23 października 2021

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.       

8
Model laboratoryjny urządzenia

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.

15
Elementy instalacji - na poziomie usytuowania kolektora słonecznego, wys. 11 m (z lewej) i pod podestem (z prawej)

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.

16
Górna część urządzenia do przekazywania ciepła w dół

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.

11
Wyniki badań eksperymentalnych - moc grzania: 500 W

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.

12
Zmiany parametrów w czasie eksperymentu (moc grzania 750 W)

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.

Profesor Jurij Dobrianski
Profesor Jurij Dobriański

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
www.uwm.edu.pl
M. Duda, J. Dobriański, D. Chłudziński: Cykliczny termosyfon odwrócony o dwóch czynnikach roboczych, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, kwiecień – czerwiec 2014


artykuł pochodzi z wydania 3 (102) marzec 2016