PL230708B1 - Zasobnik warstwowy cieczy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zasobnik warstwowy cieczy, przydatny w szczególności w instalacjach pozyskiwania ciepła słonecznego z powierzchni dachowych.

Z WO02/39028A1 znany jest warstwowy zasobnik cieczy, który przeznaczony jest do magazynowania cieczy roboczej o różnych temperaturach. Zasobnik zawiera wewnętrzny przewód rozprowadzający, w którym na różnej wysokości wykonane są otwory przeznaczone do przemieszczania się cieczy z przewodu do przestrzeni magazynowej zasobnika. Ciecz jest przechowywana warstwami o różnych temperaturach, ze względu na różną gęstość w różnej temperaturze. Wewnątrz przewodu rozprowadzającego znajduje się element dławiący o kształcie szpuli, zawierający pierwszą część stożkowo zwężającą się ku górze i drugą część stożkowo zwężającą się ku dołowi. Pomiędzy tymi częściami korpus elementu dławiącego w kształcie szpuli w części środkowej ma swój największy wymiar przekroju poprzecznego. Element dławiący przeznaczony jest do zmniejszenia prędkości liniowej cieczy wpływającej przez króciec wlotowy zbiornika do przewodu rozprowadzającego.

Długość elementu dławiącego według WO02/39028A1 powoduje, że rozwiązanie to może być wykorzystane tylko do niewielkich instalacji, zasilanych kilkoma lub kilkunastoma kolektorami słonecznymi o mocy cieplnej do kilkunastu kW, wyposażonych w warstwowe zasobniki o niewielkich średnicach przewodów rozprowadzających ciecz, maksymalnie do 50 mm. W przypadku dużych instalacji, w których średnica przewodów rozprowadzających ciecz w zasobniku warstwowym może wynosić powyżej 100 mm, rozwiązanie opisane w W O02/39028A1 nie znajduje zastosowania, ponieważ długość elementu dławiącego w postaci szpuli wynosiłaby wtedy ponad 500 mm i uniemożliwiałaby warstwowy załadunek cieczy na tym odcinku w górnej części zbiornika.

Celem wynalazku jest opracowanie rozwiązania zasobnika warstwowego cieczy w instalacjach do pozyskania ciepła słonecznego z bardzo dużych powierzchni, o dużej mocy cieplnej, zależnie od natężenia promieniowania słonecznego do kilkudziesięciu kW, oraz znacznej liniowej prędkości przepływu cieczy w przewodach obiegu hydraulicznego, dochodzącej do kilku m/s. Aby umożliwić warstwowe załadowanie zbiornika przy takich prędkościach cieczy roboczej konieczne jest nawet kilkudziesięciokrotne spowolnienie prędkości liniowej przepływu pomiędzy króćcem wlotowym a przewodem rozprowadzającym, którego średnica może przekraczać 100 mm. Warunku tego nie zapewniają rozwiązania zasobników warstwowych cieczy znane ze stanu techniki. Bez skutecznego rozproszenia i spowolnienia prędkości liniowej cieczy następować będzie burzliwe mieszanie cieczy na znacznym odcinku, ze skutkiem uśrednienia temperatury cieczy wlotowej oraz obecnej w zasobniku i brakiem możliwości warstwowego załadunku ze względu na panujące turbulencje cieczy.

Wynalazek dotyczy warstwowego zasobnika cieczy, zawierającego pionowy przewód rozprowadzający ciecz z otworami wylotowymi rozmieszczonymi na jego wysokości, przy czym od góry przewód rozprowadzający połączony jest z króćcem wlotowym cieczy pochodzącej ze źródła ciepła. Średnica króćca wlotowego jest mniejsza od średnicy przewodu rozprowadzającego, a pomiędzy króćcem wlotowym a przewodem rozprowadzającym znajduje się element rozpraszający strumień cieczy. Istota wynalazku polega na tym, że zawiera dodatkowy element wstępnego rozproszenia strumienia cieczy usytuowany pomiędzy króćcem wlotowym a elementem rozpraszającym, stanowiący zawór zwrotny. Element rozpraszający ma postać zespołu współśrodkowych pierścieni, przy czym sąsiadujące ze sobą pierścienie tworzą kanały o przekroju zwiększającym się w kierunku dna zasobnika, a ich wzajemna pozycja ustalana jest elementami dystansowymi.

Strumień wlotowy cieczy jest rozpraszany i spowalniany dwukrotnie - wstępne rozpraszanie następuje na dodatkowym elemencie jakim jest element wstępnego rozproszenia, a zasadnicze na zespole pierścieni, pomiędzy którymi utworzone są kanały o zwiększającym się przekroju. Ponadto element wstępnego rozproszenia pełni funkcję zaworu zwrotnego. Po ustaniu przepływu wymuszonego w obiegu pojawia się bowiem przepływ grawitacyjny o przeciwnym kierunku, powodujący rozładowanie ciepła na powierzchni dachu oraz innych elementach obwodu hydraulicznego. Ze względu na straty ciepła na elementach obwodu hydraulicznego najlepiej umieścić taki zawór już na początku tego obwodu, czyli w zasobniku załadunku ciepła. Taka konstrukcja skutecznie - kilkudziesięciokrotnie zmniejsza prędkość liniową przepływu, a ponadto umożliwia ograniczenie długości zespołu elementów rozpraszających, zasadniczo nieprzekraczającej 150 mm.

W celu skuteczniejszego rozproszenia strumienia cieczy boczne ściany pierścieni tworzą kanał o kącie rozwarcia z zakresu od 5° do 30°.

PL 230 708 B1

Ponadto korzystny wpływ na stopień rozproszenia mają wypukłe górne powierzchnie współśrodkowych pierścieni.

Korzystnie zasobnik zawiera konstrukcję wsporczą mocującą pierścienie wewnątrz przewodu rozprowadzającego.

Elementy dystansowe mogą mieć postać żeber, wystających ponad górne krawędzi pierścieni i mocowanych do wewnętrznej ścianki przewodu rozprowadzającego, przez co nie ma potrzeby stosowania dodatkowej konstrukcji wsporczej.

W takim wykonaniu zasadnym jest, gdy w żebrach wykonane jest wybranie tworzące kieszeń na element wstępnego rozproszenia, przez co determinuje się jego pozycję wewnątrz przewodu rozpraszającego.

W najprostszej postaci element wstępnego rozproszenia ma postać kuli. W innym wykonaniu element wstępnego rozproszenia ma postać grzybka osadzonego od strony elementu rozpraszającego na mocującej szpilce i rozpieranego elementem sprężystym.

Wynalazek został bliżej przedstawiony w poniższych przykładach wykonania i na załączonym rysunku, na którym fig. 1 ilustruje schematycznie zasobnik warstwowy cieczy w przekroju wzdłużnym, fig. 2 - schematyczny przekrój wzdłużny przez przejście króćca wlotowego w przewód rozprowadzający z widocznym elementem rozpraszającym w pierwszym przykładzie wykonania, fig. 3 - element rozpraszający z fig. 2 w schematycznym widoku perspektywicznym, fig. 4 - schematyczny przekrój wzdłużny przez przejście króćca wlotowego w przewód rozprowadzający z widocznym elementem rozpraszającym w innym przykładzie wykonania, fig. 5 - element rozpraszający z fig. 4 w schematycznym widoku perspektywicznym, zaś fig. 6 - schematyczny przekrój wzdłużny przez przejście króćca wlotowego w przewód rozprowadzający z widocznym elementem rozpraszającym w kolejnym przykładzie wykonania.

Fig. 1 przedstawia schematycznie zasobnik warstwowy 1 cieczy, zawierający usytuowany od góry króciec wlotowy 2 cieczy pochodzącej ze źródła ciepła oraz połączony z nim pionowy przewód rozprowadzający 3 ciecz posiadający otwory wylotowe 4 rozmieszczone na jego wysokości. Średnica króćca wlotowego 2 jest mniejsza od średnicy przewodu rozprowadzającego 3, a pomiędzy króćcem wlotowym 2 a przewodem rozprowadzającym 3 znajduje się element rozpraszający 5 strumień cieczy oraz element wstępnego rozproszenia 6 strumienia cieczy. Element wstępnego rozproszenia 6 znajduje się pomiędzy króćcem wlotowym 2 a elementem rozpraszającym 5. Oczywistym jest, że zasobnik warstwowy 1 włączony w układ zamknięty cieczy roboczej instalacji pozyskiwania ciepła słonecznego wyposażony jest również w króciec wylotowy, niewidoczny na fig. 1. Element wstępnego rozproszenia 6 stanowi jednocześnie zawór zwrotny, zamykający przepływ z króćca wlotowego 2 do przewodu rozprowadzającego 3 w przypadku braku przepływu cieczy w instalacji.

Na fig. 2 uwidoczniono schematycznie element rozpraszający 5 strumień cieczy oraz element wstępnego rozproszenia 6 strumienia cieczy w przekroju wzdłużnym. Element rozpraszający 5 ma postać zespołu współśrodkowych pierścieni 5A. W tym przykładzie wykonania zastosowano pięć współśrodkowych pierścieni oraz umieszczony wewnątrz najmniejszego pierścienia centralny wspornik. Możliwe są jednak wykonania bez centralnego wspornika. Górne powierzchnie współśrodkowych pierścieni 5A są wypukłe, najkorzystniej zaokrąglone. Boczne ściany pierścieni 5A tworzą kanały 5B o przekroju zwiększającym się w kierunku dna zasobnika warstwowego 1, o kącie rozwarcia a z zakresu od 5° do 30°. W szczególności kąt rozwarcia a wynosi 10°. Wzajemna pozycja pierścieni 5A ustalana jest elementami dystansowymi, w szczególności w tym przykładzie wykonania mają one postać żeber 5C wystających ponad górne krawędzi pierścieni 5A i mocowanych do wewnętrznej ścianki przewodu rozprowadzającego 3. W żebrach 5C wykonane jest wybranie 8 tworzące kieszeń na element wstępnego rozproszenia 6 strumienia cieczy, który w tym wykonaniu ma postać kuli 6A. Może to być pływająca, kauczukowa kula, pełniąca funkcję zaworu zwrotnego w przypadku braku przepływu, zamykającego obieg hydrauliczny. Fig. 3 przedstawia element rozpraszający 5 strumień cieczy w widoku perspektywicznym, z widocznymi pierścieniami 5A, umieszczonymi pomiędzy nimi kanałami 5B, łączącymi pierścienie 5A żebrami 5C oraz utworzonym w nich wybraniem 8 na element wstępnego rozproszenia strumienia cieczy.

W innym wykonaniu, przedstawionym na fig. 4 i fig. 5, konfiguracja pierścieni 5A z utworzonymi pomiędzy nimi kanałami 5B oraz łączących je żeber 5C jest podobna. Różnice pomiędzy tym wykonaniem a wykonaniem przedstawionym na fig. 2 i fig. 3 polegają na tym, że element wstępnego rozproszenia 6 strumienia cieczy ma postać grzybka 6B osadzonego od strony elementu rozpraszającego 5 na mocującej szpilce 6C we wsporniku centralnym 6E i rozpieranego elementem sprężystym 6D. W tym

PL 230 708 B1 wykonaniu mocowanie elementu rozpraszającego 5 do wewnętrznej ścianki przewodu rozprowadzającego 3 również odbywa się przy pomocy żeber 5C, wystających ponad górne krawędzie pierścieni 5A.

W kolejnym wykonaniu przedstawionym schematycznie na fig. 6 mocowanie elementu rozpraszającego 5 wewnątrz przewodu rozprowadzającego 3 realizowane jest z wykorzystaniem dodatkowej konstrukcji wsporczej 7, w szczególności w postaci występu lub występów na wewnętrznej ściance przewodu rozprowadzającego 3.

W odniesieniu do powyższych przykładów wykonania, zasobnik warstwowy 1 ma pojemność V>3 m³, przykładowo V=5 m³ i przeznaczony jest do pracy w instalacjach do pozyskania ciepła słonecznego, o mocy cieplnej do kilkudziesięciu kW. Tak duże zbiorniki najkorzystniej umieścić jest na zewnątrz budynku, w ziemi. W takim przypadku przyłącza w postaci króćców znajdują się ze względu na montaż w górnym rejonie zbiornika. Zastosowanie elementu wstępnego rozproszenia 6 strumienia cieczy oraz elementu rozpraszającego 5 wskazanych konstrukcjach skutecznie spowolnia prędkość liniową przepływu cieczy z króćca wylotowego 2 do zasobnika warstwowego 1 poprzez przewód rozprowadzający 3, i tym samym umożliwia warstwowe załadowanie cieczy o założonych parametrach temperatury. Przykładowo dla średnicy króćca wlotowego 3 wynoszącej 20 mm i średnicy przewodu rozprowadzającego 3 wynoszącej 120 mm możliwe jest około 40-krotne spowolnienie prędkości liniowej z około 2 m/s do około 0,05 m/s.

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Zasobnik warstwowy cieczy, zawierający pionowy przewód rozprowadzający ciecz posiadający otwory wylotowe rozmieszczone na jego wysokości, przy czym od góry przewód rozprowadzający połączony jest z króćcem wlotowym cieczy pochodzącej ze źródła ciepła, którego średnica jest mniejsza od średnicy przewodu rozprowadzającego, a pomiędzy króćcem wlotowym a przewodem rozprowadzającym znajduje się element rozpraszający strumień cieczy, znamienny tym, że zawiera element wstępnego rozproszenia (6) strumienia cieczy usytuowany pomiędzy króćcem wlotowym (2) a elementem rozpraszającym (5), stanowiący zawór zwrotny, zaś element rozpraszający (5) ma postać zespołu współśrodkowych pierścieni (5A), przy czym sąsiadujące ze sobą pierścienie (5A) tworzą kanały (5B) o przekroju zwiększającym się w kierunku dna zasobnika (1), a ich wzajemna pozycja ustalana jest elementami dystansowymi.
2. 2. Zasobnik według zastrz. 1, znamienny tym, że boczne ściany pierścieni (5A) tworzą kanał (5B) o kącie rozwarcia (a) z zakresu od 5° do 30°.
3. 3. Zasobnik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że górne powierzchnie współśrodkowych pierścieni (5A) są wypukłe.
4. 4. Zasobnik według jednego z zastrz. od 1 do 3, znamienny tym, że zawiera konstrukcję wsporczą (7) mocującą pierścienie (5A) wewnątrz przewodu rozprowadzającego (3).
5. 5. Zasobnik według jednego z zastrz. od 1 do 3, znamienny tym, że elementy dystansowe mają postać żeber (5C), wystających ponad górne krawędzi pierścieni (5A) i mocowanych do wewnętrznej ścianki przewodu rozprowadzającego (3).
6. 6. Zasobnik według zastrz. 5, znamienny tym, że w żebrach (5C) wykonane jest wybranie (8) tworzące kieszeń na element wstępnego rozproszenia (6).
7. 7. Zasobnik według zastrz. 6, znamienny tym, że element wstępnego rozproszenia (6) ma postać kuli (6A).
8. 8. Zasobnik według jednego z zastrz. od 1 do 6, znamienny tym, że element wstępnego rozproszenia (6) ma postać grzybka (6B) osadzonego od strony elementu rozpraszającego (5) na mocującej szpilce (6C) i rozpieranego elementem sprężystym (6D).