznikající pára vytlačí ostatní kapalinu z kolektorů do míst o nižší teplotě (vytlačený objem by měla pohltit expanzní nádoba [2]). Rozpuštěné inhibitory (pevné neodpařitelné látky) se vylučují na stěnách. Při ochlazení kolektoru kapalina zpětně kondenzuje a zaplavuje kolektor. Aby při opakovaném působení stagnačních podmínek nedocházelo k postupnému vyloučení inhibitorů na stěny potrubí v kolektorech a tím k degradaci jak teplonosné látky, tak kolektorů, měla by být kvalitní teplonosná látka schopná zpětně rozpustit vyloučené inhibitory. Postupující degradace teplonosné látky se projevuje změnou barvy (tmavnutí kapaliny), pomalu se snižující hodnotou pH a tvorbou pevných látek na stěnách potrubí kolektorů (vylučování inhibitorů). U propylenglykolu dochází k rozkladu v důsledku oxidačních reakcí, tvoří se kyseliny, a při opakovaném přehřívání dochází k poklesu pH kapaliny pod hodnotu 7. Rychlost degradace propylenglykolu je přímo úměrná teplotním stresům a obsahu kyslíku. Proto se doporučuje vždy sledovat hodnotu pH, bod tuhnutí a koncentraci inhibitorů pro včasnou výměnu a ochranu okruhu před zvýšenou korozí.

Glykolové směsi se oproti vodě vyznačují zhruba o 25 % nižší tepelnou kapacitou a vyšší viskozitou (při 20 °C až 6x vyšší než u vody) s výraznou teplotní zásvislostí (při 80 °C pouze cca 2x vyšší než u vody). V současné době jsou k dispozici jednak klasicky inhibitované glykolové směsi pro použití v plochých kolektorech (stagnační teploty pod 200 °C) a jednak pokročilé směsi s kapalnými inhibitory umožňující použití v trubicových vakuových kolektorech (stagnační teploty do 300 °C). Přehled používaných glykolových směsí a některých jejich vlastností uvádí tabulka 1.

Tabulka 1 - Teplonosné látky na bázi směsi glykolových směsí

Alkoholy (metanol, etanol) se častěji než u kolektorů používají v primárních okruzích tepelných čerpadel s ohledem na nízký bod tuhnutí. Tepelná kapacita je výrazně nižší než u vody (téměř o 40 %) a pro použití jako teplonosné látky v okruzích solárních soustav je nevýhodný také nízký bod varu (metanol 64 °C, etanol 78 °C). Metanol a etanol jsou těkavé a toxické látky. Využití etanolu v solární technice se omezuje pouze na technologii tepelných trubic, kde zajišťuje přenos tepla s fázovou změnou z absorbéru kolektoru do sekundární teplonosné látky.

Silikonové oleje mají velmi nízký bod tuhnutí a velmi vysoký bod varu. Nejsou korozivní a mají vysokou životnost. Na druhou stranu se vyznačují vysokou viskozitou a nízkou tepelnou kapacitou (poloviční než u vody), což vede k vyšší spotřebě energie pro pohon oběhových čerpadel (vyšší průtok, vyšší tlakové ztráty). Silikonové oleje jsou také vzlínavé, snadno unikají z uzavřeného okruhu mikroskopickými netěsnostmi. Jejich použití se omezuje pro vysokoteplotní aplikace a kolektory (koncentrační).

ÚČINNOST KOLEKTORU

Při zkouškách tepelného výkonu solárních kolektorů podle [3] se používá jako teplonosná látka voda, z důvodu jejích neměnných vlastností a potřeby porovnatelnosti naměřených výsledků. Vzhledem k tomu, že nemrznoucí směs má jiné tepelně-fyzikální vlastnosti (nižší měrná tepelná kapacita, tepelná vodivost, viskozita), naskýtá se otázka, jak se změní účinnost solárního kolektoru při použití např. nemrznoucí směsi místo čisté vody. Na obr. 1 jsou porovnány standardní křivky účinnosti solárního kolektoru při použití různých teplonosných látek (voda, směs propylenglykolu a vody, etanol a silikonový olej). Z grafů je zřejmé, že zatímco u běžné nemrznoucí směsi se účinnost kolektoru snižuje v řádu 1 %, u etanolu a silikonového oleje jde o cca 5 %.

Obr. 1 Křivky účinnosti solárního kolektoru s různými teplonosnými látkami

HYDRAULIKA SOLÁRNÍ SOUSTAVY

Pro hydrauliku soustavy jsou určujícími vlastnostmi viskozita a hustota teplonosné látky. Viskozita u nemrznoucích směsí na bázi glykolů vykazuje výraznou závislost na teplotě, s rostoucí teplotou klesá (viz obr. 2). Způsob výpočtu tlakových ztrát třením v soustavách s nemrznoucí směsí na bázi glykolů je uveden například v [4, 5]. Tabelované hodnoty tlakových spádů R [Pa/m] je možné pro propylenglykol nalézt v literatuře [6].

Obr. 2 Závislost kinematické viskozity teplonosných látek na teplotě

Na obr. 3 je porovnána tlaková ztráta 1 m ocelového a měděného potrubí (vnitřní průměr 20 mm) v závislosti na průtoku teplonosné látky (voda, Solaren při 20 °C). Rozsah průtoků odpovídá běžným návrhovým rychlostem v potrubí do 0,8 m/s. U propylenglykolové směsi je vlivem vysoké viskozity laminární proudění, tlaková ztráta tedy nezávisí na drsnosti potrubí (pouze na Reynoldsově čísle) a závislost tlakové ztráty třením na průtoku je proto lineární a pro oba typy potrubí stejná. Vliv drsnosti potrubí se projevuje až u turbulentního proudění (voda od průtoku 200 l/h, směs propylenglykol + voda při vyšších teplotách, případně v ředění s vyšším podílem vody). Závislost tlakové ztráty třením na průtoku v turbulentní oblasti je kvadratická (parabola).

Obr. 3 Porovnání tlakových spádů potrubí d_i = 20 mm pro různé teplonosné látky a různá potrubí

ODKAZY

[1] Problematice stagnace v kolektorech bude věnován jeden z následujících článků.
[2] Problematice navrhování expanzních nádob pro solární soustavy bude věnován jeden z následujících článků.
[3] ČSN EN 12975-2: Tepelné solární soustavy a součásti - Solární kolektory - Část 2: Zkušební metody. ČNI 2006.
[4] Matuška, T.: Oběhová čerpadla a hydraulika solárních soustav I.
[5] Hemzal, K., Lerl, Z.: Větrání, vytápění, instalace, roč. 15, č. 3. Společnost pro techniku prostředí Praha 2006.
[6] Kramoliš, P., Vrtek, M.: Solaren (Tabulky pro stanovení hydraulické ztráty třením ...). Technické vydavatelství, Praha 2004. ISBN 80-803261-1-0