CH641546A5

CH641546A5 - Heat transmission device

Info

Publication number: CH641546A5
Application number: CH356179A
Authority: CH
Inventors: Emil Baechli
Original assignee: Emil Baechli
Priority date: 1979-04-17
Filing date: 1979-04-17
Publication date: 1984-02-29
Also published as: JPS567948A; BE882831A; IT8012512A0; IT1136178B; ATA200580A; DE3014836A1; FR2454590A1; FR2454590B1; ZA802313B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungseinrichtung eines Sonnenkollektors, der über eine Vorlaufleitung mit einer auf tieferem Niveau, in getrennter Anordnung vorgesehenen W ärmeabgabezone bzw. einem W ärmespeicher verbunden ist, und der eine mit der Wärmeabgabezone bzw. dem Wärmespeicher verbundene Rücklauf leitung für den in der Wärmeabgabezone bzw. im Wärmespeicher kondensierten Dampf aufweist, wobei zum Transport des Kondensates eine Pumpe vorgesehen ist. The present invention relates to a heat transfer device of a solar collector, which is connected via a flow line to a heat emission zone or a heat accumulator provided at a lower level, in a separate arrangement, and which is connected to the heat emission zone or the heat accumulator return line for the in the Has heat emission zone or steam condensed in the heat accumulator, a pump being provided for transporting the condensate.

Die Wärmeübertragung zwischen Sonnenkollektor und Wärmeaustauscher erfolgt in bekannter Weise über Flüssigkeitsbzw. Luftumwälzung. Jedoch sind auch Systeme der Wärmeübertragung bekannt geworden, bei welchen innerhalb der Sonnenkollektoren der Wärmetransport über Wärmerohre, sogenannte Heat pipes, erfolgt und die weitere Übertragung zum Wärmespeicher über Flüssigkeitsumwälzung durch Leitungen, welche den im Wärmespeicher eingesetzten Wärmeaustauscher mit dem Sonnenkollektor verbinden, welcher seine Wärme an den Verbraucherkreislauf abgibt. In die Wärmeübertragungsleitung sind neben einer oder mehreren Pumpen noch Bypass-, Dreiwege- und Überlaufventile sowie Thermostate eingeschaltet. Bei dieser bekannten Anordnung befindet sich der Wärmespeicher im Keller oder im Garten des Anwesens. Letztere Anordnung ist immer dann gegeben, wenn z. B. neben der Warmwasserversorgung des Hauses noch ein Schwimmbad mit beheizt werden soll. The heat transfer between the solar collector and heat exchanger takes place in a known manner via liquid or. Air circulation. However, systems of heat transfer have also become known in which the heat is transported within the solar collectors via heat pipes, so-called heat pipes, and the further transfer to the heat accumulator via liquid circulation through lines which connect the heat exchanger used in the heat accumulator to the solar collector, which receives its heat relinquishes the consumer cycle. In addition to one or more pumps, bypass, three-way and overflow valves as well as thermostats are switched on in the heat transfer line. In this known arrangement, the heat accumulator is located in the basement or in the garden of the property. The latter arrangement is always given when z. B. in addition to the hot water supply of the house still a swimming pool to be heated.

Bei einem anderen Konzept der Speicherung der von den Sonnenkollektoren erzeugten Wärme wird die Anordnung des Wärmespeichers am obersten Punkt des Hauses, beispielsweise am Dachboden, vorgesehen. Hier wird ein nahezu druckloser Speicher verwendet (Veröffentlichung «Sonnenenergie», Herausgeber H. Matthöfer, aus der Reihe «Forschung aktuell»). In another concept of storing the heat generated by the solar panels, the arrangement of the heat store is provided at the top of the house, for example on the attic. An almost unpressurized storage is used here (publication "Solar Energy", editor H. Matthöfer, from the "Research Current" series).

Von Nachteil bei den bekannten Anordnungen ist jedoch die Tatsache, dass bei einer Anordnung des Wärmespeichers im Keller des Gebäudes eine oder mehrere mit Fremdenergie angetriebene Pumpen sowie verschiedene Ventile, welche durch technisch aufwendige Konstruktionen über Thermostaten, Durchflussmesser oder elektronisch gesteuert werden, vorgesehen werden müssen. A disadvantage of the known arrangements, however, is the fact that when the heat accumulator is arranged in the basement of the building, one or more pumps driven by external energy and various valves which are controlled by technically complex designs via thermostats, flow meters or electronically must be provided.

Beim Konzept der Anordnung des Wärmespeichers in gleicher Höhe mit dem Sonnenkollektor oder direkt unter der Kollektorfläche, beispielsweise auf dem Dachboden, besteht jedoch die Gefahr, dass bei diesem nahezu drucklos arbeitendem Speichersystem die Kollektorfläche bei Verdampfungsgefahr der Flüssigkeit im Sommer oder bei extremer Kälte im Winter leerläuft. Es sind daher thermisch hoch belastbare und somit teure Kollektoren erforderlich. With the concept of arranging the heat accumulator at the same height as the solar collector or directly under the collector surface, for example in the attic, there is a risk that with this storage system that works almost without pressure, the collector surface will run dry if there is a risk of evaporation of the liquid in summer or extreme cold in winter . Therefore, collectors that are highly thermally stable and therefore expensive are required.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmeübertragungseinrichtung zu schaffen, bei welcher das Wärmeträgermedium zwischen dem Sonnenkollektor und dem Wärmespeicher ohne Zuführung von Fremdenergie, insbesondere bei Anordnung des Wärmespeichers an einem wesentlich tieferen Punkt als des Wärmeerzeugers transportiert wird, wobei das System selbstregelnd sein soll, d. h. ohne zusätzliche Regelkreise auskommt. It is an object of the present invention to provide a heat transfer device in which the heat transfer medium is transported between the solar collector and the heat store without the supply of external energy, in particular when the heat store is arranged at a substantially lower point than the heat generator, the system being intended to be self-regulating, d. H. works without additional control loops.

Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Pumpe mit der Welle eines in die Vorlaufleitung geschalteten, dampfgetriebenen Motors antriebsverbunden ist. Der Vorteil der erfindungsgemässen Wärmeübertragungseinrichtung ist insbesondere darin zu erblicken, dass für den Kondensatrücklauf vom Wärmeaustauscher zum Sonnenkollektor keine durch Fremdenergie angetriebene Pumpen erforderlich sind, sondern das Zurückpumpen des Kondensats in den Sonnenkollektor durch eine von einem Dampfmotor angetriebene Pumpe erfolgt, wobei der Dampfmotor in der Vorlaufleitung und die Pumpe in der Kondensatrücklaufleitung angeordnet sind. Da bei steigender Erhitzung und somit Dampferzeugung der Dampfmotor schneller läuft und dabei die Pumpe eine entsprechend grössere Menge kondensiertes Wärmeträgermedium in den Verdampfer zurückfördert, ist ein einfacher Rücktransport des Kondensats gewährleistet. Der Kraftaufwand für das Pumpen ist sehr klein, dabei der Ausbildung der Kollektorrohre als sogenannte Heat pipes nur eine geringe Flüssigkeitsmenge umgewälzt zu werden braucht. Da weiterhin die Wärmeübertragung erst dann einsetzt, wenn im Kollektor eine höhere Temperatur erzielt ist, als der Wärmespeicher aufweist, sind keinerlei Steuer- und/ oder Regelorgane notwendig. According to the invention, the above-mentioned object is achieved in that the pump is drive-connected to the shaft of a steam-driven motor connected in the feed line. The advantage of the heat transfer device according to the invention can be seen in particular in the fact that no pumps driven by external energy are required for the condensate return from the heat exchanger to the solar collector, but the condensate is pumped back into the solar collector by a pump driven by a steam engine, the steam motor in the flow line and the pump are arranged in the condensate return line. Since the steam engine runs faster with increasing heating and thus steam generation and the pump conveys a correspondingly larger amount of condensed heat transfer medium back into the evaporator, a simple return transport of the condensate is guaranteed. The effort for pumping is very small, and the formation of the collector tubes as so-called heat pipes requires only a small amount of liquid to be circulated. Since the heat transfer continues only when a higher temperature is reached in the collector than the heat store has, no control and / or regulating elements are necessary.

Eine Wärmeübertragung erfolgt durch das verdampfte Medium im Sonnenkollektor sehr rasch zum Wärmeverbraucher und endet sofort, sobald in beiden Organen die gleiche Tempera-tur vorherrscht, oder im Sonnenkollektor eine niedrigere Temperatur eintritt als im Verbraucher. Durch den Wegfall der sonst üblichen Steuerorgane wird eine besonders wirtschaftliche Lösung erreicht. Heat is transferred very quickly to the heat consumer through the vaporized medium in the solar collector and ends immediately as soon as the same temperature prevails in both organs or a lower temperature occurs in the solar collector than in the consumer. By eliminating the otherwise usual tax bodies, a particularly economical solution is achieved.

Damit die Wärmeübertragung nicht vom Wärmespeicher zum Kollektor erfolgen kann, wird der Wärmeaustauscher im Wärmeverbraucher vorzugsweise so angeordnet, dass das im Wärmeaustauscher kondensierte Medium sofort abfliessen kann. Damit wird ausgeschlossen, dass die Wärme vom z. B. erhitzten Wärmespeicher in den beispielsweise nachts abgekühlten Sonnenkollektor zurückgefördert wird. So that heat cannot be transferred from the heat store to the collector, the heat exchanger in the heat consumer is preferably arranged in such a way that the medium condensed in the heat exchanger can flow off immediately. This prevents the heat from e.g. B. heated heat storage is fed back into the solar collector, for example, cooled at night.

Um ein Einfrieren der Flüssigkeit im Kollektor zu vermeiden, können die Zuleitungen zum Wärmeerzeuger sowie dieser selbst, im Bereiche der Einfrierungsgefahr Gefälle aufweisen, so dass das Wasser jederzeit in den Wärmeaustauscher zurückfliessen kann. Bei Verwendung anderer Medien, d. h. solcher, welche nicht einfrieren können, ist ein derartiges Gefälle nicht erforder2 In order to prevent the liquid in the collector from freezing, the supply lines to the heat generator, as well as the latter itself, can have a gradient in the area of the risk of freezing, so that the water can flow back into the heat exchanger at any time. When using other media, i. H. those who cannot freeze do not need such a slope2

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

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lieh. lent.

Weitere mögliche Ausbildungsformen des Erfindungsgegenstandes, insbesondere des Pumpenantriebes und der Verdampferrohre in den Sonnenkollektoren, gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor. So hat sich eine Vergrösserung der Innenoberfläche der Verdampferrohre des Sonnenkollektors besonders vorteilhaft ausgewirkt, da dadurch immer eine bestimmte Menge der Wärmeträgerflüssigkeit daran haften und somit die Innenoberfläche benetzt bleibt. Weiterhin können am Verdampferrohr über deren Länge verteilt kleine Flüssigkeitsreservoire verteilt sein, wodurch bei Inbetriebsetzung des Sonnenkollektors sofort eine ausreichende Flüssigkeitsmenge zur Verdampfung bereitsteht. Further possible forms of training of the subject matter of the invention, in particular the pump drive and the evaporator tubes in the solar collectors, emerge from the dependent claims. Thus, an enlargement of the inner surface of the evaporator tubes of the solar collector has had a particularly advantageous effect, since it always adheres to a certain amount of the heat transfer fluid and the inner surface thus remains wetted. Furthermore, small liquid reservoirs can be distributed over the length of the evaporator tube, so that a sufficient amount of liquid is immediately available for evaporation when the solar collector is started up.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt. Exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown in simplified form in the drawing.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 ein zum Stand derTechnik zu zählendes Verdampferrohr, eine sogenannte Heat pipe; 1 shows an evaporator tube to be counted in the prior art, a so-called heat pipe;

Fig. 2 eine erste erfindungsgemässe Anordnung der Wärmeübertragungseinrichtung; 2 shows a first arrangement according to the invention of the heat transfer device;

Fig. 3 ein Detail einer durch Dampf angetriebenen Pumpe; 3 shows a detail of a pump driven by steam;

Fig. 4 eine zweite erfindungsgemässe Anordnung der Wärmeübertragungseinrichtung; 4 shows a second arrangement of the heat transfer device according to the invention;

Fig. 5a-e verschiedene Ausbildungsformen eines Verdampferrohres in Längs- und Querschnitt. Fig. 5a-e different forms of training an evaporator tube in longitudinal and cross section.

In Fig. 1 ist mit 1"' ein abgeschlossenes, evakuiertes Wärmerohr (Heat pipe) bezeichnet, welches teilweise mit einem Wärmeträgermedium, vorzugsweise einer Flüssigkeit, gefüllt ist. In Fig. 1, 1 "'denotes a closed, evacuated heat pipe, which is partially filled with a heat transfer medium, preferably a liquid.

Durch Zufuhr von mit Pfeilen 2 bezeichneter Wärme verdampft das Wärmeträgermedium. Während beispielsweise das (in der Zeichnung) linke Ende V warm gehalten wird, das rechte Ende des Rohres 1" jedoch kalt bleibt, findet ein dauernder Energieübergang gemäss den Pfeilen 3 vom warmen Rohrende 1 ' zum kalten Rohrende 1" statt, wobei die Wärme am kalten Rohrende 1" gemäss den Pfeilen 2' an die Umgebung abgegeben wird. Da der Wärmeübergang sehr schnell erfolgt, tritt zwischen den beiden Rohrenden 1 ', 1" nur eine minimale Temperaturdifferenz auf. By supplying heat indicated by arrows 2, the heat transfer medium evaporates. For example, while the left end V in the drawing is kept warm, but the right end of the tube 1 "remains cold, there is a constant energy transfer according to the arrows 3 from the warm tube end 1 'to the cold tube end 1", the heat on cold pipe end 1 "according to the arrows 2 'to the environment. Since the heat transfer takes place very quickly, there is only a minimal temperature difference between the two pipe ends 1', 1".

Das Prinzip des in Fig. 1 beschriebenen, an sich bekannten Wärmerohres 1"' wird in der erfindungsgemässen Ausbildung einer Wärmeübertragungseinrichtung angewendet. In der Fig. 2 ist das Verdampferrohr 1 eines Sonnenkollektors über eine Rohrleitung 4 mit einem Wärmeaustauscher 5 verbunden, wobei das Verdampferrohr 1 als warmes Rohrende 1 ' und der Wärmeaustauscher 5 als kaltes Rohrende 1" wirken. Der Wärmeaustauscher ist in einem Wärmespeicher 6, beispielsweise einem Brauchwasserkessel, geneigt angeordnet. Der im Verdampferrohr 1 gebildete Dampf strömt durch die Rohrleitung 4 in den Wärmeaustauscher 5 und gibt dort die Wärme an die Umgebung, beispielsweise an Brauchwasser, ab. Das dabei gebildete Kondensat fliesst durch eine Rücklaufleitung 7 in den Sonnenkollektor zurück, wo es wiederum aufgeheizt, bzw. verdampft wird. In der Rohrleitung 4 ist ein dampfgetriebener Motor 8 angeordnet, The principle of the known heat pipe 1 "'described in FIG. 1 is used in the design of a heat transfer device according to the invention. In FIG. 2, the evaporator pipe 1 of a solar collector is connected to a heat exchanger 5 via a pipeline 4, the evaporator pipe 1 act as a warm pipe end 1 'and the heat exchanger 5 as a cold pipe end 1 ". The heat exchanger is inclined in a heat accumulator 6, for example a domestic water boiler. The steam formed in the evaporator tube 1 flows through the pipeline 4 into the heat exchanger 5 and releases the heat there to the environment, for example to process water. The condensate formed flows back through a return line 7 into the solar collector, where it is in turn heated or evaporated. A steam-driven motor 8 is arranged in the pipeline 4,

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welcher als Turbine ausgebildet ist und über eine gemeinsame Welle 9 eine Pumpe 10 antreibt. Die Pumpe 10 fördert das Kondensat zurück in das Verdampferrohr 1. which is designed as a turbine and drives a pump 10 via a common shaft 9. The pump 10 conveys the condensate back into the evaporator tube 1.

Aus der Detailansicht der Fig. 3 ist der generelle Aufbau des Dampfmotors 8 mit der damit gekuppelten Pumpe 10 ersichtlich. Die beiden Gehäuseteile sind entlang der Welle 9 durch Dichtungen 11 gegeneinander abgedichtet, so dass einerseits kein Dampf in die Kondensatpumpe 10 und andererseits kein Kondensat in den Dampfmotor 8 gelangen kann. The general structure of the steam engine 8 with the pump 10 coupled to it can be seen from the detailed view in FIG. 3. The two housing parts are sealed against one another along the shaft 9 by seals 11, so that on the one hand no steam can get into the condensate pump 10 and on the other hand no condensate can get into the steam motor 8.

In der Fig. 4 ist eine zweite Ausbildungsform der Wärmeübertragungseinrichtung dargestellt, wobei im Wärmespeicher 6 zwei oder mehrere Wärmeaustauscher 5,5' übereinander angeordnet sind. Diebeiden Wärmeaustauscher 5,5' sind untereinander durch eine Verbindungsleitung 12 verbunden, wobei in der Rohrleitung 4 ein Thermostat 13 und zwischen der Rohrleitung 4 und der Verbindungsleitung 12 ein von diesem gesteuertes Ventil 14 angeordnet ist. Wenn das aus dem Verdampferrohr 1 eines Sonnenkollektors kommende Wärmeträgermedium, beispielsweise Dampf, heisser ist als das Wasser im Wärmespeicher 6, wird der Zufluss des Wärmeträgermediums vom Thermostat 13 und dem Ventil 14 so gesteuert, dass zuerst die erste Stufe des Wärmeaustauschers 5' angeströmt wird und dann über die Verbindungsleitung 12 das Wärmeträgermedium in den Wärmeaustauscher 5 gelangt, wobei in diesem die Restwärme an das Brauchwasser im Wärmespeicher 6 abgegeben wird. Ist das Brauchwasser annähernd gleich warm wie das aus dem Sonnenkollektor kommende Wärmeträgermedium, wird nur der Wärmeaustauscher 5 durchströmt. Die Wärmeaustauscher 5,5' sind im Wärmespeicher 6 vorzugsweise geneigt angeordnet, da dadurch das Kondensat sofort abfliessen kann und nicht von neu einströmendem Dampf mitgerissen wird. FIG. 4 shows a second embodiment of the heat transfer device, two or more heat exchangers 5, 5 'being arranged one above the other in the heat accumulator 6. The two heat exchangers 5, 5 'are connected to one another by a connecting line 12, a thermostat 13 being arranged in the pipe 4 and a valve 14 controlled by the pipe 4 and the connecting line 12. If the heat transfer medium coming from the evaporator tube 1 of a solar collector, for example steam, is hotter than the water in the heat store 6, the inflow of the heat transfer medium is controlled by the thermostat 13 and the valve 14 in such a way that the first stage of the heat exchanger 5 ′ is flowed in first and then the heat transfer medium reaches the heat exchanger 5 via the connecting line 12, in which the residual heat is given off to the process water in the heat accumulator 6. If the process water is almost as warm as the heat transfer medium coming from the solar collector, only the heat exchanger 5 is flowed through. The heat exchangers 5, 5 'are preferably arranged at an incline in the heat accumulator 6, since this allows the condensate to drain off immediately and is not carried away by the newly flowing steam.

Bei den in den Fig. 5a bis e gezeigten Ausführungsformen des Verdampferrohres 1 wird durch verschiedene Mittel die Innenoberfläche so vergrössert, dass das Wärmeträgermedium diese vollständig benetzt und durch eine Kapillarwirkung daran haften bleibt. Zusätzlich dazu wird gleichzeitig eine Vergrösserung der dem Wärmeaustausch zur Verfügung stehenden Fläche erzielt. So ist beispielsweise gemäss Fig. 5a die Innenoberfläche des Verdampferrohres 1 mit Längsrillen 15 versehen, während in Fig. 5b die Rillen 16 in Umfangsrichtung des Verdampferrohres 1 verlaufen. Eine weitere bevorzugte Ausbildungsform besteht darin, dass im Innern des Verdampferrohres 1 eine Wendelfeder 17 eingesetzt ist, während es auch möglich ist, die Innenoberfläche des Verdampferrohres 1 mit einer porösen Schicht 18 oder mit einem Drahtgeflecht 19 zu versehen (Fig. 5c-e). In the embodiments of the evaporator tube 1 shown in FIGS. 5a to e, the inner surface is enlarged by various means such that the heat transfer medium completely wets it and adheres to it by a capillary action. In addition, an increase in the area available for heat exchange is achieved at the same time. For example, according to FIG. 5a, the inner surface of the evaporator tube 1 is provided with longitudinal grooves 15, while in FIG. 5b the grooves 16 run in the circumferential direction of the evaporator tube 1. Another preferred embodiment is that a helical spring 17 is inserted in the interior of the evaporator tube 1, while it is also possible to provide the inner surface of the evaporator tube 1 with a porous layer 18 or with a wire mesh 19 (FIGS. 5c-e).

Durch die erfindungsgemässe Ausbildung der Wärmeübertragungseinrichtung und der Verwendung von Dampf anstelle einer Flüssigkeit oder eines Gases, wird zum Betrieb nur ein Bruchteil der sonst üblichen Flüssigkeitsmenge im System benötigt, wodurch ein wesentlich schnelleres Reagieren der Anlage, insbesondere auf Einstrahlungsschwankungen, erzielt wird, d. h. es kann gegenüber Anlagen mit grossem Inhalt durch die Verdampfung eine wesentlich grössere Energiemenge in kürzerer Zeit als bei Flüssigkeitsumwälzungen übertragen werden. Due to the inventive design of the heat transfer device and the use of steam instead of a liquid or a gas, only a fraction of the otherwise usual amount of liquid in the system is required for operation, whereby a much faster reaction of the system, in particular to radiation fluctuations, is achieved. H. Compared to systems with a large content, the evaporation means that a much larger amount of energy can be transferred in a shorter time than in the case of liquid circulation.

3 3rd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

M M

3 Blatt Zeichnungen 3 sheets of drawings

Claims

641 546 PATENT CLAIMS

1. Heat transfer device of a solar collector, which is connected via a flow line to a heat emission zone or a heat accumulator provided at a lower level, in a separate arrangement, and a return line connected to the heat emission zone or the heat accumulator for the steam condensed in the heat emission zone or heat accumulator A pump is provided for transporting the condensate, characterized in that the pump (10) is drive-connected to the shaft (9) of a steam-driven motor (8) connected to the feed line (4).

2. Device according to claim 1, characterized in

that the motor (8) is designed as a turbine.

3. Device according to claim 1, characterized in

that the motor (8) and the pump (10) are designed as a unit.

4. Device according to claim 1, characterized in

that the evaporator tubes (1) of the solar collector are provided with longitudinal grooves (15) on the inner surface.

5. Device according to claim 1, characterized in

that the inner surface of the evaporator tubes (1) are provided with circumferential grooves (16).

6. Device according to claim 1, characterized in

that coil springs (17) are arranged in the interior of the evaporator tubes (1).

7. Device according to claim 1, characterized in

that the inner surface of the evaporator tubes (1) are covered with a porous layer (18).

8. Device according to claim 1, characterized in

that a wire mesh (19) is arranged on the inner surface of the evaporator tubes (1).

9. Device according to claim 1, characterized in

that the pump (10) can be controlled by electrical energy generated by solar cells.