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Bezeichnung der Erfindung: Einrichtung zum Erwärmen von Wasser durch Sonnenwärme, die gleichzeitig Trinkwasser und Warmwasser liefert.
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Technischer Bereich
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Diese Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Erwärmen von Wasser, die mittels Sonnenwärmeenergie sowohl Warmwasser als auch Trinkwasser liefert.
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Stand der Technik
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Bei der herkömmlichen Technik sind Sonnenwärme nutzende Warmwassersysteme bekannt, die beispielsweise auf dem Dach eines Hauses ein Gerät installiert haben, wo durch die Sonnenwärme Wasser in einem Hitzekollektor erwärmt wird; es wird dann der thermosyphonische Effekt genutzt, der mit dem Temperaturunterschied zu dem Wasser in dem Warmwasserspeicher arbeitet; das warme Wasser wird in dem Warmwasserspeicher gespeichert und dann über Versorgungsleitungen z. B. im Bad genutzt. Andererseits sind in letzter Zeit dringliche Umweltprobleme aufgetreten, die global gelöst werden sollten, wie etwa die Erderwärmung durch Kohlendioxid, die Zerstörung der Ozonschicht durch FCKW, die Luftverschmutzung, saurer Regen, die Verschmutzung von Grundwasser, die Verschmutzung von Meeren, Flüssen und Seen, die Zerstörung von Wäldern, die Verwüstung, die rasante Abnahme der Arten, die Entsorgung von Müll, die Verschmutzung des Erdreichs oder das Auftreten von Umwelthormonen (endokrine Disruptoren). Als eine der zentralen Ursachen dieser Umweltprobleme gilt die Erderwärmung durch den Ausstoß von Kohlendioxid, weshalb die solare Stromerzeugung Beachtung gefunden hat, die mittels Solarzellen direkt aus Sonnenlichtstrahlen Strom gewinnt, und es wird immer mehr empfohlen, dass alle Haushalte Systeme anlegen, die verkaufbaren Strom liefern. Allerdings haben diese solaren Stromerzeuger das Problem, dass ihre Energiedichte pro Kubikmeter gering ist (etwa 1 kW) und die Energieumwandlungsrate ungünstig ist insbesondere wenn man damit dann Wasser erhitzt, ist diese Rate sehr schlecht. Daher gibt es Warmwassersysteme, die die Sonnenwärme nutzen; weil sie Wasser oder eine andere Flüssigkeit erhitzen und so die Sönnenwärmeenergie direkt in Warmwasser umgewandelt wird, ist hier die Umwandlungsrate gut, die Kosten sind gering und man hat einen hohen Freiheitsgrad bei der Größenauslegung der Anlage; weil es hierbei keinen Kohlendioxidausstoß gibt, ist das eine Methode, deren Verwendung vorangetrieben werden sollte.
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Beispielsweise offenbart die
DE 3236882 A1 eine Solaranlage, bestehend aus einer Mehrzahl von mit Kondensatköpfen versehenen, bevorzugt in Vakuumröhrenausführung ausgebildeten Wärmerohrkollektoren und einen Speicher, welcher die gesammelte Wärme aufnimmt und derart ausgelegt ist, dass die Kondensatorköpfe direkt im unteren Bereich des Speichers angeordnet sind. Der Speicher kann demgemäß entweder aus einem einzelnen Behälter oder aus zwei übereinander angeordneten Behältern bestehen, wobei diese Behälter liegend oder stehend angeordnet werden können.
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Die
DE 2503249 A1 offenbart eine Einrichtung für die Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser unter Ausnützung der Sonnenenergie, wobei die Aufheizung des zu verdampfenden Meerwassers durch Sammelspiegel oder Sammellinsen in feststehender oder beweglicher Ausführung und mit fester oder variabler Geometrie erfolgen kann.
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Als herkömmliches Sonnenwärme nutzendes Warmwassersystem gibt es das vom Antragsteller vorgeschlagene unter Patentliteratur 1.
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Literatur zum Stand der Technik
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Patentliteratur
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- Patentliteratur 1: JP6159815A
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Probleme, die die Erfindung lösen wird
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Das in der obigen Patentliteratur 1 beschriebene System besteht aus dem ersten und zweiten Konvektionskreislauf, wobei Wassertank und Wärmespeichertank sowie Hitzekollektor und Wassertank jeweils einen Kreislauf bilden; der Hitzekollektor ist über einen Umschalter entweder mit dem ersten Kreislauf oder mit dem zweiten Kreislauf verbunden; das System ist so ausgelegt, dass die Wasserversorgungszeit verkürzt wird und ständig eine bestimmte Wassertemperatur zur Verfügung gestellt werden kann. Das System aus der Patentliteratur 1 war gut, weil es die Wasserversorgungszeit verkürzen und innerhalb kurzer Zeit die Warmwasserversorgung sicherstellen konnte, indem durch den Wassertank heißes Warmwasser an den Wärmespeichertank geliefert wurde – auch wenn das Warmwasser im Wärmespeichertank weniger geworden war. Allerdings trat auch ein Bedarf an multifunktionalen Produkten auf, die noch weitere neue Funktionen besitzen.
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Diese Erfindung berücksichtigt die oben beschriebenen herkömmlichen Probleme und liefert eine Einrichtung zum Erwärmen von Wasser durch Sonnenwärme, die gleichzeitig Trinkwasser und Warmwasser liefert, deren eines Ziel es ist – neben der Herstellung von Warmwasser mittels Sonnenenergie, das für alles Mögliche verwendet werden kann – auch innerhalb dieses Warmwasserherstellungsprozesses auch Trinkwasser zu liefern; neben der Herstellung von Warmwasser wird also auch gleichzeitig Trinkwasser gewonnen.
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Mittel um die Probleme zu lösen
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Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, ist die Einrichtung 1 zum Erwärmen von Wasser durch Sonnenwärme, die gleichzeitig Trinkwasser und Warmwasser liefert mit folgenden Elementen ausgestattet: dem Sonnenwärmekollektorpanel 2; dem Verdampfungstank 3, der etwas höher als der Sonnenwärmekollektorpanel 2 aber in dessen Nähe liegt und der mit dem Sonnenwärmekollektorpanel verbunden ist und der einen Raum besitzt, der das von dem Sonnenwärmekollektorpanel erhitzte Warmwasser aufnimmt und verdampft; dem Warmwasserreservoir 4, das etwas höher als der Verdampfungstank 3 aber in dessen Nähe liegt und das das gespeicherte Wasser erwärmt, indem er einen Wärmetausch mit dem verdampften Warmwasser des Verdampfungstankes vornimmt und das dieses Warmwasser extern speichert; und der Entnahmeöffnung 5, die an dem Verdampfungstank 3 angebracht ist; durch Wärmetausch mit dem Wasser aus dem Warmwasserreservoir 4 erhält man als Kondensationsflüssigkeit aus dem verdampften Warmwasser das destillierte Wasser Q, das man direkt extern an der Entnahmeöffnung entnehmen kann. Sonnenwärmekollektorpanel 2, Verdampfungstank 3 und Warmwasserreservoir 4 sind in dieser Reihenfolge jeweils höher als das vorherige Element angeordnet und über Strömungswege durch die natürliche Konvektion zirkuliert das Warmwasser. Um das Wasser in Fluss zu halten, können auch Antriebseinrichtungen wie etwa Pumpen verwendet werden, grundsätzlich fließt das Wasser aber auch allein durch die natürliche Konvektion. Die Einrichtung zum Erwärmen von Wasser durch Sonnenwärme, die gleichzeitig Trinkwasser und Warmwasser liefert – nach dieser Erfindung – bildet eine Einheit bestehend aus dem Sonnenwärmekollektorpanel 2, dem Verdampfungstank 3 und dem Warmwasserreservoir 4, man kann aber ein solches Set auch zu Zweier-, Dreier- usw. Gruppen parallel anordnen, so dass sich die Warmwasserversorgungsmenge und die Entnahmemenge des destillierten Wassers sich addieren, bis die Anlage die gewünschte Kapazität an Warmwasser erreicht. Weiterhin kann man diese Einrichtung nicht nur auf Dächern von normalen Wohnhäusern und anderen Gebäuden installieren, sondern auch auf schräge Stützkonstruktionen, entlang dieser Schräge.
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In diesem Fall ist es angebracht, dass der Verdampfungstank 3 neben dem Sonnenwärmekollektorpanel 2 die folgenden Elemente enthält: die Verdampfungskammer 20, die ein Kreislaufsystem mit Warmwasser bildet, das durch das Sonnenwärmekollektorpanel 2 erhitzt wird, und eine Warmwasserhalteeinrichtung 21, die innerhalb der Verdampfungskammer 20 montiert ist und die dieses erhitzte Wasser so hält, dass es in direktem Kontakt mit dem Innenraum 20a ist. Wie das Warmwasser gehalten wird, damit das destillierte Wasser, das ein Kondensat des Warmwassers von dem Sonnenwärmekollektorpanel ist, sich bei der Entnahme nicht vermischt, ist nicht auf eine konkrete Haltekonstruktion für Warmwasser beschränkt. Die Warmwasserhalteeinrichtung, die das Warmwasser hält, ist so ausgelegt, dass das Warmwasser von dem Sonnenwärmekollektorpanel frei durchfließen kann.
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Weiterhin kann der Verdampfungstank 3 mit der Kreislaufdurchleitungskammer 28 eine Einheit bilden; diese Kreislaufdurchleitungskammer 28 ist mit dem Warmwasserreservoir 4 verbunden und die Flüssigkeit aus dem Warmwasserreservoir 4 zirkuliert dort; die Kreislaufdurchleitungskammer 28 ist durch die Dampfkondensationswand 34 von der Verdampfungskammer 20 abgeteilt; an dieser Wand findet ein Wärmeaustausch zwischen dem vom Sonnenwärmekollektorpanel 2 erhitzten Warmwasser und der Flüssigkeit innerhalb des Warmwasserreservoirs 4 statt. Der Verdampfungstank 3 bildet zwischen dem Sonnenwärmekollektorpanel 2 und dem Warmwasserreservoir 4 jeweils verschiedene Kreislaufsysteme und fungiert gleichzeitig als Teil dieser Systeme. D. h. der Verdampfungstank 3 ist zwischen dem Sonnenwärmekollektorpanel 2 und dem Warmwasserreservoir 4 angeordnet und bildet dort das erste Kreislaufsystem M; durch den Aggregatzustandswechsel des Warmwassers von gasförmig zu flüssig wird das Wasser des zweiten Kreislaufsystems N mit Wärme versorgt und man gewinnt bei dem Aggregatszustandswechsel als Kondensat destilliertes Wasser. Der Wärmetauscheffekt zwischen dem Warmwasserdampf und dem Wasser auf Seiten des Warmwasserreservoirs 4 ist leicht zu bewerkstelligen die Wärmetauschrate ist gut, die Anlage ist leicht herzustellen und die Anlage wird stabiler, wenn man einen Teil des Warmwasserreservoirs 4 als Kreislaufdurchleitungskammer 28 in den Verdampfungstank 3 verlegt. Man kann allerdings auch den gesamten Verdampfungstank 3 so auslegen, dass er sich vollständig innerhalb des Warmwasserreservoirs 4 befindet.
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Für die Dampfkondensationswand 34 wird ein kreisbogenförmiger oder kreisförmiger Querschnitt empfohlen.
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Für den Verdampfungstank 3 wird eine zweilagige Röhrenkonstruktion empfohlen, eine Innen- und eine Außenröhre, die in deren Inneren sich die Verdampfungskammer 20 und die Kreislaufdurchleitungskammer 28 bilden.
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Die Warmwasserhalteeinrichtung 21 ist innerhalb der Verdampfungskammer 20 angebracht und verbindet den Ausgang 12 mit dem Eingang 10 zwischen denen das Warmwasser des Sonnenwärmekollektorpanels 2 fließt; sie besteht aus dem Behältnis 26, dessen Oberseite die Öffnung 25 besitzt und das das Warmwasser aufnimmt.
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Es soll das erste Kreislaufsystem M geben, das durch den Warmwasserkreislauf geformt wird, der durch den Höhenunterschied zwischen dem Sonnenwärmekollektorpanel 2 und dem Verdampfungstank 3 entsteht und das zweite Kreislaufsystem N, das durch den Warmwasserkreislauf geformt wird, der durch den Höhenunterschied zwischen dem Verdampfungstank 3 und dem Warmwasserreservoir 4 entsteht; die Anlage kann kompakter gemacht werden, indem man an den beiden Enden des Verdampfungstanks 3 das Sonnenwärmekollektorpanel 2 und das Warmwasserreservoir 4 anordnet.
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Man kann außerdem auch einen Wasserstandsstabilisator 60 anbringen, der den Wasserstand in der Warmwasserhalteeinrichtung 21 des Verdampfungstanks 3 konstant hält.
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Wirkung der Erfindung
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Die Einrichtung nach dieser Erfindung zum Erwärmen von Wasser durch Sonnenwärme, die gleichzeitig Trinkwasser und Warmwasser liefert, ist aus folgenden Elementen aufgebaut: aus dem Sonnenwärmekollektorpanel; aus einem Verdampfungstank, der nahe dem Sonnenwärmekollektorpanel aber höher als dieser angeordnet ist, der mit dem Sonnenwärmekollektorpanel verbunden ist und einen Raum besitzt, in dem das von dem Sonnenwärmekollektorpanel erhitzte Warmwasser aufgenommen und verdampft wird; aus einem Warmwasserreservoir, das nahe dem Verdampfungstank aber höher als dieser angeordnet ist, dessen darin gespeichertes Wasser durch Wärmetausch mit dem verdampften Warmwasser des Verdampfungstanks erwärmt wird; und aus einer Entnahmeöffnung, die am Verdampfungstank angebracht ist und aus der das Kondensat des verdampften Warmwassers bei dem Wärmetausch mit dem Wasser des Warmwasserreservoirs als destilliertes Wasser direkt entnommen wird; dieser kompakte Aufbau lässt sich auf Dächern o. Ä. von Wohnhäusern oder anderen Gebäuden installieren, benötigt keine Antriebseinrichtung, ist wartungsfrei, lässt sich preiswert herstellen, hat geringe Verwaltungskosten und liefert durch Sonnenwärme neben Warmwasser auch hochwertiges Trinkwasser. Außerdem hat es eine hohe Energieumwandlungsrate, weil hier Warmwasser direkt aus der Sonnenwärme gewonnen wird, es wird keinerlei Kohlendioxid ausgestoßen und man gewinnt hochwertiges Trinkwasser, weshalb diese Anlage einen Umweltbeitrag für die Vermeidung der Erderwärmung liefert und sicherlich nicht nur in Japan, sondern auch im Ausland Verwendung finden wird.
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Der Verdampfungstank besteht aus einer Verdampfungskammer, die mit dem Sonnenwärmekollektorpanel das Kreislaufsystem des durch das Sonnenwärmekollektorpanel erhitzte Warmwassers bildet, und aus einer Warmwasserhalteeinrichtung, die im Inneren der Verdampfungskammer angebracht ist und die direkten Kontakt mit diesem erhitzten Wasser im Kammerinneren hat; aufgrund dieses Aufbaus verdampft das Warmwasser von dem Sonnenwärmekollektorpanel, kondensiert und wird zu destilliertem Wasser, wobei dabei geachtet wird, dass es sich bei der Gewinnung nicht vermischt; das destillierte Wasser kann beim Wärmetausch mit dem Wasser von Seiten des Warmwasserreservoirs effektiv gewonnen werden.
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Weiterhin bildet der Verdampfungstank mit einer Kreislaufdurchleitungskammer eine Einheit; diese Kreislaufdurchleitungskammer ist mit dem Warmwasserreservoir verbunden und die Flüssigkeit aus dem Warmwasserreservoir zirkuliert dort; die Kreislaufdurchleitungskammer ist durch die Dampfkondensationswand von der Verdampfungskammer abgeteilt und an dieser Wand findet ein Wärmeaustausch zwischen dem vom Sonnenwärmekollektorpanel erhitzten Warmwasser und der Flüssigkeit innerhalb des Warmwasserreservoirs statt; aufgrund diesen Aufbaus kann der Wärmetausch zwischen dem Warmwassers, das vom Sonnenwärmekollektorpanel verdampft wurde, und dem Wasser auf Seiten des Warmwasserreservoirs effektiv durchgeführt werden; die Verbindungsweise zwischen dem Warmwasserreservoir, wo es zum Wärmetausch zwischen dem Wasser des Warmwasserreservoirs kommt und dem Verdampfungstank ist leicht zu produzieren und weil darüber hinaus ein Teil des Warmwasserreservoirs als Kreislaufdurchleitungskammer mit dem Verdampfungstank eine Einheit bildet, erhält der Verdampfungstank eine hohe Stabilität.
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Dadurch, dass die Dampfkondensationswand kreisbogenförmig bzw. kreisförmig ist, lässt sich effektiv destilliertes Wasser gewinnen, indem der Wasserdampf an der Dampfkondensationswand gleichmäßig kondensiert; bei einer kreisförmigen Wand lässt sich der Aufbau mit einer Doppelröhre – mit einer Innen- und Außenröhre – gut verwirklichen, der Wärmeaustausch ist effektiv und die Verbindung zwischen Warmwasserreservoir und Verdampfungstank lässt sich leicht produzieren; außerdem erhält man mit diesem Aufbau einen stabilen Verdampfungstank.
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Außerdem ist bei einer Doppelröhre – mit einer Innen- und Außenröhre – bei der die Verdampfungskammer und die Kreislaufdurchleitungskammer eine Einheit bilden, ein effektiver Wärmeaustausch gewährleistet und die Verbindung zwischen Warmwasserreservoir und Verdampfungstank lässt sich leicht produzieren; außerdem erhält man mit diesem Aufbau einen stabilen Verdampfungstank.
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Die Warmwasserhalteeinrichtung, die den Warmwasserausgang und den Warmwassereingang des Sonnenwärmekollektorpanels mit dem Eingang verbindet, ist im Inneren der Verdampfungskammer angebracht und ist ein Behältnis, das nach oben hin offen ist und das Warmwasser aufnimmt; der Aufbau ist so, dass sich das Warmwasser von dem Sonnenwärmekollektorpanel sich nicht mit dem destillierten Wasser, das an der Wand kondensiert, vermischt; beim Wärmetausch mit dem Wasser auf Seiten des Warmwasserreservoirs lässt sich effektiv destilliertes Wasser gewinnen.
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Das erste Kreislaufsystem wird durch den Warmwasserkreislauf geformt, der durch den Höhenunterschied zwischen dem Sonnenwärmekollektorpanel und dem Verdampfungstank entsteht und das zweite Kreislaufsystem wird durch den Warmwasserkreislauf geformt, der durch den Höhenunterschied zwischen dem Verdampfungstank und dem Warmwasserreservoir entsteht; aufgrund dieses Aufbaus kann die Anlage kompakter gemacht werden, indem man an den beiden Enden des Verdampfungstanks das Sonnenwärmekollektorpanel und das Warmwasserreservoir anordnet.
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Man kann außerdem auch eine Wasserstandshalteeinrichtung anbringen, die den Wasserstand in der Warmwasserhalteeinrichtung des Verdampfungstanks konstant hält, so dass man kontinuierlich destilliertes Wasser gewinnt.
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Einfach Erläuterungen zu den Abbildung
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[ ] Eine Längsschnittzeichnung mit den wesentlichen Teilen der Einrichtung zum Erwärmen von Wasser durch Sonnenwärme, die gleichzeitig Trinkwasser und Warmwasser liefert, vergrößert – hier die erste Anwendungsform nach dieser Erfindung.
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[ ] Zeigt die Anlage aus von vorne und zwar von dem Warmwasserreservoir und dem Verdampfungstank jeweils lotrecht vertikal geschnitten, wobei das Dämmmaterial hier weggelassen wurde.
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[ ] Eine vereinfachte Längsschnittzeichnung mit den wesentlichen Teilen der Einrichtung zum Erwärmen von Wasser durch Sonnenwärme, die gleichzeitig Trinkwasser und Warmwasser liefert, vergrößert – hier ein anderes Anwendungsbeispiel nach dieser Erfindung.
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[ ] Eine erklärende Zeichnung zu dem Kreislaufsystemen zur Versorgung mit Wasser bzw. Warmwasser für die Anlage aus .
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[ ] Ist eine Illustration die zeigt, wie die Anlage aus auf der Dachfläche eines Wohnhauses montiert ist und wie das Warmwasser und destillierte Wasser verwendet wird.
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[ ] Zeigt eine Tabelle mit den Temperatur-Ist-Werten der wichtigsten Teile der Anlage zu bestimmten Uhrzeiten von dem Anwendungsbeispiel.
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[ ] Zeigt die Ist-Werte aus als Graph.
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[ ] (a) ist eine schematische Darstellung der Anlage, die die Temperaturmessstellen für zeigt.
(b) ist eine schematische Darstellung der Anlage, die die Temperaturmessstellen für zeigt.
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Formen für die Anwendung der Erfindung
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Im Folgenden soll anhand der beigefügten Abbildungen ein Anwendungsbeispiel nach dieser Erfindung für die Einrichtung zum Erwärmen von Wasser durch Sonnenwärme, die gleichzeitig Trinkwasser und Warmwasser liefert, gegeben werden. Die bis zeigen ein Anwendungsbeispiele nach dieser Erfindung für die Einrichtung zum Erwärmen von Wasser durch Sonnenwärme, die gleichzeitig Trinkwasser und Warmwasser liefert. Die Einrichtung zum Erwärmen von Wasser durch Sonnenwärme, die gleichzeitig Trinkwasser und Warmwasser liefert, nach dieser Erfindung ordnet die wesentlichen Aufbauelemente jeweils mit einem Höhenunterschied zueinander an; durch natürliche Konvektion wird Warmwasser gewonnen und gleichzeitig auch destilliertes Wasser; die Anlage wird auf z. B. Dächern von Gebäuden oder auf einem Gerüst schräg angeordnet montiert.
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Die in gezeigte Anwendungsform einer Einrichtung 1 zum Erwärmen von Wasser durch Sonnenwärme, die gleichzeitig Trinkwasser und Warmwasser liefert kann z. B. auf einem Dach eines gewöhnlichen Wohnhauses mittels einer nicht festgelegten Befestigungstechnik an einer Schräge montiert werden. Die in den und gezeigte Anwendungsform einer Einrichtung 1 zum Erwärmen von Wasser durch Sonnenwärme, die gleichzeitig Trinkwasser und Warmwasser liefert (im folgenden als ”Trink-/Warmwasser-Kombieinrichtung” bezeichnet) ist mit den folgenden Elementen ausgestattet: dem Sonnenwärmekollektorpanel 2; dem Verdampfungstank 3, der mit dem Sonnenwärmekollektorpanel 2 verbunden ist und zwar dicht bei aber höher als das Sonnenwärmekollektorpanel 2 liegt; dem Warmwasserreservoir 4, das eine Flüssigkeit (Wasser) speichert, die durch Wärmetausch mit dem Warmwasser innerhalb des Verdampfungstanks erwärmt wurde; und der Entnahmeöffnung für destilliertes Wasser 5, die an dem Verdampfungstank angebracht ist. Die Aufbauelemente können aus rostfreiem Stahlblech oder aus Stahlblech geformt sein; solange es aber keine Probleme bezüglich der Stabilität, Haltbarkeit oder Einflüsse auf den menschlichen Körper gibt, kann auch ein anderes Material gewählt werden.
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Das Sonnenwärmekollektorpanel 2 ist an der schrägen Dachfläche Rf montiert und auch der Verdampfungstank 3 und das Warmwasserreservoir 4 sind als eine Einheit auf der Dachschräge montiert.
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Das Sonnenwärmekollektorpanel 2 aus den und dient als Flüssigkeitserhitzer, wobei Wasser oder eine andere Flüssigkeit von außen zugeführt wird, von der Sonnenwärme erhitzt und dann durch natürliche Konvektion an den Verdampfungstank 3 gefördert wird; in diesem Anwendungsbeispiel dient dazu ein Panel, das aus zwei Platten aus rostfreiem Stahl oder Polyester o. Ä. besteht, die aufeinandergelegt eine Einheit bilden und die an ihrer Innenseite (Warm)wasserwegnuten ausgeformt haben, die dann die Wasserleitung 6 bilden. In der Wasserleitung 6, die über die ganze Panelfläche verteilt angeordnet ist und die von den sich gegenüberliegenden Wasserwegnuten gebildet werden, so dass die Sonnenwärme das Wasser effektiv erhitzen kann, fließt zugeleitetes Wasser und wird dabei erhitzt. An dem Sonnenwärmekollektorpanel 2 sind am oberen Rand, an voneinander entfernten Positionen, der Eingangsanschluss 10 und der Ausgangsanschluss 12 angebracht, die mit dem noch später erwähnten Verdampfungstank 3 verbunden sind; über die Leitungen 14 und 16 bildet das Wasser im Inneren des Sonnenwärmekollektorpanels bzw. das Warmwasser über den Verdampfungstank 3 einen Konvektionskreislauf. Der Eingang, der das Warmwasser von dem Sonnenwärmekollektorpanel 2 in Richtung Verdampfungstank 3 durchlässt, wird als Eingangsanschluss 10 bezeichnet und der Ausgang, bei dem das Warmwasser vom Verdampfungstank 3 in Richtung des Sonnenwärmekollektorpanels 2 zirkuliert, wird als Ausgangsanschluss 12 bezeichnet.
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Der Verdampfungstank 3 bildet zusammen mit dem Sonnenwärmekollektorpanel 2 das erste Kreislaufsystem M; wenn das durch das Sonnenwärmekollektorpanel 2 erhitzte Warmwasser aufgenommen wird und in dem Verdampfungsraum 20a innerhalb der Verdampfungskammer 20 verdampft, dann kondensiert es durch den Wärmetausch mit der Flüssigkeit auf Seiten des Warmwasserreservoirs 4; diese Kondensationsflüssigkeit wird dann als destilliertes Wasser entnommen; der Verdampfungstank ist also ein Aggregatzustandumwandlungsmittel; bei dem hier gezeigten Anwendungsbeispiel enthält der Verdampfungstank 3 die Verdampfungskammer 20, die mit dem von dem Sonnenwärmekollektorpanel 2 erhitzten Warmwasser das Kreislaufsystem M bildet; außerdem enthält der Verdampfungstank die Warmwasserhalteeinrichtung 21, die im Inneren der Verdampfungskammer 20 angeordnet ist und die das erhitzte Warmwasser in direktem Kontakt mit dem Innenraum 20a hält. In diesem Anwendungsbeispiel ist der Verdampfungstank 3 an einer höheren Position als das Sonnenwärmekollektorpanel 2, ist mit dem Sonnenwärmekollektorpanel 2 verbunden, liegt in der Schrägenverlängerung der Dachfläche Rf und ist aus einer zylindrischen Trommel geformt. Außerdem hat der Verdampfungstank 3 eine Doppelröhrenstruktur, die die Innenröhre 22 und die Außenröhre 24 umfasst. Die Innenröhre 22 und die Außenröhre 24 sind so angeordnet, dass sie den gleichen Mittelpunkt haben; zwischen den beiden Röhren liegt überall der gleiche Abstand, so dass zwischen den Röhren ein Raum gebildet wird.
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Innerhalb der Innenröhre 22 des Verdampfungstanks 3 aus wird das Behältnis 26, das an seiner Oberseite die Öffnung 25 besitzt, mittels einer Halteeinrichtung – die z. B. wie ein Rahmen angelegt ist, der von den Wänden des Behältnisses hervorsteht – in einem bestimmten Abstand vom Boden des Verdampfungstanks 3 schwebend gehalten, so dass er den Boden des Verdampfungstanks 3 nicht berührt. Das Behältnis 26 ist eine Warmwasserhalteeinrichtung 21, die das von dem Sonnenwärmekollektorpanel 2 erhitzte Warmwasser in der Luft im Innenraum 20a der Verdampfungskammer hält und es mit dieser Luft in direkten Kontakt bringt; das Warmwasser wird also von dem abgeschlossenen Raum des Sonnenwärmekollektorpanels 2 aus in das Innere der Verdampfungskammer gebracht. Mit anderen Worten: das Behältnis 26 ist eine Aufnahme des Warmwassers, die einen Boden und Wände besitzt; es hält das Warmwasser, das von dem Eingangsanschluss 10 des Sonnenwärmekollektorpanels aus über die Leitung 14 fließt, innerhalb eines Kreislaufes. Die Oberseite des Behältnisses 26 kann vollständig oder nur teilweise geöffnet sein. Das Material des Behältnisses 26 ist in dieser Anwendungsform aus rostfreiem Stahl, es können aber auch andere Materialien verwendet werden, wie für den menschlichen Körper nicht-toxisches Metall oder Kunstharz o. Ä. Außerdem wurde für diese Anwendungsform hier ein halbierter Zylinder gewählt, bezüglich der plastischen Form gibt es aber keine Beschränkungen. In sind das linke Ende des halbzylindrischen Behältnisses und die linke Seite des Sonnenwärmekollektorpanels 2 über die Leitung 14 miteinander verbunden; das rechte Ende des halbzylindrischen Behältnisses und die rechte Seite des Sonnenwärmekollektorpanels 2 sind über die Leitung 16 miteinander verbunden. Die Leitung 14 auf der Seite des Eingangsanschlusses 10 ist höher montiert als die Verbindung zur Leitung 16, die vom Ausgangsanschluss 12 zum Behältnis 26 geht; so fließt das Warmwasser durch natürliche Konvektion innerhalb des Behältnisses 26 von der Verbindungseite des Eingangsanschlusses aus zu der Verbindungsseite des Ausgangsanschlusses. Die Temperatur des Warmwassers innerhalb des Behältnisses 26 kann z. B. auf etwa 80°C angestiegen sein und der verdampfte Dampf p breitet sich dann von der Öffnung 25 aus in der Verdampfungskammer 20 aus.
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Der Verdampfungstank 3 kann prinzipiell auch – wie in gezeigt (zweite Anwendungsform) – vollständig innerhalb des Warmwasserreservoirs 41 eingebaut sein, wobei dann darauf zu achten ist, dass der Speicherraum S so ausgeformt ist, dass zwischen Verdampfungstank 3 und dem Inneren des Warmwasserreservoirs ausreichend Platz ist.
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In dieser Anwendungsform ist – wie in gezeigt – der Verdampfungstank 3 eine Doppelröhrenkonstruktion, die eine Innenröhre 22 und eine Außenröhre 24 umfasst und die als Einheit montiert sind; zwischen Innen- und Außenröhre befindet sich die Kreislaufdurchleitungskammer 28, die mit dem Warmwasserreservoir 4 verbunden ist. Die Kreislaufdurchleitungskammer 28 bzw. 28a ist über die Leitungen 30 und 32 mit dem Inneren des Warmwasserreservoirs 41 verbunden. Die Leitungen 30 und 32 verbinden jeweils das Warmwasserreservoir 4 mit der Kreislaufdurchleitungskammer 28, wobei die Anschlüsse der Leitung 30 relativ weit unten an den beiden Einrichtungen angebracht sind, die der Leitung 32 relativ weit oben. Die Kreislaufdurchleitungskammer 28 ist durch die Dampfkondensationswand 34 der Innenröhre 22 von der Verdampfungskammer 20 des Verdampfungstanks 3 getrennt; sie ist mit dem Warmwasserreservoir 4 verbunden; das Wasser innerhalb des Warmwasserreservoirs 4 zirkuliert durch Konvektion zwischen der Kreislaufdurchleitungskammer 28 und dem Warmwasserreservoir. Die Innenwand der Dampfkondensationswand 34 (die Innenwand der Innenröhre 22) ist gleichzeitig auch die äußere Abgrenzung der Verdampfungskammer 20; das Wasser, das durch Wärmetausch zwischen dem niedrigtemperaturigen Warmwasser der Kreislaufdurchleitungskammer 28 und dem Dampf p im Inneren der Verdampfungskammer erwärmt wurde, fließt durch Konvektion in das Warmwasserreservoir 4, so dass sich das Wasser innerhalb des Warmwasserreservoirs 4 insgesamt erwärmt.
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Die Dampfkondensationswand 34 hat eine kreisbogenförmige oder kreisförmige Form; sie ist so gestaltet, dass der Dampf p gleichmäßigen Kontakt mit der Wandfläche hat, wodurch sich die Wärmetauschrate verbessert; durch die zylindrische oder kreisbogenförmige Struktur ist sie stabil.
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Gegenüber des Typs, der in gezeigt wird, wo der Verdampfungstank 3 sich innerhalb des Warmwasserreservoirs 41 befindet, sind bei der Anwendungsform aus Verdampfungstank 3 und Warmwasserreservoir 4 voneinander getrennt, was die Montage erleichtert; indem man eine Anlage anbringt, die direkt von außen die Kreislaufdurchleitungskammer 28 getrennt von dem Verbindungsweg mit dem Warmwasserreservoir 4 mit Wasser versorgt, kann der Temperaturunterschied zu dem Dampf innerhalb der Verdampfungskammer 20 kontinuierlich groß gehalten werden, wodurch man durch Kondensation destilliertes Wasser gewinnt; über zusätzliche Anlagen erhöht sich auch die Gestaltungsfreiheit bei den Verbindungen.
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An der Bodenwand der Innenröhre 22 befindet sich die Entnahmeöffnung 5 für das destillierte Wasser; über die Leitung 38, die mit der Entnahmeöffnung 5 verbunden ist, lässt sich über das Ventil 40 das destillierte Wasser Q entnehmen. In der Anwendungsform ist ein Mineralwasserbereiter 39 in die Leitung 38 eingebaut; in dessen Kartusche befindet sich Mineralpulver, aus denen sich Minerale lösen; das destillierte Wasser wird so zu Trinkwasser. 42 ist eine Isolation, die an der Außenfläche der Außenröhre angebracht ist; in dieser Anwendungsform wurde an die Außenfläche der Außenröhre 24 als Isolationsmaterial ein Kunstharzschaum verwendet.
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Das Warmwasserreservoir 4 bildet zusammen mit dem Verdampfungstank 3 den zweiten Kreislauf N; es ist ein Warmwasserspeichermittel, dass das Wasser speichert, das durch Wärmetausch mit dem Dampf im Inneren der Verdampfungskammer 20 erwärmt wurde; in dieser Anwendungsform ist das Warmwasserreservoir 4 über die Leitung 44 mit dem Verdampfungstank 3 verbunden; die Zylindertrommel ist in der Schrägenverlängerung oberhalb des Verdampfungstanks 3 an der Dachfläche Rf angebracht. Das Warmwasserreservoir 4 hat – wenn z. B. der Verdampfungstank 3 etwa 30 l fasst – eine Speicherkammer 50 mit einem Fassungsvermögen von etwa 80 l; das Warmwasser Lw, dessen Temperatur sich durch die Sonneneinstrahlung und mit dem Ansteigen der Lufttemperatur erhöht, kann über die Warmwasserentnahmeleitung 52 entnommen werden. Wie in gezeigt, ist das Warmwasserreservoir 4 mit einem Wassermengenstabilisator 56 verbunden, der das Wasser Lc enthält und der mit einem Schwimmerhahn 54 o. Ä. ausgestattet ist; wenn die Nennkapazität von z. B. 80 l erreicht ist, dann stoppt die Versorgung mit Wasser automatisch. 58 ist ein Isolator, der an der Tankaußenfläche des Warmwasserreservoirs 4 angebracht ist und der aus Kunstharzschaum o. Ä. besteht.
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In den und ist der Wasserstandsstabilisator 60 angebracht, der die Höhe des Flüssigkeitsspiegels innerhalb des Behältnisses 26, das als Warmwasserhalteeinrichtung 21 dient, konstant hält. Bei dieser Anwendungsform ist der Wasserstandsstabilisator 60 ausgestattet mit: dem Wasserhaltetank 62; der Leitung 64, die das andere Ende, das mit dem Wasserhaltetank verbunden ist, mit dem unteren Rand des Sonnenwärmekollektorpanels verbindet; und dem On-off-Ventil 66, das an dem Wasserhaltetank angebracht ist. Der Wasserhaltetank ist in Höhe h angebracht und zwar so, dass die Höhe des Wasserstandes in dessen Innerem in etwa an der gleichen Position ist wie der obere Rand der Öffnung 25 des Behältnisses 26; das Wasser im Inneren des Wasserhaltetanks 62 gelangt über die Leitung 64, das Sonnenwärmekollektorpanel 2 und die Leitung 14 in das Innere des Behältnisses 26; wenn dort die Höhe des [gewünschten] Flüssigkeitspegels erreicht ist, schließt der Schwimmerhahn das On-off-Ventil, wodurch der Wasserstand innerhalb des Behältnisses 26 konstant gehalten wird.
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Im Folgenden soll die Wirkungsweise Trink-/Warmwasser-kombieinrichtung 1 dieser Anwendungsform anhand der und erläutert werden; das Warmwasserreservoir 4 wird über den Wassermengenstabilisator 56 mit Wasser aus z. B. einem Trinkwasserhahn versorgt, solange, bis die Nennmenge von z. B. 80 l erreicht ist. Durch den Wasserstandsstabilisator 60 wird über den Wasserhaltetank 62 und die Leitung 64 die Wasserleitung 6 aufgefüllt; es wird solange Wasser nachgefüllt, bis der Wasserstand bis in die Gegend des oberen Randes des Öffnung 25 des Behältnisses 26 gestiegen ist. Dabei werden für die Wasserversorgung oder für das Auffüllen keine Antriebseinrichtungen wie etwa eine Pumpe verwendet. Die Lufttemperatur und die Warmwassertemperatur sind zwar auch abhängig von der Jahreszeit, sie sind aber in dem Zeitraum zwischen Mittag und nachmittags 15:00 am höchsten. Die Sonnenstrahlen treffen auf das Sonnenwärmekollektorpanel 2 und erhitzen das Wasser darin; dabei werden beispielsweise am Eingangsanschluss 10 des Sonnenwärmekollektorpanels 2 selbst im November Temperaturen bis maximal 80°C erreicht. An der Wasseroberfläche des Behältnisses 26 beträgt die Temperatur noch zwischen 75°C und 80°C, so dass das Warmwasser von der Wasserfläche verdampft und sich in der Verdampfungskammer verteilt. Wenn das Sonnenwärmekollektorpanel z. B. 35° aus der Horizontalen geneigt ist, dann wird das Wasser innerhalb des ersten Kreislaufsystems M, der aus dem Sonnenwärmekollektorpanel 2 und dem Verdampfungstank 3 gebildet wird, durch die Sonnenwärme erhitzt und damit beginnt mit der Erwärmung des Wassers zunehmend – durch den Höhenunterschied zwischen Verdampfungstank 3 und Sonnenwärmekollektorpanel 2 – der Konvektionskreislauf innerhalb des Systems ( ). Der Dampf innerhalb der Verdampfungskammer 20 kondensiert, wenn er die Dampfkondensationswand 34 berührt, durch den Temperaturunterschied zu dem Wasser in der Kreislaufdurchleitungskammer 28, die Feuchtigkeit Dn bildet Tropfen und haftet an der Dampfkondensationswand 34 an. Dann rinnen die Tropfen an der Dampfkondensationswand 34 herunter, und verbleiben auf dem Boden der Verdampfungskammer; wenn nötig kann das Ventil geöffnet und destilliertes Wasser Q entnommen werden. Für gewöhnlich erhält man so destilliertes Wasser, bei dem Verschmutzungen, die großmassige Stoffe enthalten, entfernt wurden; bei Bedarf kann hieraus auch Trinkwasser gewonnen werden, indem man einen Mineralwasserbereiter zwischenschaltet (der in der Abbildung nicht gezeigt ist), der eine Mineralstoffpulverkapsel enthält und der dazu dient, den Geschmack des Wassers zu verbessern ( ). Das Wasser innerhalb der Kreislaufdurchleitungskammer 28a, das an der Dampfkondensationswand 34 mit dem Dampf einen Wärmetausch vollzogen hat, wird erhitzt und fließt in das Warmwasserreservoir 4 ein. Weil das Warmwasserreservoir 4 höher als der Verdampfungstank 3 liegt, der auch die Kreislaufdurchleitungskammer 28a enthält, zirkuliert das in der Kreislaufdurchleitungskammer 28a erwärmte Wasser in dem zweiten Kreislaufsystem N. Dann kann das auf z. B. 38°C erwärmte Warmwasser – wie in gezeigt – für die Küchenspüle 71, das Bad 72 oder für eine Fußbodenheizung 73 verwendet werden. Das für die Warmwasserversorgung gedachte Wasser in dem Warmwasserreservoir 4 wird verbraucht, so das der verbrauchte Teil nachgefüllt wird.
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Anwendungsbeispiele
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Im Folgenden wird eine Anwendungsform der Einrichtung zum Erwärmen von Wasser durch Sonnenwärme, die gleichzeitig Trinkwasser und Warmwasser liefert, anhand eines Anwendungsbeispiels erläutert.
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[Anwendungsbeispiel 1]
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<Temperaturmessung>
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In einem Aufbau nach der ersten Anwendungsform wurden die in den und (b) gezeigten Messstellen festgelegt und wie folgt durchnummeriert: (1) (Obere Wasserschicht in dem Behältnis), (2) (am Boden der Verdampfungskammer), (3) (Ausgang des Kollektorpanels), (4) (Eingang des Kollektorpanels), (5) (am Boden des Warmwasserreservoirs); es wurden dann an einem Tag im November mittels eines Registrierschreibers (DR230 der Firma Yokogawa Electric Coperation) in der Zeit zwischen 10:00 und 17:00 Uhr die Temperaturen an den Messstellen gemessen und aufgezeichnet.
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<Produktspezifikationen>
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Die in dem Anwendungsbeispiel gemessene Anlage hatte ein Sonnenwärmekollektorpanel, das 1 m breit und 2 m hoch war, der Verdampfungstank fasste 29,3 l (377 mm ∅ × 715 mm), das Behältnis fasste 0,6 l und das Warmwasserreservoir fasste 81,2 l. Die gesamte Anlage wurde in einem Winkel von 35° montiert.
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<Graph>
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Die zeigt die stündlichen Messwerte, zeigt diese Werte in Graphform. In der obersten Zeile von stehen die Uhrzeiten, darunter stehen die Temperaturangaben in °C. Wie in dem Graph aus gezeigt, haben die Messstellen (3) und (4) an dem Ausgangsanschluss des Sonnenwärmekollektorpanels selbst im Winter etwa 80°C; der Boden des Warmwasserreservoirs (5), das als Warmwasserquelle dient, war gegen 13:00 Uhr auf eine Temperatur von etwa 30°C angestiegen, das man schon für alle möglichen Dinge verwenden kann. Hier soll erwähnt sein, dass es bei den Ist-Werten um 13:00 Uhr Probleme mit der Befestigung der Sensorelemente an den Messstellen gab, so dass es hier zu Messdifferenzen kam. Aus dem Verdampfungstank konnten 5,5 l destilliertes Wasser entnommen werden. Um das Wasser leichter trinkbar zu machen, können dem destillierten Wasser Mineralstoffe zugesetzt werden, so dass daraus Trinkwasser wird. So kann stabil qualitativ hochwertiges Trinkwasser gewonnen werden, was z. B. für Städte mit schlechtem Leitungswasser oder Gebiete, die nicht mit einer guten Wasserumgebung gesegnet sind, besonders interessant ist.
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Die Erfindung der Einrichtung zum Erwärmen von Wasser durch Sonnenwärme, die gleichzeitig Trinkwasser und Warmwasser liefert, beschränkt sich nicht auf den Aufbau des oben beschriebenen Anwendungsbeispiels, sondern soll den Bereich umfassen, wie er im Umfang der Ansprüche beschrieben ist; Änderungen sind möglich und trotzdem sind sie dieser Erfindung zuzurechnen, solange nicht vom Geist dieser Erfindung abgewichen wird.
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Verwendungsmöglichkeiten in der Industrie
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Die Erfindung der Einrichtung zum Erwärmen von Wasser durch Sonnenwärme, die gleichzeitig Trinkwasser und Warmwasser liefert, wird sicherlich zu allererst bei der Warmwasserversorgung und Trinkwassergewinnung in Haushalten Anwendung finden, aber auch in anderen Bereichen, wie etwa für Büros oder Fabriken, aber auch bei der Produktherstellung, in der Landwirtschaft oder etwa im medizinischen Bereich.
