PL195490B1 - Urządzenie do przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej - Google Patents

Abstract

1. Urządzenie do samorzutnego przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej wykonane w postaci obiegu zamkniętego, częściowo wypełnionego cieczą, zawierającego podno- śną i opadową gałąź, grzejnik, chłodnicę, kanał pośredni i zamknięcie cieczowe łączące podnośną z opadową częścią obiegu, znamienne tym, że ma naczynie zbiorcze (3) z czynnikiem roboczym (19) ciepłym i naczynie zbiorcze (4) z czynnikiem roboczym (19) zimnym, a kanał pośredni (5) wykonany jest w kształcie litery „U”, przy czym w naczyniu zbiorczym ciepłym (1) w dolnej części znajduje się wejście (10) gałęzi opadowej (1), a powyżej znajduje się zamknięcie cieczowe złożone z naczynia dozującego (6) i rury przepustowej (7) oraz wyjście (12) kanału pośredniego (5), a w naczyniu zbiorczym zimnym (4) w dolnej części znajduje się wejście (13) kanału pośredniego (5), a powyżej znajduje się wyjście (11) gałęzi podnośnej (2) oraz wyjście (14) rury przepustowej (7) zamknięcia cieczowego.

Description

PL 195 490 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest 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 czy w inspektach, jak również do przekazywania ciepła od kolektora słonecznego 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 15361A znany jest sposób i urządzenie do przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej.

Sposób ten polega na wykorzystaniu obiegu zamkniętego częściowo wypełnionego ciekłym czynnikiem roboczym, który przebiega w obiegu cyklicznie. W tym celu w górnej części opadowej gałęzi obiegu podgrzewa się ciekły nośnik ciepła, w wyniku czego podnosi się ciśnienie pary nasyconej tego czynnika roboczego i następuje wyciskanie jego w dół. W dolnej części obiegu ciekły czynnik roboczy schładza się i schłodzony przepływa do gałęzi podnośnej. Na skutek tego poziom ciekłego czynnika roboczego 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 górnej części gałęzi opadowej przechodzi do gałęzi podnośnej.

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 z opadową i podnośną gałęzią. W górnej części gałęzi opadowej usytuowany jest grzejnik a w dolnej części obiegu znajduje się chłodnica. Obieg dodatkowo wyposażony jest w pośredni kanał, który łączy część opadową z częścią podnośną. Oprócz tego obieg zawiera zaniknięcie cieczowe usytuowane w gałęzi opadowej powyżej otworu wejściowego kanału pośredniego, a rura zamknięcia cieczowego podłączona jest do górnej części gałęzi podnośnej.

Według wynalazku urządzenie do samorzutnego przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej ma naczynie zbiorcze z czynnikiem roboczym ciepłym i naczynie zbiorcze z czynnikiem roboczym zimnym, a kanał pośredni wykonany jest w kształcie litery „U”, przy czym w naczyniu zbiorczym ciepłym w dolnej części znajduje się wejście gałęzi opadowej, a powyżej znajduje się zamknięcie cieczowe złożone z naczynia, dozującego i rury przepustowej a także wyjście kanału pośredniego. W naczyniu zbiorczym z zimnym czynnikiem roboczym w dolnej części znajduje się wejście kanału pośredniego, a powyżej znajduje się wyjście gałęzi podnośnej oraz wyjście rury przepustowej zamknięcia cieczowego.

W odmianie urządzenia do samorzutnego przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej, urządzenie ma naczynie zbiorcze z czynnikiem roboczym ciepłym i naczynie zbiorcze z czynnikiem roboczym zimnym, a kanał pośredni wykonany jest w kształcie litery „U”, przy czym w naczyniu zbiorczym ciepłym w dolnej części znajduje się wejście gałęzi opadowej, a powyżej znajduje się zamknięcie cieczowe złożone z naczynia dozującego i rury przepustowej a także wyjście kanału pośredniego. W naczyniu zbiorczym zimnym w dolnej części znajduje się wejście kanału pośredniego, a powyżej wyjście gałęzi podnośnej i wyjście rury przepustowej zamknięcia cieczowego oraz korzystnie w naczyniu zbiorczym z czynnikiem roboczym zimnym znajduje się wejście rury zlewnej, która drugim końcem dołączona jest do naczynia zlewnego.

W kolejnej odmianie urządzenia do samorzutnego przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej, urządzenie ma naczynie zbiorcze z czynnikiem roboczym ciepłym i naczynie zbiorcze z czynnikiem roboczym zimnym, a kanał pośredni wykonany jest w kształcie litery „U”, przy czym w naczyniu zbiorczym z ciepłym w dolnej części znajduje się wejście gałęzi opadowej, a powyżej znajduje się zaniknięcie cieczowe złożone z naczynia dozującego i rury przepustowej oraz wyjście kanału pośredniego. W naczyniu zbiorczym z czynnikiem roboczym zimnym w dolnej części znajduje się wejście kanału pośredniego, a powyżej znajduje się wejście rury zlewnej, wyjście gałęzi podnośnej oraz wyjście rury przepustowej zamknięcia cieczowego, przy czym korzystnie wszystkie elementy obiegu mające rozłączne złącza umieszczone są w zbiornikach wypełnionych uszczelniającym ciekłym czynnikiem roboczym.

W poszczególnych odmianach urządzenia do samorzutnego przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej wyjście gałęzi podnośnej jest usytuowane powyżej poziomu wejPL 195 490 B1 ścia gałęzi opadowej, a górna krawędź naczynia dozującego oraz wyjście kanału pośredniego są usytuowane pomiędzy poziomem wyjścia gałęzi podnośnej a wejściem gałęzi opadowej, natomiast wyjście kanału pośredniego jest usytuowane powyżej górnej krawędzi naczynia dozującego. Dodatkowo w drugiej i trzeciej odmianie urządzenia wejście rury zlewnej jest usytuowane pomiędzy wyjściem gałęzi podnośnej a poziomem wyjścia kanału pośredniego.

Każda z odmian urządzenia do samorzutnego przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej odznacza się prostą konstrukcją bez ruchomych elementów mechanicznych, zwłaszcza bez zaworów zwrotnych, ma niewielką ilość elementów składowych, zapewnia dużą niezawodność pracy i jednocześnie zapewnienia pracę urządzenia przy różnych temperaturach. Uszczelnienie złącz obiegu za pomocą uszczelniającego czynnika roboczego pozwala na większą stabilność pracy wskutek wyeliminowania zasysania powietrza przy podciśnieniu wewnątrz urządzenia i obniżenie kosztów potrzebnych na eksploatację urządzeń.

Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urządzenie w schemacie ogólnym, fig. 2 - odmianę urządzenia z dodatkową rurą zlewną oraz pojemnikiem zlewnym w schemacie ogólnym i fig. 3 - odmianę urządzenia ze zbiornikami wypełnionymi uszczelniającym czynnikiem roboczym w schemacie ogólnym.

Urządzenie według wynalazku ma gałęzie: opadową - ciepłą (1) i podnośną -zimną (2), w górnych częściach których usytuowano odpowiednio naczynia zbiorcze ciepłe (3) i naczynie zbiorcze zimne (4). Urządzenie ma także kanał pośredni (5) wykonany w kształcie litery „U”, a w naczyniu zbiorczym ciepłym (3) umieszczone jest zamknięcie cieczowe, które składa się z naczynia dozującego (6) i rury przepustowej (7). Źródło ciepła (8) ogrzewa naczynie zbiorcze ciepłe (3), a w dolnej części obiegu znajduje się chłodnica (9). W naczyniu zbiorczym ciepłym (3) usytuowane jest wejście (10) gałęzi opadowej (1), wyjście (12) kanału pośredniego (5) oraz zamknięcie cieczowe (6) i wejściowa część rury przepustowej (7). W naczyniu zbiorczym zimnym (4) usytuowane wejście (13) kanału pośredniego (5), wyjście (11) gałęzi podnośnej (2), wyjście (14) rury przepustowej (7) oraz wejście (17) rury zlewnej (15). Rura zlewna (15) drugim swoim końcem dołączona jest do naczynia zlewnego (16). Rozłączne złącza obiegu umieszczone są w zbiornikach (18) wypełnionych uszczelniającym ciekłym czynnikiem roboczym (21). Wewnątrz urządzenia znajduje się ciekły czynnik roboczy (19) oraz jego para (20).

Podczas działania urządzenia w ciepłej stronie obiegu poziom cieczy cyklicznie waha się od poziomu krawędzi naczynia dozującego (6)do dołu i z powrotem, przy czym dolny poziom określa się tym, jak wyregulowane jest zamknięcie cieczowe.

Poziom ciekłego czynnika roboczego w zimnej stronie obiegu waha się wraz z wahaniem ciekłego czynnika roboczego w ciepłej stronie obiegu, ale tu poziom nie powinien obniżać się poniżej poziomu wyjścia (12) kanału pośredniego (5), aby mieć możliwość do grawitacyjnego zlewu cieczy do naczynia zbiorczego ciepłego (3) przez kanał pośredni (5).

W proponowanym wynalazku w górnej części ciepłej strony obiegu usytuowane jest naczynie zbiorcze (3) z ciepłą cieczą, do którego przyłączone jest wejście (10) do gałęzi opadowej (1), wyjście (12) z kanału pośredniego (5) oraz zamknięcie cieczowe złożone z naczynia dozującego (6)i rury przepustowej (7). W górnej części zimnej strony obiegu usytuowane jest naczynie zbiorcze (4) z zimną cieczą, w którym umieszczone jest wyjście (11) z gałęzi podnośnej (2), wejście (13) do kanału pośredniego (5) oraz wyjście (14)z rury przepustowej (7) zamknięcia cieczowego.

Wejście (10) do gałęzi opadowej (1) umieszczone jest w dolnej części naczynia zbiorczego (3) ciepłego, a wejście (13) do kanału pośredniego usytuowane jest w dolnej części naczynia zbiorczego zimnego (4). Zapewnia to właściwy kierunek przepływu ciepłej cieczy w gałęzi opadowej (1) w dół do chłodnicy (9), a zimnej cieczy też w dół przez kanał pośredni (5)do górnej części ciepłej strony obiegu.

Wyjście (11)z gałęzi podnośnej (2)do naczynia zbiorczego zimnego (4), jest usytuowane wyżej od poziomu wejścia (10) do gałęzi opadowej (1); górna krawędź naczynia dozującego (6) oraz wyjście (12) z kanału pośredniego (5) do naczynia zbiorczego ciepłego (3) umieszczone są między wyjściem (11) z gałęzi podnośnej (2)do naczynia zbiorczego zimnego (4)a poziomem wejścia (10) do gałęzi opadowej (1), przy czym wyjście (12) z kanału pośredniego (5) jest usytuowane wyżej niż krawędź górna naczynia dozującego (6).

Konstrukcja taka stwarza warunki do cyklicznego wahania cieczy ciepłej od poziomu krawędzi naczynia dozującego (6) w dół oraz cieczy zimnej od poziomu wyjścia z kanału pośredniego (5) w górę, tj. powyżej poziomu krawędzi naczynia dozującego (6). A tym samym zapewnia się jednokierunkowy przepływ cieczy w obiegu zamkniętym oraz możliwość wypełnienia naczynia dozującego.

PL 195 490 B1

Realizację tych możliwości uzyskuje się pod warunkiem utrzymania właściwych granic wahania poziomów ciepłej i zimnej cieczy oraz pod warunkiem właściwego otwierania zamknięcia cieczowego. Te warunki są następujące.

Urządzenie jest wypełnione ciekłym czynnikiem roboczym (19) w takiej ilości, aby wypełnić naczynie zbiorcze (3) wraz z gałęziami opadową (1) i podnośną (2) do poziomu górnej krawędzi naczynia dozującego (6)(w trakcie pracy jest to maksymalny poziom cieczy w naczyniu zbiorczym ciepłym (3)) i jednocześnie naczynie zbiorcze zimne (4)z kanałem pośrednim (5)do poziomu wyjścia (12) z kanału pośredniego (5). Gwarantuje to grawitacyjny zlew nadmiaru cieczy z naczynia zbiorczego zimnego (4) do naczynia zbiorczego ciepłego (3)a także do naczynia dozującego (6).

Do urządzenia dostarcza się ciekłego czynnika roboczego (19) w takiej ilości, aby nie przekroczył w naczyniu zbiorczym (3) poziomu górnej krawędzi naczynia dozującego (6) i jednocześnie w naczyniu zbiorczym zimnym (4) poziomu wyjścia (11) z gałęzi podnośnej (2). Jakikolwiek dalszy nadmiar cieczy może spowodować w czasie pracy przekroczenie poziomu wyjścia (11) z gałęzi podnośnej (2), a więc może doprowadzić do niepożądanego powrotnego przepływu zimnego czynnika roboczego (19) przez obydwie gałęzie obiegu i chłodnicę (9), co nie odpowiada celowi pracy urządzenia.

Zamknięcie cieczowe wyregulowane jest w taki sposób, że różnica ciśnień w naczyniach zbiorczych ciepłym (3) i zimnym (4), przy którym zamknięcie cieczowe otwiera się, powoduje podniesienie cieczy od poziomu górnej krawędzi naczynia dozującego (6) do poziomu wyjścia (11) z gałęzi podnośnej (2). To zapewnia przetłoczenie cieczy do naczynia zbiorczego zimnego (4). Razem z tym różnica ciśnień, przy którym zamknięcie cieczowe otwiera się, jest nie wyższa niż taka, która spowoduje w trakcie pracy w naczyniu zbiorczym zimnym (4) przekroczenie ciekłym czynnikiem roboczym poziomu wyjścia (11) gałęzi podnośnej (2). Uniemożliwia to powrotny przepływ cieczy przez gałąź podnośną (2)i opadową (1) obiegu cyrkulacyjnego.

Odmianą urządzenia opisanego powyżej jest urządzenie zaopatrzone w rurę zlewną (15) dołączoną do górnej części obiegu zamkniętego, której drugi koniec przyłączony jest do naczynia zlewnego (16) usytuowanego poniżej. Zapewnia to automatyczne zlewanie nadmiaru cieczy, która może być doprowadzona do urządzenia przy początkowym wypełnianiu lub w trakcie pracy urządzenia.

Wejście (17) z naczynia zbiorczego zimnego (4) do rury zlewnej (15) usytuowane jest poniżej wyjścia (11) z gałęzi podnośnej (2) ale powyżej poziomu wyjścia (12) z kanału pośredniego (5). To zapewnia, że zlew nie spowoduje wydalenia zbyt dużej ilości cieczy z obiegu cyrkulacyjnego oraz nie dopuści do zgromadzenia się cieczy ponad poziom wyjścia (11)z gałęzi podnośnej (2).

Naczynie zlewne (16) może być odizolowane od otoczenia lub nie. W ostatnim przypadku naczynie powinno być odpowiednio usytuowane, aby zrównoważyć ciśnienie atmosferyczne, ciśnienie wewnątrz urządzenia oraz ciśnienie, które wywiera słup cieczy w rurze zlewnej (15).

Różnica ciśnień w naczyniach zbiorczych ciepłym (3)i zimnym (4), przy którym zamknięcie cieczowe otwiera się, jest nie większa niż ta, która w czasie pracy spowoduje wyciśnięcie cieczy do naczynia zbiorczego (4) powyżej poziomu wejścia (17) do rury zlewnej (15).

Kanał pośredni (5) jest wykonany w kształcie litery „U”. Głębokość kanału od jego wyjścia (12) do najniższego punktu kanału jest nie mniejsza niż taka, aby w momencie otwarcia zamknięcia cieczowego pod działaniem nadmiaru ciśnienia w naczyniu zbiorczym ciepłym (3) przez kanał pośredni (5) nie przeszła para czynnika roboczego (20).

Rozłączne złącza obiegu mogą być umieszczone w zbiornikach (18) wypełnionych uszczelniającym ciekłym czynnikiem roboczym (21) w sposób zapewniający usytuowanie złącz pod poziomem uszczelniającego czynnika roboczego (21), aby w przypadku podciśnienia, na przykład dla wody w temperaturach poniżej 100°C, zastąpić niepożądane przenikanie powietrza na dopływ tego samego czynnika roboczego, który nie szkodzi procesom skraplania pary w naczyniu zbiorczym (4). Oprócz tego powstający nadmiar cieczy w urządzeniu może być wyprowadzony z obiegu, na przykład przez rurę zlewną (15).

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do samorzutnego przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej wykonane w postaci obiegu zamkniętego, częściowo wypełnionego cieczą, zawierającego podnośną i opadową gałąź, grzejnik, chłodnicę, kanał pośredni i zamknięcie cieczowe łączące podnośną z opadową częścią obiegu, znamienne tym, że ma naczynie zbiorcze (3) z czynnikiem roboczym (19)

   PL 195 490 B1 ciepłym i naczynie zbiorcze (4)z czynnikiem roboczym (19) zimnym, a kanał pośredni (5) wykonany jest w kształcie litery „U”, przy czym w naczyniu zbiorczym ciepłym (1) w dolnej części znajduje się wejście (10) gałęzi opadowej (1), a powyżej znajduje się zamknięcie cieczowe złożone z naczynia dozującego (6)i rury przepustowej (7) oraz wyjście (12) kanału pośredniego (5), a w naczyniu zbiorczym zimnym (4)w dolnej części znajduje się wejście (13) kanału pośredniego (5), a powyżej znajduje się wyjście (11) gałęzi podnośnej (2) oraz wyjście (14) rury przepustowej (7) zamknięcia cieczowego.
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że wyjście (11) gałęzi podnośnej (2) jest usytuowane powyżej poziomu wejścia (10) gałęzi opadowej (1), a górna krawędź naczynia dozującego (6) oraz wyjście (12) kanału pośredniego (5)są usytuowane pomiędzy poziomem wyjścia (11) gałęzi podnośnej (2)a wejściem (10) gałęzi opadowej (1), natomiast wyjście (12) kanału pośredniego (5) jest usytuowane powyżej górnej krawędzi naczynia dozującego (6).
3. 3. Urządzenie do samorzutnego przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej wykonane w postaci obiegu zamkniętego, częściowo wypełnionego cieczą, zawierającego podnośną i opadową gałąź, grzejnik, chłodnicę, kanał pośredni i zamknięcie cieczowe łączące podnośną z opadową częścią obiegu, znamienne tym, że ma naczynie zbiorcze (1) z czynnikiem roboczym (19) ciepłym i naczynie zbiorcze (4)z czynnikiem roboczym (19) zimnym, przy czym w naczyniu zbiorczym ciepłym (3) w dolnej części znajduje się wejście (10) gałęzi opadowej (1), a powyżej znajduje się zamknięcie cieczowe złożone z naczynia dozującego (6)i rury przepustowej (7) oraz wyjście (12) kanału pośredniego (5) w kształcie litery „U”, a w naczyniu zbiorczym zimnym (4) w dolnej części znajduje się wejście (13) kanału pośredniego (5), a powyżej znajduje się wyjście (11) gałęzi podnośnej (2) oraz wyjście (14) rury przepustowej (7) zamknięcia cieczowego oraz korzystnie w naczyniu zbiorczym (4) znajdujesię wejście (17) rury zlewnej (15), która drugim końcem dołączona jest do naczynia zlewnego (16).
4. 4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że wyjście (11) gałęzi podnośnej (2) jest usytuowane powyżej poziomu wejścia (10) gałęzi opadowej (1), a górna krawędź naczynia dozującego (6) oraz wyjście (12) kanału pośredniego (5)są usytuowane pomiędzy poziomem wyjścia (11) gałęzi podnośnej (2) a wejściem (10) gałęzi opadowej (1), natomiast wyjście (12) kanału pośredniego (5) jest usytuowane powyżej górnej krawędzi naczynia dozującego (6), przy czym korzystnie wejście (17) rury zlewnej (15) jest usytuowane pomiędzy wyjściem (11) gałęzi podnośnej (2)a poziomem wyjścia (12) kanału pośredniego (5).
5. 5. Urządzenie do samorzutnego przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej wykonane w postaci obiegu zamkniętego, częściowo wypełnionego cieczą, zawierającego podnośną i opadową gałąź, grzejnik, chłodnicę, kanał pośredni i zamknięcie cieczowe łączące podnośną z opadową częścią obiegu, znamienne tym, że ma naczynie zbiorcze (3) z czynnikiem roboczym (19) ciepłym i naczynie zbiorcze (4)z czynnikiem roboczym (19) zimnym, przy czym w naczyniu zbiorczym ciepłym (3)w dolnej części znajduje się wejście (10) gałęzi opadowej (1), a powyżej znajduje się zaniknięcie cieczowe złożone z naczynia dozującego (6)i rury przepustowej (7) oraz wyjście (12) kanału pośredniego (5)w kształcie litery „U”, a w naczyniu zbiorczym zimnym (4)w dolnej części znajduje się wejście (13) kanału pośredniego (5), a powyżej znajduje się wyjście (11) gałęzi podnośnej (2) oraz wyjście (14) rury przepustowej (7) zamknięcia cieczowego i wejście (17) rury zlewnej (15), która drugim końcem dołączona jest do naczynia zlewnego (16) przy czym korzystnie wszystkie elementy obiegu mające rozłączne złącza umieszczone są w zbiornikach (18) wypełnionych uszczelniającym ciekłym czynnikiem roboczym (21).
6. 6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że wyjście (11) gałęzi podnośnej (2) jest usytuowane powyżej poziomu wejścia (10) gałęzi opadowej (1), a górna krawędź naczynia dozującego (6) oraz wyjście (12) kanału pośredniego (5) są usytuowane pomiędzy poziomem wyjścia (11) gałęzi podnośnej (2), a wejściem (10) gałęzi opadowej (1), natomiast wyjście (12) kanału pośredniego (5) jest usytuowane powyżej górnej krawędzi naczynia dozującego (6), a wejście (17) rury zlewnej (15) jest usytuowane pomiędzy wyjściem (11) gałęzi podnośnej (2)a poziomem wyjścia (12) kanału pośredniego (5).