PL192167B1

PL192167B1 - Sposób przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej i urządzenie do przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej

Info

Publication number: PL192167B1
Application number: PL337386A
Authority: PL
Inventors: Jurij Dobriański
Original assignee: Univ Warminsko Mazurski W Olsz
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2006-09-29
Also published as: PL337386A1

Abstract

1. Sposób przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej polegający na wykorzystaniu ciekłego nośnika ciepła w obiegu zamkniętym prowadzonego cyklicznie gdzie nośnik ciepła podgrzewa się, a powstające nadciśnienia powoduje, że w gałęzi opadowej przepycha się nośnik w dół oraz schładza się z jednoczesnym podnoszeniem poziomu nośnika ciepła w gałęzi podnośnej (zimnej), po czym zlewa się nadmiar zimnego nośnika ciepła z gałęzi podnośnej do górnej gałęzi opadowej (ciepłej), znamienny tym, że do nośnika ciepła dodaje się gaz rozpuszczający się w tym nośniku ciepła.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej i urządzenie do przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej, które może być stosowane w różnych dziedzinach gospodarki, tam gdzie istnieje potrzeba ogrzewania niżej położonych obiektów, jak np. gruntu pod szosą, pod pasem startowym lotniska czyw inspektach, jak również do przekazywania ciepła od słonecznego kolektora do zbiornika usytuowanego na dole, do ogrzewania ciekłego palnego gazu w magazynach podziemnych, do mieszania wody w jeziorach i stawach itp.

Z ukraińskiego opisu patentowego nr 15 361A znany jest sposób i urządzenie do przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej.

Sposób ten polega na wykorzystaniu ciekłego nośnika ciepła w obiegu zamkniętym prowadzonego w sposób cykliczny. W tym celu w górnej części obiegu tzw. opadowej gałęzi podgrzewa się ciekły nośnik ciepła, w wyniku czego podnosi się ciśnienie pary nasyconej tego nośnika i następuje wyciskanie płynu w dół. W dolnej części obiegu ciekły nośnik schładza się i schłodzony przepływa do gałęzi podnośnej. Na skutek tego poziom nośnika ciekłego podnosi się w gałęzi podnośnej. Ciśnienie nad powierzchnią cieczy ciepłej jest większe od ciśnienia nad powierzchnią cieczy zimnej i jest proporcjonalne do temperatury. Po osiągnięciu określonej różnicy temperatur otwiera się przejście w górnej części obiegu i para z gałęzi opadowej przechodzi do górnej części podnośnej gałęzi. Jednocześnie nadmiar cieczy zimnej grawitacyjnie zlewa się przez kanał pośredni z gałęzi zimnej do górnej części gałęzi ciepłej. Przejście w górnej części obiegu zamyka się i cykl się powtarza.

Urządzenie służące do realizacji tego sposobu wykonane jest w postaci obiegu zamkniętego łączącego opadową i podnośną gałąź. W górnej części gałęzi opadowej usytuowany jest grzejnik, aw dolnej części obiegu znajduje się chłodnica. Obieg dodatkowo wyposażony jest w pośredni kanał, który łączy część opadową z częścią podnośną. Oprócz tego obieg zawiera zamknięcie cieczowe usytuowane w gałęzi opadowej powyżej otworu wejściowego kanału pośredniego, a rura zamknięcia cieczowego podłączona jest do górnej części gałęzi podnośnej.

Sposób według wynalazku polegający na wykorzystaniu ciekłego nośnika ciepła w obiegu zamkniętym prowadzonego w sposób cykliczny charakteryzuje się tym, że do nośnika ciepła dodaje się gaz rozpuszczający się w tym nośniku. Stosowany gaz przy nagrzewaniu ciekłego nośnika ciepła wydzielając się ma objętość co najmniej równą lub większą od objętości ciekłego nośnika ciepła.

Urządzenie do przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej, wykonane w postaci obiegu zamkniętego, który zawiera podnośną i opadową gałąź ciekłego nośnika oraz zaopatrzone jest w grzejnik, chłodnicę, pośredni kanał łączący obydwie gałęzie i zamknięcie cieczowe, charakteryzuje się tym, że ma wymiennik masy do rozpuszczania gazu umiejscowiony w górnej części gałęzi podnośnej, który połączony jest poprzez kanał pośredni z górną częścią gałęzi opadowej oraz zbiornik gazu podłączony do wymiennika masy do rozpuszczania gazu.

Sposób i urządzenie według wynalazku pozwala na przekazywanie ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej przy ciśnieniu wewnątrz urządzenia bliskim do atmosferycznego i w dowolnych zakresach temperatur.

Sposób i konstrukcja urządzenia pozwala na zmniejszenie masy i gabarytów urządzeń, większą niezawodność dzięki łatwemu uszczelnieniu złącz między elementami urządzenia oraz obniżenie kosztów potrzebnych na wykonanie i eksploatację urządzenia.

Przedmiot wynalazku dotyczący sposobu przekazywania ciepła zostanie bliżej objaśniony w przykładzie wykonania.

Przykład 1

Pytanie, które postawiono przy realizacji proponowanego sposobu jest to, czy istnieje taki roztwór gazu w cieczy, z którego podczas nagrzewania wydziela się gaz w objętości większej od objętości nagrzewanego roztworu. To znaczy, że poszukiwany rozpuszczalnik powinien rozpuszczać stosownie dużo gazu oraz rozpuszczalność gazu powinna szybko zmniejszać się przy podwyższaniu temperatury.

Oprócz tego z punktu widzenia praktycznego wykorzystania pożądane jest także, ażeby rozpuszczalnik i rozpuszczony gaz był łatwy do stosowania.

Jeżeli jako rozpuszczalnik wybrać wodę, to można stwierdzić, że w wodzie bardzo dobrze roz33 puszcza się amoniak: 87,5...7,4 nm³/m³ w zakresie temperatur od 0 do 100°C, dwutlenek siarki: 79,8...18,8 nm³/m³ w zakresie temperatur od 0 do 40°C, chlor: 4,6...0,68 nm³/m³ w zakresie temperaPL 192 167 B1 tur od 0 do 90°C, siarkowodór: 4,67...0,81 nm³/m³ w zakresie temperatur od 0 do 100°C. Ale wyżej wymienione gazy mają szkodliwe oddziaływanie i ich praktyczne wykorzystanie jest utrudnione.

Lepsze własności użytkowe (nietoksyczny i tani) ma roztwór dwutlenku węgla w wodzie. Rozpuszczalność dwutlenku węgla w wodzie stanowi 1,713...0,359 nm³/m³ H2O obliczonego dla warunków normalnych (t = 0°C, p = 101325 Pa), co odpowiada objętościom gazu policzonym dla faktycznych temperatur (w zakresie t = 0do 60°C, p = 101325 Pa) 1,713...0,438 m³/m³ (patrz tab. 1i rys. A).

Jak wynika z analizy powyższych danych, z wody może wydzielić się gaz w objętości równej objętości wody, jeżeli nagrzewa się wodę zupełnie nasyconą gazem o temperaturze nie wyższej niż 18,04°C. Gaz będzie wydzielał się przy nagrzewaniu roztworu do 100°C. Roztwór nasycony w 0°C wydzieli gaz o objętości rozpuszczalnika (wody) przy nagrzewaniu do 27,4°C.

Tabe l a A

Stosunek objętościowy rozpuszczalności dwutlenku węgla w wodzie

Temperatura, t°C	Stosunek objętościowy rozpuszczalności gazu (dla warunków normalnych) Vn, CO2, mm³ CO2/m³ H2O	Stosunek objętościowy rozpuszczalności gazu (policzonych dla faktycznych temperatur) vco2, m³ CO2/m³ H2O
0	1,713	1,713
10	1,194	1,238
20	0,878	0,942
30	0,665	0,738
40	0,530	0,608
50	0,436	0,516
60	0,359	0,438

Zakresy dolnych temperatur t_b = 0 + 8,04°C i górnych od t_a = 27,4 do 100°C są możliwe do stosowania, ale nie są zbyt wygodnymi zakresami temperatur. Ponadto pożądane jest, aby rozpuszczalność gazu w większym stopniu zmniejszała się z podwyższaniem temperatury, czyli innymi słowy, ażeby różnica vCO2, m3 CO2/m3 H2O

Temperatura, f C

Rys. A. Rozpuszczalność dwutlenku węgla w wodzie pomiędzy górną a dolną temperaturą nie była tak duża (ta- tb = 27,4-81,94°C).

Lepsze własności użytkowe wykazuje węglan propylenu C3H6CO3. Dwutlenek węgła znacznie lepiej rozpuszcza się w węglanie propylenu, który będziemy oznaczać dalej w tekście skrótem „WPR”. Węglan propylenu jest nietoksyczną nieagresywną cieczą, stabilną w zakresie temperatur od -45 do +200°C, co wskazuje, że węglan propylenu może być stosowany bez poważnych zastrzeżeń.

Rozpuszczalność węglanu propylenu (WPR) scharakteryzowana jest w opublikowanej literaturze technicznej przez podanie wartości stałej Henry'ego, która uzależniona jest od temperatury.

PL 192 167 B1

Po przeprowadzeniu odpowiednich przeliczeń ustalono, że objętość gazu rozpuszczanego w WPR zmienia się od 15,2 do 1,108 m³/m³ WPR w zakresie temperatur od -40 do +140°C. W bardziej interesującym nas zakresie temperatur od 0 do 100°C objętość rozpuszczonego dwutlenku węgla w jednostce objętości WPR zmienia się od 5,57 do 1,3 (patrz tab. B i rys. B)

Z otrzymanych danych wynika, że zwiększenie temperatury powoduje szybki

T ab e l a B

Zależność stosunku objętościowego gazu CO2 rozpuszczanego w węglanie propylenu

Temperatura, t°C	Pwpr(t), kg/m³	E(t), Pa	Wco2 ,m³CO2/m³wpr
-40	1267,5	1,584	15,195
-20	1246,7	2,957	8,695
0	1225,9	4,899	5,568
20	1205,1	7,719	3,729
40	1184,4	11,504	2,626
60	1163,6	16,128	1,958
80	1142,8	21,243	1,548
100	1122,0	26,286	1,298
120	1101,2	30,477	1,157
140	1080,4	32,815	1,108

spadek zawartości rozpuszczonego gazu ale tylko w zakresie stosowania niskich temperatur (od -40 do +50°C). Ze wzrostem temperatury zawartość gazu oraz prędkość ulega obniżeniu.

Rys. B. Zależność stosunku objętościowego gazu CO², rozpuszczanego w węglanie propylenu

Na podstawie otrzymanej zależności v_co2(t) można obliczyć do jakiej temperatury należy podgrzać nasycony roztwór, ażeby z niego wydzielił się gaz o tej samej objętości jaką zajmuje nagrzewany roztwór.

Dokonane obliczenia wskazują, że w zakresie ujemnych temperatur tb od -45 do 0°C wystarczy nagrzać roztwór do 1,310°C, ażeby wydzielanie gazu odbywało

PL 192 167 B1

T ab e l a C

Zależność różnicy temperatury ta-tb potrzebnej dla wydzielenia gazu niezbędnego do pompowanie ciepłego roztworu od temperatury tb w zimnej gałęzi

tb	ta	^vco2^(tb)	^vco2^(ta)	ta-tb
-45	-43,7	18,572	17,572	1,26
-40	-38,0	15,195	14,195	1,97
-30	-26,4	11,181	10,181	3,57
-20	-14,7	8,695	7,695	5,25
-10	-2,8	6,916	5,915	7,16
0	9,6	5,568	4,568	9,59
10	22,9	4,531	3,531	12,92
20	37,7	3,729	2,729	17,65
30	54,6	3,108	2,108	24,57
40	75,3	2,626	1,626	35,34
45	88,4	2,427	1,427	43,39
50	105,2	2,251	1,252	55,16
54,156	150,0	2,121	1,121	95,84

się o objętości takiej samej jak objętość nagrzewanego roztworu. Przy podawaniu nasyconego roztworu o temperaturze 0-50°C do wydzielenia niezbędnej ilości gazu potrzebne jest dodatkowe nagrzewanie do temperatury 10-50°C. Przy podawaniu zimnego roztworu o temperaturze powyżej 54°C ilość wydzielanego gazu wskutek nagrzewania do 150°C prawie nie wystarczy dla osiągnięcia wypychania podawanego roztworu (patrz tab. C i rys. C).

Zakresy dolnych temperatur 0-50°C i górnej od 9,6 do 105°C oraz niezbyt duża różnica pomiędzy górnymi i dolnymi temperaturami (9,6 + 55°C) mogą być uznane za możliwe do przyjęcia na przykład przy pracy kolektorów słonecznych.

Temperatura nasyconego roztworu, tb°C

Rys. C. Zależność różnicy temperatury ta-tb potrzebnej dla wydzielenia gazy niezbędnego do pompowanie ciepłego roztworu od temperatury tb wzimnej gałęzi.

PL 192 167 B1

Wnioskując z wyżej wymienionych danych można stwierdzić, że są takie roztwory gazów w cieczach, które mogą być zaproponowane do praktycznego wykorzystania.

Ponadto trzeba zauważyć, że objętość gazu niezbędnego do wyciskania nagrzewanego roztworu w rzeczywistości będzie mniejsza od wartości określonej, ponieważ część potrzebnej objętości będzie zajmowana przez parę rozpuszczalnika. To zjawisko będzie bardziej zauważalne wraz z przybliżeniem temperatury do wartości temperatury wrzenia rozpuszczalnika.

Przedmiot wynalazku dotyczący urządzenia do przekazywania ciepła zostanie bliżej objaśniony w przykładzie wykonania w oparciu o rysunek przedstawiający urządzenie w schemacie ogólnym.

Przykład 2

Urządzenie do przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej, wykonane jest w postaci obiegu zamkniętego. Obieg zawiera gałąź opadową 1 i podnośną 2. Górne części gałęzi 1 i 2 łączą się za pomocą zamknięcia cieczowego, które składa się z naczynia dozującego 3 i rury 4. Obieg jest częściowo wypełniony ciekłym nośnikiem ciepła. W stanie spoczynku poziom ciekłego nośnika ciepła jest jednakowy w obydwóch gałęziach i znajduje się na poziomie krawędzi naczynia dozującego 3 zamknięcia cieczowego. W górnej części gałęzi opadowej umieszczone jest źródło ciepła 5 poniżej poziomu ciekłego nośnika ciepła. W dolnej części obiegu zamkniętego umieszczona jest chłodnica 6. W górnej części gałęzi podnośnej 2 umiejscowiony jest wymiennik masy 7, do którego podłączone są: gałąź podnośna 2, rura 4 zamknięcia cieczowego, kanał pośredni 8 oraz pojemnik gazu 9 o podatnych ściankach. Urządzenie posiada dwa zawory zwrotne 10 i 11. Zawór zwrotny 10 umieszczony jest w gałęzi podnośnej 2. Zawór zwrotny 11 umieszczony jest w kanale pośrednim 8.

Opisując działanie urządzenia zakładamy, że w momencie wyjściowym ciekły nośnik ciepła wypełnia gałąź opadową 1 i gałąź podnośną 2 z wymiennikiem masy 7 do takiego samego poziomu, na jakim usytuowana jest krawędź naczynia dozującego 3 zamknięcia cieczowego. Temperatura w obu gałęziach 1 i 2 i wymienniku masy 7 jest taka sama i wynosi 10°C, a ciekły nośnik ciepła w postaci węglanu propylenu nasycony jest dwutlenkiem węgla. Naczynie dozujące 3 jest wypełnione ciekłym węglanem propylenu. Grzejnik 5 podgrzewa węglan propylenu do temperatury 22,9°C. Na skutek podgrzewania wydziela się gaz z ciekłego roztworu. Wydzielony gaz podnosi ciśnienie na lustro węglanu propylenu, który przetłacza się przez opadową gałąź 1, chłodnicę 6, podnośną gałąź 2 oraz zwrotny zawór 10 do wymiennika masy 7. W trakcie przetłaczania węglan propylenu chłodzi się w chłodnicy 6 i dociera do wymiennika masy 7 schłodzonym do temperatury tb = 10°C. W wymienniku masy 7 zimny węglan propylenu pochłania dwutlenek węgla i staje się nasyconym.

W czasie tego przetłaczania pod wpływem rosnącego ciśnienia ciecz z naczynia dozującego 3 zamknięcia cieczowego przechodzi do rureczki 4. Różnica ciśnienia pomiędzy gałęziami 1 i 2 zostaje zrównoważona ciśnieniem rosnącego słupa cieczy w rureczce 4 zamknięcia cieczowego, dopóki ciecz z naczynia dozującego 3 nie przejdzie w całości do rureczki 4. Dalsze nagrzewanie i wydzielanie fazy gazowej spowoduje wypychanie węglanu propylenu z rureczki 4 do wymiennika masy 7 otwarcia zamknięcia cieczowego. Przez otwarte zamknięcie cieczowe gazy wraz z parą rozpuszczalnika przejdą z opadowej cieplejszej gałęzi do wymiennika masy 7, ciśnienie w gałęzi opadowej 1 i w wymienniku masy 7 zrówna się i wcześniej powstały nadmiar zimnego nasyconego gazem węglanu propylenu grawitacyjnie przepłynie z wymiennika masy 7 przez pośredni kanał 8 do górnej części opadowej gałęzi 1. Poziom cieczy podniesie się do krawędzi naczynia dozującego 3 zamknięcia cieczowego, naczynie dozujące 3 wypełni się cieczą i cykl zacznie się od początku.

Na podstawie wyników obliczeń objętości dwutlenku węgla rozpuszczonego w węglanie propylenu (patrz tab. C i rys. C), można także stwierdzić, że dla zapewnienia nasycenia węglanu propylenu dwutlenkiem węgla przy temperaturze t= 0°C wystarczy około 5 krotnej objętości CO2 w stosunku do objętości węglanu propylenu. Właśnie takiej objętości akumulator gazu będzie potrzebny dla funkcjonowania instalacji w zakresie temperatur powyższej 0°C.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej polegający na wykorzystaniu ciekłego nośnika ciepła w obiegu zamkniętym prowadzonego cyklicznie gdzie nośnik ciepła podgrzewa się, a powstające nadciśnienia powoduje, że w gałęzi opadowej przepycha się nośnik w dół oraz schładza się z jednoczesnym podnoszeniem poziomu nośnika ciepła w gałęzi podnoPL 192 167 B1 śnej (zimnej), po czym zlewa się nadmiar zimnego nośnika ciepła z gałęzi podnośnej do górnej gałęzi opadowej (ciepłej), znamienny tym, że do nośnika ciepła dodaje się gaz rozpuszczający się w tym nośniku ciepła.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosowany gaz przy nagrzewaniu ciekłego nośnika ciepła wydzielając się ma objętość nie mniejszą od objętości ciekłego nośnika ciepła.
3. Urządzenie do przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej wykonane w postaci obiegu zamkniętego, zawierającego podnośną i opadową gałąź, grzejnik, chłodnicę, kanał pośredni łączący podnośną z opadową częścią obiegu oraz zamknięcie cieczowe, znamienne tym, że ma wymiennik masy (7) do rozpuszczania gazu umiejscowiony w górnej części gałęzi podnośnej (2), który połączony jest poprzez kanał pośredni (8) z górną częścią gałęzi opadowej (1) oraz pojemnik gazu (9) podłączony do wymiennika masy (7).