PL223720B1 - Termosyfonowy wymiennik ciepła do hybrydowych układów odzysku ciepła - Google Patents

Abstract

Hybrydowy układ odzysku ciepła, zwłaszcza odpadowego, zawierający termosyfonowy wymiennik ciepła z rurkami ciepła z zaślepionymi końcami, wyposażony w króćce wylotowe i wlotowe czynnika grzewczego i ogrzewanego, charakteryzuje się tym, że w części dolnej termosyfonowego wymiennika, zawierającego doprowadzany poprzez króciec wlotowy, a odprowadzany poprzez krócieć wylotowy czynnik grzewczy (A), umieszczone są dolne ciepłowody (12) w postaci zamkniętych z jednej strony denkami (14), wypełnionych nanocieczą, żebrowanych rurek ciepła, połączone na stałe z drugiej strony z dolnym dnem sitowym (10), a, które połączone obwodowo z górnym dnem sitowym (11) tworzą przestrzeń buforową (17), przy czym w górnym dnie sitowym (11), umiejscowionym w części górnej termosyfonowego wymiennika, zawierającego doprowadzany poprzez króciec wlotowy, a odprowadzany poprzez krócieć wylotowy czynnik ogrzewany (B), umieszczone są górne ciepłowody (13) w postaci zamkniętych z jednej strony denkami (14), wypełnionych nanocieczą, żebrowanych rurek ciepła.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest termosyfonowy wymiennik ciepła do hybrydowych układów odzysku ciepła, zwłaszcza odpadowego z urządzeń chłodniczych lub klimatyzacyjnych małej i średniej mocy, umożliwiający także równoczesne pozyskiwanie ciepła od termicznych kolektorów słonecznych lub innych niskotemperaturowych źródeł ciepła.

W obecnie używanych układach wymienników ciepła stosuje się różne rozwiązania konstrukcyjne, zależnie od ich przeznaczenia i sposobu pozyskiwania ciepła.

Znane jest rozwiązanie wymiennika ciepła w postaci panelu grzewczego opisane w polskim patencie nr PL213151, składające się z części podgrzewanej i części oddającej ciepło (nadawczej). Część podgrzewana wykonana jest w postaci dwu współosiowych rur miedzianych, przy czym rura zewnętrzna ma dwa promieniowe otwory, łączące część podgrzewaną z częścią oddającą ciepło. Na powierzchni zewnętrznej wzdłuż przewodu wewnętrznego wytłoczone jest spiralne wgłębienie. Część oddającą ciepło wykonano z rury miedzianej, ukształtowanej w postaci przestrzennego obwodu o kwadratowym kształcie wielokrotnie powtarzanym. Układ został zamknięty próżniowo, z częściowym wypełnieniem czynnikiem roboczym. Po nagrzaniu z zewnątrz części nadawczej, ogrzewany jest czynnik roboczy, który z kolei ogrzewa panel grzejnika. Układ ten nie gromadzi ciepła. Odparowujący czynnik jest jedną z cieczy wybranych spośród węglowodorów, ketonów, alkoholi, pochodnych halogenowych węglowodorów, wody lub bromu.

W polskim patencie nr PL178544 przedstawiono ciepłowód do przekazywania ciepła, mający dwa oddzielne układy, przy czym w pierwszym układzie przemieszcza się podgrzewany czynnik roboczy oddający ciepło do drugiego układu, z odrębnym czynnikiem roboczym. Ciepłowód ma postać przewodu wykonanego z materiału o dużej przewodności cieplnej, zamkniętego z obu stron. Ciecz jest zamknięta w przewodzie hermetycznie pod próżnią i jest wybrana spośród węglowodorów, alkoholi, estrów, eterów, ketonów, pochodnych halogenowych węglowodorów i wody, w ilości minimalnej zapewniającej obecność cieczy w postaci ciekłej w maksymalnej temperaturze roboczej ciepłowodu, od 2/3 do 3/3 objętości przestrzeni podgrzewanego ciepłowodu.

W europejskim patencie nr EPO 438 938 przedstawiono rozwiązanie rurkowego wymiennika ciepła, charakteryzującego się tym, że ma on postać przewodu rurowego, gdzie rura ma wzdłużną przegrodę dzielącą ją na dwie strefy, cieczy i pary, a w jednej z nich usytuowana jest pofałdowana taśma służąca do oddzielenia cieczy powracającej ze strefy skraplania do strefy parowania. Taśma wyznacza pierścieniową strefę z wewnętrzną ścianką rury. Ponadto na wewnętrznej ściance rury wykonane są obwodowe rowki.

Z kolei w europejskim opisie patentowym nr EPO 334 142 przedstawiono rozwiązanie urządzenia do wymiany ciepła składające się z dwóch wymienników ciepła działających na zasadzie skraplacza i odparowywacza.

W koreańskim opisie patentowym nr KR1000713980000 przedstawiono sposób wytwarzania i instalowania rur przewodzących ciepło. W opisie tym przedstawion o rozwiązanie, gdzie elementem przewodzącym ciepło jest rura zamknięta na obu końcach pokrywami. Pokrywy są wlutowane w końcówki rury, a jedna z nich posiada otwór zaślepiający zamykany przy końcowym montażu. Wewnątrz rury umieszczona jest ciecz przewodząca ciepło. Napełnianie rury cieczą odbywa się przy jej pionowym ustawieniu, odsysaniu powietrza za pomocą pompy próżniowej i zasklepianiu.

W chińskim opisie wzoru użytkowego nr CN 2844788(Y) przedstawiono syfonowy wymiennik ciepła stosowany w instalacjach solarnych. W wymienniku tym zastosowano zamknięte rury ciepła wypełnione cieczą ogrzewaną promieniami słonecznymi, umieszczone koncentrycznie za pomocą żeber w zbiorniku hermetycznie zamkniętym i wypełnionym płynem mieszającym się grawitacyjnie. Z kolei zbiornik ten umieszczony jest w izolowanej obudowie, wypełnionej wodą i przejmującej ciepło od zamkniętego zbiornika poprzez jego ścianki.

Z międzynarodowego zgłoszenia patentowego PCT nr WO 2012/176136 znany jest hybrydowy panel słoneczny, przeznaczony do ogrzewania wody użytkowej. Panel charakteryzuje się tym, że zawiera ogniwa fotowoltaiczne wypełnione cieczą, przepływającą do układu chłodzącego odbierającego ciepło. Układ ten zawiera zespół rur wykonanych w postaci kieszeni, z powierzchniami parującymi i kondensującymi, obmywanymi od wewnątrz przez ciecz zawartą w komorach solarnych z jednej strony oraz od zewnątrz przez ogrzewaną wodę. Cechą charakterystyczną rozwiązania jest to, że kieszenie, w których następuje wymiana ciepła są metalowe i tworzone poprzez zawalcowywanie plastyczne z profilowanych blach.

PL 223 720 B1

W amerykańskim patencie nr US 4 226 282 opisano syfonowy wymiennik ciepła, zawierający w swojej strukturze rury ciepła. Rury te łączą górną i dolną komorę wymiany ciepła. Rury zamknięte są na końcach i wypełnione cieczą. Część rury zawarta w dolnej komorze wymiany ciepła jest ogrzewana przez opływającą ją ciecz, co powoduje grawitacyjny przepływ zawartej w niej cieczy do górnej strefy rury. Tam z kolei następuje wymiana ciepła poprzez ścianki rury z cieczą zawartą w górnej komorze wymiany ciepła, skąd ogrzewana ciecz jest transportowana poprzez pompy do odbiorników ciepła.

Termosyfonowy wymiennik ciepła do hybrydowych układów odzysku ciepła, zwłaszcza odpadowego, według wynalazku, zawiera rurki ciepła z zaślepionymi końcami i wyposażony jest w króćce wylotowe i wlotowe czynnika grzewczego i ogrzewanego. Zgodnie z istotą wynalazku, w części dolnej termosyfonowego wymiennika zawierającego, doprowadzany poprzez króciec wlotowy a odprowadzany poprzez krócieć wylotowy, czynnik grzewczy, umieszczone są dolne Ciepłowody w postaci zamkniętych z jednej strony denkami, wypełnionych nanocieczą, żebrowanych rurek ciepła, Ciepłowody połączone są na stałe z drugiej strony z dolnym dnem sitowym, które połączone obwodowo z górnym dnem sitowym, tworzy przestrzeń buforową. W górnym dnie sitowym, umiejscowionym w części górnej termosyfonowego wymiennika zawierającego, doprowadzany poprzez króciec wlotowy a odprowadzany poprzez krócieć wylotowy, czynnik ogrzewany, umieszczone są górne Ciepłowody w postaci zamkniętych z jednej strony denkami, wypełnionych nanocieczą, żebrowanych rurek ciepła. Pomiędzy Ciepłowodami umieszczone są tulejki pośrednie, połączone szczelnie z rurkami ciepła, wyposażone w promieniowe otwory, łączące wewnętrzną przestrzeń Ciepłowodów z przestrzenią buforową. Kołnierze połączone są na trwałe z dnami i płaszczami zewnętrznymi, zamkniętymi od góry i od dołu dennicami.

W drugim wariancie wykonania wynalazku, do górnego dna sitowego zamocowany jest obwodowo zbiornik czynnika ogrzewanego, zwłaszcza wody, wyposażony w króciec wlotowy i króciec wylotowy.

Korzystnie, pomiędzy górnym a dolnym dnem sitowym jest umieszczona kapilara łącząca strefę buforową z zewnętrzną pompą próżniową.

Korzystnie, przestrzeń buforowa jest połączona za pomocą kapilary z akustycznym lub wizualnym system alarmowym, sygnalizującym rozszczelnienie i stanowiącym zabezpieczenie przed wtórnym zanieczyszczeniem.

Korzystnie, zawartą w Ciepłowodach oraz w strefie buforowej nanociecz stanowi roztwór nanocząstek w wodzie dejonizowanej lub w alkoholu etylowym.

Termosyfonowy wymiennik ciepła według wynalazku, pozwala na jego zastosowanie przede wszystkim w postaci układu do współpracy z małymi urządzeniami niskotemperaturowymi. Wynika to z faktu rosnącej liczby indywidualnych obiektów wyposażonych w lokalne instalację klimatyzacyjne ale również na przykład w instalacje solarne, co pozwoli na racjonalne zagospodarowanie odzyskiwanej energii cieplnej w czasie całej doby. Układ ten pozwala na pozyskiwanie energii termicznej bez budowy dodatkowych, oddzielnych systemów pozyskiwania ciepła odpadowego, co wpływa na obniżenie kosztów inwestycyjnych. Wymiennik ciepła zapewnia możliwość magazynowania energii termicznej i wykorzystywania jej na przykład do celów socjalnych. Jest to o tyle istotne, że proces pozyskiwania energii na przykład z fototermicznych źródeł konwersji energii słonecznej nie pokrywa się z okresem zapotrzebowania na nią, a co za tym idzie jest ona częściowo tracona. Zastosowanie nanocieczy przyczyniło się do intensyfikacji wymiany ciepła w rurkach ciepła a dzięki temu do zmniejszenia wymiarów wymiennika ciepła. Bardzo ważną zaletą przedstawionego wymiennika ciepła jest to, że warunki wymiany ciepła podczas wrzenia i kondensacji są znacznie lepsze niż podczas przewodzenia ciepła przez warstwę buforową. Średnia powierzchniowa gęstość strumienia ciepła dla tego typu ro związania wynosi 40-50 W/cm i jest ok. 35 krotnie wyższa niż w przypadku wymiennika ciepła z warstwą buforową wypełnioną wodą, w której transport ciepła jest zdominowany przez przewodzenie. Nanociecz wypełniająca rurki ciepła spełnia dwie funkcje: jest nośnikiem ciepła pomiędzy czynnikiem grzewczym a ogrzewanym oraz spełnia rolę płynu wypełniającego strefę buforową. Nanociecze charakteryzują się unikalnymi właściwościami cieplnymi w porównaniu ze stosowanymi cieczami rudymentarnymi. W przypadku zastosowania nanocieczy obserwuje się znaczącą intensyfikację wymiany ciepła podczas wrzenia i kondensacji. Ponadto już dla małych stężeń nanocząstek, rzędu (0,1-0,5)% można uzyskać znaczną poprawę współczynnika przewodzenia i przejmowania ciepła.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykładowych dwóch wariantach na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój poprzeczny A-A wymiennika z fig. 3, fig. 2 - widok wymiennika według wariantu pierwszego, fig. 3 - przekrój poprzeczny B-B z fig. 2, fig. 4 - przekrój poprzeczny C-C wy4

PL 223 720 B1 miennika z fig. 6, fig. 5 - widok wymiennika według wariantu drugiego, fig. 6 - przekrój poprzeczny D-D z fig. 5.

W wariancie pierwszym, w części dolnej 1 termosyfonowego wymiennika zawierającego, doprowadzany poprzez króciec wlotowy 2 a odprowadzany poprzez krócieć wylotowy 3, czynnik grze wczy A, umieszczone są dolne Ciepłowody 12 w postaci zamkniętych z jednej strony denkami 14, wypełnionych nanocieczą, żebrowanych rurek ciepła, połączone na stałe z drugiej strony z dolnym dnem sitowym 10, które połączone obwodowo z górnym dnem sitowym 11, tworzy przestrzeń buforową 17. W górnym dnie sitowym 11, umiejscowionym w części górnej 4 termosyfonowego wymiennika, zawierającego, doprowadzany poprzez króciec wlotowy 5 a odprowadzany poprzez krócieć wylotowy 6, czynnik ogrzewany B, umieszczone są górne Ciepłowody 13 w postaci zamkniętych z jednej strony denkami 14, wypełnionych nanocieczą, żebrowanych rurek ciepła. Pomiędzy Ciepłowodami 12 i 13 umieszczone są tulejki pośrednie 15, połączone szczelnie z rurkami ciepła, wyposażone w promieniowe otwory 16, łączące wewnętrzną przestrzeń Ciepłowodów 12 i 13 z przestrzenią buforową 17. Kołnierze 9 połączone są na trwale z dnami 10 i 11 i płaszczami zewnętrznymi 7 i 7' zamkniętymi od góry i od dołu dennicami 8 i 8'.

W wariancie drugim, do górnego dna sitowego 11 zamocowany jest obwodowo zbiornik 19 czynnika ogrzewanego B, wyposażony w króciec wlotowy 20 i króciec wylotowy 21.

W obu wariantach, pomiędzy górnym dnem sitowym 11 a dolnym dnem sitowym 10 jest umieszczona kapilara 18 łącząca strefę buforową 17 z zewnętrzną pompą próżniową.

Korzystnie, przestrzeń buforowa 17 jest połączona za pomocą kapilary 18 z akustycznym lub wizualnym system alarmowym, sygnalizującym rozszczelnienie i stanowiącym zabezpieczenie przed wtórnym zanieczyszczeniem.

Zawarta w Ciepłowodach 12 i 13 oraz w strefie buforowej 17 nanociecz stanowi roztwór nanocząstek w wodzie dejonizowanej lub w alkoholu etylowym.

Rurki ciepła Ciepłowodów 12 i 13 pracują w układzie pionowym, wypełnione są nanocieczą łącznie ze strefą buforową 17, zwiększającą intensywność wymiany ciepła w rurkach ciepła, a więc również całym wymienniku ciepła, przy wysokim podciśnieniu wytworzonym przy napełnianiu rurek ciepła w czasie montażu przez pompę próżniową połączoną z kapilarą 18, przy czym trwałe połączenie rurek ciepła 12 i 13 z dnami sitowymi 10 i 11 oraz dnem z kołnierzami 9 oddziela podwójną stałą przegrodą czynniki wymieniające ciepło od nanocieczy, co zapobiega skażeniu ogrzewanej wody.

Umieszczenie dolnej części rurki ciepła 13 w dnie sitowym 11 umożliwia wykonanie od strony strefy buforowej 17 połączenia tych elementów poprzez spawanie lub lutowan ie. Pozwala to na swobodę w rozmieszczeniu w dnie sitowym górnych rurek ciepła i uzyskanie niewielkich odległości między nimi. W taki sam sposób jest wykonane połączenie z dnem sitowym 10 rurki ciepła 12. Niezależne połączenie górnych i dolnych połówek rurek ciepła z dnami sitowymi umożliwia zastosowanie odmiennych rodzajów ożebrowania w górnej i dolnej części wymiennika, w zależności od warunków wymiany ciepła. Przestrzeń buforowa 17 połączona za pomocą kapilary 18 z pompą próżniową, umożliwia w fazie montażu wymiennika ciepła i napełniania czynnikiem roboczym rurek ciepła, wytworzenie wysokiego podciśnienia wewnątrz rurek ciepła i przestrzeni buforowej 17.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Termosyfonowy wymiennik ciepła do hybrydowych układów odzysku ciepła, zwłaszcza odpadowego, zawierający rurki ciepła z zaślepionymi końcami oraz wyposażony w króćce wylotowe i wlotowe czynnika grzewczego i ogrzewanego, znamienny tym, że w części dolnej (1) termosyfonowego wymiennika zawierającego, doprowadzany poprzez króciec wlotowy (2) a odprowadzany poprzez krócieć wylotowy (3), czynnik grzewczy (A), umieszczone są dolne Ciepłowody (12) w postaci zamkniętych z jednej strony denkami (14), wypełnionych nanocieczą, żebrowanych rurek ciepła, połączone na stałe z drugiej strony z dolnym dnem sitowym (10), które połączone obwodowo z górnym dnem sitowym (11) tworzy przestrzeń buforową (17), przy czym w górnym dnie sitowym (11), umiejscowionym w części górnej (4) termosyfonowego wymiennika zawierającego, doprowadzany poprzez króciec wlotowy (5) a odprowadzany poprzez krócieć wylotowy (6), czynnik ogrzewany (B), umieszczone są górne ciepłowody (13) w postaci zamkniętych z jednej strony denkami (14), wypełnionych nanocieczą, żebrowanych rurek ciepła, natomiast pomiędzy ciepłowodami (12) i (13) umieszczone są tulejki pośrednie (15) połączone szczelnie z rurkami ciepła, wyposażone w promieniowe otwory (16),

   PL 223 720 B1 łączące wewnętrzną przestrzeń Ciepłowodów (12) i (13) z przestrzenią buforową (17), zaś kołnierze (9) połączone są na trwale z dnami (10) i (11) i płaszczami zewnętrznymi (7) i (7') zamkniętymi od góry i od dołu dennicami (8) i (8').
2. 2. Termosyfonowy wymiennik według zastrz. 1, znamienny tym, że do górnego dna sitowego (11) zamocowany jest obwodowo zbiornik (19) czynnika ogrzewanego (B), wyposażony w króciec wlotowy (20) i króciec wylotowy (21).
3. 3. Termosyfonowy wymiennik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że pomiędzy górnym dnem sitowym (11) a dolnym dnem sitowym (10) jest umieszczona kapilara (18) łącząca strefę buforową (17) z zewnętrzną pompą próżniową.
4. 4. Termosyfonowy wymiennik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że przestrzeń buforowa (17) jest połączona za pomocą kapilary (18) z akustycznym lub wizualnym system alarmowym, sygn alizującym rozszczelnienie i stanowiącym zabezpieczenie przed wtórnym zanieczyszczeniem.
5. 5. Termosyfonowy wymiennik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że zawartą w Ciepłowodach (12) i (13) oraz w strefie buforowej (17) nanociecz stanowi roztwór nanocząstek w wodzie dej onizowanej lub w alkoholu etylowym.