19) Приложение 6: Ограничение температуры аккумулятора:
Наш тип теплового аккумулятора не имеет проблем до температур 80-85 град (это подтверждается тремя годами работы моего экспериментального аккумулятора), но они могут возникнуть на более высоких температурах его воды. Я не рискнул поднять температуру своего аккумулятора выше 87 град (этот максимум достигался несколько раз), поскольку это был не мой дом (он принадлежит моему брату). Существовала вероятность (это проблема п.5), что высокая температура разрушит аккумулятор, и 4 тонны воды окажется на полу подвала. Это могло бы стать началом большой-большой семейной драмы, которая закончила бы все мои работы. Но я поднимал температуру аккумулятора выше 85 град не меньше десяти раз, а выше 80 градусов – 40-80 раз
Мои экспериментальные коллекторы обычно не работали с высокой температурой тоже, поскольку я берег свой насос (Его характеристики запрещали эксплуатацию с водой, которая имеет температуру больше 60 град). Максимальная температура системной воды была 66 град
Но я решился на несколько экспериментов с кипящей водой коллекторов 10 июня и 30 июля 2012 (я использовал небольшой аккумулятор с объемом 10 литров). Эти эксперименты дали информацию о процессах, когда температура воды на входе в коллекторы имеет температуру 100 град.
Я вижу следующие шесть проблем, которые ждут нас на высоких температурах воды аккумуляторов 50:
1) Существуют теоретические опасения, что кипящая вода будет плохо проходить путь от аккумулятора до входа насосов 49 (рис.I говорит, что этот путь состоит из вертикальной трубы 59, горизонтальной наклонной трубы 60 и вертикальной трубы 61). Существуют опасения, что испарения кипящей воды могут заполнить трубу 60 паром (она имеет отрицательное давление из-за расположения на 10-40 см выше уровня воды аккумулятора и из-за всасывания насосов 49), и движение воды через нее остановится. Однако мои эксперименты 10 июня и 30 июля не подтвердили этого. Поэтому вероятность появления этой проблемы – очень-очень-очень мала. Но мы имеем возможность подстраховаться через следующие решения: минимальная высота трубы 60 над водой аккумулятора, большой диаметр труб 59-61, изменение конструкции пути воды от аккумулятора до насосов 49
2) Возможность плохой работы насосов 49 с кипящей водой. Первый источник проблемы – характеристика ограничения рабочей температуры воды насоса. Но мой насос (с ограничением 60 град) нормально работал с кипящей водой в моих экспериментах (Это был вихревой насос марки PKM-60 от итальянской Pedrollo; он работал с кипящей водой около 1 час, и он не давал никаких тревожных звуков; плюс последующая работа около 30 час с горячей водой, но насос остался годным). Поэтому я думаю, что небольшое время работы с очень горячей водой (это не больше 10-50 часов за сезон) может не дать большой износ нашим насосам 49. Но мы подстрахуемся, если будем использовать насос с разрешением максимальной температуры воды 90 град или больше
Второй источник проблемы – это отрицательное давление на входе насоса и кавитация на его лопастях. Поэтому возможно существует смысл опустить насосы 49 на 0,5-1,5 м ниже уровня земли (чтобы давление воды на их входах увеличилось до 0,15-0,3 бар). Плюс толстые трубы 59-61. Но вероятность получить ускоренный износ крыльчатки насоса остается, хотя наши насосы 49 будут работать в тяжелых режимах на протяжении небольшого количества времени
3) Возможность закипания воды в трубах 12 и в трубе 20. Я не встретил закипания воды в трубах 12 в своих экспериментах 10 июня и 30 июля (хотя мои трубы 12 шипели, но не сильно). Но шланг (от выхода коллектора до аккумулятора) громко кипел, но продолжал нормальную работу
Проект СТС решает эту проблему через ограничение температуры аккумулятора (88-90 град в конце солнечного дня), включение всех насосов 49 в критические периоды и нужное гидравлическое сопротивление теплообменника 51. Первый критический период – это солнечный день середины февраля примерно в 13.45: температура аккумулятора достигает 85 град, и мощность нагрева воды еще остается высокой (414 Вт на кв. м зеркала; дальше эта мощность будет уменьшаться, и это будет упрощать проблему быстрее, чем рост температуры аккумулятора будет ее осложнять). Второй критический период – это солнечный день середины апреля примерно в 14.30: температура аккумулятора – 82 град, мощность зеркал 457 Вт / кв. м. Следующая таблица показывает ситуацию во время этих двух периодов. Четыре последних столбца таблицы показывают характеристики воды около разных рядов коллекторов (нумерация рядов начинается от будки 58). Второй столбец показывает характеристики воды на входе труб 20 в теплообменник 51. Гидравлическое сопротивление полуряда коллекторов – это падение напора на 5 м на потоке 16,2 литр / мин. Сопротивление теплообменника 51 – это падение 5,5 м на потоке 0,8 т / мин. Кроме этого:
— Вторая строка таблицы показывает перепад давлений между трубами 19 и 20 во время работы всех насосов 49. Этот перепад двигает воду через коллекторы полурядов. Различные ряды имеют различный перепад из-за гидравлического сопротивления труб 19-20 (чем ряд располагается дальше, тем перепад меньше)
— Третья строка таблицы показывает поток воды через полуряд (согласно его перепаду давлений). Средний поток оказывается 20 литр / мин на полуряд (0,8 т / мин на всю ячейку)
— Четвертая строка – давление воды (в метрах водного столба) на входе воды полуряда в трубу 20. Это остаток напора воды, плюс 1 м более низкой высоты теплообменника 51 по сравнению с уровнем воды аккумулятора 50
— Пятая строка – это температура кипения воды при этом давлении
— Шестая и седьмая строки – это температура воды для первого критического периода (13.45 в середине февраля). Шестая строка – температура в шлангах 22 (на выходе из полуряда коллекторов) этого ряда; это вода нагрелась до этой температуры во время прохождения через коллекторы (она имела температуру аккумулятора до входа в коллектор). Седьмая строка – температура воды в трубе 20 (это смесь воды от этого ряда до десятого) :
— Восьмая и девятая строки: аналогично, но для второго критического периода (14.30 в середине апреля)
|
Вход в теплообменник |
1й ряд |
4й ряд |
7й ряд |
10й ряд |
Перепад давлений между трубами 19, 20 |
|
11,17 м |
8,63 м |
6,4 м |
5 м |
Поток воды через полуряд |
|
24,2 л / мин |
21,3 л / мин |
18,3 л / мин |
16,2 л / мин |
Давление в трубе 20 |
6,5 м |
6,94 м |
8,21 м |
9,32 м |
10,02 м |
Т кипения воды при этом давлении |
114,5 |
115,3 |
117,5 |
119,4 |
120,5 |
Февраль: выход из ряда |
|
104,6 |
107,2 |
110,9 |
114,2 |
Февраль: труба 20 |
108,7 |
108,7 |
110,4 |
112,4 |
114,2 |
Апрель: выход из ряда |
|
103,6 |
106,6 |
110,6 |
114,3 |
Апрель: труба 20 |
108,2 |
108,2 |
110,1 |
112,3 |
114,3 |
Выводы по таблице:
— Вода не закипает, поскольку давление поднимает температуру ее кипения до 115-120 град. Везде существует «запас безопасности» 5 градусов: температура воды (в какой-то точке) на 5-9 градусов меньше, чем температура кипения воды при давлении этой точки
— Наиболее критичные точки (для кипения воды в трубе 20) – около последнего (10-го) ряда и на входе в теплообменник 51. Далее теплообменник 51 опустит температуру воды ниже 100 град, и она попадет в аккумулятор 50 без кипения. Но если теплообменник 51 не заберет тепло у воды (или заберет его мало), то вода закипит в конце хода через теплообменник или в трубе между теплообменником и аккумулятором
— Март и апрель требуют еще большего (до 88-89 град) ограничения температуры аккумулятора (82 град в 14.30 середины апреля – это около 88 град в конце солнечного дня). Иначе «запас безопасности» температуры уменьшится до 3-4 град
— Если мы будем использовать аккумулятор до 100 град, то вода будет кипеть (температура всех точек трубы 20 окажется на 10 град выше указаний таблицы: это на несколько градусов выше температуры кипения этих точек). Но вода не будет кипеть, если гидравлическое сопротивление теплообменника будет выше: давление в трубе 20 поднимется на 5-8 м, и это увеличит температуру кипения воды еще на 8-10 град. Кроме этого, мы можем увеличить поток воды через трубопроводы 35 (в 1,5 раз), и это уменьшит нагрев воды коллекторами на 8-10 град
— «Запас безопасности» может быть увеличен через увеличение гидравлического сопротивления теплообменника и / или через увеличение потока воды
4) Проблема удаления пара во время сбросов лишнего тепла через кипение аккумуляторов (это метод был описан в п.1 главы 4). Я наблюдал кипение аккумулятора во время своих экспериментов 30 июля: это бурный выброс пузырей пара из выхода шланга (который проводит воду от коллекторов в аккумулятор), плюс пар идет со всех щелей между полиэтиленовыми пленками, и уровень воды аккумулятора поднимается (это пузыри пара требуют лишний объем для себя). Кипение аккумулятора 50 – это выход до 2,4 т пара в час (на мощности 1,6 МВт ячейки). Около 99,9 % этого пара уходит на улицу, но около 0,1 % (2-3 кг воды за час кипения) конденсируются под крышей аккумулятора на полиэтиленовые пленки. Я думаю, что эта вода должна быть удалена (иначе она может ухудшить теплоизоляцию аккумулятора и ускорить старение его деталей). Существует много идей ее удаления: уход этой воды обратно в аккумулятор (через отверстия в полиэтиленовых пленках), ее удаление водным пылесосом, вентиляция пространства под крышей (через вентилятор или через использование ветра). Кроме этого, существуют идеи перекрытия ненужных путей пара, открытия нужных путей (на улицу), защиты деревянных и стальных деталей (и теплоизоляции) от влаги и идея игнорирования этой воды (она будет постепенно уходить из аккумулятора из-за диффузии, небольшой вентиляции ветра и колебаний температуры аккумулятора)… Хотя мы можем не решать эту проблему, если мы не будем поднимать температуру аккумулятора выше 98-100 град (и мы будем делать сбросы лишнего тепла через методы пп. 2-3 главы 4)
5) Проблема увеличения вероятности разрыва полиэтиленовых пленок. Увеличение температуры уменьшает прочность этих пленок. Например, результаты испытаний прочности полиэтиленовой пленки моих аккумуляторов: один слой пленки (ее толщина около 100 мкм) держал 110 см водного столба при температуре 96 град (более высокий столб быстро растягивает пленку и рвет ее), в то время как прочность при температуре 62 град – 310 см столба. Это не есть удивительным, поскольку разнообразные марки полиэтилена имеют температуру плавления от 105 до 120 град. Но:
— Разрыв происходит только на «водных пузырях», которые не имеют опоры (я испытывал пленку на выходе трубы с наружным диаметром 32 мм). Если вся пленка будет лежать на пенополистироле дна или на прочной пленке (мои аккумуляторы используют пленку «гидробарьер»), то «водных пузырей» не будет, и разрывов не будет тоже
— Аккумуляторы имеют две-три пленки, и поэтому сила разрыва увеличивается в 2-3 раза
— Существуют полиэтиленовые пленки более толстые, тугоплавкие и легированные на прочность
— Существует идея перехода от полиэтиленовых пленок на другой материал (например, разные марки ПВХ имеют температуру плавления от 150 до 220 град)
— Риск разрыва пленок уменьшается, если мы уменьшаем высоту водного пространства аккумулятора
— (Если насосы 49 есть выключенные) Дно аккумулятора имеет более низкую температуру воды, чем верхние слои
6) Возможность необратимого сжатия пенополистирола аккумулятора на очень высоких температурах. Я не увидел этой проблемы на своем аккумуляторе (и не увидел ее во время моих экспериментов с установкой кипящих кастрюль на пенополистирол). Однако, производители называют максимальную рабочую температуру своего пенополистирола в диапазоне от 70 до 90 град (хотя существуют сообщения о марках с максимумом 110 град). Но допустимая кратковременная температура пенополистрола – около 110 град. Internet говорит, что пенополистирол после 90-100 град начинает медленно размягчаться, усаживаться и деформироваться. Тем не менее, наши надежды на пенополистирол основываются на следующем:
— Вода нашего аккумулятора будет иметь высокую температуру на протяжении небольшой доли сезона
— Низ аккумулятора имеет более холодную воду, чем верхние слои
— Высокая температура – это только проблема внутреннего слоя (толщиной 2-5 см) пенополистирольной теплоизоляции. Если температура воды – 100 град, то температурный градиент – это уменьшение на 10 град через каждые 3 см толщины пенополистирола
Варианты решения этой проблемы:
А) Игнорировать усадку внутреннего слоя из-за высокой температуры и давления до 0,11 МПа. Эта усадка будет увеличивать плотность пенополистирола и его температурную устойчивость. Таким образом, мы потеряем несколько сантиметров теплоизоляции, но получим твердый и термоустойчивый пенополистирол на толщине несколько сантиметров от внутренней поверхности. Кратковременность высоких температур увеличит длительность этого процесса. Но мы должны защититься от растягивания полиэтиленовых пленок во время этих усадок (это усиливает проблему п.5)
Б) Мы имеем возможность сделать 3-7 см внутреннего слоя из листов более термостойкого пенополистирола (например, специального или с высокой плотностью)
В) Мы можем заменить 3-7 см внутреннего слоя пенополистирола на:
— Плиты других пенопластов: фенолформальдегидный (рабочая температура до 200-250 град), на базе полиуретановой пены (мой баллон с полиуретановой пеной говорит, что ее термостойкость 100 град) и др.
— Минеральные плиты: пеностекло (толщина 5-10 см), пенобетон (12-20 см), перлит (6-12 см) и др.
— Минеральные гранулы (под слоем ровного бетона): керамзит (6-12 см), шлак (10-20 см) и др.
(ЭТО ЕСТЬ ВСЕ)