PL216646B1 - Absorpcyjna rura próżniowa z gorącą rurką, wymiennik ciepła typu suchego oraz kolektor słoneczny z tym wymiennikiem ciepła i tymi absorpcyjnymi rurami próżniowymi - Google Patents

Description

Wynalazek dotyczy absorpcyjnej rury próżniowej z gorącą rurką, wymiennika ciepła typu suchego oraz kolektora słonecznego z tym wymiennikiem ciepła i tymi absorpcyjnymi rurami próżniowymi. W kolektorze słonecznym z gorącą rurką (znaną również w polskiej literaturze pod nazwami: rurka ciepła, ciepłowód, heat pipe, hot pipe) można wyróżnić dwie części: część absorpcyjną (rury próżniowe z napylonym absorberem i umieszczoną wewnątrz gorącą rurką) i wymiennik ciepła. W części absorpcyjnej następuje wychwytywanie ciepła słonecznego przez warstwę absorpcyjną i odbieranie go przez gorącą rurkę, z której ciepło odbierane jest przez płyn solarny za pośrednictwem kondensatora w wymienniku ciepła.

Absorpcyjne rury próżniowe omawianego typu stanowią podwójne przezroczyste rury próżniowe, w których pomiędzy ściankami występuje próżnia, podobnie jak w naczyniu Dewara (termosie). Stanowi ona izolację cieplną dla gorących rurek umieszczonych w rurze wewnętrznej. Zewnętrzna rura styka się z powietrzem zewnętrznym jest przezroczysta, zaś wewnętrzną pokrywa warstwa absorbera. Wewnątrz absorpcyjnej rury próżniowej znajduje się gorąca rurka nagrzewana przez promieniowanie absorbera. Gorąca rurka wypełniona jest cieczą parującą już w niskich temperaturach (np. alkohol). Absorber przekazuje ciepło uzyskane z promieni słonecznych i gorąca rurka się ogrzewa, a zawarta w niej ciecz odparowuje. Para unosi się konwekcyjnie do usytuowanej wyżej końcówki rury (kondensatora, skraplacza) umiejscowionej w kanale zbiorczym będącym wymiennikiem ciepła. Para skraplając się w kondensatorze ogrzewa go do znacznej temperatury i oddaje swoje ciepło w wymienniku ciepła nośnikowi ciepła obiegu solarnego (płynowi solarnemu), zostaje przy tym z powrotem skroplona. Kondensat spływa, jako ciekłe medium po ściance wewnętrznej gorącej rurki, na dół i proces rozpoczyna się od nowa.

Przekazywanie ciepła z kondensatora do płynu solarnego może odbywać się w sposób bezpośredni lub pośredni tzn. kondensator może być bezpośrednio umoczony w płynie solarnym (tzw. rozwiązanie mokre - wet tipe) albo też kondensator może być umieszczony w rurce (króćcu), która pośredniczy w przenoszeniu ciepła z kondensatora do płynu solarnego sama kontaktując się bezpośrednio z płynem solarnym (tzw. rozwiązanie suche - dry type). Jak opisano na przykład w publikacji „Chemia Czasopismo Techniczne” - „Technical Translations Chemistry” Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej 1-Ch/2009 Zeszyt 4 Rok 106 - „Analiza Sprawności Kolektorów Słonecznych Różnych Typów” wymiennik wyposażony jest w króćce umożliwiające wsunięcie kondensatorów. Wymienniki ciepła przyjmują ciepło z kilku (kilkunastu) kondensatorów, które za pomocą króćców są wprowadzane do wnętrza wymiennika, gdzie znajduje się płyn solarny. Wymiana ciepła odbywa się przez kontakt kondensatorów z króćcami wymiennika na zasadzie przewodzenia. Dla zapewnienia dobrego trwałego kontaktu, na styku obu elementów naniesiona jest cienka warstwa pasty przewodzącej ciepło.

Chińskie zgłoszenie patentowe CN 101566393 (A) z 2009 r. ujawnia pionowo usytuowaną komorę, w której odbywa się odbiór ciepła z pojedynczego kondensatora. Komora jest osłonięta przez izolowaną próżnią osłonę celem zachowania ciepła. Wymiennik ciepła kolektora słonecznego tworzą połączone ze sobą komory.

Kolektor słoneczny zawiera zwykle szereg (np. kilkanaście) absorpcyjnych rur próżniowych, a w jednej absorpcyjnej rurze próżniowej znajduje się jedna gorąca rurka.

Celem niniejszego wynalazku jest poprawienie wydajności energetycznej kolektora słonecznego z rurami próżniowymi.

Według wynalazku absorpcyjna rura próżniowa z gorącą rurką zawiera więcej niż jedną gorącą rurkę, a maksymalnie dziesięć gorących rurek, korzystnie od dwóch do sześciu. Korzystnie gorące rurki poszczególnej absorpcyjnej rury próżniowej umieszczone są w równych odległościach względem siebie. W innym wykonaniu wynalazku w różnych odległościach względem siebie.

Korzystnie jest, gdy gorące rurki poszczególnej absorpcyjnej rury próżniowej dotykają jej warstwy absorpcyjnej. W innym wykonaniu wynalazku, co najmniej jedna gorąca rurka poszczególnej absorpcyjnej rury próżniowej nie dotyka jej warstwy absorpcyjnej.

Według wynalazku wymiennik ciepła typu suchego, kolektora słonecznego z absorpcyjnymi rurami próżniowymi z gorącą rurką, przy czym kondensatory gorących rurek umieszczone są w wymienniku ciepła za pośrednictwem zaślepionych króćców charakteryzuje się tym, że zaślepione króćce usytuowane są w ścianie wymiennika ciepła w grupach tworząc zespoły króćcowe, przy czym poszczególny zespół króćcowy zawiera od dwóch do maksymalnie dziesięciu zaślepionych króćców, korzystnie od dwóch do sześciu.

PL 216 646 B1

Zaślepione króćce w poszczególnym zespole króćcowym usytuowane są korzystnie na obwodzie koła, którego środek leży na osi absorpcyjnej rury próżniowej odpowiadającej temu zespołowi króćcowemu.

Korzystniej jest, gdy w poszczególnym zespole króćcowym, pierwsza część zaślepionych króćców usytuowanych jest na obwodzie koła, którego środek leży na osi absorpcyjnej rury próżniowej odpowiadającej temu zespołowi króćcowemu, a pozostała część zaślepionych króćców usytuowana jest wewnątrz koła zakreślanego przez pierwszą część zaślepionych króćców.

Odległość pomiędzy sąsiednimi króćcami jednego zespołu króćcowego jest korzystnie mniejsza niż odległość pomiędzy sąsiednimi króćcami należącymi do różnych zespołów króćcowych.

Na zaślepionych krócicach korzystnie umieszczone są radiatory.

W korzystnym wykonaniu wynalazku wymiennik ciepła składa się z oddzielnych modułów. W szczególności wymiennik ciepła składa się z modułów środkowych oraz z modułu skrajnego wlotowego i modułu skrajnego wylotowego. Poszczególny moduł środkowy zawiera zaślepione króćce korzystnie jednego zespołu króćcowego.

W innym rozwiązaniu modułowego wymiennika ciepła moduł środkowy zawiera zaślepione króćce kilku zespołów króćcowych, korzystnie nie więcej niż pięciu.

Według wynalazku kolektor słoneczny z wymiennikiem ciepła typu suchego, absorpcyjnymi rurami próżniowymi z gorącą rurką, przy czym kondensatory gorących rurek umieszczone są w wymienniku ciepła za pośrednictwem zaślepionych króćców charakteryzuje się tym, że zaślepione króćce usytuowane są w ścianie wymiennika ciepła w grupach tworząc zespoły króćcowe, przy czym poszczególny zespół króćcowy zawiera od dwóch do maksymalnie dziesięciu zaślepionych króćców, korzystnie od dwóch do sześciu, w których umieszczone są kondensatory gorących rurek znajdujących się w jednej absorpcyjnej rurze próżniowej.

Do absorpcyjnej rury próżniowej z większą ilością gorących rurek szczególnie dobrze nadaje się wymiennik ciepła o przekroju prostokątnym.

Możliwe są również inne kształty na przykład w przekroju okrągłe. W takim przypadku przez ścianę dolną lub górną rozumie się wzdłużną część dolną lub górną wymiennika ciepła.

W stanie techniki gorąca rurka w absorpcyjnej rurze próżniowej zwykle dotyka do powierzchni absorbera. W rozwiązaniu według wynalazku gorące rurki również na ogół dotykają do absorbera. Jednak możliwe jest również umieszczenie dodatkowych gorących rurek w środku absorpcyjnej rury próżniowej, które nie są oparte o wewnętrzną jej powierzchnię. Takie gorące rurki w środku absorpcyjnej rury próżniowej grzałyby się słabiej, ale do pewnego stopnia dodatkowo powiększałyby jej wydajność.

Ze względu na specyfikę suchego typu wymiennika ciepła nie jest konieczne, aby w każdym zaślepionym króćcu kondensator gorącej rurki był zawsze obecny. Liczba zaślepionych króćców jest równa przewidywanej maksymalnej ilości kondensatorów gorących rurek w kolektorze. Usunięcie pojedynczych gorących rurek albo całych absorpcyjnych rur próżniowych z zestawu kolektora obniży jego wydajność cieplną, co jednak może być czasowo celowe.

Zwykle ilość gorących rurek w jednej absorpcyjnej rurze próżniowej nie będzie przekraczała sześciu, można jednak zastosować większą ilość przykładowo dziesięć rurek, co wymaga jednak większej średnicy rury próżniowej.

Dzięki rozwiązaniu według wynalazku zwiększono wykorzystanie ciepła absorbowanego przez absorber rozpylony na ściankach absorpcyjnych rur próżniowych, bowiem badania wykazały, że przy stosowaniu jednej gorącej rurki w absorpcyjnej rurze próżniowej wykorzystuje się zaledwie niewielki procent ciepła oddawanego z powierzchni absorpcyjnej.

Zastosowanie kilku gorących rurek w poszczególnej absorpcyjnej rurze próżniowej pozwala na uzyskanie kilkakrotnie większej wydajności kolektora ciepła przy niezmienionych jego rozmiarach, na przykład zastosowanie czterech gorących rurek podnosi tę wydajność prawie cztery razy.

Wymiennik ciepła, który jest konstrukcją wykonaną albo z jednego kawałka materiału, albo ze wzdłużnych profili będzie w dalszej części opisu nazwany jednolitym wymiennikiem ciepła. Wymiennik ciepła może też mieć strukturę modułową. Dzięki konstrukcji modułowej możliwa jest łatwa produkcja kolektorów o różnej wielkości - łatwo jest dostosować ilość absorpcyjnych rur próżniowych w kolektorze do życzeń klientów.

Jak wspomniano wyżej, według korzystnej wersji wynalazku zastosowano radiatory na zaślepionych króćcach, co zwiększa powierzchnię odprowadzania ciepła i przyspiesza ten proces.

PL 216 646 B1

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia przekrój kolektora z jedną absorpcyjną rurą próżniową zamontowaną do jednolitego wymiennika ciepła oraz przekrój poprzeczny tego wymiennika ciepła.

Fig. 2 przedstawia widok ścianki dolnej wymiennika ciepła z fig. 1.

Fig. 3 przedstawia przekrój podłużny wymiennika ciepła składającego się z modułów.

Pokazany w przekroju na fig. 1 jednolity wymiennik ciepła 1 wypełniony jest płynem solarnym 9, a dołączona, dla przejrzystości tylko jedna absorpcyjna rura próżniowa 2 zawiera cztery gorące rurki 3, których kondensatory 4 umieszczone są w zaślepionych króćcach 5. Z uwagi na odległość pomiędzy gorącymi rurkami jednej absorpcyjnej rury próżniowej 2, zaślepione króćce 5 usytuowane są blisko siebie tworząc zespół króćcowy składający się z czterech zaślepionych króćców 5, co unaocznia również przekrój poprzeczny wymiennika ciepła 1 w płaszczyźnie A-A oraz widok dolnej ścianki tego wymiennika ciepła pokazany na fig. 2. Grubość ścianek zaślepionych króćców 5 oraz innych rurek i króćców, a także grubość ścianek absorpcyjnej rury próżniowej nie została na rysunku uwzględniona. Kondensatory 4 i gorące rurki 3 pokazane są poglądowo. W rzeczywistości kondensator wypełnia wnętrze zaślepionego króćca 5, a w omawianym wykonaniu wynalazku wszystkie gorące rurki 3 przylegają do wewnętrznej ścianki absorpcyjnej rury próżniowej 2.

Długość wymiennika określona jest ilością zespołów króćcowych, a więc absorpcyjnych rur próżniowych 2 w danym zestawie kolektora, co z kolei determinowane jest wymaganą wydajnością tego kolektora, przy uwzględnieniu czynników klimatycznych. W przykładzie przedstawionym na fig. 1 pokazano pięć zespołów króćcowych, czyli przewidziano pięć absorpcyjnych rur próżniowych 2. W jednym zestawie kolektora może być od jednej do dwudziestu absorpcyjnych rur próżniowych.

W omawianym przykładzie wlot 6 i wylot 7 płynu solarnego 9 oraz zaślepione króćce pomiarowe 8 temperatury umieszczone są w ściankach bocznych wymiennika ciepła 1. Możliwe jest również inne ich usytuowanie, przykładowo w ściance dolnej.

Każdy zaślepiony króciec 5 jest przystosowany do przyjęcia jednego kondensatora 4 gorącej rurki 3, a wszystkie gorące rurki 3, których kondensatory umieszczone są w zaślepionych króćcach 5 danego zespołu króćcowego znajdują się w jednej absorpcyjnej rurze próżniowej 2. Zaślepione króćce 5 wykonane są z materiału dobrze przewodzącego ciepło na przykład z miedzi. Natomiast wymiennik ciepła może być wykonany z materiału przewodzącego ciepło i izolowany albo też z materiału nieprzewodzącego ciepła na przykład z tworzywa sztucznego.

Fig. 3 przedstawia przekrój podłużny wymiennika ciepła 1 składającego się z modułów, przy czym moduły skrajny wlotowy 11, skrajny wylotowy 12 oraz moduł środkowy 10 różnią się konstrukcją. W wersji przedstawionej na fig. 3, w module skrajnym wlotowym 11 zamocowana jest rura wlotu 6 płynu solarnego 9 i zaślepiony króciec pomiarowy 8 temperatury, zaś w module skrajnym wylotowym 12 zamocowana jest rura wylotu 7 płynu solarnego 9 i zaślepiony króciec pomiarowy 8 temperatury. W omawianym przykładzie wykonania jeden moduł środkowy 10 wymiennika ciepła posiada jeden zespół króćcowy, czyli współpracuje z jedną absorpcyjną rurą próżniową 2. Poszczególny moduł środkowy 10 może w innym wykonaniu zawierać kilka zespołów króćcowych, czyli współpracować z kilkoma absorpcyjnymi rurami próżniowymi 2.

Na zaślepionych króćcach 5 można zamontować radiatory (nie pokazane). Mogą one być w kształcie żeber okrągłych lub o innym kształcie, umieszczonych na zaślepionym króćcu prostopadle do jego osi, w pewnej odległości od siebie. Mogą też być wykonane z jednego paska blachy oplatającego spiralnie zaślepiony króciec

Claims (15)

1. Absorpcyjna rura próżniowa z gorącą rurką, której kondensator jest umieszczony w zaślepionym króćcu wymiennika ciepła typu suchego, kolektora słonecznego, znamienna tym, że zawiera więcej niż jedną gorącą rurkę (3), a maksymalnie dziesięć gorących rurek (3), korzystnie od dwóch do sześciu.

2. Absorpcyjna rura próżniowa według zastrz. 1, znamienna tym, że gorące rurki (3) poszczególnej absorpcyjnej rury próżniowej (2) umieszczone są w równych odległościach względem siebie.

3. Absorpcyjna rura próżniowa według zastrz. 1, znamienna tym, że gorące rurki (3) poszczególnej absorpcyjnej rury próżniowej (2) umieszczone są w różnych odległościach względem siebie.

PL 216 646 B1

4. Absorpcyjna rura próżniowa według zastrz. 1, albo 2, albo 3, znamienna tym, że gorące rurki (3) poszczególnej absorpcyjnej rury próżniowej (2) dotykają jej warstwy absorpcyjnej.

5. Absorpcyjna rura próżniowa według zastrz. 1, albo 2, albo 3, znamienna tym, że co najmniej jedna gorąca rurka (3) poszczególnej absorpcyjnej rury próżniowej (2) nie dotyka jej warstwy absorpcyjnej.

6. Wymiennik ciepła typu suchego, kolektora słonecznego z absorpcyjnymi rurami próżniowymi z gorącą rurką, przy czym kondensatory gorących rurek umieszczone są w wymienniku ciepła za pośrednictwem zaślepionych króćców, znamienny tym, że zaślepione króćce (5) usytuowane są w ścianie wymiennika ciepła w grupach, tworząc zespoły króćcowe, przy czym poszczególny zespół króćcowy zawiera korzystnie od dwóch do maksymalnie dziesięciu zaślepionych króćców (5), korzystnie od dwóch do sześciu.

7. Wymiennik ciepła według zastrz. 6, znamienny tym, że zaślepione króćce (5) w poszczególnym zespole króćcowym usytuowane są na obwodzie koła, którego środek leży na osi absorpcyjnej rury próżniowej (2) odpowiadającej temu zespołowi króćcowemu (5).

8. Wymiennik ciepła według zastrz. 6, znamienny tym, że w poszczególnym zespole króćcowym, pierwsza część zaślepionych króćców (5) usytuowanych jest na obwodzie koła, którego środek leży na osi absorpcyjnej rury próżniowej (2) odpowiadającej temu zespołowi króćcowemu (5), a pozostała część zaślepionych króćców (5) usytuowana jest wewnątrz koła zakreślanego przez pierwszą część zaślepionych króćców (5).

9. Wymiennik ciepła według zastrz. 6, znamienny tym, że odległość pomiędzy sąsiednimi króćcami (5) jednego zespołu króćcowego jest mniejsza niż odległość pomiędzy sąsiednimi króćcami (5) należącymi do różnych zespołów króćcowych.

10. Wymiennik ciepła według zastrz. 6, znamienny tym, że na zaślepionych krócicach umieszczone są radiatory.

11. Wymiennik ciepła według zastrz. 6, znamienny tym, że wymiennik ciepła (1) składa się z oddzielnych modułów.

12. Wymiennik ciepła według zastrz. 11, znamienny tym, że wymiennik ciepła (1) składa się z modułów środkowych (10) oraz z modułu skrajnego wlotowego (11) i modułu skrajnego wylotowego (12).

13. Wymiennik ciepła według zastrz. 12, znamienny tym, że poszczególny moduł środkowy (10) zawiera zaślepione króćce (5) jednego zespołu króćcowego.

14. Wymiennik ciepła według zastrz. 12, znamienny tym, że poszczególny moduł środkowy (10) zawiera zaślepione króćce (5) kilku zespołów króćcowych, korzystnie nie więcej niż pięciu.

15. Kolektor słoneczny z wymiennikiem ciepła typu suchego, absorpcyjnymi rurami próżniowymi z gorącą rurką, przy czym kondensatory gorących rurek umieszczone są w wymienniku ciepła za pośrednictwem zaślepionych króćców, znamienny tym, że zaślepione króćce (5) usytuowane są w ścianie wymiennika ciepła (1) w grupach tworząc zespoły króćcowe, przy czym poszczególny zespół króćcowy zawiera od dwóch do maksymalnie dziesięciu, korzystnie od dwóch do sześciu, zaślepionych króćców (5), w których umieszczone są kondensatory (4) gorących rurek (3) znajdujących się w jednej absorpcyjnej rurze próżniowej (2).