SI22504A - Netlačni sezonski vodni hranilnik toplote s sistemom za poudarjanje temperaturne slojenosti vode - Google Patents

Abstract

Netlačni vodni sezonski hranilnik toplote omogoča posredno izboljšanje izkoristka zajema solarneenergije, pretvorbe v toploto, predvsem pa neposredno izboljšanje izkoristka sezonskega hranjenja toplote. Izvedba po opisanem izumu vsebuje polne (4) ali polovične linearne lamelne strukture (5), ki so postavljene nad polnilnimi toplotnimi izmenjevalci (1) ali pod praznilnimi toplotnimi izmenjevalci (2), ki omogočajo usmerjeno in omejeno Rayleigh-Bernardovo konvekcijo (10). S tem je preprečeno horizontalno mešanje vode (6) in zagotovljeno vzbujanje maksimalno temperaturno slojene vode v hranilniku, s čimer se doseže do 30% boljše izkoristke dovajanja in odvajanja toplote iz hranilnika v primerjavi s katerikoli obstoječimi sistemi. Dodatno opisana izvedba hranilnika z upogljivo vodo nepropustno folijo (16) na enostaven način rešuje problem raztezanja vode pri spremembah temperature (17) in s tem izravnavo tlaka.

Description

NETLAČNI SEZONSKI VODNI HRANILNIK TOPLOTE S SISTEMOM ZA POUDARJANJE TEMPERATURNE SLOJENOSTI VODE

Predmet izuma:

Predmet izuma je netlačni sezonski hranilnik toplote, v katerem shranjujemo toploto z izkoriščanjem toplotne kapacititete vode. Opisani sezonski hranilnik toplote je predviden za hranjenje toplote, pridobljene iz solarnega sistema v toplejšem delu leta, do hladnejšega dela leta. Bistvo izuma je nova konfiguracija sezonskega hranilnika, kjer s sistemom za poudarjanje temperaturne slojenosti vode dosežemo do 30% boljše izkoristke dovajanja in odvajanja toplote iz hranilnika v primerjavi s katerikoli obstoječimi sistemi. Dodatno izum opisuje izvedbo hranilnika z upogljivo vodonepropustno folijo, s katero lahko na enostaven način rešuje problem raztezanja vode pri spremembah temperature in s tem izravnavo tlaka.

Definicija problema:

Tehnični problem, ki ga rešuje izum, je indirektno povečanje izkoristka zajema solarne energije, pretvorjene v toploto, ter direktno povečanje izkoristka shranjevanja in porabe toplote, namenjene za ogrevanja stavb in sanitarne vode. Tako lahko izum učinkovito prispeva k uporabi solarne energije za opisane namene.

Fizikalno ozadje problema:

Izkoristek dovajanja toplote v hranilnik ali odvajanja toplote iz hranilnika je odvisen od temperaturnega gradienta na mestu prestopa toplote in od sposobnosti pospeševanja toplotnih tokov znotraj hranilnika. Na mestu dovajanja oz. prestopa toplote v hranilnik je zato potrebno zagotavljati najnižje temperature hranilnika ter čimbolj efektivno prenesti toploto proti mestu odjema energije iz hranilnika, kjer se želi najvišje možne temperature. Slednje se lahko učinkovito reši le v tekočinskem hranilniku z izkoriščanjem pojava vzgona tople tekočine v hladni. Zato so dovodi toplote vedno

Obrazec SIPO P-1 spodaj, odvodi pa zgoraj.

Vendar pa prihaja zaradi nelinearnih pojavov t.i. Rayleigh-Bernardove konvekcije do močnega mešanja že pri sorazmerno kratkih vertikalnih prenosih (pri razdaljah nad 10 cm). Zato je treba Rayleigh-Bernardovo konvekcijo ustrezno omejiti, da se prepreči horizontalno mešanje pri vertikalnem prenosu toplote in zagotovi največjo možno temperaturno slojenost v realnih pogojih delovanja sezonskega toplotnega hranilnika. Dodatno lahko izkoristek hranilnika pada zaradi toplotnih izgub, ki so posledica različnih načinov uporabe ekspanzijskih sistemov.

Znane rešitve:

Znanih je nekaj izvedb sezonskega hranilnika, kjer se toploto shranjuje v toplotno kapaciteto vode. Najenostavnejša in najprimitivnejša rešitev je rešitev brez toplotnih izmenjevalcev, kjer ogret medij iz primarnege sistema, s katerim zajemamo solarno energijo in jo pretvarjamo v toploto, direktno vstopa v hranilnik. Zaradi toka tekočine, se vstopajoč topel medij praktično na 0.5 m nad vstpno točko zmeša s hladnim medijem hranilnika, kar ne omogoča vzpodbujanja temperaturne slojenosti. Take rešitve so zato lahko uporabne le v majhnih hranilnikih, ki služijo blaženju sunkov porabe. Takih rešitev n emoremo skalirati in so zato neprimerne za uporabo v sezonskih hranilnikih, ker bi bili izkoristki polnjenja in praznjenja premajhni. Poleg tega mora biti v tem primeru medij v hranilniku enak kot prenosni medij v (solarnem) sistemu zajema energije, kar pomeni uporabo velike količine dragega prenosnega medija s temperaturo zmrzišča pod 40“C.

Druga rešitev vključuje uporabo toplotnih izmenjevalcev. Ker ni direktnih masnih tokov, je lahko medij hranilnika drugačen od medija sistema zajema energije. Vendar pa problem horizontalnega mešanja zaradi pojava Rayleigh-Bernardove konvekcije ostaja. Taki hranilniki imajo enake težave kot prej omenjeni pri skaliranju na višiše večje od 0.5m in niso primerni za uporabo kot sezonski hranilniki.

Naslednja rešitev je uporaba toplotnih izmenjevalcev skupaj s sistemom za poudarjanje slojenosti na podlagi cevi s protipovratnimi ventili, ki pa je na dolgi rok problematična zaradi mehanskega delovanja potopljenih ventilov.

Zadnje rešitve vključujejo uporabo sistemov za poudarjanje slojenosti na podlagi vertikalnih struktur na osnovi luknjičastih cevi (pat. JP2279937, pat. DE10121842) ali odprtih lijakov cilindrične simetrije brez toplotnih izmenjevalcev (pat. EP0861985). Problema sta najprej velika količina prenosnega medija, ki je enak mediju v hranilniku,

Obrazec SIPO P-1 ter dovodni masni tok (ne tisti, ki je vzbujen zaradi Rayleigh-Bernardove konvekcije), ki neizogibno ruši temperaturno slojenost in ni primeren za sezonske hranilnike. Tudi če bi bil sistem uporabljen skupaj s toplotnimi izmenjevalci, je pri večjih hranilnikih cilindrična simetrija izvedenih rešitev neučinkovita, ker so neizogibne t.i. „mrtve cone” hranilnika, v katere toplote ne moremo dovajati ali dovajati na deset-minutnih časovnih skalah, ki so tipične za dejanske delovne pogoje sezonskega hranilnika. Tako je izkoristek takega hranilnika tudi do 50% manjši. Dodatno pri odprtih strukturah s cilindrično simetrijo prihaja do puščanja strukture, saj je ves vertikalen tok usmerjen v ozek vertikalno-odprt stržen. S tem se spet zmanjšuje izkoristek hranilnika.

Pri vseh znanih rešitvah ostaja nerešeno vprašanje izboljšanja izkoristka sezonskega hranilnika.

Opis rešitev problema po izumu:

Po izumu je problem rešen z linarnim lamelnim sistemom omejevanja RayleighBernardove konvekcije v kombinaciji s toplotnimi izmenjevalci v hranilniku, pritrjenimi na samostoječo nosilno strukturo, kot je razloženo spodaj in prikazano na naslednjih slikah:

Slika 1 - pogled na tipično strukturo sezonskega hranilnika v primeru dvojnega polnilnega toplotnega izmenjevalca (1), enojnega toplotnega izmenjevalca za napajanje ogrevanja in dvojnega izmenjevalca za ogrevanje sanitarne vode (2) s spremljajočimi lamelnimi strukturami (4) in (5) za omejevanje Rayleigh-Bernardove konvekcije

Slika 2 - shematičen prikaz razpiranja stržena toplega dvigajočega se toka nad cevjo toplotnega izmenjevalca pri neomejeni Rayleigh-Bernardovi konvekciji (6)

Slika 3 - stranski pogled na lamelno strukturo sistema za omejevanje RayleighBernardove konvekcije (4)

Slika 4 - prečni presek lamelne strukture sistema za omejevanje RayleighBernardove konvekcije (4) z označeno širino lamel (7), nagibom (8) in medsebojno razdaljo (9) ter shematski prikaz toka Rayleigh-Bernardove konvekcije v primeru močnega vzgona (10) in v primeru, ko postane vzgon zanemarljiv (11)

OhrAZPC SIPO P-1

Slika 5 - prečni presek polovične lamelne strukture sistema (5) za omejevanje Rayleigh-Bernardove konvekcije za izvedbo ob steni hranilnika

Slika 6 - vertikalna projekcija pritrdišč lamel iz folije na napenjalne vrvice za doseganje enakomerne napetosti

Slika 7 - izvedba netlačne izvedbe hranilnika z upogljivo folijo z uporabo gub

Opisani hranilnik vsebuje polnilne toplotne izmenjevalce (1), ki dovajajo toploto v hranilnik. Da ne bi prišlo do razpiranja stržena toplega dvigajočega se toka oz. do pojava t.i. Rayleigh-Bernardove konvekcije in t.i. Rayleigh-Bernardovih nestabilnostnih con (6), ki vzpodbudijo izrazito horizontalno mešanje toplega toka s hladnim okoliškim medijem, je po izumu nad polnilnim izmenjevalcem izvedena lamelna struktura (4), ki vsebuje dve zrcalno simetrični vertikalni seriji nagnjenih vzporednih lamel (3), ki fokusirajo topli tok Rayleigh-Bernardove konvekcije (10).

Analogno vsak praznilni toplotni izmenjevalec (2) odvaja toploto iz hranilnika tako, da jemlje toploto iz okoliškega medija in ga zato ohlaja. Spuščajoči se ohlajen medij je omejen z vgradnjo lamelne strukture, ki se od polnilne razlikuje samo po tem, da fokusira hladni tok navzdol.

Po izumu so omenjene lamelne strukture sestavljene po naslednjih pravilih:

1. Lamele so postavljene pod ostrim kotom (8) glede na predvideno smer toka Rayleigh-Bernardove konvekcije, torej med 0 in 90, tako da tok RayleighBernardove konvekcije, ki jih zadene, vedno usmerjajo proti zrcalni ravnini (10). Simetrija strukture je linearna in ne cilindrična, s katero se ne da doseči enakomerne gostote tokov po hranilniku (slika 1).

2. Širina lamel (7), njihov nagib (8) in njihova medsebojna razdalja (9) so usklajene tako, da je vertikalni tok Rayleigh-Bernardove konvekcije skozi strukturo zaprt pri dovolj velikem temperaturnem gradientu oz. ko je vzgon dovolj velik (10) in odprt, ko vzgona ni več. V tem primeru se tok usmeri med lamelami iz strukture (11). Lamele so narejene iz katerikoli toplotno slabo prevodnih materialov, kot npr. iz termopolimerov, ki so dimenzijsko stabilni do 100C, še posebej pa so primerni poliolefini.

3. Razdalja med lamelami (9) je manjša od tipične velikosti Rayleigh-Bernardove nestabilnostne cone (14), ki je v primeru uporabe vode in nekaj kW moči toplotnih izmenjevalcev največ 20 cm pri nagibu vsaj 45. Velja, da je pri manjših medsebojnih

Obrazec SIPO P-1 razdaljah lamel nagib lahko manjši. Če so moči manjše, je medsebojna razdalja ustrezno manjša.

4. Horizontalna projekcija postavljenih lamel (13) je vsaj za polovico večja od RayleighBernardove nestabilnostne cone.

Po izumu postavimo zgoraj opisane strukture v hranilnik po naslednjih pravilih:

5. Vsak hranilnik ima vsaj eno polnilno strukturo in vsaj eno praznilno strukturo. Polnilna struktura ima toplotni izmenjevalec spodaj in lamele usmerjajo topel tok Rayleigh-Bernardove konvekcije navznoter in navzgor. Praznilna struktura ima toplotni izmenjevalec zgoraj in lamele usmerjajo hladen tok Rayleigh-Bernardove konvekcije navznoter in navzdol.

6. V horizontalni smeri postavimo polnilne in praznilne strukture izmenično ter z linearno simetrijo.

7. Horizontalne razdalje med polnilnimi in praznilnimi strukturami so večje od velikosti Rayleigh-Bernardove nestabilnostne cone, vendar ne večje od 1m.

8. Za zagotavljanje večine toplotnih potreb stanovanjskega objekta, sta ponavadi potrebni vsaj dve različni praznilni strukturi in sicer za segrevanje ogrevalnega sistema in za segrevanje sanitarne vode.

9. Ker ogrevalni sistem v energijsko varčnih objektih dela z majhnimi močmi, vendar integralno gledano porabi veliko energije, postavimo ustrezno praznilno strukturo v sredino hranilnika.

10. Ker sistem za segrevanje sanitarne vode dela z veliko močjo v sunkih in porabi manj oz. največ približno enako količino energije kot ogrevalni sistem ter so zaradi tega snovni tokovi tudi bolj izraziti, postavimo ustrezno praznilno strukturo ob rob hranilnika, da zagotavimo najmanjši vpliv na slojenost vode in hkrati hladne Rayleigh-Bernardove konvekcijske tokove ob steni hranilnika izkoristimo za aktivno preprečevanje toplotnih izgub skozi steno hranilnika. Zato take praznilne strukture, nameščene ob steni, izvedemo v polovični izvedbi z eno samo vertikalno serijo lamel (5).

11. Med vse praznilne strukture moramo namestiti polnilne strukture po 6. pravilu in 7. pravilu, kar pomeni, da v zgoraj opisanem primeru z dvema polovičnima praznilnima strukturama ob stenah za ogrevanje sanitarne vode in praznilno strukturo v sredini za ogrevalni sistem namestimo dve polnilni strukturi na ustrezni razdalji, ki jo določa razmerje dinamike porabljanja in dovajanja energije v hranilnik.

Obrazen SIPO P-1

Po izumu postavimo zgoraj opisan sistem lamelnih struktur in toplotnih izmenjevalcev na samostoječo nosilno konstrukcijo po naslednjih pravilih:

12. Nosilna konstrukcija stoji v vodonepropustni vreči, ki zapira vodni hranilnik (16) in je narejena iz elastičnih, upogljivih in slabo toplotno prevodnih materialov, ki omogočajo izdelavo gub za netlačno izvedbo hranilnika, za kar je še posebej je primeren poliizobutilen. Spodaj je vreča položena na tanko plast toplotnega izolatorja, ob strani na vsaj 60 cm debelo steno iz dimenzijsko stabilnih kosov izolatorja, med katerimi mora biti nekje na sredini debeline izolatorja tudi sevalna zaščita v obliki električno prevodne folije, ki preprečuje izgube z infrardečim sevanjem. Zgoraj plava vreča na vodi oz. pri postavljanju konstrukcije na zgornjem delu konstrukcije, ki nosi praznilne izmenjevalce.

13. Nosilna konstrukcija je spodaj in zgoraj lahko narejena iz katerikoli materiala, v vertikalni smeri pa le iz toplotno slabo prevodnih materialov, da se ne podira temepraturna slojenost vode. Primerni so npr. termopolimeri, ki so dimenzijsko stabilni v vodi s temperaturo do 100“C, še posebej nylon.

14. Na nosilno konstrukcijo so spodaj pritrjeni polnilni linearni toplotni izmenjevalci. Nad njimi so polnilne strukture s sistemom omejevanja Rayleigh-Bernardove konvekcije kot je opisano v pravilih od 1 do 11.

15. Na nosilno konstrukcijo so zgoraj pritrjeni praznilni linearni toplotni izmenjevalci. Pod njimi so polnilne strukture s sistemom omejevanja Rayleigh-Bernardove konvekcije kot je opisano v pravilih od 1 do 11.

16. Lamele polnilnih in praznilnih struktur za omejevanje Rayleigh-Bernardove konvekcije so nameščene na toplotno slabo prevodnih trakovih ali vrvicah stabilnih do 100“C, npr. iz temopolimerov, kot so poliamidi ali teflon. Lamele so lahko iz tolotno slabo prevodnih plošč ali iz folije. Pri uporabi slednjih se enakomerno napetost lamel in s tem ravna oblika doseže z vsiljeno obliko vrvice v obliki verižnice (16). Projekcije točk - pritrdišč lamel opisujejo verižnico v vertikalni ravnini (zrcalni ravnini celotne strukture).

Claims (6)

1. PATENTNI ZAHTEVKI

   1. Netlačni sezonski vodni hranilnik toplote s sistemom za poudarjanje temperaturne slojenosti vode označen s tem, da je nad polnilnim toplotnim izmenjevalcem (1) v toplotnem hranilniku linearni lamelni sistem omejevanja Rayleigh-Bernardove konvekcije (4, 5) v obliki sistema lamel (3), ki fokusirajo topli tok Rayleigh-Bernardove konvekcije navznoter in navzgor (10) in da je analogno pod praznilnim toplotnim izmenjevalcem (2) v toplotnem hranilniku lamelni linami sistem omejevanja Rayleigh-Bernardove konvekcije v obliki sistema lamel, ki fokusirajo hladni tok Rayleigh-Bernardove konvekcije navznoter in navzdol.
2. 2. Sistem iz zahtevka 1 označen s tem, da so lamele (3) sistema za omejevanje Rayleigh-Bernardove konvekcije postavljene pod ostrim kotom (7) glede na predvideno smer toka Rayleigh-Bernardove konvekcije, torej med 0 in 90“ tako da tok Rayleigh-Bernardove konvekcije, ki jih zadene, vedno usmerjajo proti zrcalni ravnini (4) in da se lamele, gledano od strani vsaj minimalno prekrivajo (12).
3. 3. Sistem iz zahtevkov 1 in 2 označen s tem, da so lamele postavljene linearno v horizontalni smeri vzporedno s toplotnim izmenjevalcem (1) ali (2), nad ali pod katerimi so nameščene, in da so lamele pri polnem lamelnem sistemu postavljene v dveh zrcalno simetričnih skupinah z zrcalno simetrijo čez ravnino med obema skupinama (4).
4. 4. Sistem iz zahtevkov 1, 2, in 3 označen s tem, da v primeru postavitve strukture ob steno hranilnika lamele tvorijo le eno skupino vzporednih lamel, torej polovično lamelno strukturo (5).
5. 5. Sistem iz zahtevkov od 1 do 4 označen s tem,

   Ohrazpn SIPD P-1 da v primeru izvedbe lamel iz folije predstavljajo projekcije pritrdišč lamel na zrcalno vertikalno ravnino strukture za omejevanje Rayleigh-Bernardove konvekcije obliko verižnice (15).
6. 6. Sistem iz zahtevkov od 1 do 5 označen s tem, da je lahko postavljen v vodoneprepustno upogljivo vrečo hranilnika, ki omogoča netlačno izvedbo zaradi uporabe gub (16) upogljive vreče, kljub raztezanju vode zaradi segrevanja (17).