ELE.11-01-24.06-SGCzerwiec 2024 · 17 kroków · ok. 37 min · 37 kryteriów z klucza
Rozwiązanie krok po kroku: Przegląd instalacji solarnej
W hotelu pracuje słoneczna instalacja grzewcza z kolektorami SV300C o wysokim współczynniku pokrycia zapotrzebowania na c.w.u. Właściciel zauważył spadek temperatury ciepłej wody i odczytał na manometrze 0,9 bar, a serwis wykrył sześć nieprawidłowości (tabela 1). Zadanie to analiza dokumentacji: parametry kolektora, pole pracy i sprawność z charakterystyki, sprawność przy 800 W/m² z wykresem, ciśnienia w instalacji, przyrządy do przeglądu i przyczyny usterek. Rozwiązanie zapisuje się w tabelach A ÷ F.
Kroki idą za kolejnością tabel. Każdy zaczyna się poleceniem z arkusza, wyjaśnia, skąd bierze się wpis i dlaczego taki, a na końcu podaje kryteria klucza. Sprawności i ciśnienia policzyłem w skrypcie i porównałem z kluczem oceniania CKE.
Co widać w podglądzie. Tabele z arkusza odtworzone na stronie, wycinki arkusza tam, gdzie się coś odczytuje (tabela 3, charakterystyka SV300C z zaznaczonym odczytem), a charakterystyka robocza jest narysowana na siatce z arkusza. Wpisy zdającego są granatowe i pisane ręcznie (model „d”), pola z bieżącego kroku są podświetlone na żółto.
Najważniejsze dane, do których wracamy w wielu krokach:
wzór 1 z tabeli 5: η = ηo - k1 · ΔT / Eg - k2 · ΔT² / Eg,
różnica wysokości kolektory - naczynie: H = 15 m; wzory 2 ÷ 4: pst = H · 0,1 bar/m, pwst = pst + 1,0 bar, pn = pwst + 0,3 bar,
1 bar = 0,1 MPa.
Jak liczą się punkty. Klucz ma 37 kryteriów w 6 rezultatach, każde za 1 punkt. Próg zdania części praktycznej to 75%, czyli 28 punktów - można stracić 9 kryteriów i nadal zdać.
Kroki 1-3 · po tym etapie masz 9 z 37 kryteriów (pkt)
Krok 1: Typ kolektora i powierzchnie
Kryteria: , , ,
R.1.1 typ zainstalowanych kolektorów słonecznych: SV300C
R.1.2 powierzchnia brutto: 2,51 m2
R.1.3 powierzchnia czynna absorbera (apertury): 2,32 m2
R.1.4 powierzchnia całkowita absorbera: 2,33 m2
ok. 2 min
Polecenie z arkusza
Zapisz typ i podstawowe parametry zainstalowanych kolektorów słonecznych.
Typ podaje treść zadania: SV300C. Z kolumny SV300C tabeli 3 przepisuję z jednostkami:
powierzchnia brutto 2,51 m² (cały obrys kolektora),
powierzchnia czynna absorbera (apertury) 2,32 m² (otwór, przez który wpada promieniowanie),
powierzchnia całkowita absorbera 2,33 m².
Wszystkie cztery kolektory serii SV mają te same powierzchnie - różnią się głębokością i parametrami sprawności, dlatego typ ma znaczenie.
Dokument po tym kroku
Krok 2: Ciśnienie robocze i temperatura postojowa
Kryteria: ,
R.1.5 dopuszczalne ciśnienie robocze: 6 bar
R.1.6 maksymalna temperatura postojowa: 206 oC
ok. 1 min
Polecenie z arkusza
Zapisz typ i podstawowe parametry zainstalowanych kolektorów słonecznych.
Dopuszczalne ciśnienie robocze 6 bar, maksymalna temperatura postojowa 206 °C (temperatura, do której nagrzewa się kolektor bez odbioru ciepła, np. przy wyłączonej pompie).
Typowe błędy
Wpisanie temperatury postojowej innego kolektora (200 / 196 / 209 °C) - to jedyny parametr, który różni się w tym wierszu (R.1.6).
Dokument po tym kroku
Krok 3: Parametry sprawności odniesione do apertury
Zapisz typ i podstawowe parametry zainstalowanych kolektorów słonecznych.
Przypis tabeli A każe wpisać wartości dla powierzchni czynnej absorbera (apertury) - to górny blok tabeli 3, a nie dolny (dla powierzchni brutto):
sprawność optyczna 0,868 (bez jednostki; klucz uznaje też 86,8 %),
k1 = 3,188 W/(m² · K),
k2 = 0,018 W/(m² · K²).
Typowe błędy
Przepisanie bloku dla powierzchni brutto (0,801; 2,934) - przypis tabeli A wymaga wartości dla apertury (R.1.7, R.1.8).
Dokument po tym kroku
Etap 2: Tabela B. Pole pracy i sprawność z charakterystyki
Kroki 4-5 · po tym etapie masz 14 z 37 kryteriów (pkt)
Krok 4: Numer pola pracy
Kryteria:
R.2.1 numer pola pracy kolektora: 2
ok. 1 min
Polecenie z arkusza
Określ pole pracy zainstalowanych kolektorów oraz ich sprawność dla minimalnej i maksymalnej różnicy temperatur, na podstawie charakterystyk sprawności kolektorów serii SV, wyznaczonej przy Eg = 1000 W/m2.
Opis pól pracy nad wykresami tabeli 4: pole 2 to wytwarzanie c.w.u. przy wysokim współczynniku pokrycia zapotrzebowania na ciepłą wodę - a tak zaczyna się treść zadania („instalacja o wysokim współczynniku pokrycia zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową”).
Dokument po tym kroku
Krok 5: Zakres ΔT i sprawności z wykresu SV300C
Kryteria: , , ,
R.2.2 ∆Tmin: 40 ±1
R.2.3 ∆Tmax: 60 ±1
R.2.4 ƞ∆Tmin: 70 ±1
R.2.5 ƞ∆Tmax: 59 ±1
ok. 3 min
Polecenie z arkusza
Określ pole pracy zainstalowanych kolektorów oraz ich sprawność dla minimalnej i maksymalnej różnicy temperatur, na podstawie charakterystyk sprawności kolektorów serii SV, wyznaczonej przy Eg = 1000 W/m2.
Na wykresie dla SV300C pole 2 to prostokąt rozciągnięty od ΔTmin = 40 K do ΔTmax = 60 K. Z krzywej sprawności odczytuję:
przy 40 K: η ≈ 70 %,
przy 60 K: η ≈ 59 % (krzywa przecina linię 60 K tuż pod poziomem 60 %; klucz uznaje 59 ± 1).
Kontrolnie wzór 1 dla Eg = 1000 W/m² daje 71,2 % i 61,2 % - nieco więcej niż krzywa w katalogu. Tabela B wymaga jednak wartości odczytanych z wykresu, więc wpisuję odczyty.
Typowe błędy
Odczyt z wykresu SV100A/B albo SV200E - te kolektory mają inne krzywe sprawności (R.2.4, R.2.5).
Dokument po tym kroku
Etap 3: Tabela C. Charakterystyka robocza przy Eg = 800 W/m²
Kroki 6-9 · po tym etapie masz 18 z 37 kryteriów (pkt)
Krok 6: Sprawność przy ΔT = 40 K
Kryteria:
R.3.1 w wierszu 1: w kolumnie "Wynik" 67,3 oraz w kolumnie "Obliczenia" działanie arytmetyczne zgodne z wzorem z tabeli 3, z którego ta wartość wynika Dopuszcza się wartość z przedziałów: <67; 67,3) i <0,67; 0,7>
ok. 2 min
Polecenie z arkusza
Oblicz sprawność kolektorów słonecznych na podstawie różnic temperatur między absorberem a otoczeniem przy natężeniu promieniowania słonecznego wynoszącego 800 W/m2 oraz naszkicuj roboczą charakterystykę sprawności ƞ = f(∆T).
Wzór 1 z tabeli 5 opisuje sprawność jako sprawność optyczną pomniejszoną o straty ciepła: liniowe (przewodzenie i konwekcja) i kwadratowe (promieniowanie rosnące szybciej z temperaturą). Obie straty dzieli się przez natężenie promieniowania - przy słabszym słońcu te same straty „ważą” więcej.
η = 0,868 - 3,188 · 40 / 800 - 0,018 · 40² / 800 = 0,868 - 0,1594 - 0,036 = 0,6726 → 67,3 % (jedno miejsce po przecinku).
To mniej niż odczytane z wykresu 70 % przy tej samej ΔT - przy 800 W/m² sprawność jest niższa niż przy 1000 W/m².
Typowe błędy
Podstawienie Eg = 1000 W/m² zamiast 800 W/m² - wynik 71,2 % (R.3.1).
Dokument po tym kroku
Krok 7: Sprawność przy ΔT = 50 K
Kryteria:
R.3.2 w wierszu 2: w kolumnie "Wynik" 61,3 oraz w kolumnie "Obliczenia" działanie arytmetyczne zgodne z wzorem z tabeli 3, z którego ta wartość wynika Dopuszcza się wartość z przedziałów: <61; 61,3) i <0,6; 0,62>
ok. 2 min
Polecenie z arkusza
Oblicz sprawność kolektorów słonecznych na podstawie różnic temperatur między absorberem a otoczeniem przy natężeniu promieniowania słonecznego wynoszącego 800 W/m2 oraz naszkicuj roboczą charakterystykę sprawności ƞ = f(∆T).
η = 0,868 - 3,188 · 50 / 800 - 0,018 · 50² / 800 = 0,868 - 0,1993 - 0,0563 = 0,6125 → 61,3 % (jedno miejsce po przecinku).
Uwaga na zaokrąglenie: 61,25 % zaokrągla się w górę do 61,3 %.
Dokument po tym kroku
Krok 8: Sprawność przy ΔT = 60 K
Kryteria:
R.3.3 w wierszu 3: w kolumnie "Wynik" 54,8 oraz w kolumnie "Obliczenia" działanie arytmetyczne zgodne z wzorem z tabeli 3, z którego ta wartość wynika Dopuszcza się wartość z przedziałów: <54; 55> i <0,5; 0,6>
ok. 2 min
Polecenie z arkusza
Oblicz sprawność kolektorów słonecznych na podstawie różnic temperatur między absorberem a otoczeniem przy natężeniu promieniowania słonecznego wynoszącego 800 W/m2 oraz naszkicuj roboczą charakterystykę sprawności ƞ = f(∆T).
η = 0,868 - 3,188 · 60 / 800 - 0,018 · 60² / 800 = 0,868 - 0,2391 - 0,081 = 0,5479 → 54,8 % (jedno miejsce po przecinku).
Dokument po tym kroku
Krok 9: Wykres η = f(ΔT)
Kryteria:
R.3.4 charakterystyka robocza sprawności kolektora słonecznego: krzywa przechodząca przez trzy punkty: (40; 67,3), (50; 61,3), (60; 54,8) Dopuszcza się punkty: (40; wartość z przedziału <67; 70>), (50; wartość z przedziału <60; 62>), (60; wartość z przedziału <50; 60>)
ok. 3 min
Polecenie z arkusza
Oblicz sprawność kolektorów słonecznych na podstawie różnic temperatur między absorberem a otoczeniem przy natężeniu promieniowania słonecznego wynoszącego 800 W/m2 oraz naszkicuj roboczą charakterystykę sprawności ƞ = f(∆T).
Na siatce z arkusza (ΔT 0 ÷ 60 K, η 0 ÷ 80 %) nanoszę trzy punkty: (40; 67,3), (50; 61,3), (60; 54,8) i łączę je łagodną krzywą opadającą - sprawność maleje coraz szybciej, bo składnik kwadratowy strat rośnie z ΔT². W podglądzie krzywa między punktami jest policzona z tego samego wzoru, więc przechodzi dokładnie przez wszystkie trzy punkty.
Typowe błędy
Krzywa nieprzechodząca przez wyliczone punkty albo osie zamienione miejscami (R.3.4).
Dokument po tym kroku
Etap 4: Tabela D. Ciśnienia w instalacji
Kroki 10-12 · po tym etapie masz 26 z 37 kryteriów (pkt)
Krok 10: Wysokość statyczna i ciśnienie statyczne
Kryteria: , ,
R.4.1 wysokość statyczna instalacji H: 15 m Dopuszcza się zapis: 15
R.4.2 wartość pst: 1,5 bar
R.4.3 wartość pst: 0,15 MPa
ok. 2 min
Polecenie z arkusza
Oblicz ciśnienia w instalacji, porównaj z odczytem z manometru i wyciągnij wniosek dotyczący czynnika roboczego.
Wysokość statyczna to różnica wysokości między najwyższym punktem kolektorów a naczyniem przeponowym: H = 15 m (treść zadania).
Wzór 2: pst = H · 0,1 bar/m = 15 · 0,1 = 1,5 bar. W MPa: 1 bar = 0,1 MPa, więc 0,15 MPa.
Typowe błędy
Przeliczenie 1,5 bar na 1,5 MPa albo 0,015 MPa - 1 MPa = 10 bar (R.4.3).
Dokument po tym kroku
Krok 11: Ciśnienie wstępne naczynia i ciśnienie napełniania
Kryteria: , , ,
R.4.4 wartość pwst: 2,5 bar
R.4.5 wartość pwst: 0,25 MPa
R.4.6 wartość pn: 2,8 bar
R.4.7 wartość pn: 0,28 MPa
ok. 2 min
Polecenie z arkusza
Oblicz ciśnienia w instalacji, porównaj z odczytem z manometru i wyciągnij wniosek dotyczący czynnika roboczego.
wzór 3: pwst = pst + 1,0 bar = 1,5 + 1,0 = 2,5 bar = 0,25 MPa,
wzór 4: pn = pwst + 0,3 bar = 2,5 + 0,3 = 2,8 bar = 0,28 MPa.
Ciśnienie napełniania jest o 0,3 bar wyższe od ciśnienia wstępnego, żeby w naczyniu przeponowym była stale rezerwa płynu na wypadek jego kurczenia się przy ochłodzeniu.
Dokument po tym kroku
Krok 12: Wniosek o czynniku roboczym
Kryteria:
R.4.8 wniosek dotyczący czynnika roboczego: ubytek roztworu glikolu/ za niskie ciśnienie czynnika roboczego (niekoniecznie w identycznym brzmieniu, pod warunkiem poprawności merytorycznej) oraz wniosek wynika z wartości ciśnienia napełniania zapisanego w tabeli D
ok. 2 min
Polecenie z arkusza
Oblicz ciśnienia w instalacji, porównaj z odczytem z manometru i wyciągnij wniosek dotyczący czynnika roboczego.
Manometr pokazuje 0,9 bar, a instalacja napełniona prawidłowo powinna mieć 2,8 bar - nawet mniej niż ciśnienie statyczne 1,5 bar. Ciśnienie w zamkniętej instalacji spada tylko wtedy, gdy ubywa czynnika, więc wniosek: za niskie ciśnienie, ubytek roztworu glikolu. Zgadza się to z tabelą 1 (nieprawidłowość nr 1) i ze spadkiem temperatury c.w.u. - przy za małej ilości płynu obieg słabnie lub się zapowietrza.
Dokument po tym kroku
Etap 5: Tabela E. Przyrządy pomiarowe
Kroki 13-14 · po tym etapie masz 31 z 37 kryteriów (pkt)
Krok 13: Przyrządy 1 i 2 - rotametr i manometr
Kryteria: ,
R.5.1 w wierszu 1: rotametr; do pomiaru natężenia przepływu czynnika roboczego; l/min lub m3/h Dopuszcza się nazwę przyrządu: przepływomierz.
R.5.2 w wierszu 2: manometr; do pomiaru ciśnienia czynnika roboczego; bar lub kPa lub MPa
ok. 2 min
Polecenie z arkusza
Scharakteryzuj wskazane przyrządy pomiarowe (tabela 2) potrzebne do pomiarów podczas przeglądu słonecznej instalacji grzewczej - podaj ich nazwę, zastosowanie i jednostki odczytów.
1 - wziernik ze skalą „l/min” na grupie pompowej: rotametr (przepływomierz) - pomiar natężenia przepływu czynnika roboczego, jednostka l/min,
2 - tarcza ze skalą 0 ÷ 6 i napisem „bar”: manometr - pomiar ciśnienia w instalacji, jednostka bar.
R.5.3 w wierszu 3: papierki lakmusowe; do określania pH/odczynu czynnika roboczego
R.5.4 w wierszu 4: refraktometr; (co najmniej 1 zastosowanie) do pomiaru gęstości czynnika roboczego, do pomiaru temperatury zamarzania czynnika roboczego; (co najmniej 1 jednostka adekwatna do zapisanego zastosowania) g/cm3, kg/l, °C, K
R.5.5 w wierszu 5: pH-metr; do pomiaru pH/odczynu czynnika roboczego
ok. 2 min
Polecenie z arkusza
Scharakteryzuj wskazane przyrządy pomiarowe (tabela 2) potrzebne do pomiarów podczas przeglądu słonecznej instalacji grzewczej - podaj ich nazwę, zastosowanie i jednostki odczytów.
3 - paski z kolorową skalą: papierki lakmusowe (wskaźnikowe) - określenie odczynu pH płynu (kolumna jednostki jest przekreślona),
4 - przyrząd z okularem i pryzmatem: refraktometr - pomiar temperatury zamarzania (krystalizacji) glikolu, jednostka °C (klucz uznaje też gęstość w g/cm³),
R.6.1 w wierszu 1 (co najmniej 1 przyczyna): Wyciek czynnika roboczego; Przegrzanie czynnika roboczego; Nieszczelność słonecznej instalacji grzewczej Dopuszcza się pominięcie określeń: czynnika roboczego, słonecznej, grzewczej.
R.6.2 w wierszu 2 (co najmniej 1 przyczyna): Uszkodzenie czujnika temperatury; Uszkodzenie przewodu czujnika temperatury Dopuszcza się pominięcie określenia: temperatury.
R.6.3 w wierszu 3 (co najmniej 1 przyczyna): Przegrzanie czynnika roboczego; Niewłaściwe pH czynnika roboczego; Degradacja czynnika roboczego Dopuszcza się pominięcie określenia: czynnika roboczego.
ok. 3 min
Polecenie z arkusza
Określ przyczyny wykrytych nieprawidłowości w słonecznej instalacji grzewczej.
Ubytek czynnika - nieszczelność instalacji (wyciek na połączeniach) albo przegrzanie, przy którym płyn odparowuje w kolektorach i wypychany jest przez zawór bezpieczeństwa.
Brak sygnału z czujnika kolektora - uszkodzony czujnik albo przerwa w jego przewodzie (sterownik nie widzi rezystancji czujnika).
Ciemne zabarwienie - degradacja glikolu po przegrzaniu (instalacja pracowała z ubytkiem płynu, więc kolektory łatwo osiągały stagnację).
Dokument po tym kroku
Krok 16: Zawór, niska temperatura, duża różnica temperatur (4 ÷ 6)
Kryteria: , ,
R.6.4 w wierszu 4 (co najmniej 1 przyczyna): Wzrost ciśnienia w słonecznej instalacji grzewczej powyżej ciśnienia maksymalnego/ nastawy; Za wysoka temperatura czynnika roboczego; Uszkodzenie zaworu bezpieczeństwa; Za mała wartość nastawy zaworu bezpieczeństwa; Niewłaściwie dobrane/uszkodzone naczynie wzbiorcze Dopuszcza się pominięcie określeń: słonecznej, grzewczej, czynnika roboczego.
R.6.5 w wierszu 5 (co najmniej 1 przyczyna): Uszkodzenie izolacji termicznej; Zapowietrzenie słonecznej instalacji grzewczej; Uszkodzenie pompy solarnej/obiegowej; Nieprawidłowe nastawy pracy pompy solarnej/obiegowej; Zbyt małe nasłonecznienie; Za mały przepływ czynnika roboczego Dopuszcza się pominięcie określeń: słonecznej, grzewczej, solarnej, obiegowej, czynnika roboczego.
R.6.6 w wierszu 6 (co najmniej 1 przyczyna): Uszkodzenie pompy solarnej/obiegowej; Uszkodzenie sterownika; Uszkodzenie czujnika/czujników temperatury; Zanieczyszczenie filtru obiegu czynnika roboczego słonecznej instalacji grzewczej; Za mały przepływ czynnika roboczego; Zapowietrzenie słonecznej instalacji grzewczej Dopuszcza się pominięcie określeń: solarnej, obiegowej, temperatury, czynnika roboczego, słonecznej, grzewczej.
ok. 3 min
Polecenie z arkusza
Określ przyczyny wykrytych nieprawidłowości w słonecznej instalacji grzewczej.
Wypływ przez zawór bezpieczeństwa przy prawidłowym ciśnieniu - zawór otwiera się, choć nie powinien: uszkodzone (zanieczyszczone) gniazdo zaworu; płyn wypływa też, gdy naczynie wzbiorcze jest uszkodzone lub za małe i ciśnienie rośnie przy nagrzaniu.
Niska temperatura c.w.u. przy prawidłowym ciśnieniu - ciepło nie dociera do zasobnika: zapowietrzenie, uszkodzona pompa solarna albo straty przez uszkodzoną izolację rur.
Kolektor o ponad 40 °C cieplejszy od wody - ciepło nie jest odbierane z kolektora: za mały przepływ (zanieczyszczony filtr) albo uszkodzona pompa.
W każdym wierszu wpisuję tylko przyczyny, które naprawdę wywołują tę nieprawidłowość - klucz wymaga, żeby każdy zapis był przyczyną.
Typowe błędy
„Za wysokie ciśnienie” w wierszu 4 - treść nieprawidłowości mówi o prawidłowym ciśnieniu (R.6.4).
Dokument po tym kroku
Etap 7: Sprawdzenie pracy
Krok 17 · po tym etapie masz 37 z 37 kryteriów (pkt)
Krok 17: Kontrola spójności tabel A ÷ F
ok. 3 min
Polecenie z arkusza
Rozwiązanie zadania zapisz w tabelach od A do F.
Na koniec czytam tabele jako całość:
tabela A: wszystkie wartości z kolumny SV300C, parametry sprawności z bloku dla apertury, każda z jednostką,
tabela B: pole pracy 2 zgodne z opisem instalacji, wartości odczytane z wykresu SV300C,
tabela C: wyniki z jednym miejscem po przecinku, punkty na wykresie zgodne z wynikami,
tabela D: każde ciśnienie w bar i w MPa (1 bar = 0,1 MPa), wniosek wynika z porównania 0,9 bar z ciśnieniem napełniania,
tabela E: dla przyrządów 3 i 5 nie wpisuję jednostki (komórki przekreślone),
tabela F: co najmniej jedna przyczyna w każdym wierszu.
Dokument po tym kroku
Podgląd
Symulacja ekranu w przeglądarce - w Android Studio / Visual Studio wygląd może się nieco różnić.
To jedno z możliwych rozwiązań. Egzaminator ocenia spełnienie kryteriów z klucza odpowiedzi, a nie zgodność z tym rozwiązaniem - inna, poprawna droga też daje punkty.
Autor rozwiązania: Bartosz Bryniarski. Licencja CC BY-NC 4.0 - kopiowanie i przeróbki do celów niekomercyjnych, z podaniem autora i źródła (link do tej strony). Treść arkusza i klucza oceniania pochodzi z CKE.