PL229089B1

PL229089B1 - Heat energy accumulating installation

Info

Publication number: PL229089B1
Application number: PL414224A
Authority: PL
Inventors: Paweł Stączek; Stanisław Płaska; Wojciech Płaska
Original assignee: Lubelska Polt; Univ Przyrodniczy W Lublinie
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2018-06-29
Also published as: PL414224A1

Abstract

Instalacja do akumulowania energii cieplnej, zwłaszcza pochodzącej z promieniowania słonecznego, składająca się z: konwertera energii w postaci cieczowego kolektora słonecznego, cieczowego zbiornika akumulacyjnego oraz wymiennika ciepła pomiędzy cieczą w obiegu kolektora a cieczą w zbiorniku akumulacyjnym charakteryzuje się tym, że wymiennik (3) ciepła posiada konstrukcję rurowo - płaszczową i wysokość równą wysokości zbiornika (2) akumulacyjnego i jest usytuowany pionowo, korzystnie na poziomie zbiornika (2), przy czym dno zbiornika (2) połączone jest przewodem (4) rurowym z dolną częścią płaszcza wymiennika (3) ciepła, a górna część płaszcza wymiennika (3) połączona jest przewodem (5) rurowym z górną pokrywą zbiornika (2), natomiast przewód (6) rurowy odprowadzający wodę ogrzaną ze zbiornika (2) podłączony jest do dennicy górnej, a przewód (7) rurowy doprowadzający ciecz zimną podłączony jest do dna zbiornika (2), przy czym wewnątrz zbiornika (2), korzystnie o kształcie walca, umieszczona jest ruchoma przegroda (10) wykonana z materiału izolującego termicznie z zaworem (12), dzieląca wnętrze zbiornika (2) na dwie przestrzenie: górną (9) i dolną (8), a przegroda (10), na którą wywierana jest skierowana pionowo siła (F), przemieszcza się wzdłuż osi pionowej zbiornika (2).Installation for storing thermal energy, especially from solar radiation, consisting of: an energy converter in the form of a liquid solar collector, a liquid accumulation tank and a heat exchanger between the liquid in the collector cycle and the liquid in the accumulation tank, characterized in that the heat exchanger (3) has a tubular-shell structure and a height equal to the height of the accumulation tank (2) and is located vertically, preferably at the level of the tank (2), the bottom of the tank (2) being connected by a pipe line (4) to the lower part of the heat exchanger (3) shell , and the upper part of the exchanger shell (3) is connected by a pipe (5) with the upper cover of the tank (2), while the pipe (6) discharging water heated from the tank (2) is connected to the upper head, and the pipe (7) is the cold liquid supply is connected to the bottom of the tank (2), and inside the tank (2), preferably cylindrical, you can there is a movable partition (10) made of thermally insulating material with a valve (12), dividing the interior of the tank (2) into two spaces: upper (9) and lower (8), and the partition (10), on which it is exerted vertically directed force (F) moves along the vertical axis of the tank (2).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest instalacja do akumulowania energii cieplnej, zwłaszcza pochodzącej z promieniowania słonecznego.The subject of the invention is an installation for storing thermal energy, especially from solar radiation.

Znane ze stanu techniki i opisane przez Smolec W. „Fototermiczna konwersja energii słonecznej”, PWN, Warszawa 2000 oraz przez Pluta Z. „Słoneczne pasywne instalacje przygotowania ciepłej wody użytkowej”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1998 są układy do ogrzewania wody energią Słońca, wykorzystywane głównie w celu podgrzewania wody do celów bytowych, które zawierają wymiennik ciepła ciecz kolektorowa-woda w postaci wężownicy spiralnej umieszczonej wewnątrz wodnego zbiornika akumulacyjnego, korzystnie w jego dolnej części. Natomiast zbiornik akumulacyjny, najczęściej o kształcie walca zorientowanego pionowo, posiada dopływ zimnej wody w dennicy dolnej a odpływ wody gorącej w dennicy górnej. Rozwiązanie to ma na celu wytworzenie uwarstwienia termicznego wody w zbiorniku i utrzymywanie go w czasie.Known from the state of the art and described by Smolec W. "Photothermal conversion of solar energy", PWN, Warsaw 2000 and by Pluta Z. "Solar passive installations for the preparation of domestic hot water", Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warsaw 1998 are systems for heating water with the energy of the sun mainly used for heating domestic water, which includes a collector liquid-water heat exchanger in the form of a spiral coil placed inside the water storage tank, preferably in its lower part. On the other hand, the storage tank, most often in the shape of a vertically oriented cylinder, has an inlet of cold water in the lower head and an outflow of hot water in the upper head. This solution aims to create a thermal layer of water in the tank and maintain it over time.

Uwarstwienie termiczne medium w cieczowych zbiornikach akumulacyjnych jest zjawiskiem korzystnym, ponieważ: skraca się istotnie czas potrzebny do osiągnięcia wymaganej temperatury cieczy na wyjściu ze zbiornika w stosunku do zbiornika bez uwarstwienia termicznego. Ponadto, im wyższy stopień stratyfikacji termicznej cieczy w zbiorniku tym większa ilość energii cieplnej może zostać pobrana ze zbiornika przy minimalnym wymaganym potencjale - tu temperaturze.Thermal stratification of the medium in liquid accumulation tanks is a favorable phenomenon because: the time needed to achieve the required temperature of the liquid at the exit from the tank is significantly reduced compared to the tank without thermal stratification. Moreover, the higher the degree of thermal stratification of the liquid in the vessel, the greater the amount of thermal energy that can be withdrawn from the vessel at the minimum temperature potential required.

W praktyce stopień stratyfikacji termicznej uzyskiwany w zbiornikach akumulacyjnych z wymiennikiem ciepła w postaci wężownicy jest niewielki, z następujących przyczyn:In practice, the degree of thermal stratification obtained in accumulation tanks with a heat exchanger in the form of a coil is small, for the following reasons:

a) mieszania cieczy spowodowanego ładowaniem zbiornika energią cieplną - tj. w wyniku konwekcji,a) mixing of liquids caused by loading the tank with thermal energy - i.e. as a result of convection,

b) mieszania cieczy spowodowanego wymuszonym przepływem cieczy w trakcie rozładowywania zbiornika,b) mixing of liquids caused by forced liquid flow during tank discharge,

c) przewodzeniem ciepła w cieczy,c) heat conduction in a liquid,

d) przewodzeniem ciepła wzdłuż ściany zbiornika.d) heat conduction along the tank wall.

Znany ze stanu techniki i opisany przez Domański R. „Magazynowanie energii cieplnej”, PWN, Warszawa 1990 oraz przez Pieńkowski K. „Wymiana ciepła w płynach termicznie stratyfikowanych” WNT, Warszawa, 1982 jest układ cieczowego akumulatora ciepła ładowanego warstwowo. W rozwiązaniu tym, wymiennik ciepła umieszczony jest na zewnątrz zbiornika akumulacyjnego. Ciecz z dna zbiornika przepompowywana jest przez wymiennik ciepła i ogrzana wpływa do górnej części zbiornika. Odpływ cieczy gorącej następuje przez dennicę górną a dopływ cieczy zimnej lub ochłodzonej przez dennicę dolną.Known from the state of the art and described by Domański R. "Thermal energy storage", PWN, Warsaw 1990 and by Pieńkowski K. "Heat transfer in thermally stratified fluids" WNT, Warsaw, 1982 is a layer-charged liquid heat accumulator system. In this solution, the heat exchanger is placed outside the accumulation tank. The liquid from the bottom of the tank is pumped through a heat exchanger and when heated, it flows into the upper part of the tank. The hot liquid flows out through the upper head and the cold or cooled liquid flows through the lower head.

W zbiornikach ładowanych warstwowo uzyskiwany jest wyższy stopień stratyfikacji termicznej niż w zbiornikach z wężownicą dzięki ograniczeniu mieszania cieczy ogrzanej z zimną w fazie ładowania. Jednak nadal zachodzą niekorzystne zjawiska: mieszania cieczy w trakcie rozładowywania, przewodzenia ciepła w cieczy oraz wzdłuż ściany zbiornika. Znane są z opisów patentowych: WO 2010/092311, P 398454, P 398456, US 5823177 rozwiązania instalacji do przejmowania energii cieplnej ze Słońca i akumulowania jej w zbiorniku z cieczą o zmiennej efektywnej pojemności. Istotą tych wynalazków jest to, że zbiornik akumulacyjny całkowicie rozładowany nie zawiera cieczy, a jego ładowanie polega na stopniowym wypełnianiu go ogrzaną cieczą, przy czym powietrze jest wypierane ze zbiornika albo ulega w nim sprężeniu. Wyeliminowano w ten sposób możliwość mieszania się cieczy ogrzanej z zimną a także wymianę ciepła pomiędzy nimi. Jednak w odmianach ciśnieniowych tych instalacji do ich funkcjonowania potrzebne jest sprężone powietrze lub urządzenia napędowe wytwarzające stosunkowo duże siły równoważące parcie cieczy na membranę lub tłok oddzielające ciecz od powietrza.A higher degree of thermal stratification is achieved in stratified tanks than in tanks with a coil due to the limitation of mixing of heated and cold liquids during the charging phase. However, there are still some disadvantages: mixing of the liquid during discharge, heat conduction in the liquid and along the wall of the tank. The following patents are known from the following patents: WO 2010/092311, P 398454, P 398456, US 5823177 solutions for an installation for absorbing thermal energy from the Sun and accumulating it in a tank with a liquid of variable effective capacity. The essence of these inventions is that the completely discharged storage tank does not contain any liquid, and its charging consists in gradually filling it with heated liquid, the air being forced out of the tank or compressed in it. In this way, the possibility of mixing of the heated liquid with the cold as well as the heat exchange between them was eliminated. However, in the pressure variants of these installations, their operation requires compressed air or drive devices that generate relatively high forces counterbalancing the pressure of the liquid on the diaphragm or the piston separating the liquid from the air.

Znane jest z opisu patentowego US 5823177 rozwiązanie instalacji do przejmowania energii cieplnej ze Słońca i akumulowania jej w zbiorniku z cieczą z ruchomą przegrodą rozdzielającą ciecz ogrzaną od zimnej. W instalacji tej znajduje się cylindryczny zbiornik na wodę, wewnątrz którego umieszczony jest uszczelniony tłok z materiału izolującego termicznie i o gęstości większej od wody. Zimna woda z wodociągu doprowadzana jest od spodu zbiornika, a odbiór wody gorącej następuje od góry zbiornika. Pomiędzy dennice zbiornika podłączony jest kolektor słoneczny, w którym ogrzewana jest bezpośrednio woda wodociągowa - ze zbiornika. Na przewodach rurowych znajdują się zawory sterowane przekaźnikami czasowymi. Instalacja pracuje cyklicznie. Cykl rozpoczyna się od stanu, w którym zbiornik jest całkowicie wypełniony zimną wodą z wodociągu a tłok zajmuje skrajne górne położenie - zbiornik akumulacyjny jest rozładowany. W fazie ładowania zbiornika energią cieplną zimPL 228 089 B1 na woda wypływa z jego dolnej części, przepływa przez kolektor słoneczny i ogrzana wpływa do górnej części zbiornika. Przepływ wymuszany jest przez niezrównoważony ciężar tłoka, który przemieszcza się wewnątrz zbiornika ku dołowi. Z kolei w fazie rozładowywania zbiornika, gdy ogrzana woda pobierana jest znad tłoka, przemieszcza się on ku górze dzięki zmniejszeniu siły parcia na jego górną powierzchnię, w wyniku czego objętość zimnej wody pod tłokiem rośnie a gorącej nad tłokiem maleje. Rozdzielenie objętości wody ogrzanej od objętości wody zimnej izolującym tłokiem wyeliminowało zjawisko mieszania oraz ograniczyło wymianę ciepła przez przewodzenie. Po osiągnięciu przez tłok dolnego krańcowego położenia przepływ wody przez kolektor słoneczny ustaje i nie jest możliwe dalsze przekazywanie energii cieplnej do zbiornika. Rozdzielenie objętości wody ogrzanej od objętości wody zimnej izolującym tłokiem wyeliminowało zjawisko mieszania oraz ograniczyło wymianę ciepła przez przewodzenie, jednak wymagana jest duża szczelność połączenia przesuwnego tłok-ściana zbiornika, gdyż na tłok stale działa niezrównoważona siła ciężkości.The patent description US 5,823,177 describes a solution of an installation for taking thermal energy from the Sun and storing it in a liquid tank with a movable partition separating the heated liquid from the cold one. This installation includes a cylindrical water tank, inside which a sealed piston made of a thermally insulating material with a density greater than that of water is placed. Cold water from the mains is supplied from the bottom of the tank, and hot water is collected from the top of the tank. A solar collector is connected between the bottom of the tank, in which tap water is directly heated - from the tank. There are timed valves on the pipes. The installation works cyclically. The cycle begins when the tank is completely filled with cold tap water and the piston is in the upper extreme position - the accumulation tank is discharged. In the phase of loading the tank with the thermal energy of zimPL 228 089 B1, the water flows out of its lower part, flows through the solar collector and when heated, flows into the upper part of the tank. The flow is forced by the unbalanced weight of the piston moving downwards inside the reservoir. In turn, in the discharging phase of the tank, when the heated water is taken from above the piston, it moves upwards due to the reduction of the pressure force on its upper surface, as a result of which the volume of cold water under the piston increases and the volume of hot water above the piston decreases. Separating the heated water volume from the cold water volume with an insulating piston eliminated the mixing effect and limited heat transfer by conduction. When the piston reaches the lower end position, the flow of water through the solar collector stops and it is no longer possible to transfer heat energy to the reservoir. Separation of the heated water volume from the cold water volume with an insulating piston eliminated the mixing phenomenon and limited heat transfer through conduction, however, high tightness of the sliding connection between the piston and the tank wall is required, because the piston is constantly affected by an unbalanced force of gravity.

Istotą instalacji do akumulowania energii cieplnej, zwłaszcza pochodzącej z promieniowania słonecznego, składającej się z: konwertera energii w postaci cieczowego kolektora słonecznego, cieczowego zbiornika akumulacyjnego oraz wymiennika ciepła pomiędzy cieczą w obiegu kolektora a cieczą w zbiorniku akumulacyjnym jest to, że wymiennik ciepła posiada konstrukcję rurowo-płaszczową i wysokość równą wysokości zbiornika akumulacyjnego i jest usytuowany pionowo, korzystnie na poziomie zbiornika, przy czym dno zbiornika połączone jest przewodem rurowym z dolną częścią płaszcza wymiennika ciepła, a górna część płaszcza wymiennika połączona jest przewodem rurowym z górną pokrywą zbiornika, natomiast przewód rurowy odprowadzający wodę ogrzaną ze zbiornika podłączony jest do dennicy górnej, a przewód rurowy doprowadzający ciecz zimną podłączony jest do dna zbiornika, przy czym wewnątrz zbiornika, korzystnie o kształcie walca, umieszczona jest ruchoma przegroda wykonana z materiału izolującego termicznie z zaworem, dzieląca wnętrze zbiornika na dwie przestrzenie: górną i dolną, a przegroda, na którą wywierana jest skierowana pionowo siła, przemieszcza się wzdłuż osi pionowej zbiornika, przy czym siła generowana jest przez urządzenie sterujące i przenoszona na przegrodę za pośrednictwem popychacza lub cięgna, natomiast w przegrodzie znajduje się zawór łączący górną i dolną przestrzeń zbiornika tylko w najniższym położeniu przegrody, oraz korzystnie jest, gdy na przewodzie rurowym łączącym dno zbiornika z płaszczem wymiennika znajduje się zawór zwrotny uniemożliwiający przepływ cieczy z płaszcza wymiennika do zbiornika tym przewodem.The essence of the installation for storing thermal energy, especially from solar radiation, consisting of: an energy converter in the form of a liquid solar collector, a liquid accumulation tank and a heat exchanger between the liquid in the collector circuit and the liquid in the accumulation tank, is that the heat exchanger has a tubular structure - shell and height equal to the height of the accumulation tank and is located vertically, preferably at the level of the tank, the bottom of the tank is connected by a pipeline with the lower part of the heat exchanger shell, and the upper part of the exchanger shell is connected by a pipeline with the upper cover of the tank, while the pipeline draining the heated water from the tank is connected to the upper head, and the cold liquid supply pipe is connected to the bottom of the tank, and inside the tank, preferably cylindrical in shape, a movable partition made of insulating material is located. with a valve, dividing the interior of the tank into two spaces: upper and lower, and the partition on which the vertically directed force is exerted moves along the vertical axis of the tank, the force generated by the control device and transferred to the partition via a pusher or a tie rod , while in the partition there is a valve connecting the upper and lower space of the tank only in the lowest position of the partition, and it is advantageous if there is a non-return valve on the pipe connecting the bottom of the tank with the exchanger shell preventing the flow of liquid from the exchanger shell to the tank through this conduit.

W stosunku do rozwiązań znanych ze stanu techniki oraz z opisów patentowych nowe rozwiązanie cechuje się następującymi zaletami:Compared to the solutions known from the state of the art and from patents, the new solution is characterized by the following advantages:

• możliwość uzyskania wysokiego stopnia uwarstwienia termicznego cieczy w zbiorniku dzięki całkowitemu wyeliminowaniu mieszania cieczy ogrzanej i zimnej, • znaczące ograniczenie przewodzenia ciepła z cieczy ogrzanej do zimnej, także wzdłuż ściany zbiornika, • łatwość sterowania temperaturą, przy której akumulowana jest energia cieplna w zbiorniku, • ładowanie zbiornika energią cieplną może być kontynuowane także po całkowitym wypełnieniu go ogrzaną cieczą, • nie jest wymagana idealna szczelność połączenia suwliwego izolującej przegrody ze ścianą zbiornika, gdyż dzięki działaniu urządzenia sterującego wartość siły wypadkowej działającej na tłok jest bliska zeru.• the possibility of obtaining a high degree of thermal stratification of the liquid in the tank due to the complete elimination of mixing of the heated and cold liquid, • significant reduction of heat conduction from the heated liquid to the cold liquid, also along the tank wall, • easy control of the temperature at which heat energy is accumulated in the tank, • loading the tank with thermal energy can also be continued after it is completely filled with the heated liquid, • perfect tightness of the sliding connection of the insulating partition with the tank wall is not required, because due to the operation of the control device, the value of the resultant force acting on the piston is close to zero.

Nowe rozwiązanie jest szczególnie przydatne w sytuacjach, gdy zmiany w czasie mocy cieplnej dostarczanej przez źródło ciepła mają charakter losowy - np. energia słoneczna, oraz gdy wymagana jest minimalna wartość temperatury, poniżej której zakumulowana energia jest nieprzydatna - np. ogrzewanie wody do celów bytowych i gdy niedostępne jest inne źródło energii cieplnej.The new solution is particularly useful in situations where changes in the thermal power delivered by the heat source are random over time - e.g. solar energy, and when the minimum temperature value below which the accumulated energy is useless is required - e.g. heating water for domestic and domestic purposes. when no other source of thermal energy is available.

Wynalazek został przedstawiony w przykładzie wykonania na schematycznym rysunku.The invention is illustrated in an exemplary embodiment in a schematic drawing.

W nowym rozwiązaniu instalacji do akumulowania energii cieplnej ładowanie zbiornika 2 akumulacyjnego energią odbywa się w wyniku przepływu cieczy ogrzanej w płaszczu wymiennika 3 ciepła przez przewód 5 rurowy do przestrzeni 9 górnej zbiornika 2. Jednocześnie ciecz zimna z przestrzeni 8 dolnej zbiornika 2 przepływa przewodem 4 rurowym do dolnej części płaszcza wymiennika 3 ciepła. W tym samym czasie wewnątrz zbiornika 2 przemieszcza się ku dołowi przegroda 10, a gdy osiągnie dolne krańcowe położenie otwarciu ulega zawór 12 w przegrodzie 10, dzięki czemu możliwy jest dalszy samoistny przepływ cieczy z przestrzeni 8 dolnej zbiornika 2 przez płaszcz wymiennika 3 ciepła do przestrzeni 9 górnej zbiornika 2.In the new solution of the installation for storing thermal energy, the charging of the storage tank 2 with energy takes place as a result of the flow of the liquid heated in the heat exchanger shell 3 through the conduit 5 into the upper space 9 of the tank 2. At the same time, the cold liquid from the lower space 8 of the tank 2 flows through the conduit 4 to the the lower part of the heat exchanger shell 3. At the same time, inside the tank 2, the partition 10 moves downwards, and when it reaches the lower end position, the valve 12 in the partition 10 is opened, thanks to which further spontaneous liquid flow from the lower space 8 of the tank 2 through the heat exchanger shell 3 into the space 9 is possible. upper tank 2.

PL 229 089 Β1PL 229 089 Β1

Przepływ wymuszany jest siłami grawitacji. W ten sposób kontynuowane jest ładowanie zbiornika 2 energią cieplną.The flow is forced by the forces of gravity. In this way, the charging of the reservoir 2 with thermal energy continues.

Rozładowywanie zbiornika 2 akumulacyjnego odbywa się wyniku wypływu cieczy gorącej z przestrzeni 9 górnej zbiornika. Jednocześnie do przestrzeni 8 dolnej napływa ciecz zimna lub ochłodzona ciecz, która wypłynęła uprzednio z przestrzeni 9 górnej. W tym samym czasie przemieszczeniu ku górze ulega przegroda 10 - wewnątrz zbiornika 2. Przepływ cieczy w trakcie ładowania lub rozładowywania zbiornika 2 akumulacyjnego może odbywać się samoistnie - tj. w wyniku różnicy gęstości cieczy o różnej temperaturze w różnych przestrzeniach płaszcza wymiennika 3 ciepła oraz zbiornika 2. Może być także kontrolowany przez urządzenie 13 sterujące za pomocą siły F działającej na przegrodę 10 wewnątrz zbiornika 2. W ten sposób można sterować wartością temperatury cieczy wypływającej z płaszcza wymiennika 3 ciepła i wpływającej do przestrzeni 9 górnej zbiornika 2.The discharge of the accumulation tank takes place as a result of hot liquid flowing out of the upper space 9 of the tank. At the same time, a cold liquid or cooled liquid that has previously flowed out of the upper space 9 flows into the lower space 8. At the same time, the partition 10 moves upwards - inside the tank 2. The flow of liquid during the loading or unloading of the accumulation tank 2 may take place spontaneously - i.e. as a result of the difference in the density of liquids with different temperatures in different spaces of the heat exchanger 3 shell and the tank 2 It can also be controlled by the control device 13 by the force F acting on the partition 10 inside the tank 2. In this way it is possible to control the temperature value of the liquid flowing from the heat exchanger shell 3 and flowing into the upper space 9 of the tank 2.

Claims

1. Installation for storing thermal energy, especially from solar radiation, consisting of: an energy converter in the form of a liquid solar collector, a liquid accumulation tank and a heat exchanger between the liquid in the collector cycle and the liquid in the accumulation tank, characterized in that the exchanger (3) The heat exchanger has a tubular-shell structure and a height equal to the height of the accumulation tank (2) and is located vertically, preferably at the level of the tank (2), the bottom of the tank (2) being connected by a pipe line (4) with the lower part of the exchanger shell (3) and the upper part of the exchanger shell (3) is connected by a pipe (5) with the upper cover of the tank (2), while the pipe (6) discharging the water heated from the tank (2) is connected to the upper bottom, and the pipe (7) the tubular cold liquid inlet is connected to the bottom of the tank (2), and inside the tank (2), preferably cylindrical in shape, is placed st movable partition (10) made of thermally insulating material with a valve (12), dividing the interior of the tank (2) into two spaces: upper (9) and lower (8), and a partition (10) on which a vertically directed force is exerted (F) moves along the vertical axis of the tank (2), the force (F) is generated by the control device (13) and transmitted to the partition (10) via a pusher or a cable, while the partition (10) has a valve (12) connecting the upper (9) with the lower (8) spaces only in the lowest position of the partition (10), and it is advantageous if there is a non-return valve (11) on the pipe line (4) preventing the flow of liquid from the exchanger (3) shell. to the tank (2) with the pipe (4).