JP4263997B2 - 受動逆流熱エネルギー・システム - Google Patents
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Description
本発明は、熱交換機を用いた熱エネルギー・システムに関する。特に、本発明は、熱交換機の受動逆流を伴う熱エネルギー・システムと、受動逆流システムの方法とに関する。
熱交換機を組み込んだ熱エネルギー・システムは通常、熱が供給または除去される一次ループと、熱が伝達される二次ループとを備えている。熱交換機は、一次ループと二次ループとの間で熱を伝達する。伝熱流体は、一次ループを通って循環し、熱交換機の一次側に熱を供給し、一次側から熱を除去する。熱が供給または除去される二次流体は、熱交換機の二次側を通って流れる。熱交換機の一次側および二次側は通常、流体が流れ、一次側と二次側との間の熱エネルギーの伝達を推進する、互いに密に関連する多数の小さな通路を有している。
本発明の一局面によれば、供給源と負荷との間で熱エネルギーを伝達する熱交換機であって、熱交換機が、供給源に関連する一次側と、負荷に関連する流体を導く二次側とを有する熱交換機を含み、流体の一部が消費されたときに熱交換機の二次側が受動逆流される、熱エネルギー・システムが提供される。ある態様では、熱エネルギー・システムは、負荷に関連する貯蔵タンクをさらに含んでいる。
本発明によれば、熱交換機は、熱が供給または除去される一次側と、熱が得られるかまたは失われる二次側とを有している。加熱源または冷却源は、熱交換機の一次側に直接接触させても、熱交換機から離れた位置に位置させてもよい。加熱源の例には、太陽熱、廃熱(たとえば、排気)、地熱、工業プロセス加熱、熱ポンプ、ボイラ、および炉がある。冷却源の例には、冷却装置(たとえば、冷凍装置)および地供給源がある。供給源が熱交換機から離れた位置に位置している場合、供給源は、伝熱流体を介して熱交換機に結合することができる。伝熱流体は、熱交換機の二次側の管路に密に関連付けされた熱交換機の一次側の複数の管路を通って流れる。伝熱流体は、たとえば、水(たとえば、浄化、たとえば希釈された水や、廃水、たとえば工業プロセスによる水)、不凍液(たとえば、プロピレングリコール)、蒸気、冷媒、排気ガス、オイルなどであってよい。ある態様では、熱交換機の一次側は、伝熱流体(たとえば、排気ガス)が熱交換機の一次側を通過した後に単に解放される開ループを含んでいる。他の態様では、熱交換機の一次側は、伝熱流体がシステムに保持され、加熱/冷却源と熱交換機の一次側との間を循環する閉ループを含んでいる。開一次ループを有するシステムでは、伝熱流体中の不純物による熱交換機の一次側の汚染はたとえば、熱交換機のサイズを必要以上に大きくすることによって軽減することができる。閉一次ループを有するシステムでは、伝熱流体中の不純物による熱交換機の一次側の汚染を、あらゆる不純物を除去するように伝熱流体の化学的組成を調節することによって軽減することができる。
ボールの直径(およびそれに対応してキャビティの直径)が大きくなるにつれて、ボールに付着する気泡が存在するときと存在しないときとの、弁を閉じるのに必要な流速の差が大きくなる。したがって、互いに適度に近い(気泡が存在するときと存在しないときの)弁閉流速を得るには小さなキャビティ直径およびボール直径が必要である。
実施例1 受動逆流熱交換機の実験評価
受動逆流弁の動作を調査するために、各ループが、450L貯蔵タンクに連結された、上述のような熱交換機を有する、2つの互いに平行な自然対流ループを含む試験装置を構成した。これらのループは、本発明による受動逆流調節弁を一方のループ内に設置し、他のループを弁の利点なしに動作させたことを除いて同一である。両方のループ内に同じ流速および入口温度が維持されるように各熱交換機の一次側に同じ供給源から湯(60℃)を供給した。逆流弁を有するループの場合、水を貯蔵タンクの底部から汲み出し、この水を用いて熱交換機を1時間間隔で3分から4分にわたって逆流した。熱交換機ループ内の加熱された水と貯蔵タンク内の冷却された水との間に存在する密度差のために生じる自然対流によって、両方の熱交換機の二次側における流れ循環を駆動した。汚染試験を加速するために、タンクの水を最初、CaCO3、CaSiO3、およびMg(OH)2で飽和させた。5ヶ月の試験期間中、68.5gのCaCO3を間隔を置いて3回添加した。この量によって、タンクの水は飽和されたCaCO3溶液になった。
本発明による受動逆流システムの動作を示すために、典型的な用途(すなわち、太陽熱家庭給湯システム(SDHW))において典型的な湯汲出し時の流体温度を記録する温度センサを設けた。図8に示されているように、加熱された水を貯蔵する貯蔵タンク8と、貯蔵タンクの底部から熱交換機4の二次側を通して貯蔵タンクの頂部まで連結された自然対流ループと、本流入口「T」字形継手10と、図5に示されているのと同様の受動逆流弁12とでシステムを構成した。熱交換機の一次側から入った流体は、太陽熱収集装置2によって約70℃の公称温度に加熱される。試験中、熱交換機ループの二次側の特定の位置(T1〜T4と指定されている)で温度を測定した。図9に示されているデータは、出口16を介して貯蔵タンクの頂部から湯を汲み出す前、汲み出している間、および汲み出した後の時間間隔から成る期間にわたって記録された。図8には、汲出しモードに関する方向矢印が示されている。
βモデル・ターゲット製品の特徴
βモデルA(予熱SDHWシステム)
3人から4人家族の住宅における新規設置用途または交換用途に適している。個別の電熱器またはガス補助ヒータに用いるようになっている。
このユニットは、2つの薄い(厚さ4.5cm)太陽熱収集装置で構成された太陽熱アレイ領域を備えている。
任意のエネルギー節約デジタル表示を利用して、システムによって収集された太陽熱エネルギーを示すと共に、システムの温度をユーザに報告することができる。
太陽熱アレイ:2つの4'x8'収集装置(パラレル・ライザーおよびプロトタイプ・ケース)
ポンプ:Eckerle Ind.、ESP-80、AC120V太陽熱ポンプ
コントローラ:Helitrope Generalコントローラ、モデルDTT-84、AC120V
伝熱流体:抑制プロピレングリコール(50/50%水混合物)
貯蔵タンク:60 Impガロン(270L)予熱貯蔵タンク(Rheemモデル612またはRR620)
膨張タンク:Custom 1.2L(ブラダーレス)s.s.膨張リザーバ
熱交換機:SWEP E8x20ろう付けプレート、ステンレススチール
一体逆流弁
エネルギー計/表示
Claims (32)
- 熱エネルギー・システムにおいて、
供給源と負荷との間で熱エネルギーを伝達する熱交換機であって、該供給源に関連する一次側と、該負荷に関連する流体を導く二次側とを有する熱交換機を含み、熱交換機の二次側を受動逆流させるための逆流弁により特徴付けられる、熱エネルギー・システムであって、
ここで、逆流弁が、熱交換機の二次側を通る流体の流れを第1の方向に流し、流体の一部が消費されたときに、熱交換機の二次側を通る流体を、第1の方向と反対の第2の方向に流し、熱交換機の二次側が逆流されるようにする手段である、熱エネルギー・システム。 - 負荷に関連する貯蔵タンクをさらに含む、請求項1記載の熱エネルギー・システム。
- 流体が水である、請求項1または2記載の熱エネルギー・システム。
- 負荷が、供給された湯であり、流体が水である、請求項1〜3のいずれか一項記載の熱エネルギー・システム。
- 負荷が、供給された冷水であり、流体が水である、請求項1〜3のいずれか一項記載の熱エネルギー・システム。
- 熱交換機の二次側が、加熱されていない水によって受動的に逆流される、請求項4記載の熱エネルギー・システム。
- 熱交換機の二次側が、冷却されていない水によって受動的に逆流される、請求項5記載の熱エネルギー・システム。
- 逆流弁を、流体の流速、温度、および圧力のうちの少なくとも1つによって作動させる、請求項1〜7のいずれか一項記載の熱エネルギー・システム。
- 逆流弁を流体の流速によって作動させる、請求項8記載の熱エネルギー・システム。
- 逆流弁は、閉じられたときにバイパス流を提供する、請求項8または9記載の熱エネルギー・システム。
- バイパス流は、流体の消費中には約1%から約20%の流速である、請求項10記載の熱エネルギー・システム。
- 供給源が、太陽熱、廃熱、地熱、工業プロセス加熱、熱ポンプ、ボイラ、および炉から選択される加熱源である、請求項1〜4、6、及び、8〜11のいずれか一項記載の熱エネルギー・システム。
- 加熱源が太陽熱である、請求項1〜4、6、及び、8〜11のいずれか一項記載の熱エネルギー・システム。
- 請求項8〜13のいずれか一項記載の熱エネルギー・システムにおいて、
本流を受ける投入口をさらに含み、
ここで、熱交換機の二次側が、加熱または冷却すべき流体を受け、該流体は、熱交換機の二次側を通って第1の方向に流れ、
ここで、加熱または冷却された流体の一部が消費されたときに、逆流弁が、受動的に本流を、熱交換機の二次側を通して、加熱または冷却された流体が流れる方向とは逆の第2の方向に方向付ける、熱エネルギー・システム。 - 熱交換機の二次側を通る第1の方向の流体の流れが対流によってもたらされる、請求項14記載のシステム。
- 逆流弁を流体の温度によって作動させる、請求項14記載のシステム。
- 熱エネルギー・システムにおける熱交換機を受動的に逆流するための方法において、
供給源と負荷との間で熱エネルギーを伝達する熱交換機であって、供給源に関連する一次側と、負荷に関連する流体を導く二次側とを有する熱交換機を設ける段階、
熱交換機の二次側を逆流するための逆流弁を設ける段階、及び
本流の供給源を設ける段階、を含む方法であり、
ここで、流体は、熱交換機の二次側を通って第1の方向に流れ、
ここで、負荷によって流体の少なくとも一部が消費されたときに、熱交換機の二次側を通る本流を、第1の方向と反対の第2の方向に受動的に流すことにより、熱交換機の二次側を逆流する、方法。 - 流体が水である、請求項17記載の方法。
- 熱エネルギー・システムが給湯システムである、請求項17記載の方法。
- 熱エネルギー・システムが冷水システムである、請求項17記載の方法。
- 逆流段階を、流体の流速、温度、および圧力のうちの少なくとも1つによって作動させる、請求項17〜20のいずれか一項記載の方法。
- 逆流段階を流体の流速によって作動させる、請求項17〜20のいずれか一項記載の方法。
- 供給源が、太陽熱、廃熱、地熱、工業プロセス加熱、熱ポンプ、ボイラ、および炉から選択される加熱源である、請求項19記載の方法。
- 加熱源が太陽熱である、請求項19記載の方法。
- 負荷に関連する貯蔵タンクを含む熱エネルギー・システム用のモジュールにおいて、
加熱源から負荷へと熱エネルギーを伝達する熱交換機であって、加熱源から熱を受ける一次側と、該負荷に関連する流体を導く二次側とを有し、該流体が、熱交換機の二次側を通って第1の方向に流れる熱交換機と、
本流を受ける投入口と、
熱交換機の二次側を受動逆流させるための逆流弁とを含み、
ここで、該負荷に関連する流体の一部が消費されたときに、熱交換機の二次側を受動逆流させるための逆流弁が、熱交換機の二次側が逆流されるように、熱交換機の二次側を通って第1の方向とは逆の第2の方向に本流を向ける、モジュール。 - 熱交換機の二次側を受動逆流させるための逆流弁が、負荷に関連する流体の、流速、温度、及び圧力から選択される一つまたは複数の変数の変化に応答して、熱交換機の二次側を通る本流を第2の方向に向ける、請求項25記載のモジュール。
- 流体が水である、請求項25または26記載のモジュール。
- 熱交換機の二次側を通って第1の方向に流体の流れを維持するための、少なくとも一つのポンプをさらに含む、請求項25または26記載のモジュール。
- 負荷が少なくとも一つの貯蔵タンクを含む、請求項25〜28のいずれか一項記載のモジュール。
- 供給源が、太陽熱、廃熱、地熱、工業プロセス加熱、熱ポンプ、ボイラ、および炉から選択される少なくとも一つの熱供給源を含む、請求項25〜29のいずれか一項記載のモジュール。
- 供給源が少なくとも一つの太陽熱収集装置を含む、請求項25〜29のいずれか一項記載のモジュール。
- 請求項1〜4、6、及び8〜16のいずれか一項記載の熱エネルギー・システムまたは、請求項25〜29のいずれか一項記載のモジュール、及び、一つまたはそれ以上の太陽熱収集装置を含む、太陽熱エネルギー・システム。
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