CH654071A5 - Anlage zur uebertragung der sonnenwaerme. - Google Patents

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CH654071A5 CH4480/80A CH448080A CH654071A5 CH 654071 A5 CH654071 A5 CH 654071A5 CH 4480/80 A CH4480/80 A CH 4480/80A CH 448080 A CH448080 A CH 448080A CH 654071 A5 CH654071 A5 CH 654071A5
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Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Übertragung der Sonnenwärme nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine eingangs genannte Anlage ist beispielsweise mit der DE-OS 2 550 413 bekannt geworden.
Der Transport des Arbeitsmediums erfolgt bei dieser bekannten Anlage mit Hilfe einer Pumpe, die von einer Kraftmaschine angetrieben ist, wodurch die Pumpe das Arbeitsmedium kontinuierlich im Kreislauf fördert. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass eine Kraftmaschine mit externer Zuführung der Antriebs-Energie verwendet werden muss.
Mit der US-PS 4 094146 ist ein von heisser Luft angetriebener Motor bekannt geworden, bei dem die Luft in einem Sonnenkollektor aufgeheizt, über eine Differential-Kolben-Ventilanordnung dem Arbeitsraum des Kolbenmotors zugeführt wird und nach erfolgter Abkühlung wieder dem Sonnenkollektor zugeführt wird. Nachteil dieser Anordnung ist jedoch, dass die Anlage relativ geringen Wirkungsgrad hat, weil ein Wärmetauscher zur Abkühlung des aufgeheizten Mediums fehlt und die Arbeitsmaschine auf ein Schwungrad wirkt, das seinerzeit über einen verlustbehafteten Exzenterantrieb die Steuerschieber antreibt.
Mit der US-PS 2 688 923 ist eine weitere Anlage zur Ausnutzung der Sonnenenergie bekannt geworden, die lediglich zum Zweck hat, warmes Wasser herzustellen. Der Antrieb einer Kraftmaschine ist jedoch nicht beabsichtigt.
Die Erfindung hat sich ausgehend von der DE-OS 2 550 413 die Aufgabe gestellt, eine Anlage zur Übertragung von Sonnenwärme der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass der kontinuierliche Transport des Arbeitsmediums in einem geschlossenen Kreislauf ohne Zuführung von zusätzlicher, äusserer Hilfsenergie (z.B. Strom oder einem Antriebsmotor) erfolgt.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe weist die Anlage die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 enthaltenden Merkmale auf.
Bei der Anlage nach der Erfindung wird ein Medium im s Kreislauf geführt. Diese Anordnung arbeitet ohne äussere Zuführung von Hilfsenergie. Die Pumpe wird hierdurch besonders betriebssicher und einfach, weil eine derartige Anlage zur Übertragung der Sonnen wärme jetzt auch in Gebieten ohne Stromversorgung und ohne Anschluss einer io Krafmaschine verwendet werden kann. Eine solche Anlage kann dann vorzugsweise in menschenleeren Gebieten verwendet werden, weil sie vollkommen autark arbeitet.
Vorteilhaft ist, wenn beim Anschluss des Wärmetauschersystems jeweils an den beiden Kammern der Pumpe am 15 jeweiligen Kolben von beiden Seiten der gleiche Druck herrscht, so dass besondere Abdichtungsmassnahmen entbehrlich werden. Insbesondere können aufwendige Dichtungen entfallen, welche einem dauernden Verschleiss unterworfen wären.
20 Das System wird besonders einfach, wenn man auf dem hin- und hergehenden Steuerschieber mindestens einen Kolben anordnet, welcher als doppelt wirkende Pumpe arbeitet.
Da beide Systeme, nämlich sowohl die Pumpe als auch der 2s Steuerschieber, mit seinem Kolben eine hin- und hergehende Bewegung ausführen, kann diese doppelt wirkende Pumpe am Steuerschieber für verschiedene zusätzliche Funktionen herangezogen werden, z.B. zum Vorverdichten des Mediums, bevor es wieder dem Wärmespeicher zugeführt wird, oder 30 zum Aufbau von mehrstufigen Kompressionskälteanlagen.
Dabei ist es unerheblich, ob die doppelt wirkende Pumpe in bekannter Weise durch Zu- und Abgangsventile gesteuert wird, oder, wie eine weitere Ausführungsform der Erfindung vorsieht, dass die Kolbenstange auf zusätzliche Steuerkanäle 35 einwirkt.
Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 : Prinzipschaltbild der Anlage nach der Erfindung in einer ersten Ausführungsform.
Figur 2: Darstellung der Pumpe in einer ersten Ausführungsform,
Figur 3: Darstellung der Pumpe in einer zweiten Ausführungsform,
Figur 4: Prinzipdarstellung einer Anlage in einer weiteren Ausführungsform mit Sicherheits-Wärmetauscher.
Die Pumpe 1 ist einerseits mit einem ersten Wärmetauscher so 2 (z.B. einem Solarkollektor) verbunden. Andererseits besteht eine Verbindung zu einem zweiten Wärmetauscher 3, welcher sich in einem Wärmespeicher 4 befindet. Aufgabe der Pumpe 1 ist es nun, die dem ersten Wärmetauscher 2 zugeführte Sonnenenergie 5 zunächst dem zweiten Wärmetauscher 3 zuzu-55 führen, welcher diese als Speicherwärme 6 dem Wärmespeicher 4 zuführt.
Das in den Rohrleitungen des Wärmetauschers 2 befindliche Medium wird durch die Sonnenenergie 5 erwärmt und wird mit gleichem Druck über die Anschlüsse A und C auf co die Pumpe 1 einwirken. Andererseits wird über die Anschlüsse B und D der zweite Wärmetauscher mit der Pumpe 1 verbunden und er hat die Aufgabe, das im Solarkollektor 2 erwärmte Medium durch Abgabe der Speicherwärme 6 wieder abzukühlen. Dabei ergibt sich zwischen den 65 Anschlüssen A und B bzw. C und D ein Strömungsumlauf in Pfeilrichtung. Das erwärmte Medium strömt dabei von A nach B und das abgekühlte Medium von D nach C. Zur Vereinfachung werden daher für die Anschlüsse A, B, C und D
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folgende Bezeichnungen gebraucht:
A «warmer» Eingang B «warmer» Ausgang C «kalter» Ausgang D «kalter» Eingang.
Figur 2 zeigt den beispielsweisen Innenaufbau einer erfin-dungsgemässen Pumpe mit den entsprechenden Steuerkanälen.
Die wichtigsten Bauteile der erfindungsgemässen Pumpe 1 sind die beiden Zylinder 7 und 8 mit ihren Differentialkolben
9 und 10. Diebeiden Differentialkolben 9 und 10 sind durch die Kolbenstange 11 miteinander verbunden. Mit 12 ist der Steuerschieber bezeichnet.
Bei der in Figur 2 dargestellten Mittellage der Differentialkolben und der dargestellten Lage des Steuerschiebers wird das warme Medium von Anschluss A über die Leitung 13 durch den Steuerkanal 14 der Kammer 15 zugeführt. Andererseits wirkt ein gleich grosser Druck vom Anschluss C über die Leitung 16 und den Steuerkanal 17 auf die Kammer 18 und damit auf die andere Seite des Differentialkolbens 10. Obwohl in der Kammer 15 und in der Kammer 18 der gleiche Druck herrscht, bleibt dennoch eine resultierende Kraft am Differentialkolben übrig, da die Kolbenflächen der Kammern 15 und 18 um die Differenz der Fläche der Kolbenstange 11 differieren. Mit dieser Differenzkraft wird die Kolbenstange 11 nach links gedrückt und befördert dabei das in der Kammer 19 befindliche Medium durch die Leitung 20, den Steuerkanal 21 und die Leitung 22 zum «warmen» Ausgang B. In die Kammer 23 strömt gleichzeitig vom Anschluss D kommend Medium über die Leitungen 24 und 26 über den Steuerkanal 25 ein.
Sobald die Differentialkolben 9 und 10 und mit ihnen die Kolbenstange 11 etwa die linke Endlage erreicht haben, stellt der Steuerkanal 27 über die Leitungen 28 und 29 eine Verbindung vom Anschluss C zum rechten Ende 30 des Steuerschiebers 12 her. Der am Anschluss C herrschende Druck wird nun den Steuerschieber 12 in seine linke Endlage bringen, bis der Anschlag 31 den Hub begrenzt. Dabei werden zunächst die Steuerkanäle 14 und 21 die Umschaltung vom Anschluss A von der Kammer 15 auf die Kammer 19 vornehmen. Ebenso wird die Kammer 18 nunmehr über den Steuerkanal 17 mit dem Anschluss D verbunden und die Kammer 23 über den Steuerkanal 25 mit dem Anschluss C.
Nunmehr sind die Druckverhältnisse in der Kammer 19 und 23 umgekehrt, d.h. es bleibt eine resultierende Kraft auf die Kolbenstange 11 in Richtung nach rechts und die Differentialkolben 9 und 10 mit Kolbenstange 11 werden sich in die rechte Endlage bewegen. Beim Erreichen der rechten Endlage aber wird nun über den Steuerkanal 27 der Anschluss C mit dem linken Ende des Steuerschiebers 32 über die Leitung 33, und gleichzeitig das rechte Ende des Steuerschiebers 30 über den Steuerkanal 34 mit dem Anschluss D verbunden.
Da am Anschluss C ein höherer Druck als am Anschluss D ansteht, wird nun der Steuerschieber 12 in seine rechte Lage wandern, wie es in der Figur 2 dargestellt ist. Damit befinden sich alle Teile wieder unter den anfangs beschriebenen Druckverhältnissen und die beiden Differentialkolben 9 und
10 mit Kolbenstange 11 werden wieder nach links wandern.
Dabei wird allgemein vorausgesetzt, dass infolge der Erwärmung des Mediums im Wärmetauscher 2 an den Anschlüssen A und C ein höherer Druck herrscht als an den Anschlüssen B und D, wo infolge der Abkühlung des Mediums im Wärmespeicher 4 eine Volumsreduzierung und damit eine Druckabnahme stattfindet.
Eine weitere Ausgestaltung ist in Figur 3 dargestellt. Dabei sind gleiche Teile wie in Figur 2 mit gleichen Nummern bezeichnet.
Zusätzlich ist in Figur 3 am Steuerschieber 12 der Kolben 35 angeordnet, der sich mit dem Steuerschieber 12 im Pum-s pengehäuse 36 hin- und herbewegt.
Im Zusammenwirken mit den Steuerkanälen 37 und 38, welche zusätzlich auf der Kolbenstange 11 angeordnet sind und den Leitungen 39,40 und 41, stellt diese Anordnung eine doppelt wirkende Pumpe dar, welche am Anschluss E io ansaugt und am Anschluss F ausstösst.
Sollte eine Zwangssteuerung, wie sie hier durch die Steuerkanäle 37 und 38 gegeben ist, nicht erwünscht sein, kann diese doppeltwirkende Pumpe selbstverständlich in bekannter Art durch Zu- und Abgangs ventile, die jeweils in ls einer Richtung sperren, ersetzt werden.
Die schematische Darstellung in Figur 1 zeigt im übrigen eine typische Anwendung der Erfindung und deren Vorteile.
Auf eine besondere Eigenschaft der Pumpe sei hingewiesen:
2o Die Förderleistung der Pumpe ergibt sich aus dem Verhältnis der Volumen des Mediums bei verschiedenen Temperaturen. Wenn sich z.B. eine Flüssigkeit von 20° Umgebungstemperatur bei Erwärmung auf 50° und 20% ausdehnt und dementsprechend die Volumina der Pumpe um 20% ver-2s schieden ausgelegt werden, so wird die Pumpe bemüht sein, die Temperaturdifferenz von 30° aufrechtzuerhalten. Tritt nun z.B. durch stärkere Sonneneinstrahlung eine erhöhte Volumenszunahme auf, so wird dementsprechend eine schnellere Bewegung der Differentialkolben eintreten mit der 30 Folge, dass mehr abgekühltes Medium in den Solarkollektor eingepumpt wird und zwar das solange, bis sich wieder zwischen der Ausdehnung im Solarkollektor und der Abkühlung im Wärmespeicher eine Ausdehungsdifferenz von 20% einstellt.
35 Eine besonders vorteilhafte Selbstregelung des Systems ergibt sich durch Verwendung von Medien, die ähnlich Chlordifluormethan die Eigenschaft haben, bei steigender Erwärmung einen zunehmenden Ausdehnungskoeffizienten zu besitzen. Dadurch tritt bei steigender Temperatur im 40 Solarkollektor eine beschleunigte Pumpfrequenz auf, die bei starker Sonneneinstrahlung in der Lage ist, eine grössere Wärmemenge zu transportieren. Andererseits ist es bei der Verwendung von solchen Medien möglich, den Wärmespeicher auf Temperaturen aufzuladen, welche näher an die 45 Temperatur des Sonnenkollektors herankommen, da die gleiche Volumsdifferenz bereits bei geringeren Temperaturdifferenzen gegeben ist.
Um bei extrem starker Sonneneinstrahlung und bereits «vollem» Wärmespeicher ein Überhitzen der Anlage zu verso meiden, wird erfindungsgemäss empfohlen, eine Sicherheitsvorrichtung vorzusehen, welche beim Überschreiten einer kritischen Temperatur im ersten oder/und zweiten Wärmeaustauscher einen zusätzlichen mit Luft oder Wasser gekühlten Sicherheitswärmeaustauscher zur Abkühlung des 55 Mediums aufschaltet.
Die Figur 4 gibt dazu ein Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Teile wieder mit gleichen Nummern bezeichnet sind.
Zusätzlich ist ein Sicherheitswärmetauscher 47 vorgesehen, welcher z.B. einen Wassereinlauf 48 und einen Wasserauslauf 60 49 besitzt. Ein Ventil 50 sperrt normalerweise den Wasserdurchlauf. Übersteigt die Temperatur des Mediums vom Speicher 2 einen bestimmten Grenzwert, so schaltet der Thermostat 51 und öffnet das Ventil 50. Dadurch wird der Sicherheitswärmetauscher 47 von kaltem Wasser durchströmt und 65 führt die überschüssige Wärme ab.
Die Darstellung in den Figuren 1 bis 4 sind als Prinziplösungen bzw. als Beispiele aufzufassen, die beliebig nach dem Stand der Technik erweitert werden können. Zum Beispiel
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könnte anstelle des Sicherheitswärmetauschers 47, der in der Figur 4 als wassergekühlter Wärmetauscher dargestellt ist, auch ein Sicherheitswärmetauscher vorgesehen werden, welcher als Luftkühler ausgebildet ist. Ebenso könnte dem
Thermostat 51 die Temperatur im Wärmespeicher 4 oder sogar beide Temperaturen der Wärmetauscher 2 und 3 als kritische Messgrösse dienen.
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3Blatt Zeichnungen

Claims (4)

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1. Anlage zur Übertragung der Sonnenwärme, bei der die in einem ersten, hochgelegenen Sonnenwärmekollektor von einem dort angeordneten Wärmetauscher gesammelte Wärme an ein über eine Pumpe im Kreislauf geführtes Arbeitsmedium abgegeben wird und innerhalb dieses Kreislaufs an einen tiefer gelegenen zweiten Wärmetauscher übertragen wird, wobei die Pumpe durch das Arbeitsmedium angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe von dem Druckunterschied zwischen dem ersten (2) und dem zweiten Wärmetauscher (3) angetrieben wird und zwei im Gegentakt arbeitende Differentialkolben (9,10) aufweist, die durch eine gemeinsame Kolbenstange (11) verbunden sind, wobei die Kolbenstange (11) auf Steuerkanäle (20,24,26,28, 33) einwirkt, so dass ein Steuerschieber (12) vom Arbeitsmedium derart beaufschlagt wird, dass beim Erreichen der Endlagen der Differentialkolben (9,10) der Steuerschieber ( 12) die Differentialkolben (9,10) auf gegenläufige Bewegung umsteuert.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschieber (12) zumindest einen Kolben (35) trägt, der im Pumpengehäuse (36) einer doppelt wirkenden Pumpe hin- und herbewegt wird.
2
PATENTANSPRÜCHE
3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (11) der Differentialkolben (9,10) auf zusätzliche Steuerkanäle (39,40,41) zur Umschaltung der doppelt wirkenden Pumpe einwirkt.
4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium ein Kältemittel ist, welches bei steigender Erwärmung einen zunehmenden Ausdehnungskoeffizienten besitzt.
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