NL1018449C2 - Warmte-uitwisseling in boilers door middel van warmtepijpen. - Google Patents

Description

WARMTE-UITWISSELING IN BOILERS DOOR MIDDEL VAN WARMTEWISSELAARS

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en inrichting voor het uitwisselen van warmte in een boiler door middel van een warmtewisselaar, waarbij de warmtewisselaar slechts in één vastgestelde richting 5 warmte kan opnemen of afstaan.

Boilers zijn veel gebruikte toepassingen voor het opslaan van warmte. Een boiler omvat tenminste een waterreservoir dat geïsoleerd is van de omgevingstemperatuur, waar de boiler geplaatst is. Een boiler kan 10 worden gebruikt in een huishoudelijke toepassing, bijvoorbeeld voor de verwarming van drinkwater, alsmede voor de verwarming van een CV of bijvoorbeeld vloerverwarming. De warmte in de boiler kan zowel direct gebruikt worden, door gebruik te maken van het water in de boiler, als 15 indirect gebruikt worden, door een onafhankelijk van de boiler staande keten te verwarmen met warmte uit de boiler. Hierbij wordt gebruikt gemaakt van een warmtewisselaar die de boiler verbindt met een zich buiten de boiler bevindende keten. De warmte kan in de boiler 20 gebracht geworden door middel van een los van de boiler staande keten, die een warmtewisselaar omvat voor warmte-uitwisseling met de boiler.

Een bekende zonneboilersysteem is het zogenaamde lage-stroom systeem (low-flow systeem) .

25 Hierbij wordt in het waterreservoir van de boiler een zogenaamde temperatuurgelaagdheid aangebracht. De temperatuurgelaagdheid zorgt voor snelle beschikbaarheid van warm water en het gebruik van weinig energie in het boilersysteem. De toevoeging van warmte aan de boiler 30 door middel van een warmtewisselaar is zo ingericht dat het water bovenin de boiler eerst wordt verwarmd, waardoor een temperatuurgelaagdheid ontstaat.

1018449 2

Dergelijke low-flow systemen omvatten bij voorkeur een zonnecollector, een daarmee in verbinding staande boiler en een pomp voor het langzaam rondpompen van een vloeibaar medium, bij voorkeur water. In een 5 collector wordt het vloeibare medium verwarmd door zonne-energie. De warmte in het vloeibare medium wordt via een buizensysteem en uiteindelijk een warmtewisselaar in de boiler gebracht. Deze bekende low-flow zonne-boiler-systemen werken met een pomp die wordt ingeschakeld door 10 middel van een delta-T regeling of door middel van een stralingsregeling. Bij een delta-T regeling wordt de temperatuur van het vloeibare medium in de collector gemeten en de temperatuur van het water in de boiler. Wanneer het vloeibaar medium een vooraf ingesteld aantal 15 graden (delta-T), bijvoorbeeld 10°C. warmer is dan het water in de boiler, dan start de pomp. De delta-T regeling heeft een aantal nadelen. Een groot ingestelde delta-T geeft een lage opbrengst. Een te klein ingestelde delta-T zorgt echter dat de pomp onder omstandigheden 20 zichzelf uitschakelt zodra koud water in de collector komt. Een ander probleem is de keuze van de plaats van de thermostaat in de boiler. De hogere temperatuur van de bovenste regio van de boiler zal onder omstandigheden niet leiden tot het inschakelen van de pomp, terwijl bij 25 plaatsing in de onderste regio dit wel zou gebeuren.

Bij een stralingsregeling wordt de instraling van de zon gemeten. Er wordt een inschakelings-temperatuur, bijvoorbeeld 30°C, gekozen, zodat de pomp zichzelf in werking stelt op het moment dat het medium in 30 de collector de inschakelingstemperatuur bereikt. Wanneer het water in de boiler kouder is dan de genoemde 30°C, dan zou de pomp eerder ingeschakeld kunnen worden waardoor meer energie wordt gewonnen. Daarentegen blijft de pomp bij af nemende instraling van de zon, en een hoge 35 temperatuur van de boiler, bijvoorbeeld 80°C, gewoon doorwerken, waardoor het water in de boiler onnodig afkoelt.

101 8449 i 3

Het doel van de uitvinding is een inrichting en een werkwijze van de bovengenoemde soort te verschaffen, waarmee het zonne-boilersysteem een hoger rendement zal hebben dan bekende systemen. Tevens is het doel van de 5 uitvinding het in stand houden van de temperatuur- gelaagdheid in de boiler. Daarnaast heeft de uitvinding tot doel de genoemde effecten te waarborgen wanneer uit de boiler warmte wordt overgedragen aan een ander vloeibaar medium.

10 Dit doel wordt bereikt door warmte-overdracht van en naar de boiler te doen plaatsvinden door tenminste twee boven elkaar geplaatste warmtewisselaars, die zijn ingericht om warmte in slechts één vastgestelde richting op te nemen of af te staan. De warmtewisselaar is bij 15 voorkeur ingericht als een bekende warmtepijp.

Een warmtepijp (heat pipe) is op zichzelf bekend en omvat een holle buis gesloten aan beide einden en gedeeltelijk gevuld met een vloeistof onder een lage druk, die kookt bij een gewenste temperatuur. Eén eind 20 van de buis bevindt zich in een warme regio, het andere in een koude regio. Het warme gedeelte zal zich veelal lager bevinden dan het koude gedeelte. De vloeistof bevindt zich in het lagere einde van de buis waar het verwarmd wordt en zal gaan koken of verdampen, wanneer de 25 temperatuur in de warme regio het kookpunt of verdam-pingspunt van de vloeistof overstijgt. De damp zal de druk verhogen in het laagste eind van de buis, waardoor de damp naar boven wordt gedrukt en zal condenseren in de regio van het koude gebied van de buis. Een dergelijke 30 warmtepijp is dus zodanig ingericht dat warmtetransport slechts in één richting, veelal van beneden naar boven, mogelijk is.

Het gebruik van een warmtewisselaar die slechts in één richting warmte kan overdragen of afnemen van de 35 boiler, verhoogt het rendement van die boiler. Allereerst is geen delta-T of bestralingsregeling meer nodig, welke allebei een negatief effect hebben op het rendement van de boiler. De regeling om een pomp van een collector te 1 0 1 84 4 9^ 4 regelen op basis van temperatuursmetingen of zonne-instralingsmeting, is hierbij overbodig. Er kan geen energie aan de boiler worden onttrokken en door het in bedrijf zijn van de pomp kan er ook geen temperatuur-5 vereffening optreden, zodat de boiler een hoger rendement zal hebben dan bekende boilers. Er moet slechts voor worden gezorgd dat de pomp lang genoeg doordraait en bijvoorbeeld alleen door middel van een schemerschakelaar 's-nachts stopt. Eventueel kunnen thermostaten worden 10 aangebracht in de boiler en in de collector. De thermostaat in de boiler kan de pomp uitschakelen wanneer de temperatuur hoger is dan 90°C. Tevens kan een thermostaat in de collector de pomp uitschakelen wanneer de collectortemperatuur lager is dan bijvoorbeeld 10°C, 15 zodat bevriezing wordt voorkomen.

Ook het onttrekken van warmte aan de boiler kan plaatsvinden door middel van warmtewisselaars, welke slechts in één vastgestelde richting warmte uit de boiler kunnen afnemen. Ook voor deze toepassing is het hebben 20 van een pompregeling overbodig wanneer gebruik wordt gemaakt van dergelijke warmtewisselaars. Doordat geen warmte aan de boiler kan worden toegevoerd, heeft de boiler een relatief hoog rendement.

De plaatsing van de warmtewisselaars kan 25 zodanig plaatsvinden dat het bovenste deel van de boiler eerder verwarmd wordt dan het onderste deel van de boiler, waardoor temperatuurgelaagdheid ontstaat, overeenkomstig de boiler van het lage-stroom systeem. Het verwarmde medium in de collector kan eerst langs 30 warmtewisselaars in het bovenste gedeelte van de boiler gevoerd worden en daarna langs warmtewisselaars in het onderste gedeelte van de boiler, waardoor in eerste instantie meer warmte wordt overgedragen aan het bovenste deel van de boiler.

35 De temperatuurgelaagdheid wordt ook in stand gehouden door de warmtewisselaars zo te plaatsen dat de meeste warmte wordt afgenomen van de onderste regio van de boiler. Daarnaast kan de temperatuurgelaagdheid is 1 01 84 4 9 " 5 stand worden gehouden door gebruik te maken van de verschillende eigenschappen van vloeistoffen van de warmtepijp. De bovenste warmtewisselaar heeft een vloeistof die een groter vermogen heeft tot opname van warmte 5 dan de warmtepijp in een lager deel. Tevens kan gevarieerd worden wat betreft verdampingspunt of kookpunt van de vulvloeistof.

De onderhavige uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de bijgaande figuren.

10 Figuur 1 toont de boiler volgens de uitvinding in een eerste uitvoeringsvorm, met schuin omhoog stekende warmtepijpen verbonden met een zonne-collectorsysteem.

Figuur 2 toont een warmtepijp zoals gebruikt in figuur l.

15 Figuur 3 toont een boiler volgens de uitvinding met schuin omhoog stekende warmtepijpen, verbonden met zonne-collectorsysteem en verbonden met een verwarmingssysteem.

Figuur 4 toont een boiler met serieel 20 geplaatste warmtepijpen.

Figuur 1 toont een eerste uitvoeringsvorm van de boiler volgens de uitvinding. Boiler 1 wordt verwarmd door collector 2 via warmtewisselaars 3. Boiler 1 omvat een waterreservoir 4 met een koudwaterinvoer 5 en 25 warmwateruitvoer 6. Collector 2, in dit geval een zonnecollector, omvat een bij voorkeur op het dak van een huis geplaatst paneel 7, een leidingcircuit 8 dat is gevuld met een medium, bij voorkeur water, en een pomp 9 die wordt gevoed met elektriciteit uit net 10 of door een 30 photovoltaïsch zonnepaneel (niet getoond) en die is verbonden met in de collector geplaatste thermostaten 11 en een in de boiler geplaatste thermostaat 12. De boiler 1 en de collector 2 zijn verbonden via een viertal warmtewisselaars 3. Het verwarmde water in paneel 7 zal 35 door leidingen 8 gepompt worden door pomp 9 in de richting van de pijl, met de klok mee. Het verwarmde water bereikt de warmtewisselaars 3 die het overschot aan warmte van het water overdragen aan de boiler. De 1 o 1 8449 * 6 plaatsing van warmtewisselaars 3 komt de temperatuur-gelaagdheid in het reservoir 4 van boiler 1 ten goede. Pomp 9 van collector-inrichting 2 zal draaien wanneer thermostaat 11 een temperatuur aangeeft die dit toestaat.

5 Wanneer thermostaat 11 bijvoorbeeld lager is dan 10°C, dan kan het pompen worden gestopt om bevriezing van de leidingen te voorkomen. Thermostaat 12 geplaatst in het onderste gedeelte van reservoir 4 kan het pompen eveneens doen stoppen, wanneer deze bijvoorbeeld een hoge tempera-10 tuur van 90°C aangeeft. Pomp 9 kan tevens zijn voorzien van middelen die het pompen een bepaalde tijd na zonsondergang doen stoppen, en een bepaalde tijd voor zonsopgang doen starten.

Eénrichtingswarmtewisselaars 3, bij voorkeur 15 warmtepijpen, steken schuin omhoog in het waterreservoir 4 van boiler 1. De werking van een bekende warmtepijp staat dan alleen warmte-overdracht toe van collector-inrichting 2 naar boilerinrichting 1, wanneer de temperatuur in waterresevoir 4 lager is dan de 20 temperatuur in leidingen 8. De plaatsing van de warmtewisselaars boven elkaar zorgt voor een gelaagdheid in de boiler 1.

In figuur 2 wordt de warmtewisselaar 3 van figuur 1 in zijn uitvoeringsvorm van een warmtepijp 20 25 getoond. De warmtepijp bestaat uit deel 21 dat zich buiten boiler 1 bevindt, gedeelte 22 dat zich in het reservoir 4 van boiler 1 bevindt, gescheiden door de wand 23 van boiler 1. In het gedeelte buiten de boiler 21 wordt het vloeibare medium in leidingen 8 van collector 2 30 via ingang 24 in reservoir 25 gepompt worden. Het kan daaruit gepompt worden via uitgang 26. Het medium zal zijn warmte afstaan aan de zich in vloeibare toestand bevindende inhoud 27 van warmtepijpen 20. De inhoud 27 zal onder inwerking van de warmte verdampen en opstijgen 35 via 28 en zijn warmte in gedeelte 22 afstaan aan de inhoud van het waterreservoir. De damp zal terugstromen via 29 en condenseren bij 30 terug in het reservoir 27. Warmte-overdracht tussen reservoir 25 en 27 en de warmte- 1018449 7 overdracht tussen warmtepijpgedeelte 22 en boiler-reservoir 4 wordt verbeterd door respectievelijk aangebrachte vinnen 31 en vinnen 32. De te verdampen vloeibare inhoud 27 van warmtepijp 20 wordt gekozen 5 overeenkomstig zijn functie en plaatsing van de warmtewisselaar in waterreservoir 4, zodat de temperatuur-gelaagdheid in waterreservoir 4 in stand wordt gehouden.

Figuur 3 toont een uitbreiding van de inrichting van figuur 1 met een verwarmingssysteem 40.

10 Getoond zijn wederom boiler 1 en collector 2 verbonden via warmtewisselaars 3. Waterreservoir 4 kan worden gevuld met koud water via 5 en warm water kan worden afgetapt via uitvoer 6. Collector 2 omvat een paneel 7 en leidingen 8 gevuld met een medium dat wordt rondgepompt 15 door pomp 42. De warmte in waterreservoir 4 kan door warmtewisselaars 43, bij voorkeur warmtepijp overeenkomstig figuur 2, worden overgedragen aan leiding-inrichting 44. Het vloeibare medium van leidingen 44 wordt continu rondgepompt door pomp 45 met de klok mee.

20 De warmtewisselaars 43 zijn zodanig in boilerreservoir 4 gestoken dat zij alleen warmte kunnen opnemen uit het waterreservoir. De warmte van boilerreservoir 4 wordt in dit geval via leidinginrichtingen 44 gepompt naar een vloerverwarming 46. De inhoud van leidingen 44 kan door 25 middel van kleppen 47 door het buizensysteem 48 via verdelers 55 van de vloerverwarming gepompt worden. De voorkeurstemperatuur voor de te verwarmen ruimte wordt ingesteld in thermoschakelaar 49 en gemeten met thermostaat 50. Wanneer de temperatuur van het water in 30 het waterreservoir 4, gemeten via thermostaat 51, hoog genoeg is voor het bereiken van de gewenste ruimte-temperatuur, dan zal pomp 45 en leidinginrichting 44 werken zoals hierboven beschreven en het verwarmde water door de vloerverwarming 46 pompen. Wanneer echter de 35 temperatuur van waterreservoir 4, gemeten door thermostaat 51, lager is dan de voorkeurstemperatuur, dan zal temperatuurschakelaar 49 de CV-ketel 52 inschakelen. De CV-schakeling 53 zal het medium van leidingen 44 1018449 1 8 verwarmen gecontroleerd door schakeling 54, zodat de gewenste temperatuur wel gehaald kan worden.

Figuur 4 toont een verdere uitvoeringsvorm van de boiler met éénrichtingswarmtewisselaars. In deze 5 uitvoeringsvorm zijn de warmtewisselaars serieel tot een buis 54 geplaatst. De inrichting omvat waterreservoir 61 van boiler 60 met ingang 62 en uitgang 63. In het waterreservoir 61 is verticaal geplaatst buis 64. De buis 64 is in dit geval ingericht als seriële warmtewisselaars 10 voor het toevoegen van warmte aan waterreservoir 61 van boiler 60. De buis 64 is bijvoorbeeld verbonden met een inrichting vergelijkbaar met collector 2 uit figuur 1.

Een verwarmd medium kan worden toegevoerd aan de warmte-pijp via ingang 65 welke verbonden is met toevoerpijp 66 15 in buis 64. Het verwarmde medium zal tenminste een gedeelte van zijn warmte tijdens de doorstroming door toevoerpijp 66 afgeven aan de rondom toevoerpijp 66 gelegen vacuümkamers 67. Wanneer het laagste gedeelte van 68 van warmtepijp 64 bereikt is, zal het verwarmde medium 20 zijn warmte hebben afgestaan en worden teruggepompt via de retourpijp 69 naar uitgang 70 van buis 64 en terugkomen in de leidingen van collector 2. Elk van de rondom toevoerpijp 66 liggende vacuümkamers 67 werkt volgens het eerder beschreven principe van warmtepijpen. 25 Op de bodem van vacuümkamers 67 bevindt zich een vloeibaar medium 71 dat kan verdampen. Bij verdamping zal de damp opstijgen en zijn warmte afgeven aan het buitenste oppervlakte 72 van de buis 64. Dit oppervlakte is eventueel voorzien van langs- of dwarsvinnen 73. Na het 30 afgeven van haar warmte zal het medium condenseren en terugvallen op de bodem van vacuümkamer 67. Het medium van de vacuümkamers 67 wordt zo gekozen dat de temperatuurgelaagdheid van waterreservoir 61 gehandhaafd wordt. Toevoerpijp 66 is over de gehele lengte omgeven 35 door vacuümkamers 67, gescheiden door isolerende gedeelten 74. Het bovenste gedeelte van buis 64 en van toevoerpijp 66 is omgeven door isolatiemateriaal 75. Ook het onderste gedeelte van buis 64, het gedeelte 68 waar 10184491 9 de vloeistof niet meer omlaag stroomt maar omhoog wordt gepompt is omgeven door isolerend materiaal 76.

Hoewel in figuur 4 slechts warmte wordt toegevoerd aan de boiler is een dergelijke constructie 5 ook mogelijk waarbij warmte wordt onttrokken aan de inhoud van de boiler.

1018449 ,

Claims (12)

1 I

1. Werkwijze voor warmte-overdracht tussen een boiler en tenminste één vloeibaar medium via ten minste één warmtewisselaar, met het kenmerk, dat tenminste twee boven elkaar geplaatste warmtewisselaars zijn voorzien, 5 die elk slechts in één vastgestelde richting warmte opnemen of afstaan tussen de boiler en het medium.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het vloeibare medium verwarmd wordt in een z onne-energiesysteem.

3. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de warmtewisselaars, die warmte overdragen aan de boiler, meer warmte overdragen in de regio van het bovenste deel van de boiler dan in de regio van het lagere deel.

4. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat warmte uit de boiler via de warmtewisselaars het vloeibare medium verwarmt.

5. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de boiler gebruikt wordt 20 voor warmwatervoorziening.

6. Inrichting voor warmte-overdracht tussen enerzijds een boiler omvattende een van de omgevingstemperatuur geïsoleerd waterreservoir en anderzijds tenminste één vloeibaar medium in een van de boiler 25 onafhankelijke leidinginrichting, waarbij voor de warmteoverdracht in de leidinginrichting tenminste één warmtewisselaar is voorzien, met het kenmerk, dat tenminste twee boven elkaar geplaatste warmtewisselaars zijn voorzien, die in één vastgestelde richting warmte 30 opnemen of afstaan tussen de boiler en het medium.

7. Inrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de inrichting onderdeel uitmaakt van een lageg-stroom zonneboilersysteem.

8. Inrichting volgens conclusie 6 of 7, met het 35 kenmerk, dat het vloeibare medium van bovenaf de verschillende warmtewisselaars doorstroomt. 1 01 84 4 9 ’

9. Inrichting volgens één van de conclusies 6-8, met het kenmerk, dat de of elke warmtewisselaar een warmtepijp is.

10. Inrichting volgens conclusie 9, met het 5 kenmerk, dat de of elke warmtepijp schuin omhoog stekend in de boiler is geplaatst.

11. Inrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de of elke warmtepijp schuin omlaag stekend in de boiler is geplaatst.

12. Inrichting volgens één van de vorige conclusies, met het kenmerk, dat de inrichting onderdeel is van een verwarmingssysteem. ^0 1 84-49 *