Právo a znalci: Destrukce solárního tepelného kolektoru
Rozbor znalce odhaluje příčinu mechanického porušení solárního kolektoru následkem nepřizpůsobení ovládání regulačních armatur provozním stavům soustavy. Souběžné přestavování regulačních armatur vyřadilo z funkce bezpečnostní zařízení, kdy nadměrně vzrostl tlak a jeho působením se až narušila těsnost kolektoru.
Úvod
Solární zařízení bylo dimenzováno na zásobování tepelnou energii pro ohřev vody do sprch a bazénu. Instalace proběhla podle předem zpracovaného projektu. Přestože soustava obsahuje řadu bezpečnostních prvků (v souladu s projektovou dokumentací), došlo v březnu k mechanické destrukci solárního kolektoru vlivem nadměrného tlaku v kolektorech.
Zjištění
Obr. 1 Chybně navržené schéma s nevhodným umístěním zabezpečovacích zařízení. Expanzní nádoba je připojena mezi uzavíracími ventily se servopohonem a zpětnou klapkou.
Na Obr. 1 je schéma instalované strojovny solární techniky. Solárním systémem je v ní předehřívána voda pro sprchy, voda v bazénu a každý z těchto okruhů má svůj výměník tepla. Na vstupech výměníků jsou umístěny uzavírací ventily se servopohony (1, 2), které jsou řízené regulací. Cílem bylo zřejmě zajistit prioritu ohřevu vody pro sprchy před ohřevem vody bazénu, a to regulací dodávky tepla ze solárního okruhu mezi výměníky tepla. Za čerpadlem, které zajišťuje cirkulaci solární kapaliny a vrací vychlazenou solární kapalinu do kolektorů, byla umístěna zpětná klapka (3) pro zabránění zpětného toku solární kapaliny. Tato klapka byla instalována zřejmě jako ochrana expanzní nádoby, respektive její membrány, proti zpětnému průniku nadměrně teplé vody nebo případně až páry ze solárního kolektoru, pokud by došlo k jeho přehřátí během stavu stagnace kolektoru, tedy stavu, kdy z kolektoru není odebíráno všechno teplo, které kolektor ze slunečního záření získá. Pokud tento stav trvá, zvyšuje se v teplota solární kapaliny a kapalina se promění v páru.
Příčina destrukce kolektoru
Sluneční kolektory mají malý obsah teplonosné kapaliny. Při oblačném počasí rychle reagují na změnu intenzity slunečního záření změnou teploty. Zabezpečovací zařízení proti překročení povoleného tlaku bylo instalováno ve strojovně vzdálené cca 40 metrů od slunečních kolektorů.
Obr. 2 Pojistné ventily. Oba ventily jsou v nesprávném místě. Horní ventil byl instalován dodatečně.
Příčinou mechanické destrukce kolektoru byl nadměrný vzrůst tlaku v kolektoru v důsledku pomalého otevírání obou uzavíracích ventilů v okruzích k výměníkům a setrvačná síla kapaliny v potrubí mezi kolektory a pojistným ventilem. Část rozvodu vyznačená na Obr. 1, ve které je pojistný ventil a expanzní nádoba, byla tlakově oddělena od zbývající části rozvodu s kolektorem, ve které s pokračujícím příjmem tepla od slunce rostla teplota teplonosné kapaliny v kolektoru. Stav trvalého uzavření ventilů však nevznikl záměrně ani nahodile. Vznikl jako důsledek časové prodlevy mezi pokynem regulace a skutečným přestavením ventilů. Použité ventily se servopohonem mají dobu přestavení 90 sekund. Toto je zcela vyhovující délka odezvy na regulační zásah z pohledu běžné setrvačnosti otopných soustav. V daném případě však byla z pohledu možnosti vzniku havarijního stavu, tedy současného uzavření obou ventilů, provedena zcela nedostatečná analýza a tento havarijní stav nebyl v programovém řízení činnosti ventilů zcela vyloučen. Přes velmi malou pravděpodobnost tento havarijní stav nastal a solární soustava byla vyřazena z provozu. Snaha o nápravu provozního stavu je vidět na Obr. 2, nicméně oba ventily jsou na nesprávném místě.
Obr. 3 Naplněná přepadová nádoba
Obr. 4. Vzorky kapaliny odebrané ze soustavy
Obr. 5 Trhlina v měděném potrubí, které nevydrželo vnitřní přetlak
Důsledky takového provozu prezentují Obr. 4 a Obr. 5. Dále Obr. 3 ukazuje, že i při uzavřených ventilech se servopohonem nemůže expanzní nádoba pracovat. Expandující kapalina odtéká pojistným ventilem do přepadové nádoby a příznakem tohoto jevu je nadměrně častá potřeba kapalinu doplňovat. Na Obr. 4 je vlevo vzorek kapaliny odebraný ze spodní části potrubí, vpravo z horní části potrubí. Ve vzorku ze spodní části jsou produkty koroze signalizující nedostatečnou péči o kapalinu, její odkalování. Ve vzorku z horní části je velké množství bublinek plynů jako důkaz nedostatečného odplyňování soustavy. Ani s těmito řešitelnými problémy se zhotovitel soustavy nevypořádal tak, jak je třeba. Destrukci měděného potrubí v kolektoru vlivem nadměrného tlaku v solární soustavě pak ukazuje Obr. 5.
Závěr
Základní schéma strojovny solární soustavy je podobné schématu strojovny osazené jiným zdrojem tepla, například kotlem. Specifikem solárních soustav je ale rychlost, s jakou musí být schopny regulační armatury reagovat na měnící se podmínky v intenzitě slunečního záření, měnící se poměry mezi nabídkou a odběrem tepla, schopnost rychle reagovat na měnící se teploty solární kapaliny, tedy na změny jejího objemu a tlaku a zejména i možnosti, že se odpaří. Změna skupenství solární kapaliny může v některých případech, v některých částech solární soustavy, proběhnout prakticky okamžitě, v čase násobně kratším než sekunda.
Sluneční kolektory jsou někdy značně vzdáleny od strojovny. Tepelné a teplotní změny v kolektorech probíhají i velmi rychle, a pokud jsou kolektory se strojovnou propojeny dlouhým potrubím, může během časové prodlevy mezi vznikem havarijní situace v kolektoru a jejím zjištěním ve strojovně dojít k destrukci kolektoru. Proti překročení povoleného tlaku je třeba chránit především zdroj tepla, tedy sluneční kolektor.
Sluneční kolektor je tlakovým zařízením. Podle norem týkajících se tepelných tlakových zařízení patří pojistný ventil na nejteplejší místo. Pojistný ventil musí být proto umístěn blízko slunečních kolektorů. Mezi zdrojem tepla a pojistným ventilem nesmí být uzavírací armatury. Respektive mohou být, ale pak musí být doplňujícími opatřením zajištěno, aby nemohly být během provozu uzavřeny. V daném případě byly tyto jednoduché a logické zásady porušeny.
Zhotovitel soustavy, možná jeho projektant, byl přesvědčen, že vznik stavu, kdy se tlakově oddělí část soustavy se zdrojem tepla v kolektorech od části zabezpečovací s expanzní nádobou a pojistným ventilem, je nemožný. Vycházel z přesvědčení, že není reálné, aby nárůst tlaku způsobený intenzivní absorpcí slunečního záření kolektorem byl rychlejší, než otevření ventilů. Skutečná rychlost procesu ukázala opak. Porucha kolektoru mohla vzniknout i během doby přestavování ventilů, tedy když nebyly plně otevřeny a kladly průtoku solární kapaliny směrem k expanzní nádobě a pojistnému ventilu nadměrně velký odpor, a to způsobilo zpoždění a nežádoucí růst tlaku v kolektoru.
Sluneční kolektor může být poškozen i v případě, že ve vzdálené strojovně je pojistný ventil umístěn tak, že mezi slunečním kolektorem a pojistným ventilem nejsou uzavírací armatury. Otevírací tlak pojistných ventilů v solárních systémech bývá nastaven na tlak 6 bar. Při tomto tlaku je bod varu teplonosné kapaliny okolo 160 °C. Tento stav není v praxi výjimkou, vzniká při nedostatečném odběru tepla ze soustavy, nejen z provozních důvodů, ale také z důvodu poruch regulace, oběhového čerpadla, ventilů se servopohonem, nebezpečný je i výpadek elektřiny. Pokud při tomto stavu dojde k poklesu tlaku, například přes pojistný ventil, teplonosná kapalina se při takové teplotě okamžitě změní v páru. Sloupec teplonosné kapaliny v potrubí od kolektorů k pojistnému ventilu neumožní vlivem hydraulického odporu proudění a své setrvačnosti potřebný okamžitý pokles tlaku v kolektoru. V soustavě tak vznikají hydraulické rázy s velkými tlakovými špičkami a kolektor může být poškozen.
Projektant, ale i zhotovitel solárních soustav si musí být vědomi toho, že nejde o pouhou teplovodní soustavu, ale o soustavu, ve které se vyskytuje i pára. Pak by se nemohl dobrý úmysl změnit v havárii.
The expert analysis reveals the cause of the mechanical failure of the solar collector as a result of non-adjustment of the control valves control to the operating states of the system. Simultaneous adjustment of the control valves eliminated the safety device from the function, when the pressure increased excessively and the collector leaked.