PT2195586E - Colector - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

COLECTOR

Campo técnico A presente invenção refere-se a um colector de um só tubo para uma instalação de bomba de calor. A presente invenção refere-se também a um sistema de bomba de calor que compreende o colector de um só tubo.

Antecedentes

Na água, no solo e até no leito rochoso há uma fonte de calor sem custo. A utilização do calor procedente do mar, o calor do subsolo e o calor do leito rochoso é uma técnica de aquecimento assegurada, segura e meio ambiental. A energia calorífica pode transmitir-se a um sistema de aquecimento por água convencional existente e utilizar-se também para a produção de água quente.

Num sistema de aquecimento geotérmico, o calor extrai-se de uma perfuração, um denominado poço de energia perfurado. 0 colector é o tubo, que compreende um meio de transferência de calor na forma de um denominado líquido de transferência de calor, que transporta o calor através do meio de transferência de calor aquecido e que também transporta o meio de transferência de calor esfriado de volta num ciclo fechado.

Numa central térmica de subsolo, enterra-se uma tubagem de vários centos de metros de comprimento até uma profundidade resistente à geada e dispõe-se em espiras. A tubagem de colector colecta o calor que se produz no solo e o utiliza para vaporizar o agente de esfriamento da bomba de calor. 0 calor do mar funciona fundamentalmente da mesma maneira que o calor do subsolo. Utiliza-se a energia que existe armazenada na água de mar e na camada de fundo. A tubagem de colector põe-se no fundo de uma corrente de água.

Existem diversas classes de colectores de bomba de calor. A classe de colector mais frequentemente utilizada na atualidade denomina-se colector de tubo na forma de U. De acordo com este principio, um tubo fechado separado está disposto num orifício perfurado. Isto realiza-se, por exemplo, de modo que um tubo alargado continuo de plástico, de maneira adequada polietileno, curva-se pelo centro de modo que forma uma forma de U. A parte mais inferior da "U" do tubo dispõe-se sobre o orifício perfurado, e posteriormente faz-se descender o tubo no interior do orifício perfurado. Portanto, o tubo em U forma uma única tubagem contínua para o líquido de transferência de calor num ciclo fechado, no sentido desde a bomba de calor abaixando pelo interior do orifício perfurado e de volta saindo do orifício perfurado e mais ainda até a bomba de calor no mesmo tubo.

Para instalações de aquecimento geotérmico existe também um denominado colector de três tubos, que é uma variante de um colector que compreende um tubo para transportar para baixo o líquido de transferência de calor pelo interior do orifício perfurado, tubo que tem uma ramificação em dois tubos que leva o líquido de transferência de calor de volta desde o orifício perfurado e adicionalmente até a bomba de calor. 0 termo "colector de um só tubo" nesta memória é um termo comum para as espiras de colectores e a tubagem de colector mencionados anteriormente que estão destinados para o calor do mar e o calor do subsolo. No colector de um só tubo, o liquido de transferência de calor pode conduzir-se num tubo com essencialmente a mesma área de secção transversal por toda a extensão longitudinal do colector.

Outro tipo de colector de acordo com a técnica anterior é o denominado colector coaxial. Um tubo interno está disposto num tubo externo. Os tubos soldam-se conjuntamente a uma unidade que se instala posteriormente num orifício perfurado. 0 propósito desta técnica, que tem "um tubo num tubo", é que é desejável evitar a mistura durante demasiado tempo do líquido de transferência de calor esfriado, que se faz descender pelo interior da perfuração, com o líquido de transferência de calor aquecido, que deverá portar-se para cima no colector. Ao proporcionar um tubo externo com um diâmetro grande, consegue-se um fluxo mais lento no tubo externo que tem um diâmetro grande, mediante o qual se alcança um rendimento positivo com respeito à qualidade de absorção de calor. 0 colector coaxial não se encontra em nenhum grau considerável no mercado actualmente, já que esta técnica envolve grandes custos de instalação e produção. Entretanto, geralmente considera-se que o colector coaxial é mais eficaz que o colector de um só tubo convencional. 0 documento DE 20 2004 007 567 UI revela um colector coaxial de acordo com a classe bem conhecida, descrita anteriormente. Este compreende um tubo de conexão para o fluxo de entrada de liquido de transferência de calor a um tubo externo, que compreende uma estrutura superficial irregular no interior do tubo externo. 0 líquido de transferência de calor aquecido devolve-se através de um tubo interno subindo por um tubo de conexão. 0 documento US 2007/0023163 AI revela um colector coaxial de acordo com a classe bem conhecida descrita anteriormente. Este compreende um tubo de conexão para o fluxo de entrada de liquido de transferência de calor num tubo interno, que termina justo por encima do fundo de um tubo externo, disposto fora do tubo interno. 0 liquido de transferência de calor aquece-se durante a sua circulação no espaço entre o tubo externo e o tubo interno, enquanto guia-se por meio de uma estrutura helicoidal ("gerador de turbulência" ou "estrutura geradora de turbulência") disposta no exterior do tubo interno e transporta-se adicionalmente até um permutador de calor por meio de uma bomba. Um colector de um só tubo adicional de acordo com a técnica anterior mostra-se mediante o documento DE 20 2007 008 907 U. A grossura da parede no tubo de colector optimiza-se de modo que o meio de transferência de calor obtenha uma absorção de calor máxima, os tubos sejam fáceis de manejar de modo que o peso devolvido caia diretamente no interior da perfuração, no caso de um poço de energia perfurado. O comprimento adapta-se de acordo com o que se deseja.

Entretanto, um problema com o colector de um só tubo tradicional é que a absorção de energia desde a água circundante no poço de energia não é óptima. Existe uma grande necessidade de uma utilização mais eficiente da energia. Isto também é aplicável aos colectores de um só tubo que estão destinados para sistemas marítimos e centrais térmicas de subsolo.

Descrição da invenção

Um objecto da presente invenção é eliminar pelo menos parcialmente aqueles inconvenientes que estão associados com os aparelhos de acordo com o estado da técnica. Além disso, um objecto é conseguir uma absorção de energia melhorada para o meio de transferência de calor num colector de um só tubo desde o solo circundante numa central térmica de subsolo, ou desde a água circundante num poço de energia para um sistema de aquecimento geotérmico ou num sistema de aquecimento marítimo.

Este objecto conseguiu-se com um colector de um só tubo para uma instalação de bomba de calor de acordo com a presente invenção segundo as características da reivindicação 1.

Mediante o colector de um só tubo, e uma planta de bomba de calor que compreende o colector de um só tubo, de acordo com a presente invenção, logra-se uma absorção de energia melhorada já que a estrutura superficial irregular cria um fluxo turbulento, em comparação com os colectores de acordo com a técnica anterior para calor do mar, uma central térmica de subsolo ou poços de energia, que têm uma superfície interna lisa que proporciona um fluxo laminar do meio de transferência de calor através do colector.

Mediante o termo "tubo" nesta descrição, também se quer dizer tubo flexível, conduto ou similares.

As indentações e/ou elevações podem estar distribuídas uniformemente ao redor da superfície circunferencial interna do tubo, visto numa secção transversal do tubo. A direção da forma helicoidal está alterada pelo menos em alguma parte na direção longitudinal do tubo, de maneira adequada pelo menos a cada dois metros, preferivelmente cada metro, na direção longitudinal do tubo.

Caracteristicas, vantagens e realizações favoráveis preferidas adicionais da invenção, resultam evidentes a partir das reivindicações dependentes, e também a seguir a partir da descrição das realizações.

Descrição dos desenhos A presente invenção descrever-se-á agora mais em detalhe mediante exemplos de aplicação, em referência aos desenhos adjuntos, sem limitar a interpretação da invenção aos mesmos, em que a figura 1 mostra o principio para um colector de um só tubo na forma de um colector de tubo em U convencional, a figura 2A mostra, numa secção transversal de um colector de um só tubo, indentações e/ou elevações de maneira helicoidal na superfície interna do tubo de colector, de acordo com uma realização que não forma parte desta invenção, a figura 2B mostra, numa secção transversal em perspectiva, longitudinal, uma parte do colector mostrado na figura 2A, a figura 2C mostra esquematicamente uma parede de tubo desdobrada numa secção transversal do colector mostrado nas figuras 2A-B, e a figura 3 mostra, numa secção transversal longitudinal, uma parte de um colector, de acordo com uma realização da presente invenção.

Descrição detalhada das realizações A figura 1 mostra o principio para um colector de tubo em U convencional. De acordo com este principio, um tubo selado continuo 1 está disposto num orifício perfurado 2. Isto realiza-se, por exemplo, de tal maneira que uma pluralidade de tubos individuais que se ensamblam uns com outros para dar um tubo longitudinal contínuo 1 de plástico, de maneira adequada polietileno. Já que o tubo contínuo 1 forma uma curva em forma de U 3 no extremo para o fundo 4 da perfuração 2, onde o tubo 1' para o líquido de transferência de calor que se transporta para baixo (vejam-se as setas na figura) na perfuração está conectado ao tubo 1'' para o líquido de transferência de calor que se transporta para cima (vejam-se as setas) e saindo da perfuração, o sistema denomina-se "colector de tubo em U". Dito de outro modo, o tubo contínuo 1 curva-se pelo centro de modo que forma uma forma de U. A figura 1 mostra somente o princípio. Em realidade, um sistema de colector de tubo em U mencionado anteriormente está soldado em sua totalidade com o fim de cumprir com os requisitos de segurança de funcionamento. Portanto, a curvatura de retorno, que é a parte inferior na forma de U ou a curva 3, ensambla-se portanto em fábrica por motivos de segurança operacional. A parte superior 5 do sistema de colector termina habitualmente numa boca de inspeção a nível de solo 6, desde onde os tubos 1, 1', 1'' de colector se conectam a uma bomba de calor (não mostrada). Durante a ensamblagem do sistema de colector, a curvatura de retorno 3 do sistema de colector está situada acima da perfuração 2, com o qual se realiza o avanço para baixo na perfuração. Por conseguinte, o tubo em U forma um único conduto continuo para o liquido de transferência de calor num circuito, no sentido desde a bomba de calor baixando pela perfuração e de volta subindo e saindo da perfuração e adicionalmente de volta à bomba de calor no mesmo tubo.

Uma parte do colector de um só tubo para um sistema de aquecimento geotérmico, que não forma parte da presente invenção, mostra-se na figura 2A numa secção transversal T e na figura 2B numa secção transversal longitudinal L. 0 colector compreende um tubo 12, fabricado de polietileno de maneira adequada, destinado para a sua ensamblagem num poço de energia perfurado, tubo em que circula um liquido de transferência de calor num ciclo fechado para transportar o calor geotérmico a uma bomba de calor e devolver o liquido de transferência de calor ao poço de energia. A superfície interna 14 do tubo 12 tem uma estrutura superficial irregular que compreende indentações e/ou elevações 16. Embora se descreve um colector de um só tubo na forma de um colector de tubo em U com referência às figuras, um colector de um só tubo deste tipo também é aplicável para sistemas térmicos marítimos e centrais térmicas de subsolo assim como colectores de três vias.

De acordo com uma realização preferida, o colector de um só tubo é um tubo contínuo 12 com uma área de secção transversal que é essencialmente similar por toda a direção longitudinal L do tubo.

De acordo com uma realização preferida, a estrutura superficial na superfície interna 14 do colector de um só tubo é um padrão estriado, mediante o qual a superfície interna 14 está desenhada com indentações 18 que de maneira adequada formam estrias continuas na superfície que se estendem essencialmente na direção longitudinal L do tubo. As estrias 18 estão distribuídas uniformemente ao redor da superfície circunferencial interna do tubo, visto numa secção transversal T do tubo. A figura 2C mostra numa secção transversal uma parede de tubo desdobrada do tubo de colector 12 em que resultam evidentes as indentações na forma de estrias 18. A figura 3 mostra uma parte de um colector de um só tubo de acordo com uma realização da presente invenção. As indentações e/ou elevações 16 estendem-se de maneira helicoidal na direção longitudinal L do tubo. A direção da forma helicoidal (vejam-se as setas na figura 3) pode estar alterada pelo menos em alguma parte na direção longitudinal L do tubo. A direção da forma helicoidal pode estar alterada de maneira adequada pelo menos a cada dois metros, preferivelmente a cada metro, na direção longitudinal L do tubo.

De acordo com a presente invenção, as estrias ou o padrão, tal como uma estrutura superficial de indentações e/ou elevações, podem ser contínuos ou descontínuos na direção longitudinal do colector de um só tubo. Tal como se mostra na forma de realização na figura 3, uma parte plana na superfície interna do tubo pode dispor-se como uma transição temporal, mas corta, entre duas partes helicoidais.

As dimensiones habituais para os tubos de colector 12 de acordo com a invenção estão dentro do intervalo de 25-63 mm de diâmetro. A altura das indentações e/ou elevações 16, alternativamente as estrias 18 ou o estriado, pode variar-se, mas pode estar normalmente dentro do intervalo de 0,2-5 mm dependendo do tamanho dos tubos e a grossura da parede, preferivelmente 0,2-2 mm, para as dimensiones mais habituais dos tubos de colector 12.

Exemplo:

Realizaram-se experiências num sistema de bomba de calor, com duas bombas de calor de 16 kW e 32 kW, respectivamente, para o fornecimento de água quente e aquecimento num edifício com 19 apartamentos, cada um com uma superfície de 40 m2. Na experiência utilizaram-se quatro das perfurações cheias de água, com um diâmetro de 140 mm e uma profundidade de 260 mm, que constituem a fonte de calor do sistema. Etanol numa concentração de 20 porcento em volume numa solução aquosa, com um ponto de congelação de -8°C. Na experiência, equipou-se cada uma das quatro perfurações com quatro tipos diferentes de colectores de um só tubo, respectivamente. 0 desenho, a dimensão e a disposição de perfuração respectivos apresentam-se na forma de tabela na tabela 1 a seguir.

Tabela I N. ° Comprimento ativo da perfuração Desvio horizontal a 2 60 m com respeito à posição inicial Tipo de colector Dimensão em mm 2 251,6 m 84,9 m PE4 0x3,7 3 tubos 4 254,5 m 64,1 m PE40x2,4 tubo em U 5 242,7 m 75,7 m PE40x2,4 tubo em U com separadores 6 245, 7 m 96, 9 m PE4 0x2,4 tubo em U com estrias helicoidais na superfície interna

Mediu-se a temperatura média de solo inalterado como de 8,7°C, e a condutividade térmica média do solo como de 3,75 W/m K. Também deve explicar-se que o colector de um só tubo n.° 2 (BH2) na tabela, que é o colector de três tubos, é uma variante de colector que compreende um tubo para transportar o liquido de transferência de calor para baixo no interior da perfuração e dois tubos que guiam o liquido de transferência de calor de volta saindo da perfuração e adicionalmente a uma bomba de calor. 0 colector de um só tubo n.° 4 (BH4) é um colector de tubo em U convencional. 0 colector de um só tubo n.° 5 (BH5) é um colector de tubo em U convencional dotado de separadores, que estão destinados a manter os tubos separados na perfuração de modo que não entrem em contacto entre si. 0 colector de um só tubo n.° 6 (ΒΗ6) é um colector de tubo em U de acordo com a presente invenção, que compreende indentações e/ou elevações na superfície interna do tubo numa extensão helicoidal pela extensão longitudinal do tubo. A forma helicoidal está alterada periodicamente pela extensão longitudinal do tubo.

Comprovaram-se os fluxos nos respectivos colectores. Equipou-se cada permutador de calor de perfuração com termopares para medições de temperatura nos pontos de saída e fundo, no líquido de transferência de calor no interior do colector. Mediu-se também a caída de pressão total nos colectores durante os testes nas tubagens de entrada e de saida de colector utilizando um manómetro. Mediram-se as temperaturas em diferentes condições de fluxo nas perfurações e quando haviam-se estabilizado as condições após o começo da bomba de calor. Durante um período de medição calcularam-se a densidade de fluido, viscosidade cinemática e capacidade calorífica à temperatura medida. Portanto, calcularam-se o número de Reynolds, o factor de fricção e a caída de pressão. Finalmente, calculou-se o calor absorvido por metro pelo fluido de transferência de calor para cada colector, que se utilizou também com o fim de calcular a resistência térmica da perfuração para cada um dos colectores. Mediu-se o valor de temperatura para a parede da perfuração com a ajuda de um cabo de fibra óptica e assumiu-se que era constante e igual a 7,2°C para os cálculos nesta experiência.

Com respeito à extração de calor (kW), obteve-se o melhor rendimento de extração de calor em BH6 e o pior rendimento é em BH2. No entanto, não se recomenda comparar os colectores observando o calor extraído devido ao facto de que não todas as medições se tomaram ao mesmo tempo, o que poderia provocar diferentes temperaturas de água subterrânea e de entrada em diferentes momentos de medição. Com respeito à resistência térmica, observou-se que BH6 tinha os menores valores de todos os colectores (por exemplo com um fluxo ascendente de 1,8 m3/h, BH6 tinha aproximadamente 0,16 K/(W/m) enquanto que BH2 tinha aproximadamente 0,18, BH4 tinha aproximadamente 0,23 e BH5 tinha aproximadamente 0,22), com a exceção de um valor medido em que BH5 era o melhor. Portanto, isto significa para um aspecto que o colector de um só tubo de acordo com a invenção mostra o melhor rendimento. O resultado para a caida de pressão resulta evidente a partir da tabela II a seguir.

Tabela II N. ° Caida de pressão [kPa] para diferentes fluxos [m3/h]: 1,5 1,8 2,5 experi mental estimado experi mental estimado experi mental estimado 2 54,21 48,35 75, 00 75, 59 144,53 129, 73 4 61,43 56,41 87,33 78,22 149,60 129, 54 5 56, 54 56, 68 81, 10 77,98 149,63 128,36 6 49, 10 58,02 70, 03 77,31 131,51 136,20

Resumindo, os resultados envolvem que as dimensiones do tubo têm uma influência importante, que os separadores (colector em BH5) contribuem provavelmente a não aumentar a transmissão térmica e que uma estrutura superficial no interior dos tubos melhora o rendimento dos colectores. Com a exceção de BH6, geralmente observa-se que a caida de pressão calculada é ligeiramente menor que os valores experimentais. Isto atribui-se ao facto de que os acessórios tais como cotovelos, curvaturas, a parte de fundo do colector, não se consideram no cálculo. Observa-se que os valores calculados para BH6 são maiores que os experimentais, o que mostra inesperadamente que a caida de pressão real no colector de um só tubo com estrutura superficial na sua superfície interna, na forma de indentações e/ou elevações de acordo com a presente invenção, é de facto menor. BH6 tem a menor caída de pressão de todos os colectores dos BHE, incluindo BH4 e BH5 que são colectores de tubo em U comuns com as mesmas dimensões. Isto é surpreendente. A análise da caída de pressão indica que BH6 é a melhor opção, já que a potência de bombeio requerida para o fluido de transferência de calor seria ligeiramente menor para este colector.

Claims (6)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Colector de um só tubo para uma instalação de bomba de calor, que compreende um tubo (12) destinado para a sua instalação num sistema de bomba de calor, tubo em que pode circular um liquido de transferência de calor num ciclo fechado para transportar o calor que se absorve de uma fonte de calor a uma bomba de calor e devolver o liquido de transferência de calor à fonte de calor, em que a superfície interna (14) do tubo (12) tem uma estrutura superficial irregular que compreende indentações e/ou elevações (16) que se estendem de maneira helicoidal na direção longitudinal (L) do tubo, estando adaptadas as indentações e/ou elevações para criar um fluxo turbulento de um fluido no tubo, caracterizado por a direção das indentações e/ou elevações (16) que se estendem de maneira helicoidal estar alterada pelo menos em alguma parte na direção longitudinal (L) do tubo.
2. 2. Colector de um só tubo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as indentações e/ou elevações (16) estarem distribuídas uniformemente ao redor da superfície circunferencial interna do tubo, visto numa secção transversal do tubo (12).
3. 3. Colector de um só tubo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por a direção das indentações e/ou elevações (16) que se estendem de maneira helicoidal estar alterada pelo menos a cada dois metros, na direção longitudinal (L) do tubo.
4. 4. Colector de um só tubo, de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por as indentações e/ou elevações (16) estarem dentro do intervalo de 0,2-5 mm, preferivelmente 0,2-2 mm.
5. 5. Colector de um só tubo, de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por o tubo ser um tubo continuo (12) com uma área de secção transversal que é essencialmente similar por toda a direção lonqitudinal (L) do tubo.
6. 6. Sistema de bomba de calor, caracterizado por compreender um colector de um só tubo de acordo com qualquer das reivindicações 1-5.