DE19500807C2

DE19500807C2 - Wärmetauscher und Solarabsorber mit Zwangskonvektion

Info

Publication number: DE19500807C2
Application number: DE19500807A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Rer Nat Luther
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-01-13
Filing date: 1995-01-13
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2015-01-14
Also published as: DE19500807A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher und Solarabsorber mit Zwangskonvektion nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Im Absorber eines Sonnenkollektors wird die Strahlungswärme der Sonne aufgefangen und an den Wärmeträger Luft oder Wasser übertragen. Dieser Spezialfall eines Wär metauschers besteht beispielsweise aus einer schwarzen Metall- oder Kunststoffplatte, die von wasserführenden Rohren durchzogen ist oder abschnittsweise von Luft als Wärmeträger umströmt wird. Wegen der gegenüber der Umgebungstemperatur erhöh ten Temperatur des Absorbers verliert dieser Strahlungs- und Konvektionswärme direkt oder indirekt über den Wärmetransport zur Abdeckscheibe an die Umgebung.

Durch Beschichtung des Absorbers mit selektiven Oberflächen, die im Wellenlängenbe reich des Sonnenlichtes schwarz und im Bereich der Wärmestrahlung reflektierend sind, lassen sich die Wärmestrahlungsverluste beträchtlich verringern. Die Konvektions verluste sind hingegen schwerer zu verringern. Zu diesem Zwecke werden häufig Strukturen in den Kollektor eingefügt, die durch ihre Geometrie (z. B. "Honigwaben") die Konvektion zwischen Absorberoberfläche und Abdeckscheibe unterdrücken oder doch zumindest reduzieren sollen. In der Praxis haben sich aber derartige Elemente nicht allgemein durchsetzen können.

Durch die US 4 086 908, /1/, ist ein Absorber für solare Wärme bekanntgeworden, bei dem durch ein breitflächiges Ansaugen der Luft durch eine mit vielen Löchern versehe ne Absorberfläche die der Ansaugrichtung entgegengerichtete thermische Konvektion unterdrückt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher und Solarabsorber zu schaffen, der bei Verringerung der Konvektionsverluste darüberhinaus noch zusätzliche Aufgaben erfüllen kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, daß durch ein breitflächiges Ansaugen der Luft durch eine mit vielen feinen Löchern versehene Absorberoberfläche die der Ansaugrichtung entgegengerichtete thermische Konvektion unterdrückt wird. Die An ordnung eignet sich insbesondere zur solaren Erwärmung von Außenluft, die sowohl zur Frischluftzufuhr als auch bei ausreichender solarer Einstrahlung zusätzlich als Wärmeträger zur Beheizung dienen kann.

Bild 1 zeigt den erfindungsgemäßen Wärmetauscher als Solarabsorber (3) ausgebildet. Ein Teil der Löcher in der Absorberfläche ist in Bild 1 durch kleine Pfeile markiert. In dem Volumen (4) unterhalb des Absorbers wird durch ein Gebläse ein Unterdruck auf rechterhalten, so daß die Luft aus dem Volumen (2) zwischen Absorber und Abdeck scheibe (1) durch den Solarabsorber (3) gesaugt wird und dann über den Auslaß (6) zum Nutzungsort hin weitertransportiert wird. Zur Verstärkung des oben aufgezeigten "Effektes der entgegengesetzten Zwangskonvektion" können zusätzlich geeignete Strukturen (z. B. "Honigwaben") in den Raum (2) zwischen Absorber (3) und Abdeck scheibe (1) eingefügt werden. Durch geeignete Öffnung(en) (5) in der Kollektorwand, die gegebenenfalls Filtermaterialien enthalten können, strömt die Außenluft in das Vo lumen (2) zwischen Abdeckscheibe (1) und Absorber (3) nach. Selbstverständlich soll ten die "warmen" Seiten des Kollektors isoliert werden (7).

Der Absorber eignet sich auch zur Erwärmung eines Wärmeträgers in einem geschlos senen System, bei dem die Luftzufuhr in den Kollektor nicht von außen sondern als Rückführung des bestimmungsgemäß abgekühlten Wärmeträgers erfolgt.

Auf dem Markt sind "gewellte" Rohre aus Kunststoff erhältlich, deren Rand mäander förmig gerillt ist, wobei die Mulden etwa halb so breit sind wie die oben etwas abgerun detem Ausstülpungen (Bild 2a). Die Durchmesser der muldenförmigen Bereiche und der nach außen ragenden. Teile des gewellten Rohres unterscheiden sich um einige wenige Millimeter, je nach der Größe des Rohrdurchmessers. Aus diesen gewellten Rohren läßt sich nun durch Zusammenbinden, Zusammenkleben oder Zusammen schweißen der flächenförmige Absorber (3) bauen, wobei durch das seitlich versetzte Aufeinandertreffen der Bereiche mit dem größeren Durchmesser geeignete Löcher entstehen, durch die die Luft gesaugt werden kann. Die Löcher entstehen sozusagen als Lücken beider längsseitigen Verzahnung (Bild 2b) der gewellten Rohre.

Die Rohre können ihrerseits für weitere Zwecke genutzt werden:

1. Durch die Rohre kann alternativ oder zusätzlich Wasser als Wärmeträger gepumpt werden. Der Solarkollektor dient dann zur kombinierten Erwärmung von Frischluft zu Heizzwecken und zur Warmwassererzeugung. Je nach Sonneneinstrahlung und je nach Bedarf kann ausschließlich die Lufterwärmung oder die Warmwassererzeugung oder beide gleichzeitig betrieben werden
2. Durch die Rohre kann (warme) Abluft geführt werden. Der Kollektor kann dann als Abluft - Frischluft - Wärmetauscher betrieben werden.
3. Durch die Rohre kann das durch den Schornstein und evtl. durch "nutzungsseitige Wärmerückgewinnung aus dem Abgas", /2/, vorabgekühlte Abgas einer Heizungs anlage geführt werden. Durch den Wärmetausch mit der kalten Frischluft läßt sich dann auch die Kondensationswärme des Abgases zurückgewinnen. In dieser Funktion ent spricht der Kollektor einem Frischluftwärmetauscher. Das anfallende Kondenswasser kann -gegebenenfalls mit zusätzlicher Neutralisation- über die Regenrinne als Dach ablaufwasser in die Kanalisation abgeleitet werden.

In den Fällen 2 und 3 ist es auch möglich, auf die Solarnutzung zu verzichten und die Anordnung ausschließlich als Gas-Gas Wärmetauscher zu betreiben; dann muß natür lich die Abdeckung in Bild 1 nicht mehr aus einem lichtdurchlässigen Material sein.

Der große Vorteil der hier geschilderten Kollektoranlage mit einem als "Wärmetauscher mit Zwangskonvektion" ausgebildetem Absorber besteht darin, daß durch die verschie denen Funktionen als Solarabsorber, Frischluft-, Abluft- und Abgas- Wärmetauscher eine ganzjährige Nutzung der Anlage für unterschiedliche Aufgaben möglich ist. Im Sommer dürfte die Warmwasserbereitung im Vordergrund stehen, in den Übergangs zeiten die solare Luftheizung, im Winter schließlich der Wärmetausch der Frischluft mit . Abluft und mit dem Abgas der Heizungsanlage.

Aber auch in seinen Einzelfunktionen ergeben sich Vorteile des "Wärmetauschers mit Zwangskonvektion" gegenüber dem Stand der Technik:

- Als Solarabsorber ergibt sich eine vielversprechende Methode zur Unterdrückung der problematischen thermischen Konvektionsverluste und eine neuartige Form des sola ren Luftkollektors.
- Für einen Abgas- oder Abluftwärmetauscher ergeben sich Vorteile daraus, daß die Anlage außen, meist wohl auf dem Dach, installiert ist. Die Lärmbelästigung durch das Gebläse wird dadurch wesentlich verringert.
- Als Abgaswärmetauscher, der im Kondensationsbereich betrieben werden kann, ergibt sich der große Vorteil, daß das Kondenswasser praktisch ohne zusätzlichen Aufwand über die vorhandene Regenwasserableitung abgeführt werden kann. Da das Kondens wasser unverschmutzt ist, sollten keine Bedenken bezüglich einer Gewässerverschmut zung bestehen. Bei etwa im Vergleich zum saueren Regen deutlich zu niedrigem pH Wert kann mit Rücksicht auf metallische Werkstoffe an geeigneter Stelle eine einfache Neutralisierung vorgenommen werden.

Schrifttum:

[1] WERNER, Frank D. und GREIG, Richard C.: "Perforated Heat Transfer Sheet " US Patent 4,086,908 vom 2. Mai 1978
[2] LUTHER, Gerhard: "Nutzungsseitige Wärmerückgewinnung aus Abgas ", Offenlegungsschrift DE 44 25 741, Anmeldetag

21.7.94

Claims

1. Wärmetauscher, insbesondere Absorber für solare Wärme, bei dem durch ein breitflächiges Ansaugen der Luft durch eine mit vielen feinen Löchern versehene Absorberfläche die der An saugrichtung entgegengerichtete thermische Konvektion unterdrückt wird, dadurch gekenn zeichnet, daß die Absorberfläche aus gewellten Rohren, sogenannten Rippenrohren, besteht, die durch Bin den, Kleben oder Schweißen so zusammengefügt sind, daß die Löcher für das Durchsaugen der Luft aus den versetzten oder sich frontal berührenden äußeren Rändern des Materials der Rohre gebildet sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Rohre zusätz lich oder alternativ ein flüssiger oder gasförmiger Wärmeträger gepumpt wird.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Rohre Abluft als Heizmedium gepumpt wird.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Rohre das vor gekühlte Abgas einer Heizungsanlage, insbesondere einer Erdgasheizung, als Heizmedium gepumpt wird und die Abkühlung unter die Kondensationstemperatur des im Abgas vorhande nen Wasserdampfes erfolgt.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung des Kon densationswassers mit oder ohne zusätzliche Neutralisation der Säure über die Regenwas serableitung des Daches erfolgt.