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Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeumsetzer, insbesondere Sonnenenergieabsorber, der von Strömungskanälen durchsetzt, mit Zu- und Ableitungsanschlüssen versehen, nach aussen dicht abgeschlossen und von einem Wärmeträgermedium, vorzugsweise von einer Flüssigkeit, durch- strömbar ist, wobei im stabilen Betriebszustand in den Strömungskanälen Unterdruck gegenüber der benachbarten äusseren Umgebung des Wärmeumsetzers herrscht.
Wärmeumsetzer, insbesondere Sonnenenergieabsorber erlangen für die wirtschaftliche Energienutzung bzw. Energiegewinnung zunehmend an Bedeutung, jedoch stehen einer breiten Anwendung häufig die hohen Anschaffungskosten der bisher zur Verfügung stehenden Geräte und Anlagen entgegen.
Grundsätzlich wird zwischen konzentrierenden und nicht konzentrierenden Systemen unterschieden. Zu letzteren zählen die sogenannten Flachkollektoren, die auf eine absorbierende Fläche auftreffende Strahlungsenergie, insbesondere Sonnenstrahlung, an ein Wärmeträgermedium abgeben, welches die gewonnene Wärme direkt oder über Wärmetauscher ihrem Verwendungszweck zuführt.
Als Absorber dienen zumeist Metallplatten mit aufgebrachten Rohrschlangen, verschweisste Stahlbleche mit eingepressten Strömungskanälen oder sogenannte"Rollbond"-Absorber aus Aluminium.
Alle diese Systeme arbeiten im Normalbetrieb mit Überdruck des Wärmeträgermediums, der bei Verwendung eines flüssigen Wärmeträgermediums schon durch dessen Eigengewicht bedingt ist und sich bei höheren Temperaturen durch Dampfbildung bzw. den steigenden Dampfdruck noch erhöht.
Die Absorber müssen daher entsprechend stabil gebaut sein, was zusammen mit der Forderung nach geringem Wärmewiderstand und guter Verarbeitbarkeit in den üblichen Fertigungsverfahren relativ grosse Materialstärken und-mengen notwendig macht, was oft zu unerwünscht grosser Wärmekapazität und relativ hohem Materialverbrauch führt. Aus den genannten Gründen sind die bekannten Absorber auch verhältnismässig teuer und schwer.
Es ist zwar auch ein Absorber bekanntgeworden (DE-OS 2601976), bei welchem das dichte System bei Umgebungstemperatur auf einem Druck unterhalb des Umgebungsdruckes gehalten wird, so dass Sieden der Wärmeübertragungsflüssigkeit und dadurch Wärmeübertragung auftritt. Damit sind aber die eingangs geschilderten Nachteile nicht vermieden worden.
Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe, einen Wärmeumsetzer der eingangs geschilderten Art so zu verbessern, dass die geschilderten Nachteile vermieden sind und ein Wärmeumsetzer geschaffen wird, der im Vergleich zu bekannten Systemen wesentlich leichter und billiger ist, was in der Folge unter anderem gesenkte Transportkosten und eine verbesserte Ansprechgeschwindigkeit bei vergleichbarer mittlerer Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und Wärmeträgermedium bedeutet.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Strömuhgskanäle begrenzende flächige, insbesondere in an sich bei Sonnenkollektoren bekannterweise mit Profilierungen versehene Bauteile an den Rändern des Wärmeumsetzers miteinander verbunden sind und diese Bauteile sich unter der Wirkung des Unterdruckes aufeinander bzw. auf weitere, im Abstand voneinander angeordnete Bauteile, die Abstandhalter darstellen und einen Teil der Wandung des jeweiligen Strömungskanals bilden, abstützen, wobei diese Abstandhalter gemeinsam mit einem Teil der flächigen Bauteile oder die Profilierungen der flächigen Bauteile den Strömungskanalquerschnitt begrenzen und an die Strömungskanäle eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung bzw. Erzeugung des Unterdruckes anschliessbar ist, die einen tiefer als der Wärmeumsetzer angeordneten Behälter für das Wärmeträgermedium aufweist.
Das erfindungsgemässe System arbeitet daher im stabilen Betriebszustand mit Unterdruck, wobei dieser Unterdruck dazu ausgenutzt wird, die bei Überdruck entstehenden grossen Zugkräfte zwischen den Wärmeumsetzerbauteilen zu vermeiden. Auf diese Weise können die verwendeten Materialstärken wesentlich geringer gehalten werden und die Verbindung der Wärmeumsetzerbauteile bedeutend einfacher gestaltet werden, als dies bisher möglich war. Der Unterdruck in den Strömungskanälen des Wärmeumsetzers gewährleistet automatisch die Zusammenhaltung der Wärmeumsetzerbauteile derart, dass die gewünschten Strömungsquerschnitte für das Wärmeträgermedium im Normalbetrieb aufrecht erhalten werden.
Ist der Wärmeumsetzer nicht in Betrieb, so braucht dieser Unterdruck nicht aufrecht erhalten zu werden, soferne statt dessen nicht zerstörende Überdrücke auftreten. Die Strömungskanäle können praktisch beliebige Form haben und z. B. von dünnen, einfach zu gestaltenden Blechen gebildet sein, wobei ein weitgehender Verzicht auf feste Verbindungen zwischen denselben mit Ausnahme der Ränder möglich ist. Dies bedeutet eine gleich-
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zeitige Verbesserung der Qualität derartiger Wärmeumsetzer in wärmetechnischer Hinsicht, da die Ansprechgeschwindigkeit infolge der geringeren Wärmekapazitäten gesteigert wird. Selbstverständlich ist es möglich, zwischen den Rändern der die Strömungskanäle begrenzenden flächenförmigen Bauteile des Wärmeumsetzers einzelne feste Verbindungen dieser Bauteile, z.
B. zwecks Steigerung der mechanischen Stabilität, vorzusehen, wenn dies erforderlich ist.
Diese erfindungsgemässen Wärmeumsetzer, insbesondere Sonnenkollektoren sind bei geringem Gewicht in grossen Dimensionen auf viel einfachere Weise herstellbar, als dies bisher möglich war und können in zahlreichen Anwendungsgebieten eingesetzt werden. So können solche Sonnenkollektoren bei geeigneter Isolierung und Abdeckung infolge ihres geringen Gewichtes praktisch von jedem Dachstuhl, selbst von Dachstühlen in Leichtbauweise in klimatisch begünstigten Zonen getragen werden. Es ist jedoch auch möglich, die erfindungsgemässen Wärmeumsetzer in einer Flüssigkeit zu verwenden, wenn z. B. ein Flüssigkeit-Flüssigkeit-Wärmetausch gewünscht ist.
Die die Strömungskanäle begrenzenden flächenförmigen Bauteile müssen nicht eben sein, wenngleich diese Ausführungsform für übliche Flachkollektoren die zumeist vorliegende ist. Es ist auch möglich, die erfindungsgemässen Wärmeumsetzer aus die Strömungskanäle begrenzenden flächenförmigen, aber aufgerollten Bauteilen zu bilden, was aus Transportgründen, insbesondere bei
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der Absorberfläche.
Die an die Strömungskanäle anschliessbare Einrichtung zur Erzeugung bzw. Aufrechterhaltung des Unterdruckes steht mit dem Innenraum des Wärmeumsetzers in, das Wärmeträgermedium leitender, Verbindung. Für ein gasförmiges Wärmeträgermedium genügt z. B. ein die Luft durch den Wärmeumsetzer hindurchsaugender Ventilator zur Erzeugung des Unterdruckes. Bei vollkommen dichter Anlage und beim Fehlen eines unzulässigen Druckanstieges durch Sieden des flüssigen Wärmeträgermediums arbeitet die Erfindung nach einmaliger Erzeugung des Unterdruckes dauernd einwandfrei.
Der tiefer als der Wärmeumsetzer angeordnete Behälter für das Wärmeträgermedium soll gewährleisten, dass im Wärmeumsetzer auch dann der Unterdruck aufrecht erhalten bleibt, wenn das Wärmeträgermedium aus dem Wärmeumsetzer verdrängt wird, sei es durch Erhitzung des Wärmeumsetzers bis zur Dampfbildung oder durch ein Umgebungsmedium, welches durch ein Leck infolge des Unterdruckes in den Wärmeumsetzer eindringt. Das verdrängte Wärmeträgermedium wird vom Behälter aufgenommen, ohne dass im Wärmeumsetzer ein unzulässiger Druckanstieg entsteht. Der Behälter wird daher im allgemeinen einen offenen oder durch eine Membran abgedeckten Flüssigkeitsspiegel aufweisen.
Seine Ausbildung ist als eigener Behälter im engeren Sinne möglich, jedoch kann der Behälter auch von einem Schwimmbad, einem Wärmetauscherschlauch oder einem sonstigen Flüssigkeitsreservoir gebildet sein.
Infolge des dünneren Querschnittes der die Strömungskanäle begrenzenden flächigen Bauteile können beim Erfindungsgegenstand viel feinere Strömungskanäle als bei den gebräuchlichen Systemen ausgebildet werden. Dies ist in vielen Anwendungsfällen von Vorteil. Ferner besteht eine weitgehende Umströmbarkeit verstopfter Stellen, insbesondere wenn mit nur geringem Unterdruck in den Strömungskanälen gearbeitet wird.
Ferner ergeben sich beim Erfindungsgegenstand betriebstechnische Vorteile dahingehend, dass bei Auftreten eines Lecks im Unterdruckteil kein Wärmeträgermedium austreten und bei höherer Temperatur im Absorber auftretende Dampfbildung nicht schaden kann. Es ist möglich, den Erfindungsgegenstand so auszubilden, dass sich der Unterdruck mit Hilfe des Gewichtes einer Flüssigkeitssäule derart erzeugt, dass sich der Absorber bei Dampfbildung teilweise und reversibel und im Falle eines Lecks irreversibel von selbst in den Behälter entleert. Da die Leitungen des Absorberkreislaufes überdruckfrei sind, können sie einfach und billig ausgeführt werden. Die Umwälzung des Wärmeträgermediums kann wie bei konventionellen Anlagen durch Konvektion oder Pumpen erfolgen.
Um allfällige, z. B. durch Undichtheiten, in die Strömungskanäle eintretende Luft abzuscheiden und damit sicherzustellen, dass der Betrieb nicht gestört wird, hat gemäss einer Weiterbildung der Erfindung die Einrichtung zur Aufrechterhaltung bzw. Erzeugung des Unterdruckes Leitungen für das Wärmeträgermedium, in die eine Umwälzpumpe eingeschaltet ist, wobei zwischen
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der Druckseite der Umwälzpumpe und dem Wärmeumsetzer an die Leitungen eine zu einer Vorrichtung zur Abscheidung von Gasen aus dem flüssigen Wärmeträgermedium führende Abzweigung angeschlossen ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie einer Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind. Die Fig. 1 bis 3 zeigen in Schrägansicht, teilweise im Schnitt, drei Ausführungsvarianten eines Wärmeumsetzers, insbesondere eines Sonnenenergieabsorbers. Fig. 4 zeigt im Schema eine als Sonnenenergieabsorber dienende Wärmeumsetzeranlage. Fig. 5 zeigt die Weiterentwicklung einer Anlage zur Wiederherstellung verlorengegangenen Unterdruckes. Fig. 6 zeigt eine Ausführungsvariante zu Fig. 5 und Fig. 7 zeigt eine Anlage, die im Bereich des Absorbers mit durchgehend geringem Unterdruck arbeitet.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sind Strömungskanäle-l-eines Sonnenenergieabsorbers von zwei aus Blech ausgebildeten flächigen Bauteilen 3-- begrenzt, von denen der eine Bauteil --2-- eben ist und der andere Bauteil --3-- Strömungskanäle bildende Profilierungen hat.
Die beiden Bauteile --2, 3-- sind an ihren Längsrändern --4-- miteinander dicht verbunden, z. B. verschweisst. Die Querränder --5-- der beiden Bauteile -2, 3-- sind durch um diese Ränder - 5-- herumgebördelte Blenche --6-- überlappt, wodurch die Strömungskanäle-l-verbindende Sammelkanäle bzw. Vertielerkanäle --7-- gebildet werden, an die Zu- und Ableitungen --8-angeschlossen sind. Die Bleche --6-- sind mit ihren Rändern --9-- an den Bauteilen --2, 3-dicht angeschweisst, so dass das System nach aussen dicht ist. In den Strömungskanälen --1-kann daher im Betriebszustand des Sonnenenergieabsorbers Unterdruck, gegenüber der benachbarten äusseren Umgebung, aufrechterhalten werden.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind die beiden die Strömungskanäle begrenzenden Bauteile --2, 3-- an allen vier Rändern 5-- miteinander dicht verschweisst. Um die Bauteile --2, 3--zur Bildung der Strömungskanalquerschnitte voneinander im Abstand zu halten, sind Abstandhalter --10-- in regelmässigen Abständen voneinander vorgesehen. Für diese Abstandhalter sind alle Bauformen möglich, welche die Bauteile --2, 3-- derart auf Distanz voneinander halten, dass zwischen ihnen vom Wärmeträgermedium durchströmbare Zwischenräume verbleiben. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind die Abstandhalter --10-- von einem einzigen, entsprechend strukturierten Bauteil gebildet, der die Form eines Netzrasters hat. Linienraster mit Leisten oder Punktraster mit Noppen sind dafür mit Vorteil verwendbar. An die so gebildeten Strömungskanäle sind die Zu- bzw.
Ableitungen --8-- in beliebiger nicht näher dargestellter Weise angeschlossen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 sind die Srömungskanäle --1-- in eine den einen Bauteil --2-- bildende Platte eingearbeitet, die durch den als glattes, flaches Blech ausgebildeten andern Bauteil --3-- abgedeckt ist. Die beiden Bauteile --2, 3-- sind an den Rändern miteinander dicht verschweisst. Die Strömungskanäle --1-- sind an den Bauteil --2-- durchsetzende Zu- bzw.
Ableitungen --8-- angeschlossen.
Infolge der Aufrechterhaltung des Unterdruckes in den Strömungskanälen-l-und des dichten Abschlusses des von ihnen gebildeten Kanalnetzes können (ausser der Randverbindung der Bauteile --2, 3--) feste Verbindungen zwischen diesen beiden Bauteilen eingespart werden.
Fig. 4 zeigt ein System, bei welchem die auf einen als Sonnenenergieabsorber ausgebildeten Wärmeumsetzer --11--, der z. B. in der Art der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 1 bis 3 ausgebildet sein kann, einfallende Sonnenstrahlung --12-- hinsichtlich ihres Wärmeenergieinhaltes dadurch ausgenutzt wird, dass die im Wärmeumsetzer --11-- gewonnene Wärmeenergie durch Konvektion zur Weiterverwendung an einen Wärmetauscher --13-- übertragen wird, der über Leitungen --14, 15-- an die Zu- bzw. Ableitungen --8-- des Wärmeumsetzers --11-- angeschlossen ist. An die obere Leitung --15-- ist über eine Abzweigung --18-- ein Ventil --19-- angeschlossen.
An die untere Leitung --14-- ist über eine weitere Abzweigung --16-- ein tiefer als der vom Sonnenkollektor gebildete Wärmeumsetzer --11-- angeordneter Behälter --17-- für das flüssige Wärmeträgermedium angeschlossen. Der Umlauf des Wärmeträgermediums ist durch Pfeile 20 dargestellt und kann durch blosse Konvektion, aber auch durch Pumpen mittels einer nicht dargestellten Pumpe hervorgerufen werden.
Der in den Strömungskanälen des Wärmeumsetzers --11-- herrschende Unterdruck kann mit Hilfe des Gewichtes der Flüssigkeitssäule derart erzielt werden, dass zunächst
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der Behälter --17-- mit Flüssigkeit gefüllt wird und anschliessend bei geöffnetem Ventil --19-am offenen Ende der Abzweigung --18-- Unterdruck erzeugt wird, bis die aus dem Behälter --17-- über die Leitung --16-- hochsteigende Flüssigkeit das Niveau des Ventils --19-- erreicht hat, wobei Luft über eine Öffnung --21-- in den Behälter --17-- nachströmt, worauf das Ventil --19-geschlossen wird.
Fig. 5 zeigt eine Anlage, bei der eine zur Umwälzung des Wärmeträgermediums dienende Um- wälzpumpe --22--, die in das Leitungssystem zwischen Wärmeumsetzer --11-- und Wärmetauscher - eingeschaltet ist, auch zur Wiederherstellung verlorengehenden oder verlorengegangenen
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--19-- istventil --24-- eine Vorrichtung zur Abscheidung von Gasen aus dem flüssigen Wärmeträgermedium bildet. Der Ersatz mangelnden Unterdruckes im System, hervorgerufen beispielsweise durch Eindringen von Gasen an einer Leckstelle, erfolgt hiebei derart, dass sich die Gase infolge ihres Auftriebes im Behälter --23-- abscheiden, wodurch in diesem das Flüssigkeitsniveau sinkt.
Dadurch schliesst das Ventil --19--, wodurch im Behälter --23-- der Druck erhöht wird, das Rück-
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--24-- geöffnetUmwälzpumpe --22-- über die Leitungen --16 und 15-- Flüssigkeit aus dem Behälter --17-- in den Behälter --23-- gefördert, wodurch der Anfangszustand wiederhergestellt wird.
Kleine Undichtheiten in der Anlage stören daher nicht.
Wird ferner der Wärmeumsetzer --11-- bei Nichtbetrieb mit Luft oder einem andern Gas gefüllt, so wird Dampfbildung im Sonnenkollektor --11-- verhindert und eine Ventilwirkung erzielt, die eine Wiederabgabe bereits durch den Wärmeumsetzer --11-- gewonnener Wärme vermeidet. Sammelt man dabei das flüssige Wärmeträgermedium in einem nicht frostgefährdeten Bereich der Anlage, so benötigt man keinerlei Frostschutzmittel. Eine hiefür besonders geeignete Anlage ist in Fig. 6 dargestellt, bei welcher zusätzlich zu der Ausführungsform nach Fig. 5 in den Kreislauf des durch
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WärmeträgermediumsVorrichtung --23, 24-- zu Abscheidung von Gasen.
Bei allen oben angeführten Betriebssystemen treten im Laufe des Betriebes oder bei Einoder Ausschaltvorgängen sehr verschiedene und umso grössere Materialbelastungen im Absorberteil des Wärmeumsetzers --11-- auf, je grössere Höhendifferenzen dieser überbrücken muss. Aber auch im Falle grosser Höhendifferenzen lassen sich für den Bau des Absorbers unverhältnismässig dünne Materialstärken verwenden, wenn die Anlage im Sinne der Erfindung so ausgelegt wird, dass im Inneren des Absorberteils nur geringere Druckdifferenzen auftreten können, wie sie allein durch den statischen Druck des Wärmeträgermediums in dem gefüllten Wärmeumsetzer erzeugt werden. Im Idealfall sind diese Druckdifferenzen gleich Null, was bedeutet, dass im Absorberteil der Strömungswiderstand nur durch das Gewicht des Wärmeträgermediums überwunden wird.
Dies ermöglicht es z. B., einen 7 m langen Sonnenenergieabsorber, der auf einem schrägen Hausdach 4 m Höhe überbrückt, mit einem Unterdruck von durchgehend nur 0,03 bar zu betreiben und entsprechend materialsparend auszulegen. Fig. 7 zeigt eine hiefür geeignete Anlage, die im Bereich
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Ausgangszustand automatisch wieder herstellt, unabhängig von Temperatureinflüssen, von der durch Undichtheiten eingedrungenen Luftmenge oder von andern Einflüssen, ohne dass dabei der als Sonnenenergieabsorber ausgebildete Wärmeumsetzer aufgebläht wird.
Die Funktionsweise ist hiebei wie folgt : Zu Beginn ist die Anlage bis zum Niveau H im Behälter --25-- mit dem Wärmeträgermedium gefüllt und oberhalb dieses Niveaus H über einen weiteren, an die Druckseite der Umwälzpumpe --22-- über eine Abzweigung --26-- angeschlossenen Behälter --27-- belüftet, der über eine Öffnung --28-- mit der umgebenden Atmosphäre in Verbindung steht. Das Ventil --19--
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ist bei dieser Ausführungsform an den Behälter --25-- angeschlossen und zu Betriebsbeginn (Einschalten der Umwälzpumpe --22--) geschlossen.
Der Behälter --25-- steht über das Rückschlag- ventil --24-- mit einem weiteren Behälter --30-- in Verbindung, der einerseits über die Ab- leitung --8-- mit dem Wärmeumsetzer --11--, anderseits über eine Umgehungsleitung --29-mit dem zusätzlichen Behälter --23-- verbunden ist. Bei Beginn des Betriebes füllt die Pumpe - 22-- zunächst den unteren Teil der Leitung --15-- bis zur Abzweigung --26--, wobei der unter Atmosphärendruck stehende weitere Behälter --27-- als Ausgleichsgefäss dient.
Erst mit dem weiteren Ansteigen der Flüssigkeit in den oberen Teil der Leitung --15-- bis in den zusätzlichen Behälter --23-- wird der Unterdruck im Wärmeumsetzer --11-- aufgebaut, da dieser bis dahin über den oberen Teil der Leitung --15-- und den weiteren Behälter --27-- unter Atmosphärendruck stand. Die Umgehungsleitung --29-- bedingt dabei den gleichen geringen Unterdruck im Wärmeumsetzer --11-- und in den Behältern --23 und 30--. Das sich im Behälter --30-- sammelnde flüssige Wärmeträgermedium fliesst durch das offene Rückschlagventil --24-- in den Behälter --25-- ab und wird diesem über den Wärmetauscher --13-- durch die Umwälzpumpe --22-- wieder entnommen.
Mit strichlierten Linien ist ein Beispiel für die Flüssigkeitsstandhöhe in den Behältern --23, 25, 27-- bei laufender Umwälzpumpe --22-- eingezeichnet. Bei Abschalten der Umwälzpumpe --22- schliesst das Rückschlagventil --24--, der Wärmeumsetzer --11-- entleert sich in den Behälter --30--, das Ventil --19-- öffnet und der Inhalt des Behälters --27-- kann sich in den Behälter --25-- entleeren, worauf der in den Behältern --23 und 30--noch herrschende Unterdruck über die Leitung --15-- abgebaut und dadurch das Rückschlagventil --24-- geöffnet wird, was den Anfangszustand wieder herstellt.
Die gashaltige Umgehungsleitung --29-- kann gleichzeitig mit einem Teil ihres Querschnittes als Überlaufleitung für das Wärmeträgermedium zur Regelung des Flüssigkeitsspiegels im zusätzlichen Behälter --23-- dienen. Dadurch wird vermieden, dass der Durchsatz der Umwälzpumpe --22-- an den vom Wärmeumsetzer benötigten Durchsatz genau angepasst werden muss, was die Regelung der Umwälzpumpe --22-- erleichtert.
Wenngleich im vorstehenden die Erfindung in ihrer Anwendung auf Sonnenenergieabsorber beschrieben wurde, lässt sie sich ganz allgemein auf jedweden Wärmeumsetzer anwenden, der an seiner Oberfläche aufgenommene Wärmeenergie auf ein den Wärmeumsetzer durchströmendes Wärmeträgermedium (oder umgekehrt) übertragen kann, sowie auf dessen Betriebsanlagen. Dies gestattet den Bau von extrem billigen und leichten grossflächigen Heiz- und Kühlkörpern, sowie Wärmetauschern.
Als Wärmeträgermedium dient normalerweise eine Flüssigkeit, jedoch ist die Erfindung auch auf Anlagen anwendbar, bei denen der Wärmeumsetzer von einem Gas durchströmt wird, welches gegenüber der jeweils benachbarten Umgebung unter Unterdruck steht.
Als Material für die Bauteile, die die Strömungskanäle des Wärmeumsetzers begrenzen, eignen sich insbesondere Bleche, aber auch Metall- oder Kunststoffolien oder-platten, die in an sich bekannter Weise zugleich als Wärmeisolation verwendet werden können, z. B. als abstrahlungsarme Aluminium-Rückseite.
Schaumstoffplatten können z. B. bei einer Ausführungsform gemäss Fig. 3 als rückseitiger Bauteil --2-- bei Sonnenkollektoren mit Vorteil Anwendung finden. Es ist jedoch auch möglich, die beiden die Strömungskanäle begrenzenden Bauteile --2, 3-- in einem einzigen Stück auszubilden, z. B. in Form eines zusammengefalteten Bleches.
Ferner ist es möglich, für mehrere Wärmeumsetzer, die miteinander zusammengeschaltet sind, einen oder mehrere gemeinsame zusammengeschaltete Behälter für das Wärmeträgermedium vorzusehen.
Bei einer konkreten Ausführungsform ergaben sich im Vergleich zwischen einem käuflich erwerbbaren Rollbondabsorber und einem nach Fig. 1 ausgebildeten erfindungsgemässen Absorber folgende Vergleichswerte :
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<tb>
<tb> Rollbond- <SEP> Erfindungsgemässer <SEP>
<tb> - <SEP> Absorber <SEP> Absorber
<tb> Material <SEP> Aluminium <SEP> Aluminium
<tb> Blechstärke <SEP> 2 <SEP> x <SEP> 0, <SEP> 75 <SEP> mm <SEP> 2 <SEP> x <SEP> 0, <SEP> 1 <SEP> mm
<tb> Gewicht <SEP> leer <SEP> 4 <SEP> kg/m2 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> kg/m2 <SEP>
<tb> Volumen <SEP> des <SEP> Kanalsystems <SEP> incl.
<SEP> Sammelkanäle <SEP> 400 <SEP> cm3 <SEP> 300 <SEP> cm3
<tb> Wärmekapazität <SEP> bei
<tb> Wasserfüllung <SEP> 5000 <SEP> Ws/m2 <SEP> K <SEP> 1800 <SEP> Ws/m2 <SEP> K <SEP>
<tb> Verbindung <SEP> zwischen
<tb> den <SEP> Blechen <SEP> grossflächig <SEP> nur <SEP> an <SEP> den <SEP> Rändern
<tb> Wärmekapazität <SEP> leer <SEP> 3800 <SEP> Ws/m2K <SEP> 540 <SEP> Ws/m2 <SEP> K <SEP>
<tb>
PATENTANSPRÜCHE :
1.
Wärmeumsetzer, insbesondere Sonnenenergieabsorber, der von Strömungskanälen durchsetzt, mit Zu- und Ableitungsanschlüssen versehen, nach aussen dicht abgeschlossen und von einem Wärmeträgermedium, vorzugsweise von einer Flüssigkeit, durchströmbar ist, wobei im stabilen Betriebszustand in den Strömungskanälen Unterdruck gegenüber der benachbarten äusseren Umgebung des Wärmeumsetzers herrscht, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (1) begrenzende flächige, insbesondere in an sich bei Sonnenkollektoren bekannter Weise mit Profilierungen versehene Bauteile (2,3) an den Rändern (4,5) des Wärmeumsetzers miteinander verbunden sind und diese Bauteile sich unter der Wirkung des Unterdruckes aufeinander bzw.
auf weitere, im Abstand voneinander angeordnete Bauteile, die Abstandhalter (10) darstellen und einen Teil der Wandung des jeweiligen Strömungskanals (1) bilden, abstützen, wobei diese Abstandhalter (10) gemeinsam mit einem Teil der flächigen Bauteile (2,3) oder die Profilierungen der flächigen Bauteile (2,3) den Strömungskanalquerschnitt begrenzen und an die Strömungskanäle (1) eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung bzw. Erzeugung des Unterdruckes anschliessbar ist, die einen tiefer als der Wärmeumsetzer angeordneten Behälter (17,25, 30) für das Wärmeträgermedium aufweist.
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The invention relates to a heat converter, in particular solar energy absorber, which is penetrated by flow channels, provided with inlet and outlet connections, sealed off from the outside and through which a heat transfer medium, preferably a liquid, can flow, with negative pressure in the flow channels in the stable operating state compared to the neighboring external environment of the heat exchanger.
Heat converters, in particular solar energy absorbers, are becoming increasingly important for the economic use of energy or energy generation, however, widespread use often stands in the way of the high acquisition costs of the devices and systems available to date.
A basic distinction is made between concentrating and non-concentrating systems. The latter include the so-called flat-plate collectors, which emit radiation energy, in particular solar radiation, which strikes an absorbing surface, to a heat transfer medium which supplies the heat obtained directly or via heat exchangers to their intended use.
Metal plates with attached pipe coils, welded steel sheets with pressed-in flow channels or so-called "roll bond" absorbers made of aluminum are mostly used as absorbers.
All these systems work in normal operation with overpressure of the heat transfer medium, which is already due to its own weight when using a liquid heat transfer medium and increases at higher temperatures due to the formation of steam or the increasing steam pressure.
The absorbers must therefore be built accordingly stable, which together with the requirement for low heat resistance and good processability in the usual manufacturing processes necessitates relatively large material thicknesses and quantities, which often leads to undesirably large heat capacity and relatively high material consumption. For the reasons mentioned, the known absorbers are also relatively expensive and heavy.
An absorber has also become known (DE-OS 2601976), in which the dense system is kept at ambient temperature at a pressure below the ambient pressure, so that boiling of the heat transfer liquid and thereby heat transfer occurs. However, the disadvantages described at the beginning have not been avoided.
The invention has for its object to improve a heat converter of the type described in such a way that the disadvantages described are avoided and a heat converter is created which is considerably lighter and cheaper in comparison with known systems, which in turn results in reduced transport costs and an improved response speed with a comparable mean temperature difference between surface and heat transfer medium.
The invention solves this problem in that the flow channels delimiting planar components, in particular in components known per se with solar collectors, are connected to one another at the edges of the heat exchanger and these components are at a distance from one another or from one another under the effect of the negative pressure arranged components, which represent spacers and form part of the wall of the respective flow channel, these spacers, together with part of the flat components or the profiles of the flat components, limit the flow channel cross section and to the flow channels a device for maintaining or generating the negative pressure can be connected, which has a container for the heat transfer medium arranged lower than the heat converter.
The system according to the invention therefore works in a stable operating state with negative pressure, this negative pressure being used to avoid the large tensile forces between the heat converter components which arise under excess pressure. In this way, the material thicknesses used can be kept significantly lower and the connection of the heat exchanger components can be made significantly easier than was previously possible. The negative pressure in the flow channels of the heat converter automatically ensures that the heat converter components are held together in such a way that the desired flow cross sections for the heat transfer medium are maintained in normal operation.
If the heat exchanger is not in operation, this underpressure need not be maintained unless non-destructive overpressures occur instead. The flow channels can have virtually any shape and z. B. be formed by thin, easy-to-design sheets, a largely dispense with fixed connections between the same with the exception of the edges is possible. This means an equal
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timely improvement of the quality of such heat converters from a thermal point of view, since the response speed is increased due to the lower heat capacities. Of course, it is possible between the edges of the sheet-like components of the heat converter delimiting the flow channels, individual solid connections of these components, for.
B. to increase the mechanical stability, if necessary.
These heat converters according to the invention, in particular solar collectors, can be produced in large dimensions in a much simpler manner and at a lower weight than was previously possible and can be used in numerous fields of application. Such solar collectors can be worn with suitable insulation and cover due to their low weight practically from any roof truss, even lightweight roof trusses in climatically favorable zones. However, it is also possible to use the heat converters according to the invention in a liquid if, for. B. a liquid-liquid heat exchange is desired.
The sheet-like components delimiting the flow channels do not have to be flat, although this embodiment is the most common for conventional flat-plate collectors. It is also possible to form the heat converters according to the invention from sheet-like, but rolled-up components delimiting the flow channels, which for transport reasons, in particular in the case of
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the absorber surface.
The device that can be connected to the flow channels for generating or maintaining the negative pressure is connected to the interior of the heat converter in a manner that conducts the heat transfer medium. For a gaseous heat transfer medium z. B. a fan sucking the air through the heat converter to generate the negative pressure. In the case of a completely dense system and in the absence of an impermissible pressure increase due to the boiling of the liquid heat transfer medium, the invention works continuously properly after the negative pressure has been generated once.
The container for the heat transfer medium arranged lower than the heat converter is intended to ensure that the negative pressure is maintained in the heat converter even if the heat transfer medium is displaced from the heat converter, be it by heating the heat converter until steam formation or by an ambient medium caused by a Leak penetrates into the heat exchanger due to the negative pressure. The displaced heat transfer medium is absorbed by the tank without causing an inadmissible pressure rise in the heat exchanger. The container will therefore generally have an open liquid level or a liquid level covered by a membrane.
It can be designed as a separate container in the narrower sense, but the container can also be formed by a swimming pool, a heat exchanger hose or another liquid reservoir.
As a result of the thinner cross section of the flat components delimiting the flow channels, much finer flow channels can be formed in the subject matter of the invention than in the conventional systems. This is an advantage in many applications. There is also an extensive flow around blocked areas, especially when working with only a slight negative pressure in the flow channels.
Furthermore, there are operational advantages in the subject matter of the invention in that when a leak occurs in the negative pressure part, no heat transfer medium escapes and steam formation occurring at a higher temperature in the absorber cannot damage. It is possible to design the subject matter of the invention in such a way that the negative pressure is generated with the aid of the weight of a liquid column in such a way that the absorber empties itself partially and reversibly in the event of steam formation and irreversibly in the event of a leak. Since the lines of the absorber circuit are free of overpressure, they can be carried out simply and cheaply. The heat transfer medium can be circulated by convection or pumps, as in conventional systems.
To any, e.g. B. by leaks to separate air entering the flow channels and thus to ensure that the operation is not disturbed, according to a development of the invention, the device for maintaining or generating the vacuum lines for the heat transfer medium, into which a circulation pump is switched on, whereby between
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a branch leading to a device for separating gases from the liquid heat transfer medium is connected to the lines of the pressure side of the circulation pump and the heat converter.
Further features and advantages of the invention result from the subclaims and a description of exemplary embodiments which are shown schematically in the drawings. 1 to 3 show, in an oblique view, partly in section, three design variants of a heat converter, in particular a solar energy absorber. FIG. 4 shows in the diagram a heat conversion system serving as a solar energy absorber. 5 shows the further development of a system for restoring lost negative pressure. FIG. 6 shows an embodiment variant of FIG. 5 and FIG. 7 shows a system which works in the area of the absorber with a continuously low vacuum.
In the embodiment according to FIG. 1, flow channels-1-of a solar energy absorber are delimited by two sheet-like components 3-- formed from sheet metal, of which one component --2-- is flat and the other component --3-- profiles forming flow channels Has.
The two components --2, 3-- are sealed together at their longitudinal edges --4--, e.g. B. welded. The transverse edges --5-- of the two components -2, 3-- are overlapped by flanges --6-- flanged around these edges - 5--, as a result of which the flow channels-l connecting collecting channels or vertical channels --7-- are formed, to which supply and discharge lines --8-are connected. The sheets --6-- are welded with their edges --9-- to the components --2, 3-tight, so that the system is tight to the outside. In the flow channels --1 - negative pressure can therefore be maintained in the operating state of the solar energy absorber compared to the neighboring external environment.
In the embodiment according to FIG. 2, the two components --2, 3-- delimiting the flow channels are tightly welded to one another at all four edges 5--. In order to keep the components --2, 3 - at a distance from each other to form the flow channel cross sections, spacers --10-- are provided at regular intervals from one another. All designs are possible for these spacers, which keep the components --2, 3-- at a distance from each other in such a way that there are gaps between which the heat transfer medium can flow. In the embodiment according to FIG. 2, the spacers --10-- are formed by a single, correspondingly structured component which has the shape of a grid pattern. Line grids with bars or dot grids with knobs can be used with advantage. The inflow or outflow to the flow channels thus formed are
Derivatives --8-- connected in any manner not shown.
In the embodiment according to FIG. 3, the flow channels --1-- are worked into a plate forming one component --2--, which is covered by the other component --3-- designed as a smooth, flat sheet. The two components --2, 3-- are tightly welded together at the edges. The flow channels --1-- are on the component --2-- passing through or
Derivatives --8-- connected.
As a result of the maintenance of the negative pressure in the flow channels 1 and the tight closure of the channel network formed by them, (apart from the edge connection of the components -2, 3--) fixed connections between these two components can be saved.
Fig. 4 shows a system in which the heat converter designed as a solar energy absorber --11--, which, for. 1 to 3, incident solar radiation --12-- is exploited in terms of its thermal energy content in that the thermal energy obtained in the heat converter --11-- is obtained by convection for further use in a heat exchanger --13-- is transmitted, which is connected via lines --14, 15-- to the supply and discharge lines --8-- of the heat exchanger --11--. A valve --19-- is connected to the upper line --15-- via a branch --18--.
A further branch --16-- connects to the lower line --14-- a container --17-- for the liquid heat transfer medium which is lower than the heat converter --11-- formed by the solar collector. The circulation of the heat transfer medium is shown by arrows 20 and can be caused by simple convection, but also by pumping using a pump, not shown.
The negative pressure prevailing in the flow channels of the heat converter 11 can be achieved with the aid of the weight of the liquid column in such a way that initially
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the tank --17-- is filled with liquid and then, with the valve --19-open, at the open end of the branch --18-- negative pressure is created until it flows out of the tank --17-- via line --16 - Rising liquid has reached the level of the valve --19--, air flowing in through an opening --21-- into the container --17--, after which the valve --19-is closed.
5 shows a system in which a circulation pump --22-- which is used to circulate the heat transfer medium and which is connected to the line system between the heat converter --11-- and the heat exchanger - is also used to restore lost or lost units
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--19-- istventil --24-- forms a device for separating gases from the liquid heat transfer medium. The lack of negative pressure in the system, caused, for example, by the penetration of gases at a leak, is replaced in such a way that the gases separate out in the tank due to their buoyancy, causing the liquid level to drop in the tank.
This closes the valve --19--, which increases the pressure in the tank --23--, the return
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--24-- open Circulation pump --22-- pumped liquid from the tank --17-- into the tank --23-- via the lines --16 and 15--, which restores the initial state.
Small leaks in the system are therefore not a problem.
Furthermore, if the heat converter --11-- is filled with air or another gas when not in use, steam formation in the solar collector --11-- is prevented and a valve effect is achieved which avoids the re-emission of heat already obtained by the heat converter --11-- . If you collect the liquid heat transfer medium in an area of the system that is not at risk of frost, you do not need any antifreeze. A system which is particularly suitable for this is shown in FIG. 6, in which, in addition to the embodiment according to FIG
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Heat transfer medium device --23, 24-- for the separation of gases.
With all of the operating systems listed above, very different and greater material loads occur in the absorber part of the heat exchanger during operation or during switch-on or switch-off processes, the greater the height difference that this has to bridge. But even in the event of large differences in height, disproportionately thin material thicknesses can be used for the construction of the absorber if the system is designed in accordance with the invention in such a way that only smaller pressure differences can occur in the interior of the absorber part, such as those resulting solely from the static pressure of the heat transfer medium in the filled heat converter are generated. Ideally, these pressure differences are zero, which means that the flow resistance in the absorber part is only overcome by the weight of the heat transfer medium.
This enables e.g. B. to operate a 7 m long solar energy absorber, which bridges 4 m height on a sloping house roof, with a negative pressure of only 0.03 bar throughout and to be designed accordingly in a material-saving manner. Fig. 7 shows a plant suitable for this, which in the area
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Restores the initial state automatically, regardless of temperature influences, the amount of air that has entered through leaks or other influences, without the heat converter designed as a solar energy absorber being inflated.
The mode of operation is as follows: At the beginning, the system is filled up to level H in the tank --25-- with the heat transfer medium and above this level H via another, to the pressure side of the circulation pump --22-- via a branch - -26-- ventilated connected container --27--, which communicates with the surrounding atmosphere via an opening --28--. The valve --19--
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is connected to the tank --25-- in this embodiment and closed at the start of operation (switching on the circulation pump --22--).
The tank --25-- is connected via the check valve --24-- to another tank --30--, which on the one hand via the discharge pipe --8-- to the heat exchanger --11-- , on the other hand, is connected to the additional container --23-- via a bypass line --29. At the start of operation, the pump - 22-- first fills the lower part of the line --15-- up to the branch --26--, whereby the additional tank --27--, which is under atmospheric pressure, serves as a compensation tank.
Only with the further rise of the liquid in the upper part of the line --15-- to the additional container --23-- is the negative pressure built up in the heat converter --11--, since this will then be via the upper part of the line --15-- and the other container --27-- was under atmospheric pressure. The bypass line --29-- requires the same low vacuum in the heat exchanger --11-- and in the tanks --23 and 30--. The liquid heat transfer medium that collects in the tank --30-- flows through the open check valve --24-- into the tank --25-- and is transferred to the tank via the heat exchanger --13-- by the circulation pump --22-- removed again.
The dashed lines show an example of the liquid level in the tanks --23, 25, 27-- with the circulation pump --22-- running. When the circulation pump --22- is switched off, the check valve --24-- closes, the heat exchanger --11-- empties into the tank --30--, the valve --19-- opens and the contents of the tank - 27-- can empty into the container --25--, whereupon the negative pressure still prevailing in the containers --23 and 30 - is released via the line --15-- and the check valve --24-- is thereby opened what restores the initial state.
The gas-containing bypass line --29-- can also serve as an overflow line for the heat transfer medium with part of its cross-section for regulating the liquid level in the additional tank --23--. This prevents the throughput of the circulation pump --22-- from having to be adapted exactly to the throughput required by the heat exchanger, which makes it easier to regulate the circulation pump --22--.
Although the invention has been described above in its application to solar energy absorbers, it can be applied in general to any heat converter which can transfer heat energy absorbed on its surface to a heat transfer medium flowing through the heat converter (or vice versa) and to its operating systems. This allows the construction of extremely cheap and light large-area heating and cooling elements, as well as heat exchangers.
A liquid is normally used as the heat transfer medium, but the invention is also applicable to systems in which a gas flows through the heat converter, which is under negative pressure with respect to the neighboring environment.
As material for the components that limit the flow channels of the heat converter, in particular sheets are suitable, but also metal or plastic films or plates, which can also be used as heat insulation in a manner known per se, for. B. as low-radiation aluminum back.
Foam sheets can e.g. B. in an embodiment according to FIG. 3 as a rear component --2-- can be used with advantage in solar collectors. However, it is also possible to form the two components --2, 3-- delimiting the flow channels in a single piece, e.g. B. in the form of a folded sheet.
Furthermore, it is possible to provide one or more common interconnected containers for the heat transfer medium for a plurality of heat converters which are interconnected.
In a specific embodiment, the comparison values between a commercially available roll bond absorber and an inventive absorber designed according to FIG. 1 resulted in the following comparison values:
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<tb>
<tb> Rollbond- <SEP> According to the invention <SEP>
<tb> - <SEP> absorber <SEP> absorber
<tb> Material <SEP> aluminum <SEP> aluminum
<tb> Sheet thickness <SEP> 2 <SEP> x <SEP> 0, <SEP> 75 <SEP> mm <SEP> 2 <SEP> x <SEP> 0, <SEP> 1 <SEP> mm
<tb> Weight <SEP> empty <SEP> 4 <SEP> kg / m2 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> kg / m2 <SEP>
<tb> Volume <SEP> of the <SEP> channel system <SEP> incl.
<SEP> collective channels <SEP> 400 <SEP> cm3 <SEP> 300 <SEP> cm3
<tb> heat capacity <SEP> at
<tb> Water filling <SEP> 5000 <SEP> Ws / m2 <SEP> K <SEP> 1800 <SEP> Ws / m2 <SEP> K <SEP>
<tb> Connection <SEP> between
<tb> the <SEP> sheets <SEP> over a large area <SEP> only <SEP> at <SEP> at the <SEP> edges
<tb> Heat capacity <SEP> empty <SEP> 3800 <SEP> Ws / m2K <SEP> 540 <SEP> Ws / m2 <SEP> K <SEP>
<tb>
PATENT CLAIMS:
1.
Heat converters, in particular solar energy absorbers, which are penetrated by flow channels, are provided with supply and discharge connections, are sealed off from the outside and can be flowed through by a heat transfer medium, preferably a liquid, with negative pressure prevailing in the flow channels in the stable operating state in relation to the neighboring external environment of the heat converter , characterized in that the flow channels (1) delimiting planar components (2, 3) provided in the manner known per se with solar collectors are connected to one another at the edges (4, 5) of the heat exchanger and these components are under the effect of the negative pressure on one another or
Support on further, spaced-apart components, which represent spacers (10) and form part of the wall of the respective flow channel (1), these spacers (10) together with a part of the flat components (2, 3) or the Profiles of the flat components (2, 3) limit the flow channel cross section and a device for maintaining or generating the negative pressure can be connected to the flow channels (1), said device having a container (17, 25, 30) for the heat transfer medium arranged lower than the heat exchanger .