NO774152L - Innretning til overfoering av varme. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en innretning til å overføre varme mellom et væskestrømførende rørsystem og et plateformet varmeavgivende eller varmeopptagende organ som befinner seg i luft eller annet gassformet medium,og får særlig anvendelse ved romtempereringsanordninger og/éller solfangere som arbeider med liten differanse mellom temperaturene av det plateformede organ og det gassformede medium.

Varmelekkasjen fra et oppvarmet lokale skjer som bekjent gjennom dets begrensningsvegger, som grenser til koldere omgivelse. Dessuten kan der forekomme ventilasjonstap som forutsettes kompensert ved tilførsel av oppvarmet luft. Innsiden av de varme-overførende vegger er som regel varmeisolert. Holdes disse vegger oppvarmet på innsiden ved direkte varmetilførsel, vil lokalet få samme temperatur som veggene, hvor varmetilførselen skjer ved hjelp av et varmeførende medium, f.eks. vann. Står dette medium i direkte termisk kontakt med hele varmetapsflaten, kan mediets temperatur være identisk med den ønskede værelsetemperatur. Man har da et såkalt rent lavtemperatur-varmeavgivende system som i det følgende vil bli kalt lavtemperatursystem eller LTVA-system.

I praksis kan ikke alle varmetapsflåtene gjøres lavtemperatur-varmeavgi vende. Tak,visse vegger og gulv kan utrustes på denne måte, mens det spesielt ved vinduer av praktiske grunner ikke lar seg gjøre. Man finner imidlertid at varmelekkasjen gjennom de flater som slipper varme ut og ikke er gjort lavtemperatur-varmeavgivende, kan kompenseres ved at man holder en viss overtemperatur på de flater som er utrustet for lavtemperatur-varmeavgivelse.

Dette forutsetter dog at disse flater "ser" de øvrige varme-tapsflater når den virksomme varmeoverføring skjer ved stråling..

Den nødvendige overtemperatur er liten, av størrelsesorden noen grader.

Visse rom kan ha sitt dominerende varmebehov i gulvet (kjellerlokaler med oppvarmet rom over). I så fall skal den lavtemperatur-varmeavgivende flate nettopp være gulvet. Forøvrig gjelder generelt at den beste flate er taket og/eller eventuelt yttervegger.

Hittil er der ikke fremkommet noe rendyrket lokaloppvarmnings-system hvor et lavtemperaturmedium kan tjene som varmekilde. Der har vært gjort forsøk på å bygge ekstra store vannradiatorer for dermed å klare seg med lavere temperatur på radiatorvannet. Mén man finner at radiatorflåtene må bli urimelig store om der skal fås tilstrekkelig varmeavgivelse ved en vanntemperatur av 25-30°C.

Metoden med "varme gulv", d.v.s. romoppvarmning med varme-kveiler innstøpt i gulvet,forekommer også. Gulvtemperaturen må dog holdes så høy at stråling fra gulvet kompenserer varme-overføringen gjennom yttervegger og tak. Strålingshemmende matter og møbler vanskeliggjør varmeavgivelsen fra gulvet, noe som innebærer at et gulvs overtemperatur må være betydelig høyere enn om man isteden benyttet et tilsvarende himlingsareal for samme varmeavgivelse.

Den metode som kommer muligheten for å anvende et lavtemperaturmedium nærmestJ er den hvor der benyttes "varme tak" til oppvarmning. Til dette benytter man et rørsystem som er forsynt med flenser og monteres i himlingen. De eksisterende tak-varmesysterner med varmeførende vann har imidlertid dårlig flensvirkningsgrad og/eller ufullstendig dekning av himlingen med varm flens. Følgen blir at disse varmesysterner ikke blir rene lavtemperatursystemer. Behovet for kostbart materiale som kobber og aluminium gjør dessuten systemet kostbart, og dette gjelder særlig hvis praktisk talt hele himlingen skal dekkes med flenser for å gi et mer utpreget lavtemperatursystem.

Ved oppvarmning av lokaler med solenergi er det av pris-hensyn ønskelig å benytte plan solfanger (ikke fokuserende). En slik solfanger er mer effektiv jo lavere temperatur det varmeopptagende medium kan ha. Konvensjonell oppvarmning av lokaler krever dog en temperatur av mediet på 50-70°C, noe som fører til lav effektivitet for en solfanger. Således foreligger der også fra dette synspunkt et behov for en oppvarmningsteknikk som klarer seg med lavtemperatur på mediet såvel i lokaler som i solfangerne.

Lagring av varmeenergien ved oppvarmning av et materiale

kan skje etter to hovedmetoder. Den første metode benytter et stort temperatursving i relativt lite volum. Et visst gitt volum får større lagringskapasitet jo lenger ned man kan gå med dets temperatur når varme uttas fra det for romoppvarmning. Her foreligger det således et behov for et lavtemperatursystem. Den annen metode benytter et lite temperatursving i relativt stort volum. Ved store volum fås store omsluttende flater med varmelekkasje.

Jo lavere temperatur man kan akseptere for volumet, jo mindre varmelekkasje får man. Ved oppvarmning av lokaler med varme fra et slikt varmemagasin som er beskrevet i patentsøknad 77 3557;

er således en lavtemperaturteknikk ønskelig.

I dag produseres store energimengder som spillvarme. Temperaturen er dog ofte så lav at energien ikke kan utnyttes f.eks. til oppvarmning av lokaler, med konvensjonell teknikk. Her vil det således være ønskelig å kunne benytte en lavtemperaturteknikk som vil gjøre det mulig å ta vare på store varmemengder. Med en slik teknikk kan også fremtidige fjernvarmesystemer gjøres mer effektive.

Endel lokaler oppvarmes for tiden med varmepumpe. Varmen

fås fra ytterluften/ og varmepumpen avgir den ved meget høy temperatur. Varmefaktoren varierer da mellom nær 1 og 3. Hvis der fantes et oppvarmningssystem som klarte seg med 25-30°C, ville en varmepumpe kunne arbeide med betydelig høyere varmefaktor. Alternativt kan man med en varmepumpe da klare seg uten tilskuddsvarme i meget koldt vær. Behovet for et lavtemperatursystem er således også her meget stort.

Hensikten med oppfinnelsen er å skaffe en innretning av den innledningsvis nevnte art, som oppfyller de ovenfor angitte krav og ikke er beheftet med de omtalte ulemper.

Dette er ifølge oppfinnelsen oppnådd ved at rørsystemets rør er plassert innbyrdes parallelt og hovedsakelig frittliggende i en spalte mellom de mot hverandre vendende flater på to stort sett parallelle materialsjikt, hvorav den ene flate utgjøres av den ene side av det plateformede organ,og at en gass- eller luftstrøm ledes gjennom spalten i rett vinkel til rørene. Herved vil således gass- eller luftstrømmen på sin vei gjennom spalten få sin temperatur høynet ved rørene og senket i områdene mellom suksessive rør. Gass- eller luftstrømmen vil under og etter passeringen av et rør virke som en med røret forbundet oppvarmningsflens ( eller kjøleflens, siden systemet også er anvendelig for kjøling av lokaler). Varmeoverføringen mellom rørene og gass- og luftstrømmen blir særlig god om spaltens begrensningsflater hver er forsynt med et bueformig krummet parti med større krumningsradius enn rørene langs hvert rør, samtidig som rørene er sentrert i de respektive to krumme partier ved hjelp av avstandsholdende organer plassert i delspaltene mellom de to bueformig krummede partier og røret. De nevnte krumme partier av i det minste den ene flate er hensiktsmessig utformet i.ett med flatens materialsjikt. Alternativt kan de bueformig krummede partier i det minste på den ene flate være utformet i særskilte lister, f.eks. tynnveggede plast- eller metall-profillister fast anbragt på flaten.

For å forenkle oppsetningen av innretningen er hensiktsmessig rørene og de tilhørende par av bueformig krummede partier fast forbundet med hverandre ved hjelp av avstandsholderne.

I tilfelle av at-det plateformede organ utgjøres av et innertakpanel i et lokale og/eller et panel på en yttervegg, kan det strømmende gassformede medium i spalten hensiktsmessig utgjøres av ventilasjonsluft som tilføres lokalet. Det skal dog påpekes at den temperering av ventilasjonsluften man får i den forbindelse, bare er av sekundær betydning. Den strømmende luft har til hoved-oppgave å overføre varmen fra rørsystemet til innertaket eller innerpanelet.

Utgjøres det plateformede organ av en varmeopptagende plate på forsiden av en solfanger, er det strømmende gassformede medium i spalten hensiktsmessig gass eller luft som strømmer i sol-fangeren i en sluttet krets som inneholder en returkanal for det strømmende gassformede medium^resp. luftstrømmen; i solfangerens bakre del.

Av stor økonomisk betydning er det forhold at det plateformede varmeavgivende eller -opptagende organ kan bestå av ikke-metallisk materiale, f.eks. tre, plast, gips- eller fiberplater o.l. Også rørsystemet kan være sammensatt av billige plastrør.

Oppfinnelsen vil bli belyst nærmere i det følgende under henvisning til tegningen, som viser utførelseseksempler på innretninger ifølge oppfinnelsen plassert i taket av et lokale. Fig. 1 viser skjematisk tverrsnitt av en innretning ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser kurver for temperaturvariasjonene på forskjellige steder langs innretningen på fig. 1. Fig. 3 er et partielt perspektivriss av en utførelsesform for innretningen,anvendt på et undertakpanel, f.eks. av trefiber-plate . Fig. 4 viser på lignende måte en utførelsesform med lister som er felles for de to flater, og

fig. 5 er et perspektivriss av en ytterligere utførelsesform oppbygget av særlig lette komponenter.

Den innretning som er vist skjematisk på fig. lf omfatter et takpanel 1, en luftspalte 2, et diffusjonstett materialsjikt 3,

et isolerende sjikt 4 og et yttertak 5. I renner 6 i sjiktet 3 er der plassert plastrør 7 med et mellomrom Sl mot rennen 6 i sjiktet 3 og mot en renne 4 på oversiden av takpanelet 1, utformet tilsvarende rennen 6. Vidden av spalten 2 er betegnet med S2. Plast-rørene 7 gjennomstrømmes av vann med en temperatur av f.eks. 25-30°C, og gjennom spalten 2 ledes en luftstrøm i retningen for pilen Ga.

Av fig. 2 ses temperaturvariasjonene under luftens strømning i spalten på fig. 1. Når luften passerer et rør 7, som kan ha en temperatur av ca. 25°C, skjer der en oppvarmning av luften, hvoretter dennes temperatur synker ca. 2°C på veien til neste rør 7, hvor temperaturen igjen høynes. Dette er vist ved kurven Ta på fig. 2. Takpanelets temperaturvariasjoner fremgår av kurven Tc på fig. 2 og overstiger værelsetemperaturen Tr med f.eks. 2,5-3°C ved god dimensjonering av lavtemperatur-varmesystemet.

I utførelsesformen på fig. 3 er hvert rør 7 på fig. 1 i prinsippet oppdelt i en gruppe på tre rør 31 som ligger i et vertikalt plan og er forbundet innbyrdes og med et takpanel 32 og et undertakpanel 33 ved hjelp av avstandsholdere 34 som er avpasset slik at der fås spalter med vidde Sl mellom rørene og mellom de ytre rør og takpanelene. Rørene 31 har her omtrent kvadratisk tverrsnitt og kan hensiktsmessig være fremstilt av plastmateriale i ett stykke med avstandsholderne 34, undertakpanelet 33 og eventuelt også overtakpanelet 32. Alternativt kan takpanelene 32, 33 bestå av trefiberplater.

I utførelsesformen på fig. 4 er listene 31, 32 erstattet med plastprofillister 41, forsynt med aksialt gjennomgående hull 42 til å fastholde rørene 7, og med brede,tversgående kanaler 43 som også forløper rundt rørene 7 under dannelse av delspalter med tykkelse Sl i likhet med dem på fig. 1. Listene 41 er festet til takstoler 33, og takpanelet 1 kan her utgjøres av tynne plater, f.eks. av gipsplatetypen, festet på undersiden av listene 41.

r

Fig. 5 viser en modifisert utførelse med et undertak 1, f.eks. i form av et tynt plastsjikt som er limt fast på undersiden av parallelle plastprofillister 51, hver formet med en renne- 52 for et plastrør 7. Profilene 51 er avstivet med opphøyede, tvers-gående, innpregede vulster 53 eller ribber av tilstrekkelig høyde til at vulstene samtidig kan tjene som avstandsholdere for rørene 7, som er fastlimt til vulstene 53. Tilsvarende renner 54 og nedad-vendende vulster eller ribber 55 er utformet i et sjikt 56 av tynt plastmateriale som er festet i ikke viste takstoler^ og hvis vulster rørene 7 er fastlimt til. Med denne utførelse fås en særlig lett og billig konstruksjon.

Den teoretiske bakgrunn for utførelse av oppfinnelsen vil

nu bli utredet nærmere under anvendelse av følgende betegnelser: LTVA = flate som avgir lavtemperaturvarme i samsvar med

oppfinnelsen

Gw = vannstrøm (kg/s)

G = luftstrøm "

a

Qto^_ = total varme avgitt fra rørene (W)

QQut= varmeeffekt avgitt direkte ut til omgivelsene (W) Q. " inn i det oppvarmede lokale (W)

Ct<=><Q>tot/A (<W/m2>)

<H>out wout/A

^in<=><Q>in/A

T , .. \ Ta, Tc, Tr = temperaturkurver for vann (utgående, w (out, in) , ^ 3

inngående), luft, tak og rorn^vist på fig. 2 ( C)

Q = temperaturdifferanser definert på fig. 2 (°C)

A = b.c = LTV-areal (m<2>)

S-^ = spaltevidde for luften ved rørene (fig. 1) (m)

S2= spaltevidde for luften over LTVA-areal (fig. 1) (m) b = bredde av LTVA-flate (m)

c = lengde av LTVA-flate (m)

d = deling mellom rørene på LTVA-flaten (fig. 1) (m) £ ^ = spaltedybde for luften ved rørene (fig. 1) (m) 20<=>" .... over LTVA-flate (fig. 1) (m)

2 o

a-^= varmeovergangstall mellom, luft og rør (W/m C) a2= " " " " LTVA-flate(W/m<2>°C)

y = tetthet av luft = 1,29 kg/m3

= dynamisk viskositet for luft = 18 10 Ns/m ACl= varmeledningstall for luft = 0,025 W/m C A r tOt = totalt tryokkfall for luften ved passasje gjennom LTVA (N/m )

N = nødvendig effekt for å gi luftstrøm G a(W)

netto 3 3 a

c = spesifikk varme for vann

pw

c = " luft

pa

En LTVA-flate taper direkte "utad" til omgivelsene varmeeffekten-Q out ^ og avgir ved stråling varmeeffekten Qi. rr"innover" i rommet.

For det totale varmebehov Qtotfor rommet gjelder:

Avhengig av i hvilken grad man har kunnet dekke det totale behov Q-totmed LTVA,blir der igjen forskjellige behov Q^nsom skal dekkes med overtemperaturen 9 som er:

Ved normal værelsetemperatur er ara(jved praktisk talt alle forekommende flater lik 5,5 W/m2.°C.

For et godt isolert rom hvor det er "lykkes" å gjennomføre LTVA-prinsippet, blir kanskje Qin= 150 W og A = 10 m 2. Da ville man få

Den varmeef f ekt som skal tilføres luften ved et rør; er: hvorav fås:

Den varmeabsorberende kapasitetsstrøm G .c . f ^ skal holde a pa a likevekt med det varmeoverførende areal 2.^.b i de to spalter ganger flatenes varmeoverføringstall .

Luften opptar således varmestrømmen:

Luften avgir varmestrømmen:

Varme opptatt og avgitt av luften er like store, dvs. (5)=(6). Spaltedimensjonene velges slik at der fås laminær strømning, og for hver spalte gjelder da (ordenstall i):

Trykkfallet som er av laminær type,bestemmes praktisk talt helt av forholdene i spalten s-^ (ved rørene) . For dette gjelder uttrykket og med ? 3. = 18 . 10~<6>Ns/m<2>og Y 3.= 1,29 kg/m<3>fås

Av dette følger at det teoretiske effektbehov for tilveiebringelse

av luftstrømmen G er:

a

Eksempel:

2 Et rom med <3t =40 W/m A = 10 m2 6 = 2°C<*>wa = 2°c wa b = 3 m c = 3 m d = 0,3 m s^=1 mm Fra ligning (4) fås

'= normal ventilasjonsstrøm i et soverom).

Fra ligning (7) fås

fra ligning (5) og (3) fås Ligning (9) gir

(= 16 mm Vp, meget lite!).

Sluttelig fås fra ligning (10) :

=2,2 Watt, helt betydningsløst.

Sammenfatningsvis kan følgende fordeler fremheves:

1. Lavtemperatur-spillvarme kan anvendes direkte.

2. Fjernvarmesystemer vil få stor kapasitet og små lekkasjetap. 3. Varmebuffert kan holde lav temperatur, noe som innebærer:

a) mulighet for mindre spillvarme,

b) solfangere kan arbeide med høy effektivitet,

c) små lekkasjetap.

4. Varmebuffert (med begrenset volum) kan utnyttes ned til

lav temperatur.

u 5. Varmepumpe kan arbeide med meget høy varmefaktor.

6. Et LTVA-system i.tak har liten varmetreghet, noe som gir bedre regulerbarhet. 7. Intet kondensproblem ved kjøling (som ved svaling, som man hittil bare har oppnådd med luftkondisjoneringsanlegg). 8. Meget komfortabelt temperaturmiljø uten trekk - ingen flater med temperaturer som avviker sterkt fra værelsetemperatur.

LTVA-systemet har anvendelse som varmeavgivende system i lokaler hvor de ovennevnte fordeler kan tilgodegjøres. Spesielt er det interessant på grunn av gode muligheter for å benytte en billig konstruksjon for tak og yttervegger.

Disse oppvarmede tak og vegger har alle liten varmetreghet, noe som innebærer at det blir mulig raskt å regulere værelsetemperaturen og dermed strålingsmiljøet. LTVA-innretninger i gulv (hvor lokalets varmetap gjennom gulvet dominerer) lar seg bygge opp på prinsippielt samme måte som tak/veggkonstruksjonen.

LTVA-systemet lar seg jo også anvende ved svaling av et lokale på sommertid,uten at undertemperaturen behøver å være stor. Det medfører at rørenes overflatetemperatur kan ligge over dugg-punktet for luften i lokalet, så der ikke er fare for kondens og fuktskader i konstruksjonen.

LTVA-systemet representerer rent generelt en metode til på billig konstruktiv vei å skaffe god varmeoverføring fra et rør til et flate og omvendt. F.eks. foreligger ingen krav om god varme-ledningsevne hos de materialer som inngår i konstruksjonen. Derfor bortfaller behovet for eksempelvis kobber og aluminium for å gi høy flensvirkningsgrad.

Betrakter man altså LTVA-systemet som et effektivt middel til å overføre varme mellom en flate og et rør, skulle det representere et meget lovende prinsipp for bygning av meget billige solfangere. Der foreligger stor mulighet for på denne måte å skaffe en ekstremt enkel solfanger av masonit/plastfolie samt plastrør uten behov for glass.

Claims (9)

1. Innretning til å overføre varme mellom et rørsystem som inneholder strømmende væske^ og et plateformet varmeavgivende eller varmeopptagende organ som befinner seg i luft eller annet gass formet medium, særlig ved romtempereringsinnretninger og/eller solfangere som arbeider med liten differanse mellom temperaturene av det plateformede organ og det gassformede medium, karakterisert ved at de mot hverandre vendende flater på to hovedsakelig parallelle materialsjikt, hvorav den ene flate utgjøres av den ene side av det plateformede organ, avgrenser et langstrakt mellomrom hvori rørene i rørsystemet er plassert innbyrdes parallelt og i innbyrdes avstand i mellom-rommets lengderetning,og at mellomrommet gjennomstrømmes av en gass-eller luftstrøm i rett vinkel til rørene og gjennom spalter som er tilveiebragt med avstandsholdende organer på begge sider av hvert rør og er av størrelsesorden 2 mm, fortrinnsvis 1 mm.

2. Innretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at spaltens begrensningsflater langs hvert rør er forsynt med et bueformig krummet parti med større krumningsradius enn røret, som er sentrert i de to bueformig krummede partier ved hjelp av avstandsholdende organer plassert i delspaltene mellom de to krumme partier og røret.

3. Innretning som angitt i krav 2, karakterisert ' ved at de bueformig krummede partier av i det minste den ene flate er utformet i ett stykke med flatens materialsjikt.

4. Innretning som angitt i krav 2, karakterisert ved at de bueformig krummede partier av i det minste den ene flate er utformet i særskilte lister, f.eks. tynnveggede plast- eller metall-profillister fast anbragt på flaten.

5. Innretning som angitt i krav 2, 3 eller 4, karakterisert ved at rørene og de tilhørende par av bueformig krummede partier er fast forbundet med hverandre ved hjelp av avstandsholderne.

6. Innretning som angitt i et av kravene 1-5, hvor det plateformede organ utgjøres av et innertakpanel i et lokale, karakterisert ved at det i spalten strømmende gassformede medium utgjøres av ventilasjonsluft som tilføres lokalet.

7. Innretning som angitt i et av kravene 1-5, hvor det plateformede organ utgjøres av en varmeopptagende plate på forsiden av en solfanger, karakterisert ved at det i spalten strømmende gassformede medium utgjøres av gass eller luft som sirkulerer i solfangerén i en sluttet krets som innbefatter en returkanal for det strømmende gassformede medium i solfangerens bakre del.

8. Innretning som angitt i et av kravene 1-7, karakterisert ved at det plateformede varmeavgivende eller -opptagende organ består av ikke-metallisk materiale, f.eks. tre, plast, gips- eller fiberplater o.l.

9. Innretning som angitt i et av kravene 1-8, karakterisert ved at rørsystemet består av plastrør.