Csőcsatornás téglákból felépített hőtároló kialakítása és működése

Az általam kialakított hőtároló járatai szabályos hatszög alapú hasábok, amelyek egymástól lemezköpennyel és hőszigeteléssel vannak elválasztva. A lemezköpeny a hőhordozó közeg benntartására, a hőszigetelés a szomszédos járatokkal történő hőcsere csökkentésére szolgál (50. ábra).

50. ábra Csőcsatornás hőtároló járat méretezett felülnézete

L1, …, L6 – a hőtároló járat geometriai méretei [m], Sj – a hőszigetelt, csőcsatornás hőtároló járat laptávolsága [m], ds – két hőtároló járat közötti hőszigetelés vastagsága [m], s – két csatorna osztástávolsága = egy csatornához tartozó, hatszög alapú hasáb alakú hőtároló anyagrész laptávolsága [m], sh – két csatorna közötti legkisebb anyagvastagság [m], Nc – a hőtároló járat csatornáinak száma [-], nc – a hőtároló járat oldalhossz menti csatornáinak

száma

Az 50. ábra elvi kialakítást tükröz, ahol fő cél az átláthatóság volt, a csatornák száma (N_c) az optimális megoldásoknál az ábrán látható csatornaszámnál jóval nagyobb lesz. Az ábrán a meghatározó geometriai méretek mellett fel van tüntetve a csatornák száma (Nc) és az oldalhossz menti csatornák száma (nc) közötti összefüggés, mellettük zárójelben az ábra aktuális értékeivel kiszámítva.

A csőcsatornás téglákban kiképzett, kör keresztmetszetű csatornák egyenlő oldalú háromszög-osztásban helyezkednek el. Egy-egy csatornához jól definiált, hatszög alapú hasáb alakú (középen furatos) szilárd hőtároló anyagtérfogat tartozik (az ábrákon csatornánként szaggatott vonallal körülhatárolva), amely a számítások során jól közelíthető ugyanekkora szilárd hőtároló anyagtérfogatú csővel (51. ábra).

51. ábra Az egy csatornához tartozó hőtároló anyagrész elvi közelítése és méretei d1 – a hőtároló csatorna belső átmérője [m], d2 – a hőtároló csatornához tartozó hőtároló anyagkeresztmetszet egyenértékű külső átmérője [m], s – két csatorna osztástávolsága = egy csatornához tartozó, hatszög alapú hasáb alakú hőtároló anyagrész laptávolsága [m], sh – két

csatorna közötti legkisebb anyagvastagság [m]

A járatok csőcsatornás téglákból épülnek fel, az egymásra épített téglák csőcsatornái a járat teljes magasságán végigfutó, folytonos csatornákat alkotnak. Egy járat – keresztmetszeti méreteinél fogva– nem alakítható ki a járat teljes keresztmetszetében egyetlen téglából. Az 52. ábra két lehetséges felosztást mutat.

52. ábra Egy járat keresztmetszetének lehetséges felosztásai

A hőtároló járat felépítésekor az egyes téglarétegek elhelyezhetők kötésben a mintázat rétegenkénti 60^o-os elforgatásával (53. ábra).

53. ábra A téglarétegek kötésben történő egymásra építése

Az egymáshoz illesztett, szabályos hatszög alapú hasáb alakú járatokból épül fel a hőtároló, amelynek burkolófelülete szintén szabályos hatszög alapú hasáb, lehetőség szerint H/St 1 aránnyal a kisebb hőveszteség céljából, spirálszerűen sorba kötött járatokkal (54-55. ábra).

54. ábra A csőcsatornás hőtároló szerkezete és a járatok sorba kötése

St – a szabályos hatszög alapú hasáb alakú hőtároló laptávolsága [m], H – a hőtároló egy járatában lévő töltet magassága [m], sz – a hőtároló külső hőszigetelésének vastagsága [m]

Az N_j járatszám teljes kitöltés esetén mindig páratlan számú lenne, az utolsó járat elhagyásával N_j párossá tehető. Ezzel a kialakítással egyszerre egy lefelé és egy felfelé menő járatból álló járatpár köthető be a hőhordozó közeg áramlási útvonalába vagy iktatható ki onnan úgy, hogy a járatoknak a hőhordozó közeg áramlási útvonalába történő bekötését vagy kiiktatását biztosító gépészeti berendezéseket a hőtároló tetején lehet elhelyezni, ahol azok biztonságosan hozzáférhetők, kezelhetők, javíthatók. A hőtároló alján pedig csupán a járatpárok fordulókamráit kell kialakítani.

A kihagyott járat helyén szervizakna alakítható ki, föld feletti és föld alá süllyesztett elhelyezés esetén egyaránt. Felszín feletti elhelyezésnél a hőhordozó közeget is a szervizaknában lehet a hőtároló tetejére fel- és onnan levezetni.

55. ábra Csőcsatornás hőtároló méretezett felülnézete

L7, …, L11 – a csőcsatornás hőtároló geometriai méretei [m], St – a szabályos hatszög alapú hasáb alakú hőtároló laptávolsága [m], sz – a hőtároló külső hőszigetelésének vastagsága [m], Sj – a hőszigetelt, csőcsatornás hőtároló járat laptávolsága [m], nj a hőtároló

oldalhossz menti járatainak száma [-], Nj – a hőtároló járatainak száma [-]

A hőtároló felülnézeti ábráján fel van tüntetve a járatok száma (N_j) és oldalhossz menti járatok száma (nj) közötti összefüggés, mellettük zárójelben az ábra aktuális értékeivel kiszámítva.

Töltéskor a meleg hőhordozó közeget a középső járat tetején vezetik be, a hőhordozó közeg a járaton végighaladva hőtartalmának egy részét a járat szilárd hőtároló anyagának leadva hűl (a járaton belül, függőleges irányban hőmérsékleti rétegződés alakul ki), a járat alsó része alatt kiépített fordulókamrában befordul a szomszédos járat alá (a járatok alsó összekötésének irányát szaggatott nyíl jelöli) és annak csatornáin halad felfelé. A második járat tetején kibukó hőhordozóközeg-áram ezután a soron következő járatpárba irányítható (íves nyíl jelöli). A járatpárok belülről kifelé haladó, spirálszerű kapcsolásban vannak felfűzve. A hőhordozóközeg-áramot mindig csak azokon a járatpárokon kell keresztülvezetni, amelyekben a hőmérsékletváltozási front éppen tartózkodik, a már felmelegedett és a még hideg járatpárok kiiktathatók a hőhordozó közeg áramlási útvonalából. Ezzel csökkenthető a szállítási teljesítményszükséglet. Az ürítés a töltéssel ellentétes irányban, kívülről befelé haladva történik.

A járatok spirálszerű sorba kötésével, a belülről kifelé haladó feltöltéssel, és a kívülről befelé haladó ürítéssel az áramlásirányú hőmérsékleti rétegződésen kívül sugár irányú hőmérsékleti rétegződés is kialakul, amellyel jelentősen csökkenthető a hőtároló palástfelületén keresztül a környezet felé irányuló hőveszteség, mert a hőtároló külső járatai csak a feltöltési szakasz végén és az ürítési szakasz kezdetén lesznek magas hőmérsékletűek. A belső járatokból a külső járatok felé, a járatszigeteléseken keresztül létrejövő „hőveszteség” nem veszteség, de a hőmérsékleti frontokat laposabbá teszi, ami csökkenti a hőtárolóba betölthető és kiüríthető hőmennyiséget, továbbá növeli a hőhordozó közeg szállítási munkaszükségletét (a hosszabban elnyúló változó hőmérsékletű, átmeneti zóna több járatpáron húzódik át, ezeken kell átáramoltatni a hőhordozó közeget).

A járatpároknak a hőhordozó közeg áramlási útvonalába történő be- és kiiktathatósága lehetőséget biztosít arra is, hogy a már majdnem kiürült járatokból külön ürítsünk alacsonyabb hőfokszintű hőt alacsonyabb hőfokszintet igénylő célra.

Magasabb hőfokszintet igénylő célra pedig a teljesen feltöltött járatpárokat lehet üríteni. Ezzel a módszerrel növelhető a hőmérsékletváltozási front meredeksége is, ami a hőtároló tökéletesebb ürítése révén javítja az összhatásfokot.

Épületfűtési célra alkalmazható a hőtároló maradék hőtartalmának hőszivattyú segítségével, a környezeti hőmérsékletszint alatti hőmérsékletre történő kimerítése.

Az így kimerített hőtároló a nyári időszakban légkondicionálási célra használható.