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Die
Erfindung betrifft einen Absorber zur Umwandlung von Sonnenstrahlen
in Wärmeenergie,
insbesondere zur Verwendung in einem Sonnenkollektor, welcher von
einem wärmetransportierenden
Medium durchströmt
wird.
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Sonnenkollektoren
dienen dazu, Sonnenenergie in thermische Energie umzuwandeln und
als solche nutzbar zu machen. Sie bestehen im Wesentlichen aus einem
Absorber, welcher aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit,
wie z.B. Kupfer oder Stahl, besteht, und einem Rohrleitungssystem,
durch welches eine Flüssigkeit
oder ein Gas die absorbierte Energie von dem Absorber zu einem Anwendungsort
der erhaltenen Wärmeenergie
transportiert. Zur Erhöhung
der Betriebstemperatur eines Sonnenkollektors können zusätzlich optische Anlagen, wie
z.B. Heliostate oder Parabolrinnen, eingesetzt werden, um die Sonnenstrahlen
auf den Absorber zu fokussieren.
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Absorber
haben üblicherweise
eine schwarze Oberfläche,
was durch Aufbringen eines schwarz pigmentierten Lacks erreicht
wird, um eine maximale Absorptionsfähigkeit von Sonnenenergie sicherzustellen.
Nachteilig hierbei ist jedoch, dass dann, wenn der Absorber in einem
Sonnenkollektor mit entsprechender Leistungsfähigkeit, wie z.B. einem solarthermischen
Kraftwerk, verwendet wird, bei der großflächige optische Anlagen dazu
verwendet werden, das einfallende Sonnenlicht auf den Absorber zu
konzentrieren, um hohen Absorbertemperaturen zu erreichen, dies
zu einer Zerstörung
der Absorberbeschichtung bzw. Lackierung führen kann. Damit diese Beschichtung
oder Lackierung und ihre Färbung nicht
zu rasch zerstört
wird, werden die Absorber daher ihrerseits in evakuierten Glasröhren gehalten,
um einen Sauerstoffzutritt zu verhindern, was jedoch zum einen die
Kosten erhöht
und zum anderen eine regelmäßige Reinigung
der evakuierten Glasröhren erfordert,
da diese ansonsten selbst aufgeheizt und dadurch zerstört werden
könnten,
was jedoch eine Abschaltung der entsprechenden Anlage erforderlich machen
kann.
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Demgegenüber ist
es Aufgabe der Erfindung, einen von einem wärmetransportierenden Medium
durchströmten
Absorber zur Umwandlung von Sonnenstrahlen in Wärmeenergie bereitzustellen, insbesondere
zur Verwendung in einem Sonnenkollektor, welcher auch bei Verwendung
in Sonnenkollektoren hoher Leistung einen kostengünstigen
und weitgehend wartungsfreien Einsatz erlauben.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Absorber im Wesentlichen aus einer nicht-porösen Keramik
aus dunklem Material besteht. Der zentrale Gedanke der Erfindung
liegt nämlich
darin, anstelle von Metallrohren mit einer dunklen, insbesondere
schwarzen Lackierung oder Beschichtung nicht-poröse Keramikrohre zu verwenden,
welche von Haus aus aus einem dunklen Material bestehen, was zum
Einen den Vorteil hat, dass der Absorber nicht extra geschwärzt werden
muss, und zum Anderen die Notwendigkeit beseitigt, den Sauerstoffzutritt
durch Einkapseln in Vakuumröhren zu
verhindern. Durch die Verwendung von Keramiken besteht darüber hinaus
die Möglichkeit,
Absorbertemperaturen bis weit über
400°C, insbesondere bis
800°C oder
sogar darüber,
abhängig
von den verwendeten optischen Anlagen, zu erlauben.
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Erfindungsgemäß wird dabei
vorgeschlagen, dass die nicht-poröse bzw. dichte Keramik eine Nichtoxidkeramik
auf der Basis von Siliciumcarbid (SIC) ist, insbesondere technisches
Siliciumcarbid ist, welches u.a. eine hohe Wärmeleitfähigkeit und geringe Wärmeausdehnung
besitzt und darüber
hinaus auch bei sehr hohen Temperaturen einsetzbar ist. Technisches
Siliciumcarbid ist wegen vorhandener Verunreinigung dunkel gefärbt (schwarz
bis grün),
wobei der Grad der Färbung
mit Zunahme des Reinheitsgrads des Siliciumcarbids abnimmt.
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Als
besonders geeignete Nichtoxidkeramiken auf der Basis von Siliciumcarbid
haben sich vor allem drucklos gesintertes Siliciumcarbid (SSIC)
und reaktionsgebundenes siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid (SISIC)
herausgestellt, obwohl auch flüssigphasengesintertes
Siliciumcarbid (LPSIC), heiß gepresstes
Slliciumcarbid (HPSIC) sowie heiß isostatisch gespresstes Siliciumcarbid
(HIPSIC) verwendbar sind.
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Drucklos
gesinteres Siliciumcarbid (SSIC) wird aus gemahlenem SIC-Feinstpulver hergestellt, das
mit Sinteradditiven versetzt in den keramiküblichen Formgebungsvarianten
verarbeitet und bei 2000 bis 2200°C
unter Schutzgas gesintert wird. SSIC zeichnet sich durch eine hohe
Festigkeit aus, die bis zu hohen Temperaturen von ca. 1600°C nahezu
konstant bleibt. Dieser Werkstoff besitzt darüber hinaus eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit, hohe
Wärmeleitfähigkeit,
hohe Verschleißbeständigkeit
und eine diamantähnliche
Härte.
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Demgegenüber besteht
reaktionsgebundenes siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid (SISIC)
beispielsweise zu ca. 85 bis 94% aus SIC und entsprechend aus 15
bis 6% metallischem Silicium (Si). Darüber hinaus besitzt SICIC praktisch
keine Restporosität.
Dies wird erreicht, indem ein Formkörper aus Siliciumcarbid und
Kohlenstoff mit metallischem Silicium infiltriert wird. Die Reaktion
zwischen flüssigem Silicium
und dem Kohlenstoff führt
zu einer SIC-Bindungsmatrix, wobei der restliche Porenraum mit metallischem
Silicium aufgefüllt
wird. Vorteil dieser Herstellungstechnik ist, dass im Gegensatz
zu den Pulversintertechniken die Bauteile während des Silicierungsprozesses
keine Schwindungen erfahren. Daher können außerordentlich große bzw.
lange Absorber mit präzisen
Abmessungen hergestellt werden. Der Einsatzbereich des SISIC ist
zwar aufgrund des Schmelzpunktes des metallischen Siliciums auf
ca. 1380°C
begrenzt, bis zu diesem Temperaturbereich besitzt SISIC jedoch eine
hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit verbunden mit guter
Temperaturwechselbeständigkeit
und Verschleißbeständigkeit.
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Zusammenfassend
zeichnen sich Siliciumcarbide somit durch Eigenschaften aus, wie
hohe Härte,
Korrosionsbeständigkeit
auch bei hohen Temperaturen, hohe Verschleißfestigkeit, hohe Festigkeit auch
bei hohen Temperaturen, Oxidationsbeständigkeit bis zu sehr hohen
Anwendungstemperaturen, gute Temperaturwechselbeständigkeit,
geringe Wärmedehnung
und sehr hohe Wärmeleitfähigkeit.
Insbesondere die geringe Wärmedehnung
ist besonders vorteilhaft, wenn der Absorber rohrförmig ausgebildet ist
oder, wie in einer Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen, aus einer Mehrzahl dicht miteinander verbundener
rohrförmiger
Elemente besteht. Derartige Absorber werden insbesondere bei Solarkraftwerken
eingesetzt, welche Parabolinnenkollektoren verwenden, die aus gewölbten Spiegeln
bestehen, die das Sonnenlicht auf ein in der Brennlinie verlaufendes
Absorberrohr bündeln,
welches über
Halterungen in der Brennlinie des Kollektors fixiert ist. Die Längen solcher
Kollektoren und damit auch die Länge
der verwendeten Absorberrohre können
je nach Bautyp zwischen 20 und 150 Metern betragen, wobei die einzelnen
miteinander verbundenen rohrförmigen Absorberelemente üblicherweise
eine Länge
von etwa 2 bis 4 Metern besitzen. Darüber hinaus erlaubt die oben
angeführten
Eigenschaften von Siliciumcarbid einen weitgehenden Verzicht auf
die beim Stand der Technik vorgesehenen Maßnahmen zur Aufnahme der Längendehnung,
Abstützung
des Gewichts und Verhinderung der Verformung bei hohen Temperaturen
der verwendeten Absorbermaterialien.
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Um
eine einfache Verbindung einer Mehrzahl rohrförmig ausgebildeter Absorber
zu einem einzigen Absorberelement zu ermöglichen, kann erfindungsgemäß vorgesehen
sein, dass die Verbindung zweier rohrförmiger Elemente durch eine
Steckverbindung erfolgt. Diese Art der Verbindung erlaubt eine schnelle
Montage, hat jedoch den Nachteil, dass sie gegenüber Längskräften empfindlich ist, welche jedoch
durch die erfindungsgemäße Verwendung von
Nichtoxidkeramiken mit einer geringen Wärmedehnung nur in geringem
Maße auftreten.
Jedoch ist es auch denkbar, Flansch- oder Schraubverbindungen zur
Verbindung zweier rohrförmiger
Elemente zu verwenden.
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Zusätzlich kann
jedoch auch vorgesehen sein, dass zur Sicherung einer Steckverbindung
Metallklammern vorgesehen sind, welche verhindern, dass im Absorber
auftretende Längskräfte die
Steckverbindungen lösen.
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Aufgrund
der Eigenschaften von Siliciumcarbid, beispielsweise reaktionsgebundenem
siliciuminfiltriertem Siliciumcarbid (SISIC), welches während des
Herstellungsprozesses keine Schwindungen erfährt, können die einzelnen Rohrsegmente
sehr genau hergestellt werden, was es sogar ermöglichen würde, die einzelnen rohrförmigen Elemente
ohne zusätzliche
Abdichtung passgenau und dicht miteinander zu verbinden. Erfindungsgemäß kann jedoch vorgesehen
sein, dass die Abdichtung der Steckverbindungen mittels einer Silikondichtung
erfolgt, welche an die Rohrform der rohrförmigen Elemente angepasst ist,
oder dass die Abdichtung der Steckverbindung durch einen feuerfesten
Kitt oder Kleber erfolgt.
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Als
wärmetransportierendes
Medium können flüssige oder
gasförmige
Wärmeträgerfluide,
wie Wasser, flüssiges
Natrium, Isobutan, Thermoöl
oder überhitzter
Wasserdampf usw. zum Einsatz kommen. Wird Thermoöl als wärmetransportierendes Medium verwendet,
sind Temperaturen von bis zu 390°C
erreichbar, die in einem Wärmetauscher
zur Dampferzeugung genutzt werden und dann einer konventionellen
Dampfturbine zugeführt
werden. Überhitzter Wasserdampf
hingegen wird bei der Direktdampferzeugung verwendet, welche ohne
Wärmetauscher auskommt,
da der erhitzte Wasserdampf direkt in den Absorberrohren erzeugt
und einer Dampfturbine zugeführt
wird, was Temperaturen über
500°C ermöglicht,
wenn Parabolinnenkollektoren verwendet werden. Wenn darüber hinaus
der erfindungsgemäße Absorber
bei Solarkraftwerken verwendet wird, bei dem die Sonnenstrahlung
mithilfe hunderter bis tausender automatisch positionierter Spiegel
(Heliostaten) auf einen zentralen Absorber konzentriert wird, sind
maximale Temperaturen von ca. 1300°C möglich.
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Erfindungsgemäß kann zusätzlich vorgesehen
sein, dass das wärmetransportierende
Medium aus Silikonöl
besteht, welches sich durch eine geringe Flüchtigkeit, kleinen Temperaturkoeffizienten
der Viskosität,
Feuersicherheit und hohe Resistenz gegenüber Säuren und Laugen auszeichnet,
jedoch auch einen hohen elektrischen Widerstand und eine niedrige
Oberflächenspannung
besitzt. Zudem ist Silikonöl
geruchs- oder geschmacksneutral sowie physiologisch indifferent.
Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Absorbers mit einem auf
Silikonöl basierenden
wärmetransportierenden
Medium lassen sich Temperaturen bis weit über 400°C, insbesondere bis 800°C, gelegentlich
sogar darüber,
realisieren.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren
näher erläutert. Es
stellen dar:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines Parabolinnenkollektors, welcher
den erfindungsgemäßen Absorber
enthält;
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2 einen
Querschnitt durch die Verbindungsstelle zweier durch eine Steckverbindung
miteinander verbundener rohrförmiger
Absorber;
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3 eine
vergrößerte Ansicht
der in 2 dargestellten Steckverbindung;
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4 eine
vergrößerte Ansicht
einer Steckverbindung gemäß einer
weiteren Ausführungsform der
Erfindung, ähnlich
der 3; und
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5 eine
vergrößerte Ansicht
einer Steckverbindung gemäß einer
weiteren Ausführungsform der
Erfindung.
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1 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines Parabolinnenkonverters 10.
Der Parabolinnenkonverter 10 besitzt einen langgestreckten
Reflektor 12, der in der Regel aus Glas besteht, welches
mit Silber beschichtet ist und somit als Spiegel wirkt. Im Querschnitt
besitzt der Reflektor 12 die Form einer Parabel, und in
der nicht dargestellten Brennlinie des Reflektors 12 befindet
sich ein aus einer Vielzahl einzelner Absorber-Rohrelemente 16 bestehender
langgestreckter Absorber 14, in dem ein wärmetransportierendes
Medium, wie beispielsweise Silikonöl, Thermoöl oder Wasserdampf, zirkuliert.
Der Wärmeträger und
der Aufbau des Absorberrohrs 14 sind in 1 nicht
dargestellt.
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Der
aus einer Vielzahl von Reflektorelementen 13 aufgebaute
Reflektor 12 besitzt eine Tragstruktur 18, welche
im Wesentlichen aus einer Vielzahl von am Boden befestigten Trägern 20 besteht
und einer an diesen befestigten Fachwerkstruktur 22, welche
sowohl die einzelnen Reflektorelemente 13 verformungsfrei
abstützt,
als auch zur Lagerung von Tragelementen 24 dient, mit denen
das Absorberrohr 14 stets in der Brennlinie des Reflektors 12 gehalten
wird. Um eine Nachführung
des Reflektors 12 nach der Sonne zu ermöglichen, sind darüber hinaus
nicht dargestellte Drehantriebe vorgesehen, welche eine Schwenkbewegung
der Fachwerkstruktur 22 gegenüber den Trägern 20 an Schwenklagern 26,
von denen eines dargestellt ist, erlauben.
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An
den entgegengesetzten Enden 28 und 30 des Absorbers 14 ist
dieser mit einem Leitungssystem 32 verbunden, welches einen
Zulauf 34 aufweist, durch den das wärmetransportierende Medium
in den Absorber 14 eingeleitet wird, sowie einen Ablauf 36 aufweist,
durch den das wärmetransportierende Medium
abgeführt
wird. Abhängig
von dem verwendeten wärmetransportierenden
Medium ist es darüber
hinaus möglich,
das wärmetransportierende
Medium entweder zuerst einem nicht dargestellten Wärmetauscher
zur Dampferzeugung zuzuführen,
welcher dann einer konventionellen Dampfturbine zugeführt wird,
oder wenn der überhitzte
Wasserdampf direkt in den Absorberrohren erzeugt wird, diesen direkt
einer Dampfturbine zuzuführen
ohne Zwischenschaltung eines Wärmetauschers.
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2 ist
eine Querschnitt durch eine Verbindung zweier Absorber-Rohrelemente 16, 16,
die in der vorliegenden Ausführungsform
gemeinsam Teil des Absorber 14 sind. Jedes Absorber-Rohrelement 16 besteht
aus einer nicht-porösen/dichten
Nichtoxidkeramik auf der Basis von Siliciumcarbid, welches in technischer
Form vorliegt und dunkel ist. Das verwendete Siliciumcarbid besitzt
eine sehr hohe Härte, Korrosionsbeständigkeit
auch bei hohen Temperaturen, hohe Verschleißbeständigkeit, hohe Festigkeit auch
bei hohen Temperaturen, Oxidationsbeständigkeit bis zu hohen Anwendungstemperaturen,
gute Temperaturwechselbeständigkeit,
geringe Wärmedehnung,
sehr hohe Wärmeleitfähigkeit
und gute tribulogische Eigenschaften.
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Bevorzugt
wird drucklos gesintertes Siliciumcarbid (SSIC) und reaktionsgebundenes
siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid (SISIC) verwendet, welches
infolge seines Herstellungsverfahrens Bauteile ermöglicht,
die während
des Silicierungsprozesses keine Schwindung erfahren, wodurch außerordentlich
große
Bauteile mit präzisen
Abmessungen hergestellt werden können.
Da darüber
hinaus Siliciumcarbid nur eine geringe Wärmedehnung besitzt, können auch
sehr lange Absorber 14 mit entsprechend vielen einzelnen
Absorber-Rohrelementen 16 verwendet werden, ohne der axialen
Ausdehnung des Absorberrohrs 14 große Beachtung schenken zu müssen.
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Alternativ
kann jedoch auch flüssigphasengesintertes
Siliciumcarbid (LPSIC) oder heiß gepresstes
Siliciumcarbid (HPSIC) sowie heiß isostatisch gepresstes Siliciumcarbid
(HIPSIC) verwendet werden, welche auch zur Gruppe der dichten bzw. nicht-porösen Siliciumcarbide
gehören.
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Das
verwendete technische Siliciumcarbid ist aufgrund vorhandener Verunreinigungen
dunkel gefärbt
(hellgrün/dunkelgrün, schwarz,
grau), abhängig
vom Reinheitsgrad, sodass es nicht erforderlich ist, die Röhren noch
extra zu schwärzen,
womit auch die Notwendigkeit entfällt, den Sauerstoffzutritt
durch Einkapseln in Vakuumröhren
zu verhindern, um eine zu rasche Zerstörung der Absorberbeschichtung bzw.
-färbung
zu verhindern, wie es beim Stand der Technik notwendig ist.
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Wie
in 2 zu sehen ist, sind die zwei Absorber-Rohrelemente 16, 16 durch
eine Steckverbindung verbunden, bei der ein Spitzenende 38 eines Absorber-Rohrelements 16 in
das Muffenende 40 eines angrenzenden Absorber-Rohrelements 16 eingefügt wird,
was eine schnelle Montage erlaubt. Die Strömungsrichtung des wärmetransportierenden
Mediums ist in 2 durch einen Pfeil 42 dargestellt
und verläuft
vom Muffenende eines Rohrelements zu seinem Spitzenende. Darüber hinaus
kann die Steckverbindung zusätzlich über nicht
dargestellte Halteklammern oder Halteschrauben abgesichert sein,
um ein Lösen
der Steckverbindung zu verhindern.
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3 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
der Steckverbindung der 2, in welcher zu erkennen ist,
dass die Steckverbindung zusätzlich
durch einen geeigneten Keramik- oder Metallkeramikklebstoff 44 abgedichtet
ist, welcher keine organischen Lösemittel
enthält,
nicht brennbar ist und in Temperaturbereiche bis weit über 1000°C verwendbar
ist. Alternativ können
jedoch auch andere feuerfeste Klebstoffe oder Dichtungskitte, welche
Temperaturbeständigkeiten
bis 1700°C
besitzen, bzw. keramische Klebmassen verwendet werden, welche in
den Verbindungsbereich der zwei Absorber-Rohrelemente in flüssiger Form
eingebracht werden und nach dem Aushärten die Absorber-Rohrelemente 16 zuverlässig verbindet.
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4 zeigt
eine alternative Ausführungsform
der Erfindung, in welcher zwei Absorber-Rohrelemente 16, 16,
wie in 3, über
eine Steckverbindung miteinander verbunden sind, bei der ein Spitzenende 38 des
einen Absorber-Rohrelements 16 in das Muffenende 40 des
anderen Absorber-Rohrelements 16 eingeführt ist. Zusätzlich ist
jedoch bei dieser Ausführungsform
eine Silikondichtung 46 vorgesehen, um die Steckverbindung
abzudichten. In der in 4 dargestellten Ausführungsform
ist das Spitzenende 38 des einen Absorber-Rohrelements 16 mit
einer Phase 48 versehen, um zum einen das Einführen des
Spitzenendes 38 in das Muffenende 40 des anderen
Absorber-Rohrelements 16 zu
erleichtern, als auch als Auflaufhilfe für die Silikondichtung 46 zu
dienen, um diese beim Einführen
des Spitzenendes 38 in das Muffenende 40 nicht
zu klemmen. Bei der dargestellten Ausführungsform weist sowohl das
Spitzenende 38 als auch das Muffenende 40 eine
jeweilige Nut bzw. Ausnehmung 50 bzw. 52 zur Aufnahme
der Silikondichtung 46 (welche in 4 als O-Ring
dargestellt ist) auf, um auf diese Weise eine zusätzliche
Fixierung der zwei miteinander verbundenen Absorber-Rohrelemente 16, 16 zu
ermöglichen.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung, in welcher zwei Absorber-Rohrelemente 16, 16,
wie in 4, über
eine Steckverbindung miteinander verbunden sind, bei der ein Spitzenende 38 des
einen Absorber-Rohrelements 16 in das Muffenende 40 des
anderen Absorber-Rohrelements 16 eingeführt ist,
wobei die Steckverbindung über
eine Silikondichtung 54 abgedichtet ist. Jedoch unterscheidet
sich diese Ausführungform
gegenüber der
in 4 dargestellten Ausführungform dadurch, dass das
Spitzenende 38 nicht nur angephast ist, wie in 4 dargestellt,
sondern mit einem flaschenhalsförmig
verjüngenden
Spitzenende 38 und einem entsprechend konträr ausgebildeten
trompetenförmigen Muffenende 40 ausgebildet
ist. Darüber
hinaus ist bei dieser Ausführungform
die elastomere Muffendichtung (Silikondichtung) 54 nicht
in eine Nut bzw. Ausnehmung eingelegt, sondern liegt flächig zwischen dem
Spitzenende 38 und dem Muffenende 40 an, um den
Verbindungsbereich abzudichten.
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Bei
der Montage der elastomeren Muffendichtung 54 wird diese "trocken" auf das Spitzenende 38 des
einen (linken) Absorber-Rohrelements 16 gesteckt, dann
außen
mit einem Gleitmittel eingestrichen, desgleichen die Innenseite
des Muffenendes 40 des anderen (rechten) Absorber-Rohrelements 16.
Nun wird das (linke) Absorber-Rohrelement 16 mit der aufgesteckten
Dichtung auf das Muffenende 40 des anderen (rechten) Absorber-Rohrelements 16 aufgesetzt
und mitsamt der Muffendichtung 54 in das Muffenende 40 hineingedrückt, wobei
sich das Spitzenende 38 durch die konische Form der Muffendichtung 54 in
dem Muffenende 40 zentriert.
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Die
in der 5 dargestellte flaschenhalsförmige Form des Spitzenendes 38 ist
nur beispielhaft gewählt
und kann abhängig
von der verwendeten Muffendichtung andersartig ausgebildet sein,
beispielsweise mit einem längeren
oder kürzeren
Hals, mit unterschiedlicher Materialstärke usw. Darüber hinaus
kann auch diese Art von Steckverbindung zusätzlich über eine nicht dargestellte
Halteklammer oder Halteschraube abgesichert sein, um ein Lösen der
Steckverbindung zu verhindern.
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Darüber hinaus
ist es jedoch auch möglich, anstelle
der Muffenenden 40, welche an einem Ende eines jeweiligen
Absorber-Rohrelements 16 angebracht ist, diese Enden als
Spitzenenden auszubilden und separate Muffen vorzusehen, welche über die
zwei zu verbindenden Rohrelemente geschoben werden. Alternativ ist
es jedoch auch möglich,
andere Arten von Verbindungen, wie z.B. Flansch- oder Schraubverbindungen,
zu verwenden, abhängig
von den Materialeigenschaften des verwendeten Siliciumcarbids, um
auf diese Weise höhere
Drücke
in dem Absorber zu ermöglichen.