PL249530B1 - Struktura przestrzenna do transportu ciepła - Google Patents

Abstract

Struktura przestrzenna do transportu ciepła, przeznaczona do stosowania w jednostkach (magazynach energii cieplnej), które między innymi można ładować ciepłem odpadowym, słoneczną energią cieplną oraz energią wiatrową i które mogą być oparte na materiałach zmiennofazowych lub zeolitach, w postaci układu zestawionych ze sobą przelotowych komór, które utworzone są pomiędzy krawędziowo zestawionymi ze sobą ściankami, przy czym w powyższym układzie przelotowych komór jedna z nich stanowi centralnie usytuowaną komorę wewnętrzną (2), a pozostałe komory stanowią komory zewnętrzne (3), które obwodowo, jedna obok drugiej, otaczają komorę wewnętrzną (2) i z których każda ma tożsamy kształt i przekrój w postaci wielokąta, przy czym w powyższym układzie każda z komór zewnętrznych (3) jedną ściankę (1c) współdzieli z komorą wewnętrzną (2) i każde dwie sąsiednie komory zewnętrzne (3) współdzielą jedną ścianę (1a) odchodzącą promieniowo od komory wewnętrznej (2), charakteryzuje się tym, że każda, odchodząca promieniowo od centralnie usytuowanej komory wewnętrznej (2), ścianka (1a), która przy komorze wewnętrznej (2) współdzieli dwie sąsiednie komory zewnętrzne (3), na kształt litery Y dzieli się symetrycznie na dwie, rozchodzące się od niej, pod kątem 60° ścianki (1b) sąsiednich komór zewnętrznych (3).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest struktura przestrzenna do wymiany ciepła w postaci odlewu ze stopu aluminium, którego zadaniem jest ułatwienie wymiany ciepła w magazynach energii cieplnej. Rozwiązanie według wynalazku przeznaczone jest do stosowania w jednostkach (magazynach energii cieplnej), które między innymi można ładować ciepłem odpadowym, słoneczną energią cieplną oraz energią wiatrową i które mogą być oparte na materiałach zmiennofazowych lub zeolitach. Struktury według wynalazku przeznaczone są do nakładania na rurki płynu do transferu ciepła.

Ciepło zmagazynowane w ciągu dnia może być wykorzystane na przykład w budynkach, od razu lub w niedalekiej przyszłości po naładowaniu, między innymi do ogrzewania wody użytkowej lub może być gromadzone i wykorzystywane w nocy na przykład do ogrzewania ścian lub podłóg, a nawet sezonowego magazynowania. Struktury do wymiany ciepła pomagają wyrównać rozkład temperatur wewnątrz akumulatora oraz skrócić czas ładowania całego urządzenia. Takie elementy mogą być stosowane również przy pracy w wysokich temperaturach i są bardziej wytrzymałe mechanicznie niż na przykład piany metaliczne. Systemy magazynowania energii cieplnej utajonej mogą wykorzystywać materiały PCM ładowane z wykorzystaniem ciepła odpadowego lub odnawialnych źródeł energii, na przykład słonecznej, geotermalnej czy wiatrowej. Kluczowym czynnikiem ograniczającym wydajność takich jednostek jest ich niska przewodność cieplna (na przykład 0,2 W-m^-1-K^-1 dla parafiny, 0,4 W-m^-1-K^-1 dla KNO3, 0,5-0,6 W-m^-1-K^-1 dla NaNO3, podczas gdy dla na przykład stopu Al-Si wynosi ona 130-170 W-m^-1-K^-1), która pogarsza efektywność ogrzewania lub chłodzenia akumulatorów zmiennofazowych. Aby rozwiązać powyższy problem można zastosować różne środki poprawiające wymianę ciepła, spośród których można wyróżnić cztery główne podejścia: dodanie nanonapełniaczy o wysokiej przewodności cieplnej (zwykle cząstki na bazie metalu lub węgla), kapsułkowanie PCM, połączenie dwóch lub nawet więcej materiałów zmiennofazowych oraz zanurzenie przestrzennych wymienników ciepła (na przykład piany metalowe lub konstrukcje żebrowane) w złożu. Jako najczęściej stosowane można wyróżnić następujące konstrukcje żebrowane: pierścieniowe, płytowe, spiralne, trzyrzędowe, faliste, trójkątne i szpilkowe. Przewaga wykorzystania materiałów magazynujących ciepło utajone nad tymi magazynującymi ciepło jawne wynika z ich zmniejszonej objętości i masy akumulatora niezbędnej do zmagazynowania określonej ilości ciepła. Nieorganiczne materiały PCM mają wyższą zdolność do magazynowania ciepła w swojej objętości niż większość ich organicznych odpowiedników ze względu na ich gęstość i entalpię przejścia fazowego. W ostatnich latach struktury biomimetyczne, czerpiące inspirację z natury, spotykają się ze zwiększonym zainteresowaniem badaczy na całym świecie, między innymi w odniesieniu do zastosowania w intensyfikacji wymiany ciepła. Najczęściej stosowane fraktalne struktury rozgałęzione można znaleźć w drzewach, nerwach liściowych, płatkach śniegu, paprociach, tętnicach sercowych lub sieciach rzecznych. Ponadto, w najnowszej literaturze spotkać można także inne biomimetyczne powierzchnie rozgałęzione sprzyjające wymianie ciepła: lutowane płytowe wymienniki ciepła o wzorze przypominającym płuca, plastry miodu czy pajęczynę (widoczne w naturalnych przykładach także w liściach lotosu i skrzydłach owadów). Wszystkie te geometrie można wykorzystać do ułatwienia procesów ogrzewania i chłodzenia w jednostkach magazynowania energii cieplnej. Sieci rozgałęzione można poddać optymalizacji geometrii w celu określenia najkorzystniejszych parametrów strukturalnych dla skorelowanej zdolności transportu ciepła.

Z międzynarodowego zgłoszenia wynalazku WO2020005076A1 znana jest struktura przestrzenna do transportu ciepła w postaci układu zestawionych ze sobą przelotowych komór, które utworzone są pomiędzy krawędziowo zestawionymi ze sobą ściankami, przy czym w powyższym układzie przelotowych komór jedna z nich stanowi centralnie usytuowaną komorę wewnętrzną, a pozostałe komory stanowią komory zewnętrzne, które obwodowo, jedna obok drugiej, otaczają komorę wewnętrzną i z których każda ma tożsamy kształt i przekrój w postaci ośmiokąta. Zewnętrzny obrys komory wewnętrznej ma w przekroju poprzecznym kształt czworokąta. W powyższym układzie każda z komór zewnętrznych jedną ściankę współdzieli z komorą wewnętrzną i każde dwie komory zewnętrzne współdzielą jedną ściankę odchodzącą promieniowo od centralnie usytuowanej komory wewnętrznej. Ścianka, która przy komorze wewnętrznej współdzieli dwie sąsiednie komory zewnętrzne, na kształt litery Y dzieli się symetrycznie na dwie, rozchodzące się od niej pod kątem 90°, ścianki sąsiednich komór zewnętrznych.

Z chińskich zgłoszeń wynalazków CN104654872A i CN105115338A znana jest struktura przestrzenna do transportu ciepła w postaci układu zestawionych ze sobą przelotowych komór, które utworzone są pomiędzy krawędziowo zestawionymi ze sobą ściankami, przy czym w powyższym układzie przelotowych komór jedna z nich stanowi centralnie usytuowaną komorę wewnętrzną, a pozostałe komory stanowią komory zewnętrzne, które obwodowo, jedna obok drugiej, otaczają komorę wewnętrzną. Komora wewnętrzna i komory zewnętrzne mają tożsamy kształt i w przekroju poprzecznym mają kształt sześciokąta. W powyższym układzie każda z komór zewnętrznych jedną ściankę współdzieli z komorą wewnętrzną i każde dwie komory zewnętrzne współdzielą jedną ściankę odchodzącą promieniowo od centralnie usytuowanej komory wewnętrznej. Ścianka, która przy komorze wewnętrznej współdzieli dwie sąsiednie komory zewnętrzne, na kształt litery Y dzieli się symetrycznie na dwie, rozchodzące się od niej pod kątem 120°, ścianki sąsiednich komór zewnętrznych.

Celem według wynalazku jest struktura przestrzenna do transportu ciepła, która w stosunku do struktury o kształcie plastra miodu przy zachowaniu porównywalnej czy nawet zwiększonej wydajności będzie charakteryzowała się mniejszą masą i mniejszą objętością, a kształt jej struktury usprawni transport i wymianę ciepła.

Struktura przestrzenna do transportu ciepła w postaci układu zestawionych ze sobą przelotowych komór, które utworzone są pomiędzy krawędziowo zestawionymi ze sobą ściankami, przy czym w powyższym układzie przelotowych komór jedna z nich stanowi centralnie usytuowaną komorę wewnętrzną, której obrys powierzchni zewnętrznej w przekroju poprzecznym ma kształt sześciokąta, a pozostałe komory stanowią komory zewnętrzne, które obwodowo, jedna obok drugiej, otaczają komorę wewnętrzną i z których każda ma tożsamy kształt i przekrój w postaci wielokąta, przy czym w powyższym układzie każda z komór zewnętrznych jedną ściankę współdzieli z komorą wewnętrzną i każde dwie sąsiednie komory zewnętrzne współdzielą jedną ściankę odchodzącą promieniowo od komory wewnętrznej, przy czym każda, odchodząca promieniowo od centralnie usytuowanej komory wewnętrznej, ścianka dzieli się na kształt litery Y na dwie symetrycznie ścianki sąsiednich komór zewnętrznych, według wynalazku charakteryzuje się tym, iż na rzeczony kształt litery Y odchodząca promieniowo od centralnie usytuowanej komory wewnętrznej ścianka dzieli się na ścianki sąsiednich komór zewnętrznych pod kątem 60°.

W wyniku przeprowadzonych badań nieoczekiwanie okazało się, iż struktury poprawiające transfer ciepła mające ścianki ukształtowane na wzór litery Y jak w rozwiązaniu według wynalazku w stosunku do struktur w kształcie plastra miodu pomimo mniejszej masy i objętości pozwalają na zachowanie porównywalnej czy nawet zwiększonej wydajności. Struktura według wynalazku zapewnia korzystniejszy rozkładu temperatury w objętości PCM, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej sztywności. Struktura według wynalazku w stosunku do struktury plastra miodu pozwala na zmniejszenie masy do 60%. Na figurze 5 przedstawiona została przykładowa struktura według wynalazku oraz znana struktura plastra miodu, która strukturą według wynalazku może być zastąpiona.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przestawia strukturę według wynalazku w widoku od czoła, czy w przekroju poprzecznym, fig. 2 strukturę przestrzenną w widoku aksonometrycznym przeznaczoną do mocowania w niej rury czynnika transportującego ciepło na wcisk, fig. 3 strukturę w widoku aksonometrycznym, w której mocowanie w niej rury czynnika transportującego ciepło realizowane jest sprężystością materiału, z którego wykonana jest struktura, fig. 4 strukturę w widoku aksonometrycznym przeznaczoną do mocowania poprzez zastosowanie połączenia śrubowego, fig. 5 w przekroju poprzecznym nałożone na siebie struktury plastra miodu i struktura według wynalazku, fig. 6 gęstość materiału PCM użytego w analizie, fig. 7 rozkład temperatur w trakcie ładowania w strukturze plastra miodu, fig. 8 rozkład temperatur w trakcie ładowania w strukturze według wynalazku, fig. 9 porównanie etapu ładowania - udział fazy ciekłej w strukturze plastra miodu i strukturze według wynalazku, fig. 10 rozkład temperatury w trakcie rozładowywania w strukturze według wynalazku, a fig. 11 udział fazy ciekłej w trakcie rozładowywania w strukturze według wynalazku.

Struktura przestrzenna do transportu ciepła w przykładzie wykonania według wynalazku ma postać układu zestawionych ze sobą przelotowych komór, które utworzone są pomiędzy krawędziowo zestawionymi ze sobą ściankami 1a, 1b, 1 c przy czym w powyższym układzie przelotowych komór jedna z nich stanowi centralnie usytuowaną komorę wewnętrzną 2 przystosowaną do zainstalowania rury z czynnikiem cieplnym o średnicy zewnętrznej ¾ cala, a pozostałe komory stanowią komory zewnętrzne 3, które obwodowo, jedna obok drugiej, otaczają komorę wewnętrzną 2 i z których każda ma tożsamy kształt i przekrój w postaci wielokąta, przy czym w powyższym układzie każda z komór zewnętrznych 3 jedną ściankę 1c współdzieli z komorą wewnętrzną 2 i każde dwie sąsiednie komory zewnętrzne 3 współdzielą jedną ścianę 1a odchodzącą promieniowo od komory wewnętrznej 2. Komory wewnętrzne 2 w przekroju poprzecznym mają kształt sześciokąta. Każda odchodząca promieniowo od komory wewnętrznej 2 ścianka la, która współdzieli dwie sąsiednie komory zewnętrzne 3, na kształt litery Y zestawiona jest z kolejnymi wzajemnie kątowo rozchodzącymi się ściankami Ib sąsiednich komór zewnętrznych 3. W przekroju poprzecznym obrys powierzchni zewnętrznej pobocznicy komory wewnętrznej 2 ma kształt sześciokąta, a obrys wewnętrznej powierzchni tej pobocznicy kształt okrągły. W komorze wewnętrznej 2 osadza się rurę płynu do transferu ciepła (HTF), która w przedmiotowej komorze wewnętrznej 2 może być osadzona na wcisk, ściśnięta sprężynowo lub zaciśnięta połączeniem śrubowym. W powyższym przykładzie ujawniono strukturę, w której rurę płynu montuje się na wcisk. Struktura, w której rurę płynu montuje się sprężynowo ma utworzone wzdłużne rozcięcie pobocznicy komory wewnętrznej 2, jak to przedstawiono na fig. 2. Struktura, w której rurę płynu zaciska się za pomocą połączenia śrubowego ma utworzone wzdłużne rozcięcie pobocznicy komory wewnętrznej 2 oraz współosiowo utworzone w ściankach 1 otwory na śruby, których końce są gwintowane. Ścianki 1a promieniowo odchodzące od komory wewnętrznej 2 mają grubość co najmniej 2,4 mm korzystnie 3 mm i dzielą się symetrycznie na dwie ścianki 1 b sąsiednich komór zewnętrznych 3 pod kątem 60°, z których każda ma grubość wynoszącą minimum % grubości ścianki 1a odchodzącej promieniowo od komory wewnętrznej 2, czyli co najmniej 1,2 mm do 1,5 mm. Korzystnie komory zewnętrzne 3 mają szerokość zewnętrzną 25 mm. W niniejszym przykładzie wykonania kąty wewnętrzne pomiędzy ściankami 1a, 1b komór zewnętrznych 3 są kątami rozwartymi o wartości odpowiednio 120°, 150°, przy czym w innych przykładach wykonania kąty te mogą być z zakresu 110°-160°. Średnica centralnej komory wewnętrznej 2 mieści się w zakresie 19-30 mm, korzystnie wynosi 25 mm, grubość ścianki komory wewnętrznej 2 wynosi 1,5-2 mm.

Korzystne właściwości struktury według wynalazku zostały potwierdzone analizą CFD. Do analizy użyto materiału PCM w postaci eutektycznej mieszanki soli KNOs-NaNOs, o entalpii wystarczającej do akumulacji ciepła, H=100 J/g, która cechuje się jedną temperaturą przemiany fazowej podczas topnienia. Zachowanie podczas cyklu pracy w akumulatorze (ładowanie i rozładowanie) struktury o kształcie plastra miodu zostało porównane z zaobserwowanym dla struktury w kształcie litery Y za pomocą modelowania CFD. Wstępnie testowanym położeniem badanej geometrii było ułożenie poziome.

Przyjęte w symulacji właściwości materiałów:

PCM:	KNOs (54%) - NaNOs (46%)
Gęstość [kg/m3]:	zgodnie z wykresem z fig. 5
Temperatura topnienia [°C]:	222
Przewodność cieplna [W/m-K]:	0.2
Pojemność cieplna [J/kg-K]:	1800
Entalpia przejścia fazowego [kJ/kg]:	101
Lepkość [Pa-s]:	1.85

Gęstość materiału PCM użytego w analizie została pokazana na fig. 5.

Materiał struktury charakteryzował się następującymi parametrami:

INSERT: Al-Si 44200

Gęstość [kg/m³]:2650

Przewodność cieplna [W/m-K]:130

Pojemność cieplna [J/kg-K]:910

Warunki początkowe i brzegowe analizy

Zbadano dwa etapy cyklu pracy akumulatora: ładowanie (nagrzewanie) i rozładowanie (chłodzenie).

Warunki początkowe i brzegowe zestawiono poniższej.

Źródło ciepła (ściana) ŁADOWANIE (TOPNIENIE) Temperatura [°C]:240

PCM (objętość) ŁADOWANIE (TOPNIENIE) Temperatura [°C] :220

Wyniki

Ładowanie

Na fig. 6 przedstawiono przebiegi temperatury dla 3600 sekund nagrzewania struktury plastra miodu, zaś na fig. 7 dla struktury rozgałęzionej w kształcie litery Y o ramionach rozstawionych pod kątem 60°. Dla metalowych struktur temperatura wzrasta od nagrzanego środka na zewnątrz. Podobnie widoczne jest znaczenie sił konwekcyjnych, ponieważ obszary o wyższej temperaturze są większe niż obszary o niższej temperaturze, które skupiają się w dolnej części wkładki w kształcie litery Y o ramionach rozstawionych pod kątem 60°. Po 1800 sekundach symulacji oba przypadki osiągają podobny rozkład temperatury, przy czym dla obu widoczna jest także znaczna objętość materiału przed przetopieniem, którego temperatura nadal wynosi 220°C. Pod koniec symulacji można zaobserwować znaczącą różnicę w rozkładzie temperatur dla obu struktur. Podczas gdy w strukturze o strukturze plastra miodu wewnętrzne obszary blisko źródła ciepła mają około 240°C, w dalszej odległości nadal znajdują się obszary o niższej temperaturze około 235°C, co nie ma miejsca w przypadku struktury o kształcie litery Y o ramionach rozstawionych pod kątem 60°. Porównanie udziału frakcji ciekłej w objętości PCM zaprezentowano na fig. 8, która obrazuje temperaturę ciekłego PCM w płaszczyźnie środkowej, gdzie białe obszary oznaczają, że w tym obszarze nie ma ciekłego PCM. Przy 1800 sekundach symulacji topnienie nie jest ukończone w całej objętości PCM. Wykazano obecność frakcji stałej w wewnętrznych obszarach insertu o strukturze plastra miodu. Pod koniec symulacji obie domeny PCM są stopione, nawet przy nieco niższej temperaturze dla insertu w kształcie litery Y o ramionach rozstawionych pod kątem 60°.

Rozładowywanie

Etap rozładowania dla struktury w kształcie litery Y o ramionach rozstawionych pod kątem 60° przeanalizowano dla czasu 1 godziny. Mapy rozkładu temperatur przedstawiono na fig. 9, zaś wyniki symulacji procesu krzepnięcia frakcji ciekłej pokazano na fig. 10. Objętość frakcji ciekłej w funkcji temperatury zestawiono po lewej stronie, zaś sam udział fazy ciekłej w płaszczyźnie środkowej po prawej stronie, gdzie puste obszary wskazują na brak fazy ciekłej. Mapy rozkładu temperatury wskazują na bardziej symetryczną ewolucję temperatury w porównaniu z ładowaniem; siły konwekcji nie odgrywają tak ważnej roli w etapie rozładowania, jak w etapie ładowania.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Struktura przestrzenna do transportu ciepła w postaci układu zestawionych ze sobą przelotowych komór, które utworzone są pomiędzy krawędziowo zestawionymi ze sobą ściankami, przy czym w powyższym układzie przelotowych komór jedna z nich stanowi centralnie usytuowaną komorę wewnętrzną, której obrys powierzchni zewnętrznej w przekroju poprzecznym ma kształt sześciokąta, a pozostałe komory stanowią komory zewnętrzne, które obwodowo, jedna obok drugiej, otaczają komorę wewnętrzną i z których każda ma tożsamy kształt i przekrój w postaci wielokąta, przy czym w powyższym układzie każda z komór zewnętrznych jedną ściankę współdzieli z komorą wewnętrzną i każde dwie sąsiednie komory zewnętrzne współdzielą jedną ściankę odchodzącą promieniowo od komory wewnętrznej, przy czym każda odchodząca promieniowo od centralnie usytuowanej komory wewnętrznej ścianka dzieli się na kształt litery Y na dwie symetrycznie ścianki sąsiednich komór zewnętrznych, znamienna tym, że na rzeczony kształt litery Y odchodząca promieniowo od centralnie usytuowanej komory wewnętrznej (2) ścianka (1 a) dzieli się na ścianki (1 b) sąsiednich komór zewnętrznych (3) pod kątem 60°.