PL230688B1 - Dwufazowy termosyfonowy wymiennik ciepla - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest dwufazowy termosyfonowy wymiennik ciepła, który znajduje zastosowanie do odzysku ciepła odpadowego z instalacji wentylacyjnych i klimatyzacyjnych oraz z procesów przemysłowych.

Obecnie istnieje wiele rozwiązań konstrukcyjnych dwufazowych termosyfonowych wymienników ciepła (z rurkami ciepła).

Każdy wymiennik ciepła działający na zasadzie dwufazowego termosyfonu posiada zamkniętą szczelnie przestrzeń wewnętrzną, która przed napełnieniem czynnikiem roboczym zostaje opróżniona (osiągnięcie dostatecznego poziomu próżni). Ogrzewanie dolnej części wymiennika powoduje parowanie (wrzenie) czynnika roboczego, zaś chłodzenie górnej części wymiennika skraplanie czynnika roboczego. Proces parowania powoduje powstanie nadciśnienia, zaś skraplanie podciśnienia, co wywołuje przepływ pary w kierunku odwrotnym do zwrotu wektora siły grawitacji. Skropliny powstałe w górnej części wymiennika spływają do części dolnej, gdzie jest zgromadzona wrząca ciecz. Te procesy stanowią występujący naturalnie obieg czynnika roboczego.

Wymienniki termosyfonowe różnią się między sobą budową zewnętrzną oraz wewnętrznym sposobem rozprowadzenia czynnika tj. budową i układem kanałów przepływowych.

W opisie zgłoszenia patentowego WO 2012/079609 przedstawiono termosyfonowy wymiennik ciepła przeznaczony do klimatyzacji powietrza w pomieszczeniu. Wymiennik ten jest wyposażony w obudowę w postaci płaskiego, szczelnie zamkniętego panelu, który składa się z dwóch wytłoczonych powłok blaszanych z blachy ze stali nierdzewnej, między którymi znajduje się profilowana blacha przylegająca do ścianek wewnętrznych panelu, tworząca kanały przepływowe dla skroplin i pary i zapewniająca sztywność konstrukcji oraz zachowanie stałej odległości między czołowymi powierzchniami panelu. Górna część panelu ma zakończenie walcowe, w którym jest umieszczona koncentrycznie ożebrowana rurka. Wszystkie elementy wymiennika są ze sobą zespawane laserowo w celu zapewnienia wewnętrznej szczelności. Obudowa wymiennika jest wypełniona czynnikiem roboczym, który odparowuje, ochładzając opływające ją powietrze. Para czynnika skrapla się w górnej części urządzenia (na ożebrowanej zewnętrznie rurce), przez którą przepływa płyn chłodzący.

W opisie zgłoszenia patentowego US 2010/277870 ujawniono dwurzędowy termosyfonowy wymiennik ciepła przeznaczony zwłaszcza do chłodzenia układów elektronicznych. Wymiennik ten zawiera dwa rzędy „wielokanałowych” rurek umieszczonych w stosie na stalowej ramie. Każdy rząd rurek jest wyposażony w dwa kolektory, z których jeden jest przymocowany do jednych końców rurek, zaś drugi do drugich końców rurek. Kolektory górne i kolektory dolne są połączone za pomocą elastycznych przewodów. Rurki rzędu rurek pochłaniającego ciepło są umieszczone w rowkach płyty absorbującej ciepło, dopasowanych do kształtu i układu rurek. Płyta absorbująca ciepło przekazuje je do rzędu „wielokanałowych” rurek, gdzie następuje odparowanie czynnika chłodniczego i powstająca w ten sposób para przepływa rurkami do górnego kolektora, który jest połączony z kolektorem drugiego rzędu rurek. Chłodzenie drugiego rzędu rurek wywołuje skraplanie lotnego czynnika. Skropliny spływają do dolnego kolektora, co zamyka termosyfonowy obieg.

Z opisu zgłoszenia patentowego WO 2013/174470 jest znany modułowy, termosyfonowy wymiennik ciepła znajdujący się w szafie chłodzącej tak zwanego transformatora suchego. Składa się on z rzędu kanałowych żeber o profilu eliptycznym bądź kształcie prostopadłościennym, których końce są połączone z cylindrycznymi kolektorami. Przestrzeń wewnętrzna każdego z żeber jest podzielona na dwa kanały. Jest to zamknięty układ, stanowiący pojedynczy moduł, w którym krąży c zynnik roboczy. Strefy parownika i skraplacza są oddzielone przegrodą, która może być szczelnie połączona z następnym modułem. Powietrze podgrzewane w wyniku kontaktu z powierzchnią transformatora jest ochładzane przez sekcję parownika wymiennika ciepła. Czynnik roboczy, który w wyniku podgrzania odparowuje, kondensuje w części skraplacza.

W opisie zgłoszenia patentowego US 2008/0291313 opisuje się system odzysku ciepła odpadowego z wentylacji/klimatyzacji. Jego podstawowym elementem są dwa wymienniki ciepła złożone z ożebrowanych rurek ciepła (lamelowanych), wymieniających energię między dwoma strumieniami powietrza o różnej temperaturze. Czynnik roboczy odparowuje w pierwszym wymienniku. Powstająca para przepływa przewodem do drugiego wymiennika, w którym zachodzi skraplanie. Kondensat spływa do pierwszego wymiennika drugim, dolnym przewodem. Układ jest wyposażony w regulację wydajności realizowaną między innymi za pomocą zaworów.

PL 230 688 B1

Przedmiotem zgłoszenia patentowego P. 405969 jest hybrydowy układ odzysku ciepła, składający się z pęczka ożebrowanych, zamkniętych obustronnie rurek ciepła. Rurki składają się z dwóch części - górnej i dolnej, umieszczonych w dnach sitowych. Obie części każdej rurki są szczelnie połączone tuleją pośredniczącą, w której są wykonane otwory. Otwory te pozwalają na połączenie przestrzeni wewnętrznej rurek z przestrzenią buforową powstającą po złączeniu okrągłych den sitowych. Na obwodach den sitowych jest umieszczony kołnierz spajający konstrukcję, połączony z dwoma cylindrycznymi płaszczami zewnętrznymi. Płaszcze okrywają górny i dolny pęczek rurek ciepła i są wyposażone w króćce, przez które wpływa i wypływa ciecz robocza. Układ napełnia się czynnikiem roboczym poprzez przestrzeń buforową. Gorąca ciecz wpływa do dolnego płaszcza zewnętrznego i omywa dolny pęczek rurek, co powoduje parowanie czynnika roboczego. Para czynnika skrapla się w górnej sekcji pęczka, oddając ciepło zimnej cieczy przepływającej przez górny płaszcz. W wymienniku tym stosuje się roztwór czynnika roboczego z nanocząstkami.

Dwufazowy termosyfonowy wymiennik ciepła, wyposażony w rzędy usytuowanych pionowo, ożebrowanych indywidualnie, zamkniętych z obu stron rurek, wypełnionych czynnikiem chłodniczym, umieszczonych wewnątrz dwuczęściowej obudowy wykonanej z termoizolatora, w której dolna krawędź górnej części i górna krawędź dolnej części są otoczone kołnierzami i z których górna część obudowy jest wyposażona w króćce do doprowadzania i odprowadzania czynnika ogrzewanego, zaś dolna część obudowy w króćce do doprowadzania i odprowadzania czynnika grzewczego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że rurki są umieszczone względem siebie tak, że rurki każdego rzędu rurek są usytuowane między rurkami rzędów rurek z nim sąsiadujących. Rurki są osadzone szczelnie w otworach usytuowanej do nich prostopadle, modułowej przegrody z termoizolatora, dzielącej rurki na części ogrzewane i na części chłodzone, której moduły są połączone ze sobą nierozłącznie i do końców której, umieszczonych między kołnierzami górnej i dolnej części obudowy, są przymocowane te kołnierze. Części rurek osadzone w otworach płyty modułowej są nieożebrowane. Nadto wymiennik jest wyposażony w turbulizatory przepływu w postaci usytuowanych pionowo, zamocowanych w modułowej przegrodzie prętów lub szpilek, o długości równej przynajmniej długości rurek, umieszczonych parami w przestrzeniach między rurkami. Każda z rurek jest zamknięta obustronnie korkami bądź z jednej strony korkiem, a z drugiej zaworem chłodniczym. Rurki są napełnione czynnikiem chłodniczym z grupy węglowodorów fluoru (HFC) lub hydrofluoroolefin (HFO). Turbulizatory są ewentualnie wyposażone w przymocowane do nich dodatkowe elementy zwiększające turbulizację. Wymiennik jest ewentualnie wyposażony w dodatkową płytę usytuowaną równolegle do płyty modułowej, przymocowaną do górnej ściany wewnętrznej górnej części obudowy lub dolnej ściany wewnętrznej dolnej części obudowy. W dodatkowej płycie są wykonane otwory na korki lub zawory chłodnicze zamykające rurki oraz na końce turbulizatorów. Stosuje się ożebrowanie rurek z żeber okrągłych prostych, spiralnych lub segmentowych.

Wymiennik według wynalazku charakteryzuje się bardziej efektywną wymianą ciepła niż znane wymienniki tego typu. Zawiera indywidualne rurki ciepła o powierzchni zmodyfikowanej przez indywidualne ożebrowanie, umożliwiające zastosowanie wymiennika dla szerszego zakresu ciśnień (kiedy czynnik w rurkach ma znacznie wyższe ciśnienie od czynnika omywającego powierzchnię ożebrowaną). Rozmieszczenie rurek w wymienniku w układzie szachownicowym przyczynia się do minimalizacji spadku ciśnienia. W wymienniku według wynalazku możliwa jest wymiana ciepła między strumieniami różnych czynników - gazów i cieczy. Możliwe są więc układy: gaz-gaz, ciecz-ciecz, ciecz-gaz. Na rurkach, po stronie cieczy można zastosować żebra niskie o wysokości na przykład około 4 mm, natomiast po stronie gazu najlepiej wybrać ożebrowanie wysokie (o wysokości np. ok. 6,4-25 mm). W wymienniku według wynalazku stosuje się różnego rodzaju indywidualne ożebrowanie rurek, jak żebra okrągłe proste, spiralne lub segmentowe, a jako czynnik chłodniczy płyn z grupy HFC lub HFO wypełniający określoną część objętości rurek. Czynniki chłodnicze z grupy HFC lub HFO wykazują lepszą wydajność cieplną w porównaniu z wodą, alkoholami, cieczami dielektrycznymi powszechnie stosowanymi w termosyfonach w zakresie niskotemperaturowym. W wymienniku według wynalazku rozwiązano także problem utraty szczelności, zamiast stosowania układu sygnalizującego wyciek, dzięki temu, że każda z rurek jest wyposażona w indywidualne zamknięcie i brak jest wzajemnego połączenia przestrzeni wewnętrznej rurek. Każda z rurek może być poddana indywidualnej kontroli szczelności. Utrata szczelności jednej z rurek nie oznacza wycieku czynnika z całego wymiennika czyli awarii całego wymiennika, a uszkodzona rurka może być zidentyfikowana na przykład poprzez obserwację wymiennika za pomocą kamery termowizyjnej. W wymienniku według wynalazku możliwe jest napełnienie każdej rurki określoną ilością czynnika chłodniczego i podczas pracy wymiennika ilość czynnika chłodniczego w każdej z rurek nie ulega zmianie, w przeciwieństwie do znanych wymienników, w których rurki są połączone

PL 230 688 B1 kolektorem lub w inny sposób. W wymienniku według wynalazku sekcje skraplacza i parownika są oddzielone szczelną przegrodą, zapewniającą całkowite rozdzielenie czynników omywających rurki we wspomnianych strefach. Elementy zaburzające przepływ, jak pręty bądź szpilki, umieszczone w najbliższym otoczeniu rurek, powodują zaburzenie przepływu, co z kolei intensyfikuje wymianę ciepła.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wymiennik w częściowym przekroju poprzecznym, fig. 2 w częściowym przekroju wzdłużnym, fig. 3 w przekroju wzdłuż linii AA na fig. 1.

Wymiennik ciepła wyposażony w rzędy usytuowanych pionowo, ożebrowanych indywidualnie rurek 1 wypełnionych czynnikiem chłodniczym z grupy HFC lub HFO, umieszczonych wewnątrz dwuczęściowej obudowy, złożonej z części górnej 4 i dolnej 5, wykonanej z cienkiej ocynkowanej blachy. Rurki 1 są ożebrowane żebrami okrągły mi prostymi. Dolna krawędź górnej części 4 i górna krawędź dolnej części 5 obudowy są otoczone kołnierzami. Górna część 4 obudowy jest wyposażona w króćce do doprowadzania i odprowadzania czynnika ogrzewanego, zaś dolna część 5 obudowy w króćce do doprowadzania i odprowadzania czynnika grzewczego. Rurki 1 są usytuowane względem siebie tak, że rurki każdego rzędu rurek są usytuowane między rurkami rzędów rurek z nim sąsiadujących. Rurki 1 są osadzone szczelnie w otworach usytuowanej do nich prostopadle, modułowej przegrody 3 z termoizolatora, dzielącej rurki 1 na części ogrzewane i na części chłodzone. Części rurek 1 umieszczone w otworach płyty 3 są nieożebrowane i uszczelnione w tych otworach za pomocą pierścieni. Otwory na rurki 1 w płytach 3 są wykonane na styku sąsiadujących ze sobą modułów tej płyty. Moduły płyty 3 są połączone ze sobą śrubami lub są sklejone ze sobą. Końce płyty 3 są umieszczone między kołnierzami górnej 4 i dolnej 5 części obudowy i kołnierze te są przymocowane do końców tej płyty. Nadto wymiennik jest wyposażony w turbulizatory przepływu 2 w postaci usytuowanych pionowo, zamocowanych w modułowej przegrodzie 3 prętów o kołowym przekroju poprzecznym, o długości równej długości rurek 1, umieszczonych parami w przestrzeniach między tymi rurkami, o tak dobranym polu przekroju poprzecznego, aby nie powodowały spadku ciśnienia w wymienniku większego od opłacalnego ekonomicznie ze względu na moc urządzenia wymuszającego przepływ. Każda z rurek 1 jest zamknięta obustronnie korkami bądź z jednej strony korkiem, a z drugiej zaworem chłodniczym.

Czynnik grzewczy wpływa do dolnej części 5 obudowy wymiennika i omywa dolne części rurek 1, co powoduje parowanie czynnika chłodniczego zawartego w rurkach 1. Para czynnika chłodniczego skrapla się w górnych częściach rurek 1 oddając ciepło zimnemu czynnikowi przeznaczonemu do ogrzania, doprowadzanemu do górnej części 4 obudowy wymiennika.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Dwufazowy termosyfonowy wymiennik ciepła, wyposażony w rzędy usytuowanych pionowo, ożebrowanych indywidualnie, zamkniętych z obu stron rurek, wypełnionych czynnikiem chłodniczym, umieszczonych wewnątrz dwuczęściowej obudowy wykonanej z termoizolatora, w której dolna krawędź górnej części i górna krawędź dolnej części są otoczone kołnierzami i z których górna część obudowy jest wyposażona w króćce do doprowadzania i odprowadzania czynnika ogrzewanego, zaś dolna część obudowy w króćce do doprowadzania i odprowadzania czynnika grzewczego, znamienny tym, że rurki (1) są umieszczone względem siebie tak, że rurki każdego rzędu rurek są usytuowane między rurkami rzędów rurek z nim sąsiadujących, nadto rurki (1) są osadzone szczelnie w otworach usytuowanej do nich prostopadle, modułowej przegrody (3) z termoizolatora, dzielącej rurki (1) na części ogrzewane i na części chłodzone, której moduły są połączone ze sobą nierozłącznie i do końców której, umieszczonych między kołnierzami górnej (4) i dolnej (5) części obudowy, są przymocowane te kołnierze, przy czym części rurek (1) osadzone w otworach płyty modułowej (3) są nieożebrowane, ponadto każda z rurek (1) jest zamknięta obustronnie korkami bądź z jednej strony korkiem, a z drugiej zaworem chłodniczym i napełniona czynnikiem chłodniczym z grupy węglowodorów fluoru lub hydrofluoroolefin, dodatkowo wymiennik jest wyposażony w turbulizatory przepływu (2) w postaci usytuowanych pionowo, zamocowanych w modułowej przegrodzie (3) prętów lub szpilek, usytuowanych parami w przestrzeniach między rurkami (1), o długości równej przynajmniej długości rurek (1).

   PL 230 688 Β1
2. 2. Wymiennik według zastrz. 1, znamienny tym, że turbulizatory (2) są ewentualnie wyposażone w przymocowane do nich dodatkowe elementy zwiększające turbulizację.
3. 3. Wymiennik według zastrz. 1, znamienny tym, że jest ewentualnie wyposażony w dodatkową płytę usytuowaną równolegle do płyty modułowej, przymocowaną do górnej ściany wewnętrznej górnej części (4) obudowy lub do dolnej ściany wewnętrznej dolnej części (5) obudowy, w której to płycie dodatkowej są wykonane otwory na korki lub zawory chłodnicze zamykające rurki (1) oraz końce turbulizatorów (2).
4. 4. Wymiennik według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się ożebrowanie rurek (1) z żeber okrągłych prostych, spiralnych lub segmentowych.