Problemy kolektorów próżniowych
Pękanie rurek cieplnych
Długotrwałe występowanie niskich temperatur stanowi zagrożenie dla rurek cieplnych kolektorów próżniowych. Zagrożenie występuje w kolektorach typu Heat Pipe z tzw. przepływem pośrednim, w których nie ma możliwości wymuszenia obiegu w kolektorze przy spadku temperatury płynu solarnego poniżej wartości krytycznych. Kolektory tego typu nie mają bezpośredniego połączenia z instalacją solarną, wymiana ciepła następuje poprzez wymiennik i polega na odzyskiwaniu ciepła skraplania płynu odparowanego w rurce. Występowanie bardzo niskiej temperatury w dłuższym okresie czasu powoduje, że płyn zgromadzony w rurce nie ma jednak możliwości odparowania. Występuje więc cały czas w postaci skroplonej w dolnej jej części i przy silnym mrozie, szczególnie w okresach nocnych, może zamarznąć rozsadzając rurkę. Zjawisko jest
trudniejsze do wykrycia, że wyciek płynu następuje tylko do wnętrza rury szklanej i nie ma wpływu na pracę samej instalacji. Może być jedynie odczuwalny spadek mocy cieplnej kolektora przy wystąpieniu nasłonecznienia lub widoczne zaparowanie rury
Rys. Mechanizm powstawania uszkodzeń rurek Heat Pipe.
Fot. Przykłady uszkodzonych rurek cieplnych.
Mechanizm powstawania pęknięcia jest następujący:
Zamarzanie nośnika ciepła zaczyna się od jego lustra, po czym utworzony „korek lodowy” nie jest
w stanie rozszerzać się w górę rurki, wskutek sił tarcia przy ściankach rurki. Dochodzi do deformacji dolnego fragmentu rurki, a w skrajnej sytuacji do jej pęknięcia.
Warto wiedzieć, że w większości rurek cieplnych heat pipe, zastosowanie znajduje czysta woda, która
pod względem termodynamicznym cechuje się bardzo korzystnymi własnościami i jest przy tym czynnikiem nieszkodliwym dla środowiska, tanim, jednorodnym i zachowującym swoje właściwości. Zastosowanie wody w rurkach cieplnych zaczęło być popularne z końcem lat 90. ub. stulecia, ponieważ eliminowało problemy występujące z innego typu nośnikami ciepła. Obecnie zastosowanie
znajdują także takie ciecze, jak: amoniak, aceton, metanol czy też etanol. W ich przypadku można mówić o zalecie w postaci obniżenia temperatury krzepnięcia, jednak pod względem wielu cech fizyko-chemicznych, woda stanowi znacznie korzystniejsze rozwiązanie.
Woda ma takie pożądane cechy, jak: znacznie wyższe napięcie powierzchniowe od wymienionych
czynników, wyższe ciepło parowania (zdolność przenoszenia ciepła), wyższą przewodność cieplną i jednocześnie niższą lepkość par i wody od większości wymienionych nośników. Woda jako jednorodny nośnik ciepła zachowuje stabilność i niezmienność właściwości w całym okresie eksploatacji.
Wobec więc powszechności zastosowania wody jako nośnika ciepła w rurkach heat pipe, problem
ich uszkodzeń w niskich temperaturach może dotyczyć wielu rodzajów kolektorów próżniowych.
Uszkodzenia rur szklanych
Fot. Uszkodzony kolektor rurowy po gradobiciu.
Wytrzymałość kolektorów rurowych na gradobicie jest zależna od rodzaju zastosowanego szkła. W tańszych rozwiązaniach stosuje się szkło boro-krzemowe o niskiej wytrzymałości na gradobicie. W droższych szkło hartowane. Wytrzymałość kolektorów rurowych zależy tez od szczelności samej rury. W kolektorach próżniowych wysokiej jakości przejście rury absorbera przez korek zaślepiający jest
szczelnie połączone poprzez np. zlutowanie z zaślepką co jednocześnie stabilizuje absorber w rurze
szklanej. – W kolektorach próżniowych niskiej jakości nie występuje połączenie rurki absorbera z przelotką zaślepiającą, przez co rury kolektorów nie są hermetyczne! Rozwiązanie takie maksymalizuje
ryzyko dostania się do wnętrza rurki mikro zanieczyszczeń i opadów atmosferycznych.
Fot. Po lewej szczelnie zlutowana przelotka w kolektorze rurowym, po prawej kolektor niskiej jakości.
Problemy kolektorów płaskich
Zaparowanie kolektora
Kolektory płaskie w przeciwieństwie do rurowych nie są hermetyczne. Posiadają otwory wentylacyjne, przez które może swobodnie przepływać powietrze: przy wzroście temperatury wewnątrz kolektora powstaje nadciśnienie i powietrze usuwane jest na zewnątrz, przy spadku temperatury – powietrze zasysane jest do środka kolektora. Ta sytuacja powoduje ciągłe wahania wilgotności wewnątrz przestrzeni kolektora płaskiego. W ciągu dnia, gdy kolektor pracuje i jest silnie nagrzany słońcem, wilgotność wewnątrz kolektora spada do minimum i jest znacznie mniejsza niż wilgotność otaczającego go powietrza. Wieczorem sytuacja odwraca się, spadek temperatury wewnątrz kolektora powoduje stopniowy spadek ciśnienia i zasysanie zewnętrznego powietrza o coraz większej wilgotności. Większość tej wilgoci zostaje pochłonięta przez izolację kolektora i pozostaje w niej do następnego dnia. Rankiem, gdy kolektor zaczyna się nagrzewać, wilgoć paruje i skrapla się po wewnętrznej stronie szyby. Jest to naturalne zjawisko i nie ma nic wspólnego z nieszczelnością kolektora, czy jego wadą. Proces parowania i skraplania trwa zwykle nie więcej niż 30 minut. Po tym czasie szyba kolektora jest wolna od kondensatu i może pracować z pełną sprawnością.
Wymiana powietrza w kolektorze powoduje straty ciepła i stanowi swoisty kompromis pomiędzy szybkością schnięcia a wydajnością kolektora.
Zaparowywanie szyb kolektorów płaskich może niekiedy przybierać formę szkodliwą dla konstrukcji kolektora, jeśli:
– kolektor został ustawiony zbyt płasko (wymiana powietrza jest zakłócona i kolektor wolniej odparowuje)
– kolektor narażony jest na pracę w powietrzu wilgotnym, mglistym (np. praca w pobliżu zbiorników wodnych, w dolinach górskich)
– kolektor pracuje na niskich parametrach (wolniejsze odparowanie kondensatu, np. podgrzew wody basenowej)
– otwory wentylacyjne kolektora zostały zanieczyszczone i zatkane (liście, nasiona)
– kolektor został błędnie zamocowany na dachu (każdy kolektor płaski musi mieć minimalną odległość od powierzchni dachowej, aby woda deszczowa spływająca po dachu nie zagrażała zalaniem kolektora) w przypadku kolektorów firmy Vissmann jest to np. 8mm. Warunek ten nie dotyczy kolektorów mocowanych w połaci dachowej.
Problem niewłaściwego montażu to najczęstsza przyczyny uszkodzenia kolektora. Zdarza się, że w czasie prac montażowych kolektor zostaje wniesiony na dach i nagła zmiana pogody przerywa prace. Monterom nie chce się ponownie przetransportować go na ziemię i pozostawiają kolektor na dachu oparty bezpośrednio o jego konstrukcję. Opady deszczu mogą wtedy silnie zawilgocić wnętrze kolektora i jego odparowanie będzie utrudnione. Producent zaleci w takim wypadku kilkudniowe wygrzewanie kolektora.
Fot. Uszkodzony kolektor w wyniku wielomiesięcznego przetrzymywania na dworze przed właściwym montażem. Biały nalot spowodowany jest najprawdopodobniej częściowym utlenieniem absorbera.
Znacznie większym błędem jest wyjęcie kolektora z fabrycznego opakowania i pozostawienie na powietrzu przez dłuższy czas bez podłączenia do instalacji. Wzrost temperatury kolektora jest wtedy niczym nie kontrolowany i może dojść do trwałego uszkodzenia powłoki absorbera (fot. u góry). Uszkodzenia jak na zdjęciu mogą też wystąpić przy próbach samodzielnego „doszczelniania” kolektora poprzez zaklejenie otworów wentylacyjnych. Dochodzi wtedy do zakłócenia wentylacji i przegrzewania się kolektora, w wyniku czego częściej dochodzi do wystąpienia tzw. temperatury stagnacji. Jeszcze innym istotnym błędem jest brak zaworu zwrotnego (antygrawitacyjnego) w instalacji solarnej. W okresie nocnym przy silnie zawilgoconym kolektorze, dochodzi wtedy do odwrotnego przepływu wody (bez udziału pompy), z nagrzanego zasobnika do kolektora. Gorący czynnik powoduje odparowanie wilgoci i jej kondensację na szybie kolektora, jednocześnie brak słońca powoduje, że zaparowanie będzie trwało wiele godzin i może wpływać na zmiany powierzchniowe absorbera.
Temperatura stagnacji a budowa kolektora
Występowanie temperatury stagnacji w wyniku braku odbioru ciepła z kolektora (urlop, zbyt niska temperatura ustawiona na zasobniku, za mały zasobnik ciepła), powoduje przegrzanie kolektora i odparowanie płynu solarnego. Płyn w wyniku wzrostu ciśnienia „wypychany” jest z kolektora do naczynia wzbiorczego. Sytuacja taka chroni płyn przed dalszym przegrzaniem i rozkładem chemicznym (zob. starzenie się płynu solarnego). W przypadku kolektorów płaskich utrudnione opróżnianie kolektora z płynu solarnego pojawia się przede wszystkim w konstrukcjach z tzw. harfą dzieloną. Występujący w tej konstrukcji syfon wydłuża czas opróżniania, jak też zwiększa ciśnienie płynu solarnego negatywnie wpływając na całą konstrukcję orurowania. Na rysunku poniżej przedstawiono wykres ciśnienia w kolektorze dachowym w zależności od sposobu orurowania absorbera. Problem starzenia się płynu solarnego może wystąpić także przy kolektorach z „dobrym opróżnianiem”, jeśli zaprojektowane naczynie wzbiorcze jest zbyt małe, lub błędnie wykonano odprowadzenie przewodów przez dach umieszczając je w górnej części kolektora. W takim przypadku ratunkiem może być zabezpieczenie kolektora przed przegrzaniem przez wykonanie rolety na kolektorze.
Rys. Wpływ orurowania absorbera na proces opróżniania przy wystąpieniu temperatury stagnacji. (HEWALEX)
