Die Erfindung betrifft einen Absorber zur Erwärmung eines flüssigen Mediums mittels Sonnenenergie gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung des Absorbers.
Derartige Absorber sind bekannt. Sie werden beispielsweise als sogenannte Fahnenabsorber in Sonnenkollektoren eingesetzt. Ein Fahnenabsorber besteht hierbei aus einer Platte, deren Längsabmessung wesentlich grösser ist als die Breite. Die der Sonne zugewandte Seite ist mit einer selektiven Beschichtung versehen, welche die Eigenschaft hat, möglichst viel Sonnenlicht zu absorbieren, während im Bereich der Wärmestrahlung möglichst wenig Energie emittiert werden soll. An der Unterseite derartiger länglicher Platten ist in der Längsachse eine rohrförmige Leitung angebracht. Durch diese Leitung wird ein flüssiges Medium geführt, an welches die von der Absorberfläche aufgenommene Wärme übertragen und weggeführt wird. Diese Fahnenabsorber sind nebeneinander und parallel zueinander angeordnet.
Die Enden der rohrförmigen Leitungen sind mit Sammelleitungen verbunden, welche das flüssige Medium beispielsweise in einem Kreislauf durch einen Wärmetauscher führen. In einer Anordnung zum Aufheizen des Wassers eines Schwimmbades wird direkt das Schwimmbad-Wasser durch die genannten Absorber geführt, wodurch auf einen Wärmetauscher verzichtet werden kann.
Es ist weiterhin bekannt, derartige Absorber aus einer Kupferplatte zu fertigen, an deren Unterseite rohrförmige Leitungen aus Kupfer angeschweisst oder an gelötet sind. Kupfer hat eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit. Diese Wärmeleitung wird aber im Bereich des Übergangs Platte/rohrförmige Leitung unterbrochen, was eine Einbusse des Wirkungsgrades dieses Absorbers zur Folge hat. An der Schweiss- bzw. Lötnaht findet, da zwischen Platte und rohrförmiger Leitung lediglich eine Linienberührung herrscht, eine Wärmeübertragung über das Schweiss- bzw. Lötmaterial statt. Eine weitere Wärmeübertragung erfolgt von der rohrförmigen Leitung auf das flüssige Medium. Des weiteren ist nachteilig, dass sowohl das Ausgangsmaterial, bestehend aus Kupferplatten und Kupferrohren, als auch das Herstellungsverfahren, da dieses aufwendig ist, teuer sind.
Es sind auch Absorber aus Aluminium bekannt, bei welchen der plattenförmige Körper und die daran befestigte rohrförmige Leitung aus einem Stück bestehen und homogen sind. Diese Absorberkörper werden durch Strangpressen erhalten. Bei diesem Absorberkörper ist die Wärmeleitung von der Absorberfläche zu der rohrförmigen Leitung optimal. Dadurch findet lediglich eine Wärmeübertragung statt, nämlich diejenige von der rohrförmigen Leitung auf das flüssige Medium. Nachteilig ist jedoch, dass die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium schlechter ist als beispielsweise von Kupfer, wodurch der Wirkungsgrad kleiner wird.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Absorber zu schaffen, der aus einem Material besteht, das eine optimale Wärmeleitfähigkeit hat, und der so gestaltet ist, dass die Wärmeleitung zwischen plattenförmigem Körper und rohrförmiger Leitung nicht unterbrochen ist, wodurch ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird. Zudem sollen die Kosten des Ausgangsmaterials gering sein.
Erfindungsgemäss erfolgt die Lösung dieser Aufgabe gemäss der Kennzeichnung des Anspruches 1.
Dieser Absorber besteht in bevorzugter Weise aus einem Kupferbandstreifen mit einer mittig in Längsachsenrichtung verlaufenden, angeformten rohrförmigen Leitung. Diese Profile sind als sogenannte Fahnenprofile beispielsweise in Sonnenkollektoren eingebaut, d.h., die Profile sind nebeneinander parallel angeordnet. Dadurch wird eine grosse Fläche gebildet, die mit einer selektiven Beschichtung versehen werden kann, welche die kurzwelligen Lichtstrahlen der Sonne absorbiert und in Wärme umwandelt. Hierbei können die einzelnen Fahnenprofile miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Nieten, oder mit einem geringen gegenseitigen Abstand voneinander einzeln nebeneinander angeordnet sein.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Absorber besteht darin, dass die längsseitigen Ränder des plattenförmigen Körpers mit Bördelungen versehen sind, die so gestaltet sind, dass je zwei benachbarte Absorber zusammengesteckt werden können und eine Verbindung bilden. Damit können beispielsweise Gebäudefassaden verkleidet werden, wobei diese Absorber ebenfalls von einem flüssigen Medium durchflossen werden, das beispielsweise zur Aufheizung eines Schwimmbades dient. Diese Profile müssen nicht unbedingt mit einer selektiven Beschichtung versehen sein, sondern können die reine Kupferoberfläche aufweisen, wodurch jedoch in Kauf genommen werden muss, dass die Erzeugung von Wärme nicht mehr so effektiv ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren abhängigen Ansprüchen.
Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem die oben beschriebenen Absorber in einfacher Weise und kostengünstig hergestellt werden können, die erfindungsgemäss durch die Kennzeichnung des Anspruches 6 gelöst ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieses Verfahrens besteht darin, dass als Ausgangsmaterial ein in Wickelform vorliegendes Kupferband verwendet wird, welches durch ein Walzwerk hindurchgeführt wird, mittels welchem die rohrförmige Leitung in der Längsachse des Kupferbandes eingeformt wird, dass gleich anschliessend dieses gewalzte Profil eine Schweissanlage durchläuft, mittels welcher der Spalt zugeschweisst wird. Hinter der Schweissanlage ist in vorteilhafter Weise eine Schneidanlage angeordnet, welche das fortlaufend anfallende Absorberprofil in Stücke mit gewünschter Länge schneidet. Im gleichen Walzvorgang können, falls der Bedarf vorhanden ist, an den beiden Längsseiten zusätzlich die Bördelungen angeformt werden, wodurch die Absorber als Fassadenbauelemente eingesetzt werden können.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und ein Verfahren zur Herstellung dieses Ausführungsbeispieles werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine räumliche Ansicht eines Absorbers, der in Sonnenkollektoren einbaubar ist,
Fig. 2 eine räumliche Ansicht eines Absorbers mit seitlich angebrachten Bördelungen zur Verwendung als Fassadenelement,
Fig. 3 eine Ansicht zusammengesteckter Absorber gemäss Fig. 2 als Fassadenverkleidung,
Fig. 4a-4e die einzelnen Verfahrensschritte für die Herstellung eines Absorbers gemäss Fig. 1.
Der Absorber 1 gemäss Fig. 1 besteht aus einem plattenförmigen Körper 2, in welchen eine rohrartige Ausbuchtung 3 eingeformt ist. Die Biegungen 4 und 5 dieser rohrartigen Ausbuchtung 3 sind im Bereich der Oberfläche des eine Ebene bildenden plattenförmigen Körpers 2 gegeneinandergedrückt und bilden eine Stossstelle, welche mit einer Längsschweissnaht 6 verschlossen ist. Dadurch wird eine rohrförmige Leitung 7 gebildet. Die beiden Enden der rohrförmigen Leitung 7 sind innen kalibriert, in welchen nicht dargestellte Anschlussstücke für die Verbindung mit Zu- und Wegführleitungen befestigt werden können. Die der Sonne zugewandte Ebene des plattenförmigen Körpers 2 ist mit einer selektiven Beschichtung versehen, insbesondere dann, wenn damit Warmwasser, beispielsweise für Haushaltszwecke, erzeugt wird.
Zur Aufheizung beispielsweise eines Schwimmbades kann auf eine selektive Beschichtung aus Kostengründen verzichtet werden, da die Erwärmung des Wassers normalerweise nur einige Grad betragen muss.
Diese Absorber 1 können nebeneinander angeordnet in Sonnenkollektoren untergebracht werden. Die Zu- und Wegführleitungen, die mit den rohrförmigen Leitungen 7 der Absorber 1 verbunden sind, führen das durch die rohrförmigen Leitungen 7 fliessende Medium, mit welchem die Wärme abgeführt wird, in einen Kreislauf durch einen Wärmetauscher, welcher beispielsweise in einem Behälter für die Warmwassererzeugung untergebracht ist.
Fig. 2 zeigt einen Absorber 1 gemäss Fig. 1, dessen Seiten des plattenförmigen Körpers 2 mit Bördelungen versehen sind. Auf der einen Seite ist eine U-förmige Bördelung 8 angeformt, während auf der anderen Seite die Bördelung 9 lediglich aus einem abgewinkelten Streifen besteht.
Diese Bördelungen 8, 9 erlauben es, mehrere Absorber 1 miteinander zu verbinden, wie in Fig. 3 dargestellt ist, und als Abdeckung für eine Fassade dienen.
Mit derartigen Fassaden können beispielsweise Schwimmbäder aufgeheizt werden.
Die Herstellung eines Absorbers 1 gemäss Fig. 1 erfolgt in mehreren Schritten, wie aus den Fig. 4a bis 4e ersichtlich ist. Als Ausgangsmaterial dient ein handelsübliches, blechförmiges Kupferband, das in gewickelter Form vorliegen kann und das eine Dikke von 0,5 bis 0,7 mm aufweist. Dieses Kupferband, das den plattenförmigen Körper 2 des Absorbers 1 bildet, wird einem Walzwerk zugeführt. In einem ersten Schritt, wie in Fig. 4a dargestellt ist, wird das Kupferband in eine winklige Form gebracht, deren Biegekante 10 in der Mitte des Kupferbandes verläuft. Die beiden so gebildeten Teilflächen 11 und 12 schliessen einen stumpfen Winkel ein. Durch diese winkelige Form erhält das Kupferband eine gewisse Stabilität, die für die Weiterverarbeitung erforderlich ist.
In einem weiteren Schritt wird in das Kupferband entlang der Biegekante 10 eine U-förmige Ausbuchtung 13 eingewalzt. Gleichzeitig werden die beiden Teilflächen 11 und 12 wieder in eine Ebene gebracht.
In einem nächsten Schritt, der in Fig. 4c dargestellt ist, wird die U-förmige Ausbuchtung 13 weiterverformt, indem die Schenkelenden 14 und 15 der U-förmigen Ausbuchtung 13 um einen Dorn 16, welcher in bekannter Weise am Walzwerk befestigt ist, gegeneinandergebogen, während die Teilflächen 11 und 12 weiterhin in einer Ebene gehalten werden. In einem nächsten Schritt, dargestellt in Fig. 4d, werden die beiden Schenkelenden 14 und 15 noch weiter gegeneinandergedrückt, bis sich die entsprechenden Biegungen 4, 5 (gemäss Fig. 1) berühren und eine Stossstelle bilden. So entsteht im Kupferband, das den plattenförmigen Körper 2 bildet, die rohrartige Ausbuchtung 3.
In einer dem Walzwerk nachgeordneten Schweissanlage kann das fertig geformte Absorberprofil mit einer Längsschweissnaht 17 versehen werden, mittels welcher die Stossstelle der beiden Biegungen 4, 5 verschlossen wird, so dass die rohrförmige Leitung 7 entsteht. Danach wird das fortlaufend angelieferte Absorberprofil in einer der Schweissanlage nachgeordneten Schneidanlage auf Absorberprofile gewünschter Länge geschnitten.
Zwischen der Schweissanlage und der Schneidanlage kann ein zusätzliches Walzwerk zugestellt werden, mit welchem längsseitig am Kupferband Bördelungen in der beschriebenen Form angebracht werden sollen. Dies ist dann der Fall, wenn die Absorberprofile für eine Fassadenverkleidung verwendet werden. Bei Nichtgebrauch kann dieses Walzwerk weggeschwenkt werden.
Da die die Absorberfläche bildenden Teilflächen 11 und 12 und die rohrförmige Leitung 7 aus einem Stück geformt sind, erfolgt eine optimale, nicht unterbrochene Wärmeleitung von der Absorberfläche in die rohrförmige Leitung. Zwischen Absorberfläche und flüssigem Medium in der rohrförmigen Leitung 7 findet lediglich ein Wärmeübergang statt, wodurch die Wärmeverluste sehr gering gehalten werden können, was sich in einem besseren Wirkungsgrad niederschlägt. Das in handelsüblicher Form vorliegende Kupferband kann zu relativ günstigen Preisen beschafft werden, wodurch mit dem beschriebenen Herstellungsverfahren ein kostengünstiges Absorberprofil erhalten wird.
Es ist auch denkbar, als Ausgangsmaterial eine Kupferplatte mit grösserer Breite zu verwenden, in welche parallel nebeneinander angeordnete rohrartige Ausbuchtungen eingewalzt werden könnten. Dadurch würde ein grossflächiger Absorberkörper entstehen, der in einen Sonnenkollektor eingebaut werden könnte.
The invention relates to an absorber for heating a liquid medium by means of solar energy according to the preamble of claim 1 and a method for producing the absorber.
Such absorbers are known. They are used, for example, as so-called flag absorbers in solar collectors. A flag absorber consists of a plate, the longitudinal dimension of which is considerably larger than the width. The side facing the sun is provided with a selective coating, which has the property of absorbing as much sunlight as possible, while as little energy as possible should be emitted in the area of heat radiation. A tubular line is attached to the underside of such elongate plates in the longitudinal axis. A liquid medium is passed through this line, to which the heat absorbed by the absorber surface is transferred and carried away. These flag absorbers are arranged side by side and parallel to each other.
The ends of the tubular lines are connected to collecting lines which lead the liquid medium, for example in a circuit, through a heat exchanger. In an arrangement for heating the water of a swimming pool, the swimming pool water is passed directly through the absorbers mentioned, which means that a heat exchanger can be dispensed with.
It is also known to manufacture such absorbers from a copper plate, on the underside of which tubular copper pipes are welded or soldered. Copper has very good thermal conductivity. However, this heat conduction is interrupted in the region of the plate / tubular line transition, which results in a loss in the efficiency of this absorber. At the welding or soldering seam, since there is only line contact between the plate and the tubular line, heat is transferred via the welding or soldering material. A further heat transfer takes place from the tubular line to the liquid medium. A further disadvantage is that both the starting material, consisting of copper plates and copper tubes, and the production process, since this is complex, are expensive.
Absorbers made of aluminum are also known, in which the plate-shaped body and the tubular line attached thereto consist of one piece and are homogeneous. These absorber bodies are obtained by extrusion. With this absorber body, the heat conduction from the absorber surface to the tubular line is optimal. As a result, only a heat transfer takes place, namely that from the tubular line to the liquid medium. However, it is disadvantageous that the thermal conductivity of aluminum is worse than that of copper, for example, which reduces the efficiency.
An object of the invention is to provide an absorber which is made of a material which has an optimal thermal conductivity and which is designed in such a way that the heat conduction between the plate-shaped body and the tubular line is not interrupted, thereby achieving high efficiency. In addition, the cost of the raw material should be low.
According to the invention, this object is achieved in accordance with the characterization of claim 1.
This absorber preferably consists of a copper strip with a molded tubular line running centrally in the longitudinal axis direction. These profiles are installed as so-called flag profiles, for example in solar collectors, i.e. the profiles are arranged side by side in parallel. This creates a large area that can be provided with a selective coating that absorbs the short-wave light rays from the sun and converts it into heat. In this case, the individual flag profiles can be connected to one another, for example by rivets, or can be arranged individually next to one another with a small mutual spacing.
An advantageous embodiment of these absorbers is that the longitudinal edges of the plate-shaped body are provided with flanges which are designed such that two adjacent absorbers can be plugged together and form a connection. This allows building facades to be clad, for example, with a liquid medium flowing through these absorbers, which is used, for example, to heat a swimming pool. These profiles do not necessarily have to be provided with a selective coating, but can have the pure copper surface, which however has to be accepted that the generation of heat is no longer as effective.
Further advantageous embodiments of the invention result from the further dependent claims.
An additional object of the invention is to provide a method with which the above-described absorbers can be produced in a simple and inexpensive manner, which is achieved according to the invention by the characterization of claim 6.
An advantageous embodiment of this method consists in that a copper strip, which is in the form of a winding, is used as the starting material and is passed through a rolling mill, by means of which the tubular line is formed in the longitudinal axis of the copper strip, so that this rolled profile then passes through a welding system by means of which the gap is welded to. A cutting system is advantageously arranged behind the welding system and cuts the continuously occurring absorber profile into pieces of the desired length. In the same rolling process, if there is a need, the flanges can also be formed on the two long sides, so that the absorbers can be used as facade components.
An embodiment of the invention and a method for producing this embodiment are explained below with reference to the accompanying drawings. It shows
1 is a perspective view of an absorber that can be installed in solar panels,
2 is a three-dimensional view of an absorber with laterally attached flanges for use as a facade element,
3 shows a view of assembled absorbers according to FIG. 2 as facade cladding,
4a-4e the individual process steps for the production of an absorber according to FIG. 1.
The absorber 1 according to FIG. 1 consists of a plate-shaped body 2, in which a tubular bulge 3 is formed. The bends 4 and 5 of this tubular bulge 3 are pressed against one another in the region of the surface of the plate-shaped body 2 forming a plane and form a butt joint which is closed with a longitudinal weld seam 6. A tubular line 7 is thereby formed. The two ends of the tubular line 7 are internally calibrated, in which connection pieces, not shown, for connection to supply and removal lines can be fastened. The plane of the plate-shaped body 2 facing the sun is provided with a selective coating, in particular when it is used to produce hot water, for example for household purposes.
For heating a swimming pool, for example, a selective coating can be dispensed with for cost reasons, since the heating of the water normally only has to be a few degrees.
These absorbers 1 can be arranged side by side in solar collectors. The supply and removal lines, which are connected to the tubular lines 7 of the absorber 1, lead the medium flowing through the tubular lines 7, with which the heat is removed, into a circuit through a heat exchanger, which is, for example, in a container for hot water production is housed.
Fig. 2 shows an absorber 1 according to Fig. 1, the sides of the plate-shaped body 2 are provided with flanges. A U-shaped flange 8 is formed on one side, while on the other side the flange 9 consists only of an angled strip.
These flanges 8, 9 allow several absorbers 1 to be connected to one another, as shown in FIG. 3, and serve as a cover for a facade.
Such facades can be used to heat swimming pools, for example.
1 is produced in several steps, as can be seen from FIGS. 4a to 4e. A commercially available, sheet-like copper tape is used as the starting material, which can be in a coiled form and which has a thickness of 0.5 to 0.7 mm. This copper strip, which forms the plate-shaped body 2 of the absorber 1, is fed to a rolling mill. In a first step, as shown in FIG. 4a, the copper strip is brought into an angled shape, the bending edge 10 of which runs in the middle of the copper strip. The two partial surfaces 11 and 12 formed in this way form an obtuse angle. This angular shape gives the copper strip a certain stability that is necessary for further processing.
In a further step, a U-shaped bulge 13 is rolled into the copper strip along the bending edge 10. At the same time, the two partial surfaces 11 and 12 are brought back into one plane.
In a next step, which is shown in FIG. 4c, the U-shaped bulge 13 is deformed further by bending the leg ends 14 and 15 of the U-shaped bulge 13 against a mandrel 16, which is fastened to the rolling mill in a known manner, while the partial surfaces 11 and 12 are still kept in one plane. In a next step, shown in FIG. 4d, the two leg ends 14 and 15 are pressed further against each other until the corresponding bends 4, 5 (according to FIG. 1) touch and form an abutment. This creates the tubular bulge 3 in the copper strip that forms the plate-shaped body 2.
In a welding system arranged downstream of the rolling mill, the completely formed absorber profile can be provided with a longitudinal weld seam 17, by means of which the joint of the two bends 4, 5 is closed, so that the tubular line 7 is created. The continuously supplied absorber profile is then cut to the desired length in a cutting system downstream of the welding system.
An additional rolling mill can be supplied between the welding system and the cutting system, by means of which flanges in the form described are to be provided on the longitudinal side of the copper strip. This is the case when the absorber profiles are used for facade cladding. This rolling mill can be swung away when not in use.
Since the partial surfaces 11 and 12 forming the absorber surface and the tubular line 7 are formed from one piece, there is an optimal, uninterrupted heat conduction from the absorber surface into the tubular line. Only heat transfer takes place between the absorber surface and the liquid medium in the tubular line 7, as a result of which the heat losses can be kept very low, which is reflected in better efficiency. The copper tape, which is available in a commercially available form, can be procured at relatively low prices, as a result of which an inexpensive absorber profile is obtained with the production method described.
It is also conceivable to use a copper plate with a larger width as the starting material, into which tubular bulges arranged parallel to one another could be rolled. This would result in a large-area absorber body that could be installed in a solar collector.