Termosyfon Odwrotny (Samorzutny Obieg Cyrkulacyjny o Konwekcji
advertisement
TERMOSYFON ODWROTNY (SAMORZUTNY OBIEG CYRKULACYJNY O KONWEKCJI ODWROTNEJ) Jurij Dobriański Katedra Elektrotechniki i Energetyki, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie ul. Oczapowskiego 11, 10−957 Olsztyn tel.: 089 523−49−32, fax: 089 523−36−03, email: [email protected] Streszczenie Do przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do kierunku konwekcji naturalnej proponowany jest termosyfon odwrotny, który w zwykłym obiegu cyrkulacyjnym zastępuje pompę cyrkulacyjną. Jako źródło energii termosyfon odwrotny wykorzystuje tylko małą część ciepła, które podlega przekazywaniu. Urządzenie to działa samorzutnie i cyklicznie. Dla wymuszenia cyrkulacji wykorzystywana jest różnica ciśnienia pary nasyconej czynnika roboczego w gałęziach obiegu ciepłej i zimnej. Jest to zupełnie nowy typ wymiennika ciepła, nie znany i nie wykorzystywany jeszcze w praktyce światowej. 1. Wprowadzenie Zjawisko konwekcji naturalnej jest dobrze znane, łatwe do realizacji w urządzeniach cieplnych i szeroko stosowane w technice. Konwekcja naturalna służy do przekazywania ciepła tylko z dołu ku górze. Natomiast przekazywanie ciepła z góry do dołu, tzn. w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej napotyka na pewne trudności przy realizacji. Na przykład, przekazywanie ciepła przez przewodzenie nie zależy od kierunku, ale taki sposób jest mało intensywny i działa na ograniczonej odległości. Sporo innych sposobów i konstruktywnych rozwiązań proponowane jest do przekazywania ciepła w dół [1], ale tylko obwód hydrauliczny z konwekcją wymuszoną przez pompę cyrkulacyjną jest efektywnym i znajduje praktyczne wykorzystanie. Ważną zaletą takiego obiegu jest możliwość przekazywania ciepła na znaczną pionową odległość, a wadą − konieczność stałego zasilania pompy energią wysokiej jakości (elektrycznością). 2. Teoretyczne podstawy działania Termosyfon odwrotny zastępuje pompę cyrkulacyjną i zapewnia cyrkulację ciekłego nośnika ciepła w tym samym obwodzie hydraulicznym kosztem niewielkiej części ciepła, które przeznaczone do przekazywania [2, 3]. Dla wymuszenia cyrkulacji wykorzystywana jest różnica ciśnienia pary nasyconej czynnika roboczego w ciepłej i zimnej gałęziach obiegu. Dla powstania pary obieg powinien być nie zupełnie wypełniony. Przy nagrzanej jednej gałęzi obiegu poziom cieczy w ciepłej gałęzi samorzutnie ustali się nieco wyższej niż w gałęzi zimnej na skutek różnicy gęstości cieczy w tych gałęziach (Rys. 1a). Zjawisko to jest przyczyną powstania powszechnie znanej konwekcji naturalnej. Jeżeli natomiast zamkniemy górną część obiegu, to nad cieczą ustali się ciśnienie pary nasyconej, które w gałęzi ciepłej jest istotnie większe od ciśnienia w gałęzi zimnej. Siła pary, działająca w kierunku odwrotnym do kierunku siły konwekcji naturalnej, pokonuje tą siłę i przetłacza ciecz przez dolną część obiegu do gałęzi zimnej, podnosząc poziom w gałęzi zimnej znaczne wyższej, niż w gałęzi ciepłej (Rys. 1b). To stwarza warunki do przelania nadmiaru cieczy z zimnej gałęzi do górnej części gałęzi ciepłej. W tym celu trzeba połączyć gałęzie dodatkowym kanałem pośrednim i otworzyć górne przejście obiegu, aby wyrównać ciśnienie nad cieczą w obu gałęziach. Podczas wyrównania różnicy ciśnienia część pary przechodzi z naczynia hhydr b a p 1= p 2 p 1> p 2 t1>t2 t 1> t 2 h pary-h hydr a b qźr qźr t1>t2 qużytk Rys. 1. Oddziaływanie gęstości cieczy (a) i pary nasyconej (b) na poziom cieczy w obiegu wypełnionym niezupełnie p1=p2 p1>p2 t1>t2 qużytk Rys. 2. Przetłaczanie cieczy parą nasyconą (a), i zlew nadmiaru cieczy z naczynia zimnego w ciepłe (b) zbiorczego ciepłego do naczynia zimnego. W przybliżeniu można założyć, że objętość przechodzącej pary równa się objętości cieczy przechodzącej z naczynia zimnego do naczynia ciepłego. Wskutek małej gęstości pary ilość ciepła przenoszonego przez parę do gałęzi zimnej jest stosownie mała. Oprócz tego to ciepło jest pochłaniane przez ciecz w górnej części naczynia zimnego i z powrotem przechodzi do gałęzi ciepłej podczas zlewu nadmiaru cieczy z gałęzi zimnej do gałęzi ciepłej. Zwiększenie poziomu cieczy w gałęzi ciepłej wskutek różnicy gęstości cieczy zależy nie tylko od różnicy temperatury, ale również od wysokości obiegu. Natomiast różnica ciśnienia pary nasyconej nad powierzchnią cieczy zależy wyłącznie od temperatury i wynosi od 0,6 do 35 (cm H2O)/K dla wody i od 40 do 300 (cm H2O)/K dla freonu w zakresie temperatury od 4 do 100°C. To są wystarczające wysokie wartości, aby zapewnić stabilną cyrkulację w odwrotnym termosyfonie o stosunkowo niewielkiej wysokości (do 10 m). Z dalszym wzrostem wysokości obiegu wzrasta różnica ciśnienia spowodowana różnicą gęstości cieczy w gałęziach obiegu. Przy określonej wysokości następuje wyrównanie wartości siły ciśnienia pary nasyconej i siły spowodowanej różnicą gęstości cieczy. Przy większej wysokości obiegu siła wynikająca z różnicy gęstości cieczy jest większa od siły ciśnienia pary. Obliczenia wskazują, że taka sytuacja następuje przy wysokości obiegu powyższej 70...400 m w zależności od temperatury. Ponieważ ciśnienie pary nasyconej zależy od temperatury, to ciśnienie w obiegu będzie zmienne i zazwyczaj inne niż ciśnienie atmosferyczne. Takie urządzenia powinny mieć dobrą szczelność. Istnieje możliwość utrzymania wewnątrz urządzenia ciśnienia atmosferycznego, jeżeli jako czynnik roboczy wykorzysta się roztwór gazu w cieczy [4]. W takim urządzeniu jest znaczne uproszczone rozwiązanie problemu uszczelnienia. Jednakże w tym przypadku niezbędne jest wymaganie, aby objętość gazu, który wydziela się przy nagrzewaniu roztworu, była większa niż objętość tego roztworu, a to z kolei zależy od różnicy temperatury, do jakiej roztwór jest nagrzewany. 3. Konstrukcja termosyfonu odwrotnego W celu zwiększenia masy ciekłego nośnika ciepła, który jest przepompowany w każdym cyklu, górne części gałęzi zostały wykonane z rozszerzonymi (Rys. 2a i 2b). Właściwy kierunek przepływu cieczy w dolnej części obiegu i przez kanał pośredni można zapewnić stosując, na przykład, zawory zwrotne. Natomiast periodyczne zamykanie i otwieranie przejścia górnego może być zrealizowane przez specjalny zawór sterowany w zależności od różnicy ciśnienia lub poziomu cieczy w gałęziach. Zawór sterujący jest jedynie najbardziej odpowiedzialną i złożoną częścią w całym urządzeniu. On powinien sprostać następującym wymaganiom: − otwieranie zaworu powinno nastąpić po osiągnięciu określonej różnicy ciśnienia (różnicy poziomów cieczy) w zimnej i ciepłej gałęziach, − zawór powinien zostać otwarty w trakcie całego czasu zlewu zimnej cieczy z górnej części gałęzi zimnej do gałęzi ciepłej przez kanał pośredni, − zamknięcie zaworu powinno nastąpić po wyrównaniu poziomów cieczy w zimnej i ciepłej gałęziach lub po podniesieniu cieczy w ciepłej gałęzi do określonego poziomu, − zawór powinien pozostać zamknięty w trakcie całego czasu obniżenia się poziomu cieczy w gałęzi ciepłej, − wszystkie działania zaworu sterującego powinny przebiegać samorzutnie. Jako zawór sterujący może być po prostu wykorzystane zamknięcie cieczowe. 4. Sprawdzenie laboratoryjne Sprawdzenie zasad działania termosyfonu odwrotnego zostało przeprowadzone na dwóch modelach laboratoryjnych wykonanych z przezroczystych elementów i wykorzystujące wodę jako nośnik ciepła. Modele sprawnie pracowali przy mocy elektrycznego źródła ciepła do 500 W i przekazywały ciepło do wymiennika usytuowanego niżej o 1 oraz 4 m. Poprawność teoretycznych założeń została stwierdzona doświadczalnie, co wykazało możliwość praktycznego stosowania takich urządzeń. Literatura 1. De Beni G. et al. (1982). Device for Passive Downward Heat Transport. Advances in heat pipe technology. - London. 673-683. 2. Dobrjans’kij Ju. P. Sposіb teploperedaćі і pristrіj dlja jogo zdіjsnennja. Patent of Ukraine. UA 15361 A; MPK F 28 D 25/00; 05.10.95; 30.06.97. /Promislova vlasnіst’ (Ofіcіjnij bjuleten’), 1997, №3 – s. 3.1.262. 3. Jurij Dobriański, Jolanta Fieducik Urządzenie do przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej. Biuletyn Urzędu Patentowego, nr 21 (725). 2001, str. 42-43. 4. Jurij Dobriański. Sposób przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej i urządzenie do przekazywania ciepła w kierunku przeciwnym do konwekcji naturalnej. Biuletyn Urzędu Patentowego, nr 14 (718). 2001, str. 59. Reverse thermosiphon (autonomous circulating contour with an inverse convection) Reverse thermosiphon is offered for a heat transfer in direction opposite to direction of a natural convection. Reverse thermosiphon substitutes the circulating pump in a usual circulating contour. The device works autonomously and cyclically. The difference of pressure of a saturated vapour in warm and cold branches of a contour is used for a forcing of circulation of the heat-carrier.
