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.
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.
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.
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.
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.
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.
Wzrost wysokości obiegu powoduje wzrost różnicy ciśnień wskutek różnicy gęstości cieczy w gałęziach obiegu. Podczas wzrostu wysokości można dojść do stanu, w którym siła wynikająca z różnicy gęstości cieczy jest większa niż wywołana ciśnieniem pary. Zgodnie z obliczeniami może do tego dojść, gdy wysokość obiegu w zależności od temperatury wyniesie od 70 do 400 m.
Ciśnienie pary nasyconej zależy od temperatury. W związku z tym ciśnienie w obiegu będzie różnić się od ciśnienia atmosferycznego i będzie zmienne. Istnieje możliwość utrzymania wewnątrz ciśnienia atmosferycznego, jeżeli jako czynnik roboczy wykorzysta się roztwór gazu w cieczy. Upraszcza to znacznie uszczelnienie urządzenia. Takie rozwiązanie wymaga jednak, aby objętość gazu wydzielanego przy nagrzewaniu roztworu była większa niż objętość tego roztworu. Zależy to od różnicy temperatur.
Działanie termosyfonu odwrotnego zostało sprawdzone na dwóch urządzeniach laboratoryjnych. Wykonano je z przeźroczystych elementów, a jako nośnik ciepła wykorzystano wodę. Modele działały bez zarzutu przekazując ciepło do wymiennika usytuowanego od 1 do 4 m poniżej termozaworów.
Konstruując urządzenia laboratoryjne zastosowano rozszerzone górne części gałęzi w celu zwiększenia masy nośnika ciepła. Właściwy kierunek przepływu cieczy, w dolnej części obiegu i przez kanał pośredni, zapewniają zawory zwrotne. Periodyczne zamykanie i otwieranie realizuje zawór sterowany różnicami ciśnienia lub poziomem cieczy w gałęziach.
Podczas prób używano wody i pentanu. Urządzenie eksperymentalne badano w temperaturach od 20 do 40 °C.
Najważniejszą częścią termosyfonu odwrotnego jest zawór sterujący. Jego otwieranie powinno nastąpić w momencie osiągnięcia określonej różnicy ciśnienia, sprawiającej różnicę w poziomach cieczy, w gałęziach ciepłej i zimnej. Zawór powinien pozostać otwarty w trakcie całego zlewu cieczy przez kanał pośredni i zamknąć się po wyrównaniu poziomów lub po osiągnięciu określonego poziomu. Powinien również pozostać zamknięty podczas obniżania się poziomu cieczy w gałęzi ciepłej. Działanie zaworu powinno odbywać się samorzutnie.
Termosyfony odwrócone o dwóch czynnikach roboczych działają w laboratoriach. Ciepło na razie zapewniają grzałki elektryczne o stosunkowo niewielkiej mocy. Przewiduje się zastosowanie do tego celu energii słonecznej.
Termosyfon został już opatentowany, nie tylko w Polsce. W związku z tym, że jego główne zastosowanie upatruje się w instalacjach solarnych, głównie skoncentrowano się na krajach, w których ze względu na klimat takie instalacje są bardzo popularne, jak np. USA, Taiwan, Niemcy, Austria. Francja, Włochy, Hiszpania, Brazylia, RPA. Niezwykle ważne jest opatentowanie termozaworu w Chinach. Kraj ten produkuje bowiem około 70% wytwarzanych na świecie kolektorów słonecznych. Rocznie w Państwie Środka powstaje ponad 30 mln m2 kolektorów.
Trwają prace nad udoskonaleniem urządzenia. Analizując zasadę jego działania można przypuszczać, że znajdzie zastosowanie w wielu dziedzinach techniki. Po zredukowaniu czasu cykli pracy może stać się silnikiem o niewielkim zapotrzebowaniu na energię.
Ryszard Romanowski
Bibliografia:
J. Dobriański: Termosyfon odwrotny (Samorzutny obieg cyrkulacyjny o konwekcji odwrotnej), Katedra Elektrotechniki i Energetyki, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie
M. Duda, J. Dobriański, D. Chłudziński: Cykliczny termosyfon odwrócony o dwóch czynnikach roboczych, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, kwiecień/czerwiec 2014
uwm.edu.pl
artykuł pochodzi z wydania 3 (102) marzec 2016
