PL235705B1 - Zasobnik akumulacyjny ciepła - Google Patents

Abstract

Zasobnik akumulacyjny ciepła, zawierający płaszcz zewnętrzny, wiele pojemników ułożonych jeden obok drugiego, przy czym pomiędzy pojemnikami znajdują się kanały, którymi przepływa naprzemiennie strumień czynnika grzewczego i chłodzącego, oraz króćce wlotowy (3) i wylotowy (5) czynnika grzewczego i króćce wlotowy (4) i wylotowy (6) czynnika chłodzącego, umieszczone w zewnętrznym płaszczu zasobnika, charakteryzuje się tym, że pojemniki zawierają porowaty materiał, wypełniony materiałem zmiennofazowym.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zasobnik akumulacyjny, wykorzystujący materiały zmiennofazowe do gromadzenia i akumulacji średnio i niskotemperaturowego ciepła odpadowego z urządzeń chłodniczych, klimatyzacyjnych lub innych źródeł ciepła.

Z opisu PL223720 znany jest termosyfonowy wymiennik ciepła do hybrydowych układów odzysku ciepła, zwłaszcza odpadowego, który zawiera rurki ciepła z zaślepionymi końcami i wyposażony jest w króćce wylotowe i wlotowe czynnika grzewczego i ogrzewanego. 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 znanych rozwiązaniach dotyczących zasobników ciepła materiały akumulujące energię cieplną umieszcza się wewnątrz zbiorników w postaci płytowych, owalnych lub cylindrycznych pojemników wypełnionych materiałem zmiennofazowym. Materiały zmiennofazowe nazywane powszechnie materiałami PCM (phase change material) są to materiały charakteryzujące się dużymi wartościami ciepła utajonego przemiany fazowej. W czasie trwania przemiany fazowej topnienia PCM pochłaniają i akumulują duże ilości ciepła od otoczenia. Jednak materiały zmiennofazowe charakteryzują się niskimi wartościami współczynników przewodzenia ciepła oraz dyfuzyjności termicznej zarówno w fazie stałej jak i ciekłej. W związku z tym pojawia się problem intensyfikacji procesów wymiany ciepła w takim materiale. Powoduje to znaczne wydłużenie czasu nagrzewania lub chłodzenia podczas ładowania lub rozładowania zasobnika.

Celem niniejszego wynalazku jest zwiększenie wydajności transportu ciepła w głąb materiału zmiennofazowego. Kolejnym celem wynalazku jest skrócenia czasu ładowania i rozładowania zasobnika oraz wzajemnej separacji czynnika grzewczego (ładującego zasobnik) od czynnika chłodzącego (rozładowującego) zasobnik.

Zasobnik akumulacyjny ciepła według wynalazku zawiera płaszcz zewnętrzny, wiele pojemników ułożonych jeden obok drugiego, pomiędzy którymi znajdują się kanały dla przepływu strumienia czynnika grzewczego ładującego i czynnika chłodzącego rozładowującego, króćce wlotowy i wylotowy czynnika grzewczego oraz króćce wlotowy i wylotowy czynnika chłodzącego, umieszczone w zewnętrznym płaszczu zasobnika. Zasobnik charakteryzuje się tym, że pojemniki zawierają porowaty materiał, wypełniony materiałem zmiennofazowym, a pomiędzy zwróconymi do siebie ściankami sąsiadujących pojemników utworzone są naprzemiennie kanały dla niezależnego przepływu strumienia czynnika grzewczego ładującego oraz strumienia czynnika chłodzącego rozładowującego. Korzystnie, w każdym z pojemników wykonane są co najmniej dwa otwory przelotowe, a pojemniki połączone są ze sobą w miejscach występowania otworów przelotowych za pomocą wydrążonych łączników, korzystnie pierścieniowych. Korzystnie, porowaty materiał stanowi piana metaliczna lub piana ceramiczna.

Korzystnie, materiał porowaty ma otwarte pory.

Korzystnie, pojemniki zbudowane są ze szczelnie połączonych, wytłoczonych połówek blachy.

Korzystnie, pojemniki mają kształt prostopadłościenny. Korzystnie, w co najmniej jednym łączniku wykonana jest szczelina, umożliwiająca przepływ czynnika grzewczego lub chłodzącego pomiędzy pojemnikami. Korzystnie, zewnętrzne krawędzie prostopadłościennych pojemników są połączone za pomocą co najmniej jednego łącznika, korzystnie wykonanego z blachy.

Korzystnie, pojemniki mają kształt cylindryczny. Korzystnie, pojemniki są połączone ze sobą za pomocą co najmniej jednego zewnętrznego cylindrycznego łącznika. Korzystnie, zewnętrzny płaszcz jest wykonany z materiału izolacyjnego.

Czynnik gorący podczas procesu ładowania zasobnika przepływa wzdłuż powierzchni pojemników przekazując energię termiczną do materiału zmiennofazowego, w którym zachodzi przemiana fazowa. Czynnik chłodzący przepływając po przeciwnej stronie pojemnika odbiera energie termiczną

PL 235 705 B1 zgromadzoną w materiale zmiennofazowym. Zaletą takiego układu przepływowego jest, to że czynnik grzewczy (gorący) przepływa przez inne kanały niż czynnik chodzący. Taki układ konstrukcyjny zapewnia niezależny przepływ czynników podczas procesu ładowania i rozładowania zasobnika.

Dzięki zastosowaniu pojemników wypełnionych materiałem o otwartych porach wypełnionych materiałem PCM w zasobniku, który to materiał tworzy szkielet o współczynniku przewodzenia ciepła wielokrotnie większym od współczynnika przewodzenia ciepła materiałów zmiennofazowych, uzyskano znaczną poprawę transportu ciepła w głąb pojemnika oraz skrócenie czasu ładowania i rozładowania zasobnika.

Bardzo istotnym czynnikiem, który ma wpływ na warunki wymiany ciepła jest forma geometryczna pojemnika zawierającego materiał zmiennofazowy. Podstawowym kryterium jest iloraz powierzchni wymiany ciepła do objętości - tzw. współczynnik kształtu. Zwiększenie współczynnika kształtu intensyfikuje procesy wymiany ciepła poprzez zwiększenie powierzchni w stosunku do zachowanej stałej objętości. Przy zachowaniu jednakowej objętości trzech różnych form geometrycznych, prostopadłościan o założonych wymiarach boków charakteryzuje się współczynnikiem kształtu prawie dwukrotnie wyższym niż dla kuli. Niewielka grubość przestrzeni, którą wypełnia materiał zmiennofazowy w pojemnikach oraz duża powierzchnia wymiany ciepła, pozwala na szybką penetrację cieplną materiału, w którym zachodzi przemiana fazowa. Ma to istotne znaczenie podczas ładowania/rozładowania zasobnika ciepła - zasadniczo skraca czas akumulacji ciepła.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykładowych dwóch wariantach na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok pojemników cylindrycznych wypełnionych materiałem zmiennofazowym, fig. 2 - przedstawia widok pojemników prostopadłościennych wypełnionych materiałem zmiennofazowym, fig. 3 - widok połączenia pojemników prostopadłościennych, fig. 4 - przekrój poprzeczny fragmentu zasobnika, zbudowanego z pojemników prostopadłościennych, fig. 5 - widok ogólny prostopadłościennego zasobnika akumulacyjnego, fig. 6 - widok połączenia pojemników cylindrycznych, fig. 7 - przekrój poprzeczny fragmentu zasobnika zbudowanego z pojemników cylindrycznych, fig. 8 - widok ogólny zasobnika akumulacyjnego cylindrycznego.

P r z y k ł a d I

Zasobnik akumulacyjny ciepła, zawierający płaszcz zewnętrzny 13, pięć pojemników 1a ułożonych jeden na drugim, przy czym pomiędzy pojemnikami znajdują się kanały, którymi przepływa naprzemiennie strumień czynnika grzewczego i chłodzącego, oraz króćce wlotowy 3 i wylotowy 5 czynnika grzewczego i króćce wlotowy 4 i wylotowy 6 czynnika chłodzącego, umieszczone w zewnętrznym płaszczu 13 zasobnika. Pojemniki 1a zawierają porowaty materiał o otwartych porach, wypełniony materiałem zmiennofazowym. W każdym z pojemników 1a wykonane są cztery otwory przelotowe, a pojemniki 1a połączone są ze sobą w miejscach występowania otworów przelotowych za pomocą wydrążonych łączników 2 pierścieniowych. Porowaty materiał stanowi piana metaliczna. Pojemniki 1a zbudowane są ze szczelnie połączonych, wytłoczonych połówek blachy. W co drugim łączniku 2 wykonana jest szczelina 7, umożliwiająca przepływ czynnika grzewczego lub chłodzącego pomiędzy pojemnikami la. Zewnętrzne krawędzie prostopadłościennych pojemników 1a są połączone za pomocą łączników 8, wykonanych z blachy. Zewnętrzny płaszcz 13 jest wykonany z materiału izolacyjnego.

W przypadku niskotemperaturowych zastosowań jako materiał zmiennofazowy przewiduje się zastosowanie niskotopliwych wosków plastycznych, parafin niskotopliwych, cerezyny. Natomiast dla zasobników przeznaczonych do akumulacji ciepła przy wyższych temperaturach przemiany przewiduje się zastosowanie eutektycznych roztworów: erytrytolu, ksylitolu, sorbitolu.

P r z y k ł a d II

Zasobnik akumulacyjny ciepła, zawierający płaszcz zewnętrzny 13, osiem cylindrycznych pojemników 1b ułożonych jeden na drugim, przy czym pomiędzy pojemnikami znajdują się kanały, którymi przepływa naprzemiennie strumień czynnika grzewczego i chłodzącego, oraz króćce wlotowy 10 i wylotowy 11 czynnika grzewczego i króćce wlotowy 12 i wylotowy 14 czynnika chłodzącego, umieszczone w zewnętrznym płaszczu 13 zasobnika. Pojemniki 1b zawierają porowaty materiał, wypełniony materiałem zmiennofazowym. W każdym z pojemników 1b wykonane są dwa otwory przelotowe, a pojemniki 1b połączone są ze sobą w miejscach występowania otworów przelotowych za pomocą wydrążonych wewnętrznych łączników 9a pierścieniowych. Porowaty materiał stanowi piana ceramiczna o otwartych porach. Pojemniki 1b zbudowane są ze szczelnie połączonych, wytłoczonych połówek blachy. Pojemniki 1b są połączone ze sobą za pomocą zewnętrznych cylindrycznych łączników 9b. Zewnętrzny płaszcz 13 jest wykonany z materiału izolacyjnego.

Claims (11)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Zasobnik akumulacyjny ciepła, zawierający płaszcz zewnętrzny (13), wiele pojemników (1a, 1 b) ułożonych jeden obok drugiego, pomiędzy którymi znajdują się kanały dla przepływu strumienia czynnika grzewczego ładującego i czynnika chłodzącego rozładowującego, króćce wlotowy (3, 10) i wylotowy (5, 11) czynnika grzewczego oraz króćce wlotowy (4, 12) i wylotowy (6, 14) czynnika chłodzącego, umieszczone w zewnętrznym płaszczu (13) zasobnika, znamienny tym, że pojemniki (1a, 1 b) zawierają porowaty materiał wypełniony materiałem zmiennofazowym, a pomiędzy zwróconymi do siebie ściankami sąsiadujących pojemników (1a, 1b) utworzone są naprzemiennie kanały dla niezależnego przepływu strumienia czynnika grzewczego ładującego oraz strumienia czynnika chłodzącego rozładowującego.
2. 2. Zasobnik według zastrz. 1, znamienny tym, że w każdym z pojemników (1a, 1b) wykonane są co najmniej dwa otwory przelotowe, a pojemniki (1a, 1b) połączone są ze sobą w miejscach występowania otworów przelotowych za pomocą wydrążonych łączników (2, 9a), korzystnie pierścieniowych.
3. 3. Zasobnik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że porowaty materiał stanowi piana metaliczna lub piana ceramiczna.
4. 4. Zasobnik według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że materiał porowaty ma otwarte pory.
5. 5. Zasobnik według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 4, znamienny tym, że pojemniki (1 a, 1b) zbudowane są ze szczelnie połączonych, wytłoczonych połówek blachy.
6. 6. Zasobnik według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 5, znamienny tym, że pojemniki (1a) mają kształt prostopadłościenny.
7. 7. Zasobnik według zastrz. 6, znamienny tym, że w co najmniej jednym łączniku (2) wykonana jest szczelina (7), umożliwiająca przepływ czynnika grzewczego lub chłodzącego pomiędzy pojemnikami (1a).
8. 8. Zasobnik według zastrz. 6 albo 7, znamienny tym, że zewnętrzne krawędzie prostopadłościennych pojemników (1 a) są połączone za pomocą co najmniej jednego łącznika (8), korzystnie wykonanego z blachy.
9. 9. Zasobnik według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 5, znamienny tym, że pojemniki (1 b) mają kształt cylindryczny.
10. 10. Zasobnik według zastrz. 9, znamienny tym, że pojemniki (1b) są połączone ze sobą za pomocą co najmniej jednego zewnętrznego cylindrycznego łącznika (9b).
11. 11. Zasobnik według któregokolwiek z zastrzeżeń od 1 do 10, znamienny tym, że zewnętrzny płaszcz (13) jest wykonany z materiału izolacyjnego.