PL227757B1 - Urządzenie do samoczynnego przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do samoczynnego przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej. Urządzenie może być stosowane w rożnych dziedzinach gosp odarki, gdzie zachodzi potrzeba transportu ciepła do odbiornika znajdującego się poniżej źródła ciepła, jak na przykład: do przekazywania ciepła od kolektora słonecznego do akumulatora ciepła usytuowanego poniżej, do zasilania podziemnych magazynów ciepła stosowanych w systemach ogrzewania budynków, do regeneracji stanu termicznego odwiertów wykorzystywanych, jako dolne źródło ciepła dla pompy ciepła, do ogrzewania skroplonego gazu propan-butan w magazynach podziemnych przy dużych odbiorach gazu, do ogrzewania gruntu pod podjazdami do garaży, w szklarniach, w inspektach, itp.

Z przeglądu patentów i publikacji naukowo-technicznych dotyczących pasywnego transportu ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej znanych jest wiele rozwiązań: np. patent PL nr 217 073, nr PL 192 167, nr EP 0 046 043, nr US 4 467 862, nr US 4 515 209. Do proponowanego urządzenia w szczególności zbliżone są rozwiązania z wykorzystaniem podnośnika pęcherzykowego: nr US 4 246 890, nr US 5 351 488; nr US 7 798 140; nr US 4 671 252; nr US 4 552 208, nr US 4 050 509, nr US 3 951 204, nr SU 1 469 287, nr SU 556 307.

Najbardziej zbliżony do proponowanego wniosku jest patent nr US 4 246 890 pod tytułem „Pasywny słoneczny podgrzewacz i układ pompowy”. Według opisu patentu zastrzeżone urządzenie zawiera: kolektor słoneczny zawierający ciekły czynnik roboczy i środki do pozyskania słonecznego ciepła do ogrzewania wspomnianego czynnika, zespół pompujący oraz zbiornik do wtórnego ciekłego czynnika i zbiornik dla pierwotnego czynnika roboczego. Zespół pompujący składa się z układu z wlotem i wylotem czynnika roboczego w dolnej części układu oraz wylotem substancji lotnej w górnej części tego układu, pionowej rury usytuowanej w środku wspomnianego układu, której dolny koniec jest połączony z wspomnianym wlotem czynnika roboczego i posiada szereg otworów, środków dla dostarczenia wspomnianego czynnika roboczego z kolektora i środków dla wprowadzenia skroplin substancji lotnej. Zbiornik do wtórnego ciekłego czynnika ma wlot i wylot dla tego czynnika oraz wb udowany skraplacz, który zawiera wlot gazowy i środki dla przeprowadzenia substancji lotnej od jej wylotu z układu pompującego do wspomnianego zbiornika oraz środki do przeprowadzenia skroplin substancji lotnej przez układ sterujący do otworów wspomnianej rury pionowej. Zbiornik dla pierwotnego czynnika roboczego zawiera wlot i wylot dla tego czynnika, środki techniczne do przeprowadzenia czynnika od wylotu z zestawu pompującego oraz środki do przeprowadzenia wspomnianego czynnika do wspomnianego kolektora, a dodatkowo wymiennik ciepła ulokowany wewnątrz zbiornika, wlot czynnika wtórnego ciekłego i środki techniczne dla wprowadzenia ze zbiornika wtórnego czynnika a także wylot i środki do przeprowadzenia wtórnego ciekłego czynnika ze zbiornika ze skraplaczem do użytkownika ze środkami sterującymi tym przeprowadzeniem. Patent nr US 4 246 890 zastrzega ponadto, że środki do pozyskania ciepła przy pomocy kolektora słonecznego są zaizolowane, a także zawierają elementy do termostatycznego sterowania.

Według wynalazku, urządzenie do samoczynnego przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej wykonane w postaci obiegu zamkniętego zawierającego: dwie gałęzie: ciepłą opadową i zimną podnośną, źródło ciepła, odbiornik ciepła, który jest usytuowany poniżej źródła ciepła, dwa czynniki robocze, które nie rozpuszczają się wzajemnie w fazie ciekłej: substancję pompującą o niższej temperaturze wrzenia i mniejszej gęstości oraz ciekły nośnik ciepła o wyższej gęstości i większej temperaturze wrzenia, środki do skraplania nisko wrzącej substancji pompującej w postaci skraplacza charakteryzuje się tym, że ma parownik umieszczony bezpośrednio pod separatorem i połączony z nim, poprzez rurę pęcherzykowego podnośnika cieczy, przy czym w dolnym odcinku rury podnośnika cieczy umieszczony jest kanał wprowadzania pary, a do parownika doprowadzone jest ciepło ze źródła ciepła. Do dolnej części parownika podłączone jest wyjście kanału kondensatu oraz wyjście gałęzi powrotu nośnika ciepła, a separator gałęzią ciepłą opadową połączony jest z odbiorn ikiem ciepła umieszczonym w dolnej części układu. Odbiornik ciepła połączony jest gałęzią zimną podnośną z wejściem do skraplacza, który jest usytuowany powyżej separatora, z którego górnej części wyprowadzony jest kanał przepływu pary przechodzący przez skraplacz.

Korzystnie jest, że kanał wprowadzania pary ma postać kolanka połączonego jednym końcem do rury podnośnika pęcherzykowego, a drugim swobodnym skierowanym do góry i wysuniętym na wysokość powyżej poziomu warstwy substancji pompującej.

PL 227 757 B1

Korzystnie jest, że kanał wprowadzania pary ma postać u-rurki o różnej długości ramion, której końce skierowane są ku górze, przy czym krótszy koniec usytuowany jest wewnątrz a drugi dłuższy na zewnątrz rury podnośnika pęcherzykowego.

Korzystnie jest, że skraplacz umieszczony jest powyżej parownika na wysokości, która zapewnia grawitacyjny powrót skroplin z uwzględnieniem różnicy gęstości nośnika ciepła i substancji pompującej zgodnie ze wzorem h_sp · p_sp > h_nc · p_nc, gdzie iloczyn wysokości słupa cieczy substancji pompującej i gęstości ciekłej substancji pompującej musi być większy równy iloczynowi słupa ciekłego nośnika ciepła i gęstości ciekłego nośnika ciepła.

Korzystnie jest, że w kanale kondensatu umieszczony jest zawór zwrotny.

Urządzenie do samoczynnego przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej jest samoregulujące się, pracuje autonomicznie, uruchamia się samoczynnie po powstaniu różnicy temperatury pomiędzy parownikiem a odbiornikiem ciepła. Urządzenie może pracować w różnych zakresach temperatury poniżej 100°C i umożliwia pompowanie ogrzanego nośnika ciepła także przy małych obciążeniach cieplnych, kiedy powstaje zbyt mała ilość pary do uzyskania ciągłego przepływu dwufazowego, poprzez samoczynne przechodzenie do pracy w trybie okresowego przetłaczania ogrzanej cieczy z parownika do separatora. Urządzenie poza jednym zaworem zwrotnym nie posiada żadnych mechanicznych elementów ruchomych, co zapewnia niezawodną pracę układu.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładach wykonania na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia schemat urządzenia, fig. 2 pokazuje kanał do przepływu pary w postaci u-rurki w momencie zamknięcia kanału dla przepływu pary (początek pompowania), a fig. 3 pokazuje kanał do przepływu pary w postaci u-rurki w momencie otwarcia kanału dla przepływu pary (koniec pompowania).

P r z y k ł a d 1

Urządzenie wykonane jest w postaci układu zamkniętego, którego główne elementy stanowią; parownik 1, separator 2, skraplacz 3 i odbiornik ciepła 4. Parownik 1 umieszczony bezpośrednio pod separatorem 2 jest połączony z nim poprzez rurę pęcherzykowego podnośnika cieczy 5. Parownik 1 częściowo wypełniony jest ciekłym nośnikiem ciepła 6, na powierzchni którego znajduje się cienka warstwa ciekłej substancji pompującej 7. Pozostała przestrzeń parownika 1 wypełniona jest parą substancji pompującej 7. W dolnym odcinku rury 5 podnośnika cieczy umieszczony jest kanał wprowadzania pary 8 w postaci kolanka połączonego jednym końcem do rury 5 podnośnika, a drugim swobodnym skierowanym do góry i wysuniętym na wysokość powyżej poziomu warstwy substancji pompującej 7. Do parownika 1 w dolnej części doprowadzone jest źródło ciepła 9. Separator 2 gałęzią 10 ciepłą - opadową połączony jest z odbiornikiem ciepła 4 umieszczonym w dolnej części układu. Z drugiej strony odbiornik ciepła 4 połączony jest gałęzią 11 zimną - podnośną z wejściem do skraplacza 3, który jest usytuowany powyżej separatora 2. Wyjście ze skraplacza 3 połączone jest poprzez gałąź 12 powrotną do dolnej części parownika 1. Z górnej części separatora 2 wyprowadzony jest kanał 13 przepływu pary, który przechodzi przez skraplacz 3. Wyjście z kanału 13 przepływu pary połączone jest przez kanał kondensatu 14 z dolną częścią parownika 1. Zawór zwrotny 15 zabezpiecza przed przedostaniem się części ciekłego nośnika ciepła 6 do kanału kondensatu 14.

Proponowane urządzenie jest wypełnione dwoma czynnikami roboczymi: ciekłym nośnikiem 6 ciepła, na przykład wodą lub jej roztworami niezamarzającymi, który zapewnia transport ciepła w układzie oraz niskowrzącą substancją pompującą 7, na przykład pentanem, który nie rozpuszcza się w ciekłym nośniku ciepła i ma gęstość mniejszą od gęstości ciekłego nośnika ciepła, dzięki czemu w parowniku 1 unosi się na powierzchni nośnika 6 ciepła w postaci cienkiej warstwy substancji pomp ującej 7 i w trakcie parowania wytwarza ciśnienie potrzebne do pracy podnośnika pęcherzykowego dla pompowania ciekłego nośnika ciepła przez obwód hydrauliczny urządzenia.

Urządzenie jest wypełnione ciekłym nośnikiem 6 ciepła w taki sposób, aby podczas pracy poziom nośnika ciepła w separatorze 2 znajdował się poniżej górnego końca rury 5 podnośnika pęch erzykowego. Pozostała wolna od cieczy przestrzeń urządzenia jest wypełniona parą niskowrzącej substancji pompującej 7.

Ilość wprowadzonej do urządzenia niskowrzącej substancji pompującej 7 jest nie mniejsza od ilości niezbędnej do wypełnienia jej parą swobodnej przestrzeni niezajętej ciekłym nośnikiem ciepła oraz wypełnienie swoimi skroplinami kanału 14 kondensatu.

Aby zapewnić grawitacyjne zlewanie skroplin niskowrzącej substancji pompującej 7 ze skraplacza 3 do parownika 1 kanał 14, gdzie powstają skropliny w skraplaczu 3 jest wykonany ze spadkiem, a wyjście z tego kanału umieszczone jest powyżej parownika 1 na wysokości, która zapewnia grawita4

PL 227 757 B1 cyjny powrót skroplin z uwzględnieniem różnicy gęstości nośnika ciepła i substancji pompującej zgodnie ze wzorem h_sp · p_sp > h_nc · p_nc, gdzie iloczyn wysokości słupa cieczy substancji pompującej i gęstości ciekłej substancji pompującej musi być większy równy iloczynowi słupa ciekłego nośnika ciepła i gęstości ciekłego nośnika ciepła.

Urządzenie przy wystarczającej mocy źródła ciepła pracuje w sposób ciągły. Podczas rozruchu urządzenia, poziom cieczy w parowniku 1 znajduje się powyżej kanału 8 wprowadzania pary. Doprowadzenie ciepła do parownika 1 ogrzewa nośnik 6 ciepła. Jednocześnie ogrzewana jest warstwa su bstancji pompującej 7 unoszącej się na powierzchni nośnika 6 ciepła. W konsekwencji następuje wzrost ciśnienia pary nasyconej w parowniku 1, co prowadzi do przetłoczenia części ciekłego nośnika 6 ci epła do separatora 2 przez rurę 5 podnośnika pęcherzykowego. Ilość cieczy w parowniku obniża się do momentu, gdy osiągnie ona poziom, na którym znajduje się wejście kanału 8 wprowadzania pary do rury 5 podnośnika pęcherzykowego. W tym momencie rozpoczyna się przepływ dwufazowy przez rurę 5 podnośnika pęcherzykowego pary substancji pompującej 7 i ciekłego nośnik 6 ciepła, jednocześnie następuje stabilizacja poziomu cieczy w parowniku 1. Mieszanina dwufazowa przepływa rurą 5 podnośnika pęcherzykowego do separatora 2 gdzie następuje rozdzielenie cieczy i pary. Po rozdzieleniu ciecz i para dwoma oddzielnymi obiegami trafiają powtórnie do parownika 1. Ciekły ogrzany nośnik 6 ciepła najpierw z separatora 2 gałęzią 10 ciepłą opadową grawitacyjnie spływa do odbiornika ciepła 4, a następnie gałęzią 11 zimną podnośną przez skraplacz 3 i gałąź 12 powrotu nośnika ciepła powraca do parownika 1. Natomiast para substancji pompującej z separatora 2 kanałem 13 przepływu pary trafia do skraplacza 3, gdzie ulega skropleniu na skutek chłodzenia przez zimny nośnik ciepła. Powrót skroplonej substancji pompującej następuję kanałem 14 do parownika 1 w momencie, gdy poziom skroplin w tym kanale pozwoli na grawitacyjny powrót kondensatu.

P r z y k ł a d 2

Urządzenie, które odróżnia się konstrukcją kanału wprowadzenia pary pokazaną na fig. 2 i 3. Kanał 8 wprowadzenia pary do rury 5 pęcherzykowego podnośnika cieczy wykonany jest w postaci u-rurki o różnej długości ramion, której końce skierowane są ku górze, przy czym krótszy koniec us ytuowany jest wewnątrz, a drugi dłuższy na zewnątrz rury 5 podnośnika pęcherzykowego. Konstrukcja kanału 8 wprowadzenia pary w postaci u-rurki pozwala na pracę urządzenia w trybie okresowego przetłaczania cieczy z parownika 1 do separatora 2 przy małych obciążeniach cieplnych, kiedy powstaje zbyt mała ilość pary do uzyskania ciągłego przepływu dwufazowego.

Przy braku ogrzewania parownika 1 znajdująca się w nim para substancji pompującej skrapla się i do parownika 1 wprowadza się ciekły nośnik ciepła poprzez zlewanie jego nadmiaru z separatora

2. W skutek tego poziom nośnika ciepła w parowniku 1 wzrasta i kanał 8 wprowadzenia pary znajduje się pod poziomem ciekłego nośnika ciepła. Po doprowadzeniu ciepła do parownika 1 zaczyna parować substancja pompująca wzrasta ciśnienie, które przetłacza ogrzany nośnik ciepła przez rurę 5 pęcherzykowego podnośnika cieczy do separatora 2. Zawór zwrotny 15 zabezpiecza przed przedostanie się części ciekłego nośnika ciepła do kanału kondensatu, co zwiększa objętość przemoczonego nośnika ciepłą do separatora. Bezpośrednie przetłaczanie nośnika ciepła trwa do momentu, gdy poziom nośnika ciepła w parowniku 1 obniży się do dolnego kolana u-rurki kanału i wprowadzenia pary. Przy takim poziomie cieczy roboczej w parowniku 1 para substancji pompującej ma możliwość przepływu do rury 5 pęcherzykowego podnośnika cieczy, miesza się z ciekłym nośnikiem 6 ciepła, część mieszaniny jest przetłaczana do separatora 2, a pozostała część cieczy znajdującej się w rurze 5 podnośnika spłynie do parownika 1 zwalniając przestrzeń rury 5 podnośnika dla pary substancji pompującej. Przepływ pary substancji pompującej przez rurę 5 pęcherzykowego podnośnika cieczy do separatora 2 powoduje wyrównanie ciśnienia w parowniku 1 i separatorze 2, co umożliwia zlewanie nośnika ciepła z separatora przez gałąź 10 ciepłą - opadową i pozostałe elementy układu do parownika. W skutek tego wzrasta poziom cieczy w parowniku 1 i rurze 5 pęcherzykowego podnośnika cieczy. W momencie, gdy ciekły nośnik 6 ciepła w parowniku 1 osiągnie wysokość krótszego ramienia u-rurki wypełnia się ona cieczą i następuje zamknięcie kanału u-rurki dla przepływu pary. W konsekwencji tego, iż para substancji pompującej nie może swobodnie przepływać z parownika 1 do separatora 2 następuje wzrost ciśnienia w parowniku i związane z tym przetłaczanie ciekłego nośnika 6 ciepła z parownika 1 do separatora 2. Przetłaczanie następuje do momentu, aż poziom cieczy w parowniku 1 obniży się do dolnego kolana u-rurki, jak opisano powyżej. Zatem cały cykl się powtórzy.

Jeżeli parowanie substancji pompującej będzie na tyle intensywne, aby zapewnić ciągły przepływ dwufazowy cykliczny tryb pracy zostanie zakończony i urządzenie samoczynnie przejdzie w tryb

PL 227 757 B1 pracy ciągłej. Obniżenie intensywności dostarczania ciepła do parownika powtórnie zamieni tryb pracy urządzenia na cykliczny lub doprowadzi do całkowitego zaniku pracy.

Claims (5)

1. Urządzenie do samoczynnego przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej wykonane w postaci obiegu zamkniętego zawierającego: dwie gałęzie: ciepłą opadową i zimną podnośną, źródło ciepła, odbiornik ciepła, który jest usytuowany poniżej źródła ciepła, dwa czynniki robocze, które nie rozpuszczają się wzajemnie w fazie ciekłej: substancję pompującą o niższej temperaturze wrzenia i mniejszej gęstości oraz ciekły nośnik ciepła o wyższej gęstości i większej temperaturze wrzenia, środki do skraplania niskowrzącej substancji pompującej w postaci skraplacza, znamienne tym, że ma parownik (1) umieszczony bezpośrednio pod separatorem (2) połączony z nim poprzez rurę (5) pęcherzykowego podnośnika cieczy, przy czym w dolnym odcinku rury (5) podnośnika cieczy umieszczony jest kanał (8) wprowadzania pary, a do parownika (1) doprowadzone jest ciepło ze źródła (9), natomiast do dolnej części parownika (1) podłączone jest wyjście kanału (14) kondensatu oraz wyjście gałęzi (12) powrotu nośnika ciepła, a separator (2) gałęzią (10) ciepłą opadową połączony jest z odbiornikiem ciepła (4) umieszczonym w dolnej części układu, a ten połączony jest gałęzią (11) zimną podnośną z wejściem do skraplacza (3), który jest usytuowany powyżej separatora (2), z którego górnej części wyprowadzony jest kanał (13) przepływu pary przechodzący przez skraplacz (3).

2. Urządzenie do samoczynnego przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej według zastrz. 1, znamienne tym, że kanał (8) wprowadzania pary ma postać kolanka połączonego jednym końcem do rury (5) podnośnika pęcherzykowego, a drugim swobodnym skierowanym do góry i wysuniętym na wysokość powyżej poziomu warstwy substancji pompującej (7).

3. Urządzenie do samoczynnego przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej według zastrz. 1, znamienne tym, że kanał (8) wprowadzania pary ma postać u-rurki o różnej długości ramion, której końce skierowane są ku górze, przy czym krótszy koniec usytuowany jest wewnątrz a drugi dłuższy na zewnątrz rury (5) podnośnika pęcherzykowego.

4. Urządzenie do samoczynnego przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej według zastrz. 1, znamienne tym, że skraplacz (3) umieszczony jest powyżej parownika (1) na wysokości, która zapewnia grawitacyjny powrót skroplin z uwzględnieniem różnicy gęstości nośnika ciepła i substancji pompującej zgodnie ze wzorem h_sp · p_sp > h_nc · p_nc, gdzie iloczyn wysokości słupa cieczy substancji pompującej (7) i gęstości ciekłej substancji pompującej (7) musi być większy równy iloczynowi słupa ciekłego nośnika ciepła (6) i gęstości ciekłego nośnika ciepła (6).

5. Urządzenie do samoczynnego przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej według zastrz. 1, znamienne tym, że w kanale kondensatu (14) umieszczony jest zawór zwrotny (15).