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Die Erfindung betrifft einen Solaren Kompaktsiphon, der ohne Umlaufpumpe nach dem Siphon-Prinzip arbeitet. Der Solare Kompaktsiphon besteht aus einem horizontal angeordneten, meist zylindrischen Speichertank, der üblicherweise eine gute Isolierung aufweist, weiterhin aus einer Anzahl von Vakuumrohren zur Sammlung der solaren Energie.
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Die Wärmeausleitung der gesammelten Wärme aus den Vakuumrohren erfolgt mit Hilfe von Schwerkraft-Wärmerohren, wobei die Bereiche der Absorber, die sich innerhalb der Vakuumrohre befinden, gleichzeitig die Verdampferzonen der Wärmerohre sind. Dort wird das Verdampfer-Fluid von der mittels der Absorber-Bleche gesammelten Energie erhitzt und verdampft entsprechend der zugeführten Energie. Der Dampf strömt dann zu den Kondensatoren der Wärmerohre und gibt dort die Verdampfungswärme über die Kondensatoren an das zu erhitzende Brauchwasser ab, wobei die Kondensatoren häufig in Wärmeübertragungs-Hülsen stecken. Dabei kondensiert der Dampf des Verdampfer-Fluides. Das Kondensat fließt anschließend durch Schwerkraftwirkung zurück in die Verdampferzonen.
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Die Vakuumrohre sind etwa 45° geneigt, um den Vakuumrohren eine optimale Lage für den solaren Ertrag zu geben. Die 45° Neigung der Vakuumrohre bewirkt darüber hinaus, dass die Wärme in den unteren Bereich des Speichers eingetragen wird. Auf Grund der Wärmezufuhr und dem daraus folgenden Temperaturunterschied zwischen dem durch die Kondensatoren bzw. die Hülsen erwärmten Brauchwasser und dem kälteren Brauchwasser im Speichertank entstehen Dichteunterschiede, die eine Rollströmung im Speicher erzeugen. Demzufolge benötigt dieser Siphon-Typ keinen getrennten Fluid-Kreislauf, der die erforderliche Höhen- und damit eine Druckdifferenz bewirkt und auch keine Pumpe zur Aufrechterhaltung der Umlaufströmung.
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Kritisch bei diesen Systemen kann der Zustand sein, wenn dem System mehr solare Energie zugeführt wird, als entnommen wird. Die Temperatur im Speicher kann dann 100°C übersteigen und es wird Dampf erzeugt. Zur Vermeidung dieses gefährlichen Zustandes werden in südlichen Ländern häufig die Absorber-Rohre der Siphons im Falle der Stagnation mit einer Plane abgedeckt oder mit einer Jalousie versehen.
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Zum Schutz der Nutzer und des Systems wäre es grundsätzlich möglich, die Temperatur im Siphon auch durch gezielte Austrocknung eines Verdampfungsfluides oberhalb einer Maximaltemperatur zu begrenzen, wie es in der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2008 007 647 U1 dargestellt wurde. Dazu müssen die evakuierten Wärmerohre mit einer solche Menge eines geeigneten Verdampfungsfluides gefüllt werden, dass gerade bei der gewünschten Abschalttemperatur die Gesamtmenge des dosierten Fluides verdampft ist und sich in den Wärmerohren keine Flüssigkeit mehr befindet. In diesem Zustand ist ein Wärmetransport auf Grund der Zwei-Phasen-Wirkung des Verdampfungsfluides nicht mehr möglich. In diesem Zustand steigen die Temperaturen der Absorber-Flächen auf solche Werte, dass die absorbierte solare Energie und die von den Absorber-Flächen des Vakuumrohrs wieder abgestrahlte Energie sich die Waage halten. Dem Speicher wird in diesem Zustand keine Wärmeenergie mehr zugeführt.
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Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass zwar über die Art und Menge des in das Wärmerohr dosierten Verdampfungsfluides die maximale Temperatur begrenzt wird, aber unbeachtet bleibt, dass auch der optimale Arbeitsbereich erheblich eingeschränkt ist. Aus Diagramm 1 ist ersichtlich, dass bei Ausführungen von Solaren Kompaktsiphons mit Temperaturbegrenzung durch Austrocknung des Wärmerohres der effektive Arbeitsbereich, der nicht von der Abschaltkennlinie beeinflusst ist, sehr klein ist. Zwischen der ηo-Temperatur, der Temperatur bei der das Arbeitsfluid die gleiche Temperatur wie die Umgebung aufweist, und der sogenannten Knicktemperatur, bei der die Austrocknung der Wärmerohre beginnt, existiert im dargestellten Beispiel nur eine Differenz von 10 K bzw. 16 K, abhängig von der durch die Verdampfungsfluidmenge von 102°C bzw. 108°C bestimmten theoretischen Abschalttemperatur. Danach sinkt der Wirkungsgrad linear bis auf 0.
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Die Kennlinien des Beispiels wurden für die Bedingungen des sehr verbreiteten Sola-ren Kompaktsiphons mit emailliertem Speicher ermittelt. Die Wärmeübertragungs-Hülsen waren in diesem Fall emailliert. Da die Emaille als Glas ein sehr schlechter Wärmeleiter ist, bemühen sich die Produzenten dieser Solaren Wassererhitzer die Emaillierung so dünn wie möglich auszuführen. In der Praxis liegt dennoch die Schichtstärke zwischen 0,5 mm und 1 mm. Auch häufig genutzte Wärmeübertragungs-Hülsen aus Edelstahl lösen das Problem nicht. Bei solchen Systemen liegt der Knick-punkt mit 40°C nur unwesentlich höher.
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Erkennbar ist, dass ein solcher Solarer Kompaktsiphon zwar unter 100°C sicher abschaltet, aber die zur Verfügung stehende solare Energie nur sehr ungenügend ausgenutzt wird, da der Wirkungsgrad linear bis auf den Wert 0 bei der Abschalttemperatur abfällt. Hierzu ist in 1 ein Diagramm 1 abgebildet, welches die Leistung eines Vakuumrohres in einem abschaltenden Siphon mit Emaillierung zeigt. Die Parameter sind: Schichtstärke des Emails 1 mm, Gs, solare Einstrahlung: 900 W/m2, θab: Abschalttemperatur
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Auch bei einer direkten Umspülung eines Kondensators üblicher Baugröße mit einer Oberfläche von 20 cm2 bis 40 cm2 mit dem Brauchwasser entstehen vergleichbare Kennlinien wie im Diagramm 1 (vergleiche auch Diagramm 2, Kondensator mit 5 cm Länge).
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Nach der Lehre in Veröffentlichung
DE 20 2005 008 792 U1 wird die maximal zulässige Temperatur, die Abschalttemperatur, dadurch eingehalten, indem die Kapillarstruktur im Innenraum der flachen Heatpipe aus mehreren miteinander verbundenen Schichten poröser Materialien mit unterschiedlichem Porendurchmesser besteht. Die Schichten der Kapillarstruktur mit dem kleinsten Durchmesser bilden die Außenfläche der Kapillarstruktur und enthalten den flüssigen Teil des Wärmeträgers. Die Schicht der Kapillarstruktur mit dem größten Durchmesser liegt im Inneren der Kapillarstruktur und enthält den gasförmigen Teil des Wärmeträgers. Steigt der Dampfdruck des Wärmeträges über den Druck der Atmosphäre außerhalb der Heatpipe, so werden die Heatpipe-Wände an beiden Seiten der Heatpipe auseinander gedrückt. Die Heatpipe-Wände stehen dann nicht mehr im Kontakt mit dem flüssigen Wärmeträger und es bildet sich ein mit gasförmigem Wärmeträger gefüllter Spalt, der einen thermischen Widerstand darstellt und somit einen Überhitzungsschutz realisiert. Der Nachteil dieser Lehre besteht darin, dass der zu beherrschende Druckbereich in Abhängigkeit vom Wärmeträger recht groß ist und deshalb eine massive Konstruktion eines solchen Systems im Falle von Solarkollektoren erforderlich ist.
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Nach der Lehre der Patentschrift
AT 300972 B wird ein mechanisches Element vorgeschlagen, dass im Falle einer Überschreitung einer Grenztemperatur den Rückfluss des wieder kondensierten Wärmeträgers unterbricht. Diesem Prinzip folgen eine ganze Reihe von Vorschlägen und Ansprüchen, in denen der Einsatz von speziellen Ventilen vorgeschlagen wird.
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So ist nach
DE 69102856 T2 bekannt, dass die Wärmezufuhr dadurch unterbrochen wird, indem eine Vorrichtung im Kondensator des Wärmerohres montiert ist, die oberhalb der gewünschten Abschalttemperatur den kondensierten Wärmeträger im Kondensator zurückhält und damit die weitere Wärmezufuhr zum Kondensator unterbindet. Sinkt die Temperatur im Kondensator wieder, öffnet sich die Vorrichtung wieder. Nun kann der Wärmeträger erneut in den Verdampfer-Bereich fließen und das Wärmerohr arbeitet wieder.
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Entsprechend der Lehre der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2012 001 589 U1 wird die eingestrahlte Sonnenenergie durch ein Rollo begrenzt, das durch einen integrierten Elektromotor geschlossen oder geöffnet werden kann.
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Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass im Gegensatz zur angestrebten Unabhängigkeit von elektrischem Strom der Antriebsmotor elektrische Energie benötigt und so dem Siphon-Prinzip widerspricht. Darüber hinaus ist eine Eigensicherheit nicht gewährleistet, da durch Stromausfall oder Beschädigung des Rollo-Systems eine Temperaturbegrenzung nicht unter allen Bedingungen gewährleistet ist.
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Die beschriebenen mechanischen Abschalt-Systeme haben den gemeinsamen Vorteil, dass die Abschaltkennlinie sehr steil ist und dadurch der Nutzarbeitsbereich sehr groß ist. Problematisch ist aber, dass die mechanischen Systeme der extremen thermischen Belastung über die Lebensdauer einer Solaranlage nicht standhalten und vollständig oder teilweise ihrer Funktion des Rückhaltens des Wärmeträgers im Falle der Erreichung der Grenztemperatur nicht gerecht werden. Eine Eigensicherheit, die Eigenschaft, dass auch bei Zerstörung oder Beschädigung die Grenztemperatur nicht überschritten wird, ist mit mechanischen Systemen nicht zu erreichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen zu finden, die sowohl den Anspruch auf einen ausreichend großen Temperaturbereich zwischen Umgebungstemperatur und Knicktemperatur für eine hohe Ausnutzung der solaren Globalstrahlung sichern, aber auch eigensichere Solare Kompaktsiphons realisieren.
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Ausgangspunkt zur Lösungsfindung ist eine Ursachen-Analyse für die mit steigender Temperatur sehr langsam schaltende Abschaltkennlinie des Solaren Kompaktsiphons. Dabei geht man von der bekannten Möglichkeit aus – vergleiche
DE 20 2008 007 U1 – dass durch geeignetes Ausnutzen einer gezielten Austrocknung des Wärmerohres ein Abschalten erreicht werden kann. Untersucht man die Temperaturen ausgehend vom Brauchwasser, im Kondensator, im Verdampfer und am Absorber-Blech des Vakuumrohres, findet man ausgehend von der Temperatur des Brauchwassers eine stetige Temperaturerhöhung.
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Der Wärmestrom bewirkt an den jeweiligen Übertragungswiderständen zwischen dem Brauchwasser und dem Absorber-Blech Temperaturerhöhungen. Diese führen am Absorber-Blech zu einer nicht zu vernachlässigenden Gesamttemperaturerhöhung Δθ.
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Nachstehend sind die Temperaturverhältnisse am oben dargestellten Beispiel eines emaillierten Siphons dargestellt (Globalstrahlung 900 W/m
2):
| | 5 cm Kondensator | Email 1 mm |
| Brauchwasser-Temperatur | 35°C | 35°C |
| Kondensator-Temperatur | 106°C | 83°C |
| Absorber-Blech-Temperatur (Verdampfer) | 125°C | 102°C |
Tabelle 1 Temperaturverhältnisse an existierenden Solaren Kompaktsiphons
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Die Temperaturanhebung der Absorber-Temperatur gegenüber der Arbeits-Temperatur führt zu zwei ungünstigen Effekten:
Je höher die Temperatur auf der Absorber-Fläche ist, desto stärker erfolgt eine Abstrahlung der gesammelten Energie, Pv, nach dem Stephan-Boltzmann'schen Gesetz. Dies führt zu einem niedrigeren Wirkungsgrad. Pv = ε·A·σ·(Ta4 – Tu4) mit
Emissionskoeffizient, ε
emittierende Fläche, A
Strahlungskoeffizient, σ
Temperatur der emittierenden Fläche, Ta
Umgebungstemperatur, Tu
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Mit steigendem thermischen Gesamtwiderstand zwischen Absorber-Fläche und Brauchwasser wird die Abschaltkennlinie ausgehend von der realen Abschalttemperatur, θab, immer flacher. An der Abschalttemperatur ist das Wärmerohr vollständig ausgetrocknet und der Wirkungsgrad 0.
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Problematisch ist, dass der Abschnitt der ungestörten Wirkungsgrad-Funktion des Systems zwischen der Umgebungstemperatur und der Knicktemperatur, dem Schnittpunkt der ungestörten Wirkungsgradkennlinie mit der Abschaltkennlinie, sich verkleinert, wenn der Gesamtwiderstand des Wärme-Übertragungsweges sich erhöht. Die Verflachung der Abschaltkennlinie bewirkt speziell im oberen Temperaturbereich deutliche Wirkungsgrad-Minderungen.
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Zur Ausführung eines Solaren Kompaktsiphons mit breitem Temperaturbereich zwischen der Umgebungstemperatur und der Knicktemperatur ist es folglich erforderlich, den thermischen Gesamt-Übertragungs-Widerstand so weit wie möglich zu minimieren.
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Dabei hat man drei wesentliche Widerstände zu betrachten.
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1. Kondensationswiderstand
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In diesem Widerstandswert sind alle Einzelwiderstände vom Absorber bis zur Außenoberfläche des Kondensators zusammengefasst: Widerstand innerhalb des Absorber-Blechs, Übertragungswiderstand Absorber – Verdampfer-Innenoberfläche, Übertragungswiderstand Verdampfer-Innenoberfläche – Verdampfungsfluid, Widerstand der Dampfströmung, Kondensationswiderstand, bestehend aus Wärmewiderstand der kondensierten Fluid-Schicht und der thermische Widerstand der Kondensator-Wandung. Der Kondensationswiderstand liegt in der Praxis je nach Ausführung zwischen 0,5 K/W–0,1 K/W.
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2. Spaltwiderstand
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Bei der der häufig genutzten Trockeneinbindung des betrachteten Siphon-Typs werden die Kondensatoren der Vakuum-Absorber-Rohre in die Wärmeübertragungs-Hülsen, die in den Speicherraum ragen, gesteckt. Aus Toleranzgründen existiert ein Spalt, der nur begrenzt minimiert werden kann und üblicherweise mit Wärmeleitpaste gefüllt wird. Dieser Spalt besitzt einen Widerstand, der in der Größenordnung 0,1 K/W–0,15 K/W liegt.
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In der späteren Berechnung wird der Spaltwiderstand dem Widerstand Kondensator – Brauchwasser zugeschlagen.
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Werden die Kondensatoren vom Brauchwasser direkt umspült, entfällt dieser Widerstand.
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3. Widerstand zwischen Kondensatorspalt – Brauchwasser
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Auch dieser Widerstand setzt sich aus mehreren Einzelwiderständen zusammen: Widerstände der einzelnen Konstruktionsschichten der Wärmeübertragungs-Hülsen und der Widerstand Hülsenoberfläche – Brauchwasser. Dieser Widerstand kann Werte bis 1 K/W annehmen.
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Auch im Falle der direkten Umspülung des Kondensators durch das Brauchwasser entsteht wegen der relativ kleinen umspülten Oberfläche des Kondensators ein hoher Übertragungswiderstand (0,9 K/W bis 1,4 K/W).
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Erfindungsgemäß werden die Nachteile der bestehenden Lösungen durch eine Neugestaltung der Wärmeübertragungen vor allem der Wärmeübertragung Kondensator – Brauchwasser vermieden. Auf Basis der in den Schutzansprüchen dargelegten Gestaltungsmöglichkeiten lässt sich der thermische Gesamtwiderstand zwischen Absorber und Brauchwasser erheblich minimieren. Entsprechend der dargelegten Schutzansprüche wird auf Wärmeübertragungs-Hülsen grundsätzlich verzichtet. Die Kondensatoren (1) werden über Einsteckstutzen und Dichtringe (2) in den Speichertank (3) eingeschoben und sind direkt von Brauchwasser umspült. Durch Anpassung der Kondensatoren an die spezifischen Anforderungen einer direkten konvektiven Umspülung durch das Brauchwasser gemäß Schutzansprüche wird der Wärmeertrag des Solaren Kompaktsiphons durch Wirkungsgradanhebung und durch eine steilere Abschaltkennlinie deutlich gesteigert.
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Anwendungsbeispiel für einen eigensicheren Kompaktsiphon mit hohem Wärmeertrag
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Die Wärmewiderstände Absorber – Kondensator, Rak, und Kondensator – Brauchwasser, Rkf, sind bei Solaren Kompaktsiphons mit direkt konvektiv umspülten Kondensatoren sehr groß, so dass eine Nutzung des Standardkondensators aus Effektivitätsgründen nicht sinnvoll ist (siehe Diagramm 2, Kondensatorlänge 50 mm). Die Widerstände können dadurch verkleinert werden, indem die effektiv wirksame Kondensationsfläche im Kondensator und die wärmeübertragende Außenoberfläche des Kondensators zum Wasser vergrößert werden. Im Ausführungsbeispiel werden Kondensatoren verwendet, die eine erheblich größere Oberfläche als Standardkondensatoren besitzen. Eine Oberflächenvergrößerung ist besonders effektiv, wenn die Kondensatoren verlängert werden. In diesem Fall vergrößert sich auch die Oberfläche des Kondensators, ohne dass die charakteristische Länge des Wärmeübertragungsweges vergrößert wird, was den Effekt der Verbesserung der Wärmeübertragung mindern würde. Gleichzeitig tritt eine Vergrößerung der Innenoberfläche des Kondensators ein und bewirkt eine Verkleinerung des Kondensationswiderstandes des Wärmerohres, so dass eine deutliche Verminderung des Gesamtwiderstandes erreicht wird (vergleiche Diagramm 2, Tabelle 2).
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Eine Verringerung der Summe der Übertragungswiderstände führt neben der Erhöhung des Wirkungsgrades der Kompaktsiphons auch zu einer Vergrößerung des nicht vom Abschaltvorgang betroffenen Abschnitts der Wirkungsgradkennlinie.
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Die Wirkung der Widerstände in einem durch Austrocknung abschaltendem System kann wie folgt dargestellt werden:
Δθ = θk – θu Δθ = θab – (Rak + Rkf)·P mit
| Widerstand Absorber – Kondensator | Rak/K/W |
| Widerstand Kondensator – Brauchwasser | Rkf/K/W |
| Leistung | P/W |
| Umgebungstemperatur | θu |
| Knicktemperatur | θk |
| Optimaler Wirkungsgradbereich | Δθ |
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Man erkennt aus den Beziehungen, dass die Summe der Übertragungswiderstände den Temperaturbereich bestimmt, in dem die beste Ausnutzung der solaren Energie möglich ist. Der Senkung der Übertragungswiderstände ist deshalb für die Verbesserung des Abschaltverhaltens von ausschlaggebender Bedeutung.
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Die Wirkung der Minderungen der beiden Widerstände Rak und Rkf durch die Verlängerung des Kondensators wird in Diagramm (2) gegenüber der Wirkung bei Anwendung des Standard-Kondensators demonstriert. Während die Knicktemperatur beim direkt umspülten Standard-Kondensator nur 26°C beträgt, erreicht die Knicktemperatur bei einer Verdopplung der Kondensatorlänge schon 60°C und bei einer Verdreifachung des Kondensators liegt die Knicktemperatur bei 72°C.
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In Tabelle 2 sind die entscheidenden Übertragungswiderstände für unterschiedliche Kondensatorlängen dargestellt.
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Der relative Gesamtwärme-Übertragungswiderstand verringert sich bei einer Kondensatorlänge von 5 cm von 100% bei 10 cm Länge auf 55,3% und bei einer Länge von 15 cm auf 39%. Dies bewirkt erhebliche Verbesserungen an den Wirkungsgradkennlinien und den Jahreserträgen.
| Kondensatorlänge | Rkf/K/W | Rak/K/W | Rg/K/W |
| 50 mm | 1,082 | 0,29 | 1,382 |
| 100 mm | 0,595 | 0,17 | 0,765 |
| 150 mm | 0,411 | 0,13 | 0,541 |
Tabelle 2 Wärmeübertragungswiderstände bei unterschiedlichen Kondensatorlängen, Kondensator-Durchmesser 22 mm
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In 2 ist ein Diagramm 2 dargestellt, welches den Wirkungsgrad des Kompaktsiphons bei Verlängerung des Kondensators zeigt. Die Parameter sind: Länge des Kondensators, solare Einstrahlung 900 W/m2.
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In Tabelle 3 wird der Effekt des Einsatzes von Kondensatoren unterschiedlicher Länge in einem Solaren Kompaktsiphon unter mediterranen Bedingungen – solare Globalstrahlung 1900 kWh/a – dargestellt. Der Vergleich der Erträge bezieht sich auf jeweils 1 m
2 Aperture-Fläche der Vakuumrohre des Siphons für Kondensatorlängen 50 mm, 100 mm und 150 mm.
| Mittlere Brauchwasser-Temperatur | 50 mm | 100 mm | 150 mm |
| 50°C | 822 kWh | 1290 kWh | 1308 kWh |
| 60°C | 635 kWh | 1215 kWh | 1262 kWh |
| 70°C | 430 kWh | 878 kWh | 1205 kWh |
Tabelle 3 Jahres-Energie-Erträge pro m
2 Aperture-Fläche bei Vakuumrohr-Kollektoren
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Es zeigt sich, dass durch die verlängerten Kondensatoren hohe Erträge auch bei Realisierung einer eigensicheren Abschaltung unter 100°C realisiert werden können.
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Der Einsatz eines solchen eigensicher abschaltenden Siphons verhindert gefährliche Betriebszustände bei guter Effizienz der Anlage. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen zu Anspruch 1 angegeben.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- G
- Solare Einstrahlung
- Pv
- Verluststrahlungs-Leistung
- ε
- Emissionskoeffizient
- A
- Fläche
- σ
- Strahlungskoeffizient
- Ta
- absolute Temperatur der emittierenden Fläche
- Tu
- absolute Umgebungstemperatur
- θab
- Abschalttemperatur
- Pk
- Nutzleistung am Knickpunkt
- θk
- Temperatur am Knickpunkt
- θu
- Umgebungstemperatur
- Δθ
- Temperaturdifferenz Knickpunkt – Umgebungstemperatur
- Rak
- Kondensationswiderstand
- Rkf
- Widerstand Kondensator – Arbeitsfluid
- P
- Nutzleistung
- η
- Wirkungsgrad
- ηo
- Wirkungsgrad bei Umgebungstemperatur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202008007647 U1 [0005]
- DE 202005008792 U1 [0010]
- AT 300972 B [0011]
- DE 69102856 T2 [0012]
- DE 202012001589 U1 [0013]
- DE 202008007 U1 [0017]
