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Die
Erfindung betrifft einen druckbeständigen Wärmespeicher sowie einen damit
ausgerüsteten
Solar-Speicherkollektor.
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Speicherkollektoren üblicher
Bauart bestehen aus einem Gehäuse,
in dem, in Richtung der Sonneneinstrahlung, mindestens folgende
Bauteile hintereinander angeordnet sind:
- – eine transparente
Abdeckung,
- – ein
Wärmespeicher,
- – eine
thermische Isolierung.
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Die
Sonnenstrahlen durchdringen die transparente Abdeckung. Mit Hilfe
der Solarenergie wird ein Fluid im Wärmespeicher, meist Wasser,
erwärmt, wobei
Zu- und Abführleitungen
zum und vom Wärmespeicher
Kaltwasser zuführen
beziehungsweise Warmwasser wegführen.
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Bei
Anschluss des Wärmespeichers
(Warmwasserspeichers) an eine häusliche
Wasserversorgung folgt daraus zwangsläufig, dass der Wärmespeicher
unter entsprechendem Betriebsdruck, meist 2 bis 6 bar, steht.
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Schon
aus optischen Gründen,
aber auch wegen eines verbesserten Wärmeübergangs, soll der Wärmespeicher
eine möglichst
große
Oberfläche zur
Sonne hin, aber eine möglichst
geringe Bauhöhe aufweisen.
Dies führt
zu Wärmespeichern
in Form von flachen Quadern oder Speichern mit ovalem Querschnitt
(
DE 94 04 615 U1 ).
Diese Bauformen sind jedoch nicht ausreichend druckbeständig oder allenfalls
bei extrem dicken Wandstärken,
was aus Kostengründen
und Gewichtsgründen
ausscheidet.
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Die
DE 10132639 C1 offenbart
einen Solarkollektor, dessen Kollektorröhren über einen bajonettartig gestalteten
Adapter an einen Verteiler angeschlossen sind.
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Der
Wärmespeicher
gemäß
US 4,598,450 A besteht
aus zwei gewellten, gegeneinander verklebten Halbschalen und löst das beschriebene
Problem einer Druckbeständigkeit
gegenüber
2 bis 6 bar nicht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen druckbeständigen Wärmespeicher
erhöhter Leistung
bereitzustellen, der besonders stabil ist.
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Dem
erfindungsgemäßen Vorschlag
liegen folgende Überlegungen
zugrunde: Die wärmetechnisch
aktive Oberfläche
des Wärmespeichers
kann erhöht
werden, ohne das Speichervolumen zu verringern, wenn der Wärmespeicher
im Wesentlichen aus einer Vielzahl nebeneinander angeordneter Rohre besteht.
Jeder Rohrkörper
weist für
sich eine hohe Druckfestigkeit auf. Die Rohre können einen geringen Abstand
zueinander haben. Die Rohre müssen im
Weiteren strömungstechnisch
verbunden werden, um einen gemeinsamen Speicherraum zu bilden.
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Eine
Möglichkeit
wäre, an
gegenüberliegenden
Rohrenden Kappen aufzusetzen, die über Anschlussstutzen mit den
korrespondierenden Rohrenden verbunden werden. Die Herstellung solcher
Kappen, die wiederum strömungstechnisch
untereinander verbunden sein müssen,
ist jedoch aufwändig. Außerdem waren
zusätzliche
Verstärkungselemente für den Speicherkollektor
insgesamt notwendig.
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Die
Erfindung gestaltet die Verbindungsbereiche am Ende benachbarter
Rohre deshalb zweiteilig.
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Zunächst wird
ein Adapter vorgesehen, der eine Anzahl von Öffnungen aufweist, die der
Anzahl der Rohre entspricht, so dass die Rohrenden an korrespondierende
Adapteröffnungen
angeschlossen werden können,
wobei Verbindungsabschnitte zwischen diesen Anschlüssen geschlossen
sind.
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Im Übrigen ist
der Adapter entlang einer zweiten Seite (Abschnitt) offen, und zwar
durchgehend offen, so dass er über
eine korrespondierende Kappe verschlossen werden kann, wobei gleichzeitig aber über den
Innenraum der Kappe und des Adapters eine strömungstechnische Verbindung
zwischen den einzelnen Rohren geschaffen wird.
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In
ihrer allgemeinsten Ausführungsform
betrifft die Erfindung einen druckbeständigen Wärmespeicher mit folgenden Merkmalen:
- – einer
Zahl x Rohre, die nebeneinander angeordnet sind,
- – jedes
Rohr weist einen geschlossenen Rohrkörper und an jedem Ende eine
Rohröffnung
auf,
- – zwei
Adaptern, wobei jeder Adapter
- – auf
einer ersten Seite x Öffnungen
aufweist, deren Form, Größe und Anordnung
korrespondierenden Rohröffnungen
an einem korrespondierenden Ende der Rohre entspricht, und
- – auf
einer zweiten Seite offen ist, und
- – im Übrigen eine
geschlossene Wand aufweist,
- – zwei
Kappen, wobei jede Kappe
- – auf
einer ersten Seite, korrespondierend zur zweiten Seite eines Adapters,
offen und
- – im Übrigen,
bis auf etwaige Anschlussmittel, geschlossen ist, wobei
- – jeder
Adapter entlang seiner ersten Seite mit korrespondierenden Enden
der Rohre und
- – jede
Kappe mit ihrer ersten Seite mit der zweiten Seite eines korrespondierenden
Adapters so verbunden ist, dass
- – Rohre,
Adapter und Kappen einen gemeinsamen Speicherraum bilden.
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Entscheidende
Merkmale des Wärmespeichers
sind:
Der größte Volumenanteil
des Wärmespeichers
wird von individuellen Rohren gebildet.
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Diese
Rohre können
einen Kreisquerschnitt aufweisen, wodurch sie in besonderer Weise
auch bei geringer Wandstärke
(beispielsweise 0,5 mm) hoch druckbeständig sind. Die Rohre können parallel zueinander
und/oder in geringem Abstand zueinander angeordnet sein.
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Die
stirnseitige (endseitige) Verbindung der Rohre erfolgt über die
Adapter und Kappen, wobei letztere eine strömungstechnische Verbindung
der Rohre und einen gemeinsamen Speicherraum schaffen. Die Adapter
und Kappen können
aus demselben Material (Kunststoff, Metall) wie die Rohre sein.
Die rohrförmigen Öffnungen
im Adapter bieten dieselbe hohe Druckfestigkeit wie die Rohre. Dies
gilt auch für die
vorzugsweise gewölbten
(mit Halbkreisquerschnitt) versehenen Kappen, die ebenfalls mit
geringer Materialstärke
(beispielsweise 1 mm) ausgebildet sein können. Insgesamt entsteht ein
selbsttragender Speicher.
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Nach
einer Ausführungsform
bestehen alle Bauteile des Wärmespeichers
aus rostfreiem Stahl, wobei die Rohre mit den Adaptern und die Adapter mit
Kappen verschweißt
sind. Auch die Schweißnähte bieten
eine hohe Druckfestigkeit innerhalb des Gesamtsystems. Es ist vorteilhaft,
die Teile innenseitig zu verschweißen. Dadurch wird die Bauform
kleiner und die Schweißnaht
präziser.
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Nach
einer Ausführungsform
sind die Rohre baugleich und ihre Achsen liegen auf einer gedachten
Ebene. Dies schafft die Möglichkeit
einer flachen Bauform des Wärmespeichers.
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Es
ist aber durchaus möglich,
die Rohre auch übereinander
und nebeneinander anzuordnen, sofern dies platzmäßig gewünscht wird.
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Der
Rohrdurchmesser orientiert sich an dem gewünschten Speicherraum des Wärmespeichers sowie
den lokalen Gegebenheiten. Übliche
Durchmesser liegen im Bereich 50 bis 200 mm, insbesondere 70 bis
150 beziehungsweise 100 bis 150 mm.
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Die
Druckfestigkeit wird zusätzlich
erhöht, wenn
die geschlossenen Abschnitte der Kappen in Form von miteinander
verbundenen Halbschalen gestaltet sind, wobei die Zahl der Halbschalen
x entspricht, also der Zahl der Rohre. Dies bedeutet, dass in Verlängerung
jedes Rohres die Kappe eine individuelle Ausbauchung aufweist, entlang
der das Wasser geführt
und in ein benachbartes Rohr oder einen benachbarten Kappenabschnitt
umgelenkt wird. Eine solche Ausführungsform
ist in der nachfolgenden Figurenbeschreibung alternativ dargestellt.
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Die
Frischwasserzufuhr kann über
die Kappen, bei Bedarf aber auch in eines der Rohre erfolgen, da
alle Bauteile des Wärmespeichers
einen gemeinsamen Speicherraum bilden. Gleiches gilt für die Leitung,
entlang der warmes Wasser aus dem Wärmespeicher abgeführt wird.
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Benachbarte
Rohre können
zusätzlich
mechanisch miteinander verbunden sein, beispielsweise über Stege
oder dergleichen, um die Stabilität zueinander zu erhöhen.
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Der
Wärmespeicher
kann als solcher verwendet werden. Nach einer Ausführungsform
ist der Bestandteil eines Solar-Speicherkollektors, dessen grundsätzlicher
Aufbau eingangs erwähnt
wurde.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen
jeweils in schematisierter Darstellung:
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1:
eine perspektivische Ansicht eines Wärmespeichers,
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2:
eine Aufsicht auf den Wärmespeicher nach 1,
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3:
perspektivische Ansichten eines Adapters und einer Kappe zum Wärmespeicher
nach 1,
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4:
einen Schnitt durch einen Solar-Speicherkollektor mit einem Wärmetauscher
gemäß 1 bis 3,
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5:
eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Wärmespeichers,
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6:
einen Adapter und eine Kappe für
den Wärmespeicher
nach 5 in perspektivischer Ansicht,
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In
den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bauteile mit gleichen
Bezugsziffern dargestellt.
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Die 1 bis 3 zeigen
einen Wärmespeicher,
der aus insgesamt elf Teilen in druckfester Ausführung hergestellt ist. Dazu
gehören
sieben Rohre 10.1 .... 10.7, zwei Adapter 12 und
zwei Kappen 14.
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Die
Rohre 10.1 .... 10.7 weisen jeweils Kreisquerschnitt
auf (hier: 10 cm Durchmesser und 0,5 mm Wandstärke), bestehen aus rostfreiem
Stahl und liegen nebeneinander, so dass ihre Achsen A entlang einer
Ebene verlaufen.
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Jedes
Rohr 10.1 .... 10.7 weist an jedem seiner Enden
eine Rohröffnung 16 auf.
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Die
Adapter 12 bestehen ebenfalls aus Stahlblech, allerdings
mit einer Wandstärke
von 1 mm. Auf einer ersten Seite 12i sind bei jedem Adapter 12 sieben Öffnungen
vorgesehen, die mit 18 bezeichnet sind, wobei jede Öffnung 18 einer Öffnung 16 eines
Rohres 10.1 .... 10.7 zugeordnet ist und mit dem
jeweiligen Rohrende verschweißt
ist (innenseitige Schweißnaht 20).
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3 zeigt,
dass die Öffnungen 18 auf
der einen Seite 12i eines Adapters 12 jeweils
einen Anschlusskragen 18r aufweisen, der den Anschlussbereich
zum benachbarten Rohr 10.1 .... 10.7 bildet.
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Ausgehend
von den Kragen 18r erweitert sich der Wandbereich um jede Öffnung 18 in
Richtung auf die gegenüberliegende
Seite 12a des dreidimensionalen Adapters 12, der
entsprechend rückseitig
eine große,
durchgehende, im Wesentlichen ovale Öffnung 22 aufweist.
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Eine
ebensolche ovale Öffnung
weist auch jede der Kappen 14 auf, die im Übrigen im
Wesentlichen einen halbkreisförmigen
Querschnitt besitzt und endseitig kuppelartig geschlossen ist. Jede
Kappe 14 ist auf einen zugehörigen Adapter 12 aufgeschweißt (Schweißnaht 24).
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Vorstehende
Beschreibung zeigt, dass der von der Kappe 14 und dem Adapter 12 begrenzte längliche
Raum über
die Adapteröffnungen 18 beziehungsweise
korrespondierenden Rohröffnungen 16 mit
den Rohren 10.1 .... 10.7 in strömungstechnischer
Verbindung steht und alle gemeinsam einen Speicherraum bilden.
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In
den Figuren sind Anschlusselemente für zugeführtes beziehungsweise weggeführtes Wasser nur
schematisch mit Pfeilen dargestellt.
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Das
Ausführungsbeispiel
nach den 5, 6 unterscheidet
sich von dem Ausführungsbeispiel
nach den 1 bis 3 durch
die Gestaltung der Adapter 12 und der Kappen 14.
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Wie
am besten anhand der 6 zu erkennen ist, ist der Adapter 12 an
seiner Seite 12a randseitig gewellt dargestellt, entsprechend
der Form der Öffnungen 18,
jedoch mit größerem Radius.
Die Form der Kappen 14 ist angepasst, damit diese auf den
Rand 26 (gegenüber
den Öffnungsrändern 18r) formschlüssig aufgeschweißt werden
können.
Für die
Kappen 14 ergibt sich eine Form aus hintereinander angeordneten,
miteinander verbundenen Halbkugeln, wobei die Übergänge erweitert sind, um einen gemeinsamen
Hohlraum zwischen Adapter 12 und Kappe 14 auszubilden,
der wiederum in strömungstechnischer
Verbindung mit den Rohren 10.1 .... 10.7 steht,
wenn alle Bauteile, wie in 5 dargestellt, miteinander
verbunden sind.
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In 5 ist
ein möglicher
Strömungsweg
des Wassers von einem Zulauf ZU bis zu einem Ablauf AB durch Pfeile
dargestellt.
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Beim
Ausführungsbeispiel
nach 5 sind ferner Verbindungsstege 28 zwischen
benachbarten Rohren 10.1 .... 10.7 zu erkennen.
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Im Übrigen verlaufen
die Rohre 10.1 .... 10.7 in geringem Abstand,
aber parallel zueinander.
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4 zeigt
schematisch den grundsätzlichen
Aufbau eines Solar-Speicherkollektors.
Die (hier) sieben Rohre 10.1 bis 10.7 mit zugehörigen nicht
dargestellten Adaptern und Kappen sind in einem wannenartigen Gehäuse 30 konfektioniert,
das die Funktion einer thermischen Isolierung hat. Das offene Wannenende 300 ist
von einer transparenten Abdeckung 32 verschlossen. Zu-
und Ablauf für
Wasser sind nur schematisch mit ZU und AB angedeutet.