Zmiennofazowy magazyn ciepla/chlodu z nanoczasteczkami i mechanizmem mieszajacym Przedmiot patentu Przedmiotem patentu jest magazyn ciepla/chlodu z materialem zmiennofazowym przez dodatkiem domieszki nanoczastek. który wyposazony w mechanizm mieszajacy. Przedstawiona konstrukcja magazynu z materialem zmiennofazowym z nanoczastkami zawiera obrotowe mieszadlo. które powoduje intensyfikacje wynuany ciepla oraz zapobiega sedymentacji nanoczastek na dnie magazynu. Stan techniki Material Lmiennofamwy (PCM) charakteryLuje sie tym, ze pozwalaja na intensywne absorbowanie. magazynowanie i uwalnianie energii te1micwej w postaci ciepla lub chlodu w okreslonym zakresie temperatur, w którym w materiale zachodzi przemiana fazowa (topnienie. krzepniecie). Magazyny ciepla/chlodu, w których material akumulujacy stanowi material zmiennofazowy, dzieki wykorzystaniu ciepla utajonego pozwalaja na wieksza gestosc magazynowania energii w porównaniu do magazynów wykorzystujacych cieplo jawne, np. magazynów wodnych. W praktyce oznacza to, ze w porównaniu do magazynu wodnego, magazyn z PCM ma mniejsza objetosc, pozwala na magazynowanie energii L mniejsLymi stratami do otoczenia oraL na jej wykorzystanie w wymaganym momencie. Niestety PCMy. w szczególnosci organiczne. maja niska przewodnosc cieplna, która powoduje duzy opór cieplny i znacznie spowalnia proces wymiany ciepla. To w rezultacie powoduje zmniejszenie szybkosci ladowania i rozladowania magazynu, oraz ogranicza jego zastosowanie w niektórych aplikacjach oraz instalacjach. W celu poprawy przewodnosci cieplnej PCM w magazynach ciepla lub chlodu aktualnie prowadzone sa prace badawcze wykorzystujace takie techniki, jak mocowame metalowych zeber do powierzchni wymiany ciepla lub stosowanie materialów kompozytowych typu PCM z metalowa osnowa. PL 442482 A1 2/10Z opisu patentu CNI 04 I 40786B znany jest kompozytowy material zmiennofazowy, skladajacy sie z porowatego materialu, o przewodnosci cieplnej w zakresie 40-400 W /m · K (np. spienionego metalu lub ekspandowanego grafitu). stosowanego jako szkielet nosny, oraz z PCM w postaci metalu o niskiej temperaturze topnienia lub metalu o niskiej temperaturze topnienia z nanoczastkami, o temperaturze topnienia nizszej lub równej 80 °C, rozprowadzanymi w porach materialu porowatego. W efekcie zastrzezony w tym patencie kompozytowy PCM charakteryzuje sie zwiekszona przewodnoscia cieplna i wysoka gestoscia magazynowania ciepla. Natomiast we wzorze uzytkowym CN207035921 U zaprezentowano magazyn energii. skladajacy sie z magazynu z wieloma szczelnymi pojemnikami umieszczonymi w zamknietym, izolowanym pojemniku. Kazdy pojemnik zawiera wielowarstwowa plyte z porowatego grafitu i siec rur w ksztalcie serpentyny do wymiany ciepla z materialem wypelniajacym pojemnik. Pory porowatej plyty grafitowej w pojemniku sa wypelnione nieorganicznym PCM. Nosnik ciepla krazy w serpentynowej sieci rur, które poprzez kolektmy prowadza do przylaczy na zewnetrznej scianie hermetyc,mego pojemnika. Magazyn jest izolowany cieplnie warstwa pianki poliuretanowej lub warstwa z welny mineralnej. Jednakze wspomniane powyzej rozw1azama wprowadzaja ogramczema takie. jak zwiekszenie masy i objetosci ukladu magazynowego oraz zmniejszenie ilosci PCM w magazynach. Innym rozwiazaniem skupiajacym sie równiez na zwiekszeniu przewodnosci cieplnej PCM jest ulepszanie materialów przez dodawanie do nich nanoczastek weglowych, metali lub tlenków metali. Na przyklad patent US2009236079Al przedstawia material zmiennofazowy ulepszony przez roLproszenie w nim nanoczastek. Opisywany w patencie US2009236079Al ulepszony PCM tworzy bazowy PCM, którym moze byc woda, cykloheksan, dodekan lub zel olejowy, oraz nanoczastki miedzi, glinu, tlenku glinu, tlenku miedzi lub tlenku tytanu. Ulepszony PCM wykazuje zwiekszona przewodnosc cieplna w porównaniu z materialem bazowym. Z kolei w patencie CN104180521A przedstawiona jest koncepcja podgrzewacza wody z pompa ciepla i magazynem energii z materialem zmiennofazowym z nanoczastkami. Podgrzewacz wody z pompa ciepla zawiera zbiornik - magazyn z materialem zmiennofazowym z nanoczastkami, w którym jest umieszczona wezownica przez która PL 442482 A1 3/10przeplywa medium robocze oraz wezownica przez która przeplywa woda. Magazyn ciepla jest vvypelniony PCM z nanoczastkami, którego temperatura przemiany fazowej wynosi 50-60 °C i który zawiera nastepujace skladniki w czesciach wagowych: 0,5 do 2,0 czesci nanoczastek (nanorurki weglowe), 0,9 do 3,6 czesci dyspergatora (etoksylan oktylofcnolu TX-10), 94,4 do 98,6 czesci PCM (parafina). Niestety ulepszanie PCM przez domieszki nanoczastek powoduje, ze po pewnym czasie moga one sedymentowac na dnie magazynu. Zjawisko to jest niekorzystne, gdyz prowadzi do powstania rozwarstwienia materialu zmiennofazowego ulepszonego nanoczasteczkami i do zmiany jego wlasciwosci termofizycznych. W celu zapobiegania sedymentacji nanoczastek w PCM. mozna zastosowac enkapsulacje. Z opisu patentowego US9493695B2 znana jest metoda makrokapsulowania nieorganicznych PCM takich, jak NaNO:1, NaCL KNO:1, majacych niska przev-vodnosc cieplna i które mozna uzyc w magazynach ciepla w systemach elektrowni slonecznych (CPS). Aby zwiekszyc przevvodnosc cieplna i ulatwic magazynowanie, przeprowadza sie makrokapsulkowanie tych PCM w granulkach powlekanych poliimidem. Przy czym wewnatrz powloki polimidowej znajduje sie srodek zwiekszajacy chropowatosc powierzchni, np. nikiel, weglik krzemu, wegiel. Po utwardzeniu powloki poliimidowej, jej zewnetrzna powierzchnia jest pokrywana tlenkiem metalu, tlenkiem krzemu (SiO~) luh kompozytem grafen-tlenek krzemu. Makrokapsulka ma ksztalt cylindryczny, kulisty lub podluzny. Nalezy zauwazyc, ze stosowanie specjalnych makrokaspulek, w których umieszcza sie materialy zmiennofazowe (w tym takze ulepszone materialy zmiennofazowe z nanoczastkami) moze prowadzic do zwiekszenia kosztów magazynów ciepla/chlodu oraz do powstawania tzw. ,,martwych'' stref w zasobniku z nakrokapsulkami. Istota wynalazku Istota wynalazku jest zastosowanie mechanizmu mieszajacego w magazynie ciepla/chlodu z ulepszonym materialem zmiennofazowym (z dodatkiem domieszki nanoczastek). Mechanizm mieszajacy sluzy do wprawienia ulepszonego PCM z nanoczastkami w ruch, zapobiegajac w ten sposób opadaniu nanoczastek oraz ich sedymentacji na dnie zbiornika magazynu. PL 442482 A1 4/10Zmiennofazowy magazyn energii z nanoczatkami i mechanizmem mieszania pozwala na przechowywanie ciepla lub chlodu oraz jego wykorzystanie w wymaganym czasie. Przedmiotem wynalazku jest magazyn energii termicznej, który posiada obrotowy mechanizm mieszajacy, wprawiajacy w ruch material zmiennofazowy z dodatkiem domieszki nanoczastek i gromadzacy cieplo/chlód podczas przemiany fazowej. Magazyn, gdzie material zmiennofazowy z dodatkiem wypelnia zbiornik, którego wewnetrzna powierzchnia bocznej scianki ma ksztalt cylindra o srednicy D, a dno jest plaskie i poziome. MagaLyn, gdzie w materiale zmiennofazowym z dodatkiem domieszki nanoczastek zanurzony jest obrotowy mechanizm mieszajacy o pionowej osi obrotu zaopatrzony w lopaty mieszajace obracajace sie nad dnem zbiornika w odleglosci jednej dziesiatej wysokosci tego zbiornika. Magazyn. gdzie lopaty mieszajace sa zamocowane w dwóch rzedach, a liczba lopat mieszajacych w rzedzie wynosi od 2 do 8, a zewnetrzna srednica lopat wynosi od 0.7D do 0,95D. Magazyn, gdzie lopaty mieszajace w górnym rzedzie sa zamocowane pod katem wynoszacym od 30° do 60° w stosunku do osi pionowej, natomiast kat miedzy lopatami z róznych rzedów wynosi od 10° do 30°. MagaLyn, gdzie wewnatrz zbiornika przy jego cylindrycznej scianie znajduje sie srubowa wezownica, przez która przeplywa nosnik ciepla. Zaleta magazynu wykonanego wedlug wynalazku jest to, ze: 1. Dodanie nanoczastek do materialu zmiennofazowego powoduje zwiekszenie przewodnosci cieplnej materialu wypelniajacego magazyn oraz wplywa na szybkosc procesów ladowania i rozladowania magazynu. 2. Specjalna konstrukcja magazynu, w której znajduje sie mechanizm mieszajacy, zapobiega pogorszeniu procesu magazynowania ciepla lub chlodu wskutek sedymentacji nanoczastek na dnie magazynu. PL 442482 A1 /103. Ruch cieklego PCM, wywolany dzialaniem mechanizmu mieszajacego, powoduje intensyfikacje wymiany ciepla lub chlodu miedzy PCM a ciecza-nosnikiem ciepla poprzez konwekcje wymuszona na powierzchni wymiany ciepla. Objasnienie rysunków Budowa wewnetrzna magazynu wedlug vvynalazku jest przedstawiona na rysunkach, gdzie rys. I pokazuje przekrój pionowy magazynu, a rys. 2. -widok lopatek mechanizmu m1eszaJ acego. Wynalazek ilustruje nastepujacy przyklad wykonania, nie stanowiacy jego ograniczenia. Przyklad Przedmiotowy wynalazek- specjalna konstrukcja magazynu ciepla/chlodu z ulepszonym materialem zmiennofazowym i mechanizmem mieszajacym, bedaca przedmiotem wynalazku, zostala przedstawiona na rys. 1. Konstrukcja ta zaklada, ze magazyn ciepla/chlodu sklada sie z wewnetrznego, cylindrycznego zbiornika (5) o srednicy wewnetrznej O. Zbiornik (5) jest wypelniony ulepszonym PCM z dodatkiem nanoczastkek (6), z zachowaniem pustej przestrzeni ze wzgledu na rozszerzalnosc termiczna PCM. We wnetrzu zbiornika (5) umieszczono mechanizm mieszajacy (7). Mechanizm mieszajacy wewnatrz zbiornika (5) sklada sie z pionowej osi napedowej. do której przy dolnym k011cu zamocowano lopaty mieszajace w dwóch rzedach. Mechanizm mieszajacy (7) jest wprowadzony do wewnetrznego zbiornika (5) w taki sposób, ze lopaty mieszajace (9) sa calkowicie zanurzone w ulepszonym materiale zmiennofazowym i znajduja sie w odleglosci jednej dziesiatej wysokosci zbiornika wewnetrznego nad dnem tego zbiornika. Liczba lopat mieszajacych (9) w rzedzie wynosi od 2 do 8. Zewnetrzna srednica lopat (9) wynosi od 0,7D do 0,95D. Lopaty mieszajace w górnym rzedzie sa zamocowane pod katem a wynoszacym od 30° do 60° w stosunku do osi napedowej. Natomiast kat~ wystepujacy miedzy lopatami z róznych rzedów wynosi od 10° do 30°. Mechanizm mieszajacy (7) w przedstawianej konstrukcji magazynu ciepla/chlodu jest uzywany w czasie, kiedy ulepszony material zmiennofazowy znajduje sie w stanie cieklym. Wówczas lopaty mieszajace (9), wykonujac ruch obrotowy wokól osi PL 442482 A1 6/10napedowej, wprawiaja w ruch ciekly PCM z nanoczastkami i w ten sposób zapobiegaja opadaniu nanoczastek i ich sedymentacji na dnie zbiornika (5). Wewnetrzny zbiornik (5) przy cylindrycznej scianie jest opleciony wezownica (4), przez która przeplywa nosnik ciepla. W celu ograniczenia strat ciepla do otoczenia, zbiornik wewnetrzny (5) wraz z wezownica ( 4) jest umieszczony w wiekszym zbiorniku (2). Przestrze11 miedzy sciana zbiornika (5), a wewnetrzna sciana zbiornika (2) jest wypelniona materialem izolujacym termicznie (3). np. aerozelem. Zestawienie indeksów na rysunkach 1 - wlot nosnika ciepla 2 - Lbiornik zewnetrzny 3 - material izolujacy termicLnie (np. aerozel) 4 - wezownica Lbiornik wewnetrzny 6 - ulepszony PCM z nanoczasteczkami 7 - mechanizm mieszajacy 8 - wylot nosnika ciepla 9 - lopaty mieszajace mechanizmu mieszajacego D - wewnetrzna srednica zbiornika wypelnionego ulepszonym PCl\1 a- kat miedzy górnym rzedem lopat mieszajacych a osia napedowa B - kat miedzy rzedami lopat mieszajacych PCM - material zmiennofazowy PL 442482 A1 7/10Zastrzezenia patentowe 1. Magazyn energii termicznej znamienny tym, ze posiada obrotowy mechanizm mieszajacy, wprawiajacy w rnch material zmiennofazowy z dodatkiem domieszki nanoczastek i gromadzacy cieplo/chlód podczas przemiany fazowej. 2. Magazyn wedlug zastrz. 1 znamienny tym, ze material zmiennofazowy z dodatkiem wypelnia zbiornik, którego wewnetrzna powierzchnia bocznej scianki ma ksztalt cylindra o srednicy D, a dno jest plaskie i poziome. 3. Magazyn wedlug zastrz. 2 znamienny tym, ze w mate1iale zmiennofazowym z dodatkiem domieszki nanoczastek zanurzony jest obrotowy mechanizm mieszajacy o pionowej osi obrotu zaopatrzony w lopaty mieszajace obracajace sie nad dnem zbiornika w odleglosci jednej dziesiatej wysokosci tego zbiornika. 4. Magazyn wedlug zastrz. 3 znamienny tym, ze lopaty mieszajace sa zamocowane w dwóch rzedach, a liczba lopat mieszajacych w rzedzie wynosi od 2 do 8, a zewnetrzna srednica lopat wynosi od O, 7D do 0.95D. . Magazyn wedlug zastrz. 4 znamienny tym, ze lopaty m1eszaJace w gornym rzedzie sa zamocowane pod katem wynoszacym od 30° do 60° w stosunku do osi pionowej, natomiast kat miedzy lopatami z róznych rzedów wynosi od 10° do 30°. 6. Magazyn wedlug zastrz. 2 znamienny tym, ze wewnatrz zbiornika przy jego cylindrycznej scianie znajduje sie srubowa wezownica, przez która przeplywa nosnik ciepla. PL 442482 A1 8/106 7 Rys. 1. Rys. 2. PL 442482 A1 9/10al. Niepodleglosci 188/192 00-950 Warszawa, skr. poczt. 203 URZAD PATENTOWY RZECZYPOSPOLITEJ POLSKIEJ tel.: (+48) 22 579 OS SS I fax: (+48) 22 579 00 01 e-mail: kontakt@uprp.gov.pl I www.uprp,gov,pl SPRAWOZDANIE O STANIE TECHNIKI DO ZGLOSZENIA NR P.442482 Klasyfikacja zgloszenia: F28D 20/02, F28F 13/12, F28F 19/00 Podklasy w których prmrndzono poszukiwania: F28D F28F F24D F24S Bazy komputem\\ e w któ0 eh prowadzono poszuki\, ania: EPODOC WPI bazy UPRP Kategoria dokumentu y A y A A Dokumenty - z podana identyfikacja CN2141 -2560 U (UNIV LISHUI [CN]) 10-09-2021 * caly dokument * CN 105466259 A (ZHEJIANG LUTE ENERGY TECH COL TD I CN 1J 06-04- 2016 * caly dokument * PU 120098 Tl (COl\!ll\HSSARTAT ENERGIE ATOMTQUE [FRl) 11-08-2018 D Dalszy ei,ig ,,:ykam dokumentów na nastepnej stronie A- dokument okresla1acy ogólny stan techmki, którv nie Jest uwazany za posiada1acy szczególne znaczeme, E-dokument sta11ov\1ac: \.\czesniejs:t.e zglosLeme lub patent, ale opublil-• .o\\any v\ lub po dacie zgloszenia. Odniesienie do zastrz. 1-4, 6 1-4, 6 1-6 1- dol.,,_umcnt, l,._tó1) mozc poddawac w \\ atpli\vusc za1,Lrzcga11c p1crwszci1sl\VO(-\\ ;..i_), lub prL:, tucwn)' w celu ustalenia dat: publiL1c_11 im1cgo c: towancgu dol"-umcntu 111b 'I innego S"I.C'/.cgól11c&n pmvoch1 O dokument od110S7IJCY sle do Hlnw11ieni[l 11";tnego pr7ez 7:-1Stoso1va11le. w~·st[l·wle11le h1b 11_jrnvnienie ''" lmrv sposób P - dokument opublikowam pI?ed data zgloszenia. ale póiniei ni 1. zastrzegana daw piemszenstwa. T - dokument pózme,1sz,. opubl!kowany po dac1e zgloszema lub w dacie p1erwszenstwa 1 mebedac, w konfl!kc1e ze zgloszemem ale cytowam w celu zrozum1ema zasad lub Leoni lez4c, eh u podsta\l w, nalazlu, X - dol-, .. umcnt o szczególnym znacLcmu; LasLrLcgan:· \\ )' 11.alazd .... nic muLc byc UV\·azany La HO\\: lub me mozc b: c uwaLan: za pusiadajacy poz10m \\: nalazCL)'. jcLcli ten clnkumcnt brany jest pod uwage sarnocl/.iclnie. Y - dokument o S7.Czególn:vm z1rnc7.cni11; 7.r1Stf7.c.~m1~ 1 wyn[!Jn7ck nlc 11107.c byc uw[l7.mrv 7.il posi[lcl;1j~cy po7.10m 1Yyn[1Jn7.c7_\·. je7.cli ten clokmncnt 70St[lnlc pol~c7ony z jedmm lub kilkoma tego tvpu dokumentam( a takie polaczenie bedzie ocz,wiste dla znawc,. & - dokument nalezacy do teJ sameJ rodzmy patentoweJ Sprawozdanie wykonal/-a: Pawel Bialy Naczelnik Wydzialu Data: 26,06,2023 Uwagi do zgloszenia Sprawozdanie zostalo wykonane w oparciu o zastrz, z dnia 10,10.2023 r. Podpis: /podpisano kwalifikowanym podpisem elektronicznym/ Pismo wydane w fonnie dokumentu elektronicznego PL 442482 A1 /10 PL