23 października 2017


Niektóre wynalazki wydają się tak proste i oczywiste, że aż trudno uwierzyć, iż nikt wcześniej ich nie dokonał. Jednym z nich jest termosyfon odwrotny profesora Jurija Dobriańskiego z Katedry Elektrotechniki i Energetyki Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego.

Ryszard Romanowski

Konwekcja naturalna polegająca na przemieszczaniu ciepła z dołu do góry jest szeroko stosowana w wielu dziedzinach techniki, od systemów grzewczych, po proste układy chłodzenia silników cieplnych.
Przekazywanie ciepła w odwrotnym kierunku wymaga obiegów hydraulicznych z pompą cyrkulacyjną. Przekazywanie ciepła poprzez przewodzenie, które nie zależy od kierunku, jest mało intensywne i działa na niewielkie odległości. Wadą pompy cyrkulacyjnej jest konieczność  jej zasilania elektrycznością. W związku z tym osiągnięte efekty ekonomiczne rozwiązania są pomniejszane o wartość energii zużytej do napędu pompy.

konwekcja odwrotna
Obieg cyrkulacyjny instalacji słonecznej z cyrkulacją samoczynną

Termosyfon prof. Dobriańskiego zastępuje tradycyjną pompę i zapewnia cyrkulację cieczy, będącej nośnikiem ciepła, kosztem jego niewielkiej części. Jest zupełnie nowym wymiennikiem ciepła, nie znanym w praktyce światowej. Wymuszenie cyrkulacji odbywa się dzięki wykorzystaniu różnic ciśnienia pary nasyconej czynnika roboczego w ciepłych i zimnych gałęziach obiegu. Po nagrzaniu jednej z nich poziom cieczy samorzutnie ustala się nieco wyżej niż w gałęzi zimnej w skutek gęstości cieczy, podobnie jak to ma miejsce w konwekcji naturalnej.

13
Schemat urządzenia do przekazywania ciepła w dół z kolektorem słonecznym
1. Kolektor słoneczny
2. Urządzenie do przekazywania ciepła w dół
3. Wymiennik dodatkowy
4. Wymiennik wody użytkowej
5. Układ wypełniania i wytwarzania próżni

W przypadku gdy górna część obiegu zostanie zamknięta, nad poziomem cieczy powstanie ciśnienie pary nasyconej, które w gałęzi podgrzanej będzie znacznie wyższe niż w zimnej. Siła pary działać będzie w kierunku odwrotnym do kierunku konwekcji naturalnej. Siła ta, znacznie przewyższająca siłę konwekcji naturalnej, skierowana przeciwnie do jej wektora, przetłoczy ciecz przez dolną część obiegu do gałęzi zimnej, podnosząc w niej poziom cieczy. Jej nadmiar przeleje się do górnej części gałęzi cieplej poprzez kanał pośredni po otwarciu górnej części obiegu.

6
Schemat ideowy urządzenia
1. Gałąź opadowa, 2. Gałąź podnośna, 3. Naczynie ciepłe
4. Naczynie zimne, 5. Kanał pośredni, 6. Naczynie dozujące
7. Rura przepustowa, 8. Grzejnik, 9. Odbiornik ciepła

Podczas wyrównywania ciśnień część pary przechodzi z gałęzi ciepłej do zimnej. Można założyć, że jej objętość równa się objętości cieczy przechodzącej pomiędzy zbiornikami ciepłym i zimnym. Niewielka gęstość pary przechodzącej kanałem sprawia, że przenosi niewiele ciepła. Ponadto ciepło to jest pochłaniane przez zimną ciecz, a następnie przechodzi do gałęzi cieplej podczas zlewu nadmiaru cieczy.

7
Schemat modelu laboratoryjnego z dodatkowymi elementami oraz punktami pomiarowymi
1. Gałąź opadowa ciepła , 2. Gałąź podnośna zimna , 3. Kanał pośredni, 4. Grzałka
5. Zawór zwrotny, 6. Naczynie ciepłe, 7. Zawór sterujący, 8. Zawór odpowietrzający
9. Naczynie uszczelniające ciepłe, 10. Naczynie uszczelniające zimne, 11. Naczynie zimne
12. Zawór odpowietrzający, 13. Ciecz uszczelniająca (woda), 14. Rura przepustowa
15. Odbiornik ciepła, 16. Naczynie spustowe, 17. Zawór wlewowy, 18. Rura wlewowa
19. Rura podciśnieniowa, 20. Zawór spustowy

Zwiększenie poziomu cieczy w gałęzi ciepłej wskutek różnicy gęstości zależy od temperatury i wysokości obiegu. Różnica ciśnienia pary nasyconej nad powierzchnią cieczy zależy tylko od temperatury i wynosi od 0,6 do 35 K dla wody i od 40 do 300 K dla freonu, w zakresie od 4 do 100 °C. Wartości te są wystarczająco wysokie aby zapewnić stabilną cyrkulację termosyfonu o wysokości do 10 m.