DE19536851C2 - Absorber für Sonnenkollektoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Absorber für Sonnenkollek­ toren, mit einem im wesentlichen rechteckigen Umriß und mit Kanälen zur Führung eines flüssigen oder gasförmi­ gen Wärmeträgers, wobei die Kanäle einerseits von min­ destens einer Verteilerleitung ausgehen und anderer­ seits in mindestens einer Sammelleitung enden.

Bekannt ist ein derartiger Absorber beispielsweise aus der US 4 136 675. Dabei strömt das Wärmeträgermedium von zwei äußeren Zulaufanschlüssen über serpentinen- oder sinusartige Kanäle zu einem zentralen Auslaufan­ schluß. Die Kanäle für das Wärmeträgermedium liegen auf relativ langen Strecken unmittelbar aneinander an, so daß ein Wärmetausch im Gegenstrom stattfindet, welcher die Aufnahme bzw. den Transport der eingestrahlten Wär­ me negativ beeinflußt.

Außerdem ist ein Absorber der eingangs genannten Art aus DE 29 02 640 C2 bekannt. Diese Schrift zeigt u. a. einen Absorber, der aus mehreren miteinander verbundenen Wärmeaustauscherelementen besteht. Die einzelnen Wärme­ austauscherelemente sind an ihren Längsrändern miteinan­ der verbunden, in denen der geschlossene Rand des einen Elementes in eine Nut eines benachbarten Elementes einge­ führt ist. Durch jedes Wärmeaustauscherelement verläuft in dessen Längsrichtung ein einzelner Kanal zur Führung des Wärmeträgers. Die so parallel zueinander verlaufen­ den Kanäle sind an ihrem einen Ende mit einer Rohrlei­ tung zum Zuführen und an ihrem anderen Ende mit einer Rohrleitung zum Abführen des Wärmeträgers verbunden. Als nachteilig wird bei diesem bekannten Absorber ange­ sehen, daß der Wärmeträger in seinem erwärmten Zustand am Rand des Absorbers entlag durch die Leitung zum Ab­ führen fließt, wo eine nicht zu vernachlässigende, uner­ wünschte Abkühlung des Wärmeträgers erfolgt. Diese Ab­ kühlung erfolgt deshalb, weil der äußere Randbereich ei­ nes Sonnenkollektors den relativ kühlsten Bereich dar­ stellt, wo der Wärmefluß vom warmen Wärmeträger zur küh­ leren Umgebung am größsten ist. Dies vermindert den an sich möglichen Wirkungsgrad eines mit derartigen Absor­ bern ausgebildeten Sonnenkollektors.

Es stellt sich deshalb die Aufgabe, einen Absorber der eingangs genannten Art zu schaffen, der die aufgeführten Nachteile vermeidet und mit dem insbesondere ein verbes­ serter Wirkungsgrad von damit ausgestatteten Sonnenkol­ lektoren erreicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch einen Absorber der oben genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er n + 1 Verteilerleitungen und n Sammelleitungen auf­ weist, wobei parallel und randnah zu zwei einander gegen­ überliegenden Seitenkanten des Absorbers jeweils eine Verteilerleitung geführt ist und wobei parallel zu und mittig zwischen je zwei Verteilerleitungen jeweils eine Sammelleitung geführt ist.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung der Verteiler- und Sammelleitungen wird erreicht, daß in den kühleren Rand­ bereichen des Absorbers der Wärmeträger in seinem noch kühlen Zustand geführt wird, so daß hier ein Wärmever­ lust nicht entstehen kann. Die Sammlung des erwärmten Wärmeträgers erfolgt dagegen in randfernen Bereichen des Absorbers, wo dieser seine relativ wärmsten Bereiche hat, so daß hier die Wärmeverluste aus dem erwärmten Wär­ meträger minimiert werden. In seiner einfachsten Ausfüh­ rung, in der die Zahl n = 1 ist, besitzt der Absorber zwei randnahe Verteilerleitungen sowie eine mittig zwischen diesen verlaufende Sammelleitung; durch die Wahl der Zahl n größer als 1 lassen sich Absorber mit einer größeren Zahl von Verteiler- und Sammelleitungen reali­ sieren, wobei aber stets jeweils eine Verteilerleitung randnah verläuft und wobei die Sammelleitungen stets in randfernen Bereichen des Absorbers liegen.

Um einen möglichst großen Anteil der relativ kühlen Be­ reiche des Absorbers für die Führung des noch kühlen Wär­ meträgers zu nutzen, ist bevorzugt vorgesehen, daß die Verteilerleitungen und die Sammelleitungen parallel zu den längeren Seitenkanten des Absorbers verlaufen. Außer­ dem können so die Kanäle zur Führung des Wärmeträgers, die von den Verteilerleitungen zu der Sammelleitung oder den Sammelleitungen verlaufen, mit einem relativ kleinen Querschnitt und relativ geringer Länge ausgeführt wer­ den, was den Wärmeaustausch zwischen dem Absorber und dem Wärmeträger fördert, gleichzeitig aber den Strömungs­ widerstand insgesamt relativ niedrig hält.

Weiter ist vorgesehen, daß die Verteilerleitungen mit einer gemeinsamen Zuführleitung verbunden sind und daß die Sammelleitung(en) mit einer (gemeinsamen) Abführlei­ tung verbunden ist (sind). Auf diese Weise wird der In­ stallationsaufwand, der bei der Fertigung und Anbringung eines Sonnenkollektors erforderlich ist, vermindert und es werden Zeit und Kosten eingespart.

Eine Weiterbildung der zuletzt beschriebenen Ausführung des Absorbers sieht vor, daß die Zuführleitung rechtwink­ lig zu den Verteilerleitungen und parallel und randnah zu einer dritten Seitenkante des Absorbers geführt ist. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, daß an insge­ samt drei von den vier Seitenkanten des Absorbers der Wärmeträger noch in seinem kühlen Zustand geführt wird. Dies trägt weiter zu einem hohen Wirkungsgrad bei.

Weiter wird vorgeschlagen, daß die Abführleitung recht­ winklig zu der (den) Sammelleitung(en) und parallel und randnah zu einer vierten Seitenkante des Absorbers ge­ führt ist. Auf diese Weise wird neben einer einfachen Leitungsführung innerhalb des Absorbers auch erreicht, daß der erwärmte Wärmeträger nur über einen sehr kleinen Teil seines Strömungsweges durch einen ralativ kühlen Be­ reich des Absorbers fließt. Um hier Wärmeverluste zu ver­ meiden, kann die Abführleitung mit einer geeigneten Iso­ lierung versehen sein, wobei diese Isolierung nur an ei­ ner der vier Längskanten des Absorbers angebracht werden muß. Zweckmäßig ist diese eine Seitenkante eine der bei­ den kürzeren Seitenkanten, so daß sich der hier zu er­ bringende Material- und Arbeitsaufwand in erträglichen Grenzen hält.

Um die Montage des Absorbers zu vereinfachen und um auch noch die Verteilerleitungen und die Sammelleitung(en) für die Wärmegewinnung zu nutzen, ist weiter vorgesehen, daß die Verteilerleitungen und die Sammelleitung(en) als integrale Teile des Absorbers ausgebildet sind. Verfah­ ren zur Herstellung von Absorbern mit integrierten Lei­ tungen sind dem Fachmann bekannt und müssen deshalb an dieser Stelle nicht näher dargelegt werden.

Weiterhin ist vorgesehen, daß die Zuführleitung und die Abführleitung jeweils zwei über den rechteckigen Umriß des Absorbers vorstehende Anschlußenden aufweisen. Hier­ durch wird insbesondere eine Aneinanderreihung mehrerer Absorber ohne die Anbringung zusätzlicher Leitungen er­ möglicht, was eine hohe Flexibilität bei der Erstellung von Sonnenkollektoren unterschiedlicher Flächengrößen bietet.

Für Anwendungsfälle des Absorbers, in denen es sinnvoll oder erforderlich ist, gelegentlich den Wärmeträger aus dem Absorber abzulassen, z. B. für Wartungszwecke oder zur Verhinderung von Frostschäden, sieht eine Ausgestal­ tung der Erfindung vor, daß die Kanäle mit einem im mon­ tierten Zustand des Absorbers in Richtung zu den Vertei­ lerleitungen weisenden Gefälle ausgeführt sind. Auf die­ se Weise kann der Wärmeträger vollständig aus dem Absor­ ber allein durch Schwerkraftwirkung abgelassen werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeich­ nung zeigen:

Fig. 1 einen Absorber in einer ersten Ausführung in einer schematischen Draufsicht und

Fig. 2 den Absorber in einer zweiten Ausführung, in einer schematischen Teil-Draufsicht.

Wie die Fig. 1 der Zeichnung zeigt, besitzt das hier dargestellte ersten Ausführungsbeispiel des Absorbers 1 einen im wesentlichen rechteckigen Umriß, wobei das den Absorber bildende Material eine Metallblechplatte 10, z. B. aus Aluminium oder Kupfer, ist. Über die Fläche des Absorbers verteilt verläuft eine Vielzahl von integrier­ ten Kanälen 20, die von einem zu erwärmenden Wärmeträger durchströmbar sind.

Die Zuführung des zu erwärmenden Wärmeträgers, z. B. Was­ ser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch oder auch ein Gas, erfolgt über eine Zuführleitung 50 an der in Fig. 1 unteren Seitenkante 13 des Absorbers 1. Dabei verläuft die Zuführleitung 50 randnah und parallel zur Seitenkan­ te 13. Von dieser Zuführleitung 50 zweigen zwei Vertei­ lerleitungen 30, 31 ab, wovon die erste Verteilerleitung 30 randnah und parallel zur linken Seitenkante 11 und die zweite Verteilerleitung 31 randnah und parallel zur rechten Seitenkante 12 des Absorbers 1 rechtwinklig zur Zuführleitung 50 geführt ist. Die Verteilerleitungen 30, 31 enden in Fig. 1 oben in einem Abstand von der oberen Seitenkante 14 des Absorbers 1. Die eine Hälfte der Kanä­ le 20, hier die in der linken Hälfte des Absorbers 1 lie­ genden, gehen von der ersten Verteilerleitung 30 aus; die Kanäle 20 in der rechten Hälfte des Absorbers 1 gehen von der zweiten Verteilerleitung 31 aus.

Mittig zwischen den beiden Verteilerleitungen 30, 31 ver­ läuft eine einzelne Sammelleitung 40, in welche sämtli­ che Kanäle 20 von beiden Seiten her einmünden. Die Sam­ melleitung 40 ist nach oben hin bis nahe an die obere Seitenkante 14 des Absorbers 1 geführt und mündet dort in eine parallel zur Seitenkante 14 randnah verlaufende Abführleitung 60.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die Kanäle 20 parallel zueinander und jeweils rechtwinklig zu den Verteilerleitungen 30, 31 und zur Sammelleitung 40. Alternativ können die Kanäle 20 auch mit einer leich­ ten Neigung angeordnet sein, wobei dann ein Gefälle in Richtung zu den Verteilerleitungen 30, 31 vorgesehen ist, um eine Entleerung der Kanäle 20 und der übrigen Leitungen 30, 31, 40 zu ermöglichen.

Sowohl die an der unteren Seitenkante 13 des Absorbers 1 verlaufende Zuführleitung 50 als auch die an der oberen Seitenkante 14 des Absorbers 1 verlaufende Abführleitung 60 besitzen jeweils zwei über den Umriß des Absorbers 1 nach außen hin vorstehende Anschlußenden 51, 51' bzw. 61, 61'. Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 ist das links unten am Absorber 1 liegende Anschlußende 51 der Zuführleitung offen; das rechts unten am Absorber 1 lie­ gende zweite Anschlußende 51' der Zuführleitung 50 ist hier durch einen Verschluß 52 dicht verschlossen. Bei der Abführleitung 60 ist das in Fig. 1 links oben lie­ gende Anschlußende 61 mit einem Verschluß 62 dicht ver­ schlossen und das rechts oben liegende zweite Anschluß­ ende 61' offen.

Im Betrieb des Absorbers 1 wird der Wärmeträger in einem kühlen Zustand durch das Anschlußende 51 entsprechend dem dort eingezeichneten Pfeil und durch die Zuführlei­ tung 50 zum unteren Rand des Absorbers 1 geführt und von dort in die beiden randnahen Verteilerleitungen 30, 31 verzweigt. Von dort strömt der Wärmeträger von den bei­ den Seitenkanten 11, 12 des Absorbers 1 her nach innen zur Mitte des Absorbers 1 durch die Kanäle 20, wobei der Wärmeträger bei einfallender Sonnenstrahlung erwärmt wird. Der erwärmte Wärmeträger wird in der mittigen Sam­ melleitung 40 gesammelt und in Richtung der eingezeichne­ ten Strömungspfeile nach oben zur Abführleitung 60 gelei­ tet, die er durch das Anschlußende 61' verläßt, wonach der erwärmte Wärmeträger dann über hier nicht dargestell­ te weitere Leitungen z. B. zu einem Warmwasserspeicher oder einer Wärmepumpe geführt wird.

Ersichtlich wird in weit überwiegendem Maße der Wärme­ träger in einem kühlen Zustand entlang der randnahen, die größten Wärmeverluste aufweisenden Bereiche des Ab­ sorbers 1 geführt; in seinem erwärmten Zustand strömt der Wärmeträger überwiegend durch den mittleren Bereich des Absorbers, wo die Wärmeverluste am geringsten sind. Dies führt zu geringen Wärmeverlusten aus dem erwärmten Wärmeträger und damit zu einem guten Wirkungsgrad.

Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, können aufgrund der dargestellten Anordnung und Ausrichtung der Anschluß­ enden 51, 51', 61, 61' mehrere Absorber 1 unmittelbar nebeneinander angeordnet werden, ohne daß zusätzliche Leitungsverbindungen eingebaut werden müssen. Hierdurch lassen sich mit dem Absorber gemäß Fig. 1 Sonnenkollek­ toren in praktisch beliebiger Größe bilden.

Fig. 2 der Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel des Absorbers 1, der sich hinsichtlich der Zahl der Vertei­ ler- und Sammelleitungen von dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 unterscheidet. Der Absorber 1 gemäß Fig. 2 be­ sitzt insgesamt drei Verteilerleitungen 30, 31, 32 sowie zwei Sammelleitungen 40, 41. Dabei liegt jeweils eine Verteilerleitung 30, 32 randnah im Bereich der linken Seitenkante 11 und der rechten Seitenkante 12 des Absor­ bers 1. Die dritte Verteilerleitung liegt in Querrich­ tung des Absorbers 1 betrachtet mittig zwischen und pa­ rallel zu den beiden randnahen Verteilerleitungen 30, 32.

Zwischen jedem Paar von Verteilerleitungen 30, 31 bzw. 31, 32 liegt je eine Sammelleitung 40, 41. Wie zuvor schon anhand von Fig. 1 erläutert, gehen von jeder Ver­ teilerleitung 30, 31, 32 viele kleine Kanäle 20 aus, die mit ihrem anderen Ende in eine der Sammelleitungen 40, 41 münden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstel­ lung sind in Fig. 2 jeweils nur einige der Kanäle 20 dargestellt.

Alle Verteilerkanäle 30, 31, 32 sind wieder mit einer ge­ meinsamen Zuführleitung 50 verbunden, die auch hier wie­ der randnah und parallel zur Seitenkante 13 des Absor­ bers 1 geführt ist. Die Sammeleitungen 40, 41 münden am oberen Rand des Absorbers 1 nahe dessen oberer Seitenkan­ te 14 wieder in eine gemeinsame Abführleitung 60. Auch hier besitzen die Zuführleitung 50 und die Abführleitung 60 jeweils Anschlußenden 51, 51' bzw. 61, 61', die über den äußeren Umriß des Absorbers 1 nach außen hin vorra­ gen. Die beiden einander diagonal gegenüberliegenden An­ schlußenden 51' der Zuführleitung 50 und 61 der Abführ­ leitung 60 sind wieder mit je einem Verschluß 52 bzw. 62 dicht verschlossen.

Im Betrieb des Absorbers 1 wird durch das offene, links unten am Absorber 1 liegende Anschlußende 51 der zu er­ wärmende Wärmeträger in Richtung der dort eingezeichne­ ten Strömungspfeile zugeführt und durch die Zuführlei­ tung 50 in die Verteilerleitungen 30, 31, 32 verzweigt. Von dort durchströmt der Wärmeträger unter Erwärmung die Kanäle 20 und gelangt in die Sammelleitungen 40, 41, von wo aus er dann in die gemeinsame Abführleitung 60 ge­ langt, die er über das offene Anschlußende 61' rechts oben am Absorber 1 verläßt.

Bei beiden Ausführungsbeispielen des Absorbers 1 besteht dieser aus einer Metallplatte 10, in welcher zumindest die Kanäle 20 als integraler Bestandteil ausgebildet sind. Bevorzugt sind auch die Verteilerleitungen 30, 31, 32 und die Sammelleitungen 40, 41 sowie die Zuführlei­ tung 50 und die Abführleitung 60 integral mit der Metall­ platte 10 ausgeführt. Die Anschlußenden 51, 51', 61, 61' von Zuführleitung 50 und Abführleitung 60 sind so ausge­ führt, daß mittels gängiger Verfahren und Verbindungsmit­ tel externe Leitungen (nicht dargestellt) oder weitere Absorber 1 angeschlossen werden können.

Claims (7)

1. Absorber für Solarkollektoren mit einem im wesentli­ chen rechteckigen Umriß und mit Kanälen (20) zur Führung eines flüssigen oder gasförmigen Wärmeträ­ gers, wobei der Absorber (1) n + 1 Verteilerleitungen (30, 31, 32) und n Sammelleitungen (40, 41) aufweist und wobei die Kanäle (20) jeweils einerseits von ei­ ner der Verteilerleitungen (30, 31, 32) abzweigen und andererseits in eine der Sammelleitung (40, 41) einmünden, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß parallel und randnah zu zwei einander gegenüber­ liegenden Seitenkanten (11, 12; 13, 14) des Absor­ bers (1) in diesem jeweils eine Verteilerleitung (30, 31; 30, 32) geführt ist,
• 2. daß parallel zu und mittig zwischen je zwei Vertei­ lerleitungen (30, 31; 31, 32) im Absorber (1) je­ weils eine Sammelleitung (40; 41) geführt ist,
• 3. daß die Kanäle (20) geradlinig verlaufend ausgeführt sind und
• 4. daß die Kanäle (20) rechtwinklig zu der zugehörigen Verteilerleitung (30, 31, 32) und Sammelleitung (40, 41) verlaufend oder mit einem im montierten Zustand des Absorbers (1) in Richtung zu den Verteilerlei­ tungen (30, 31, 32) weisenden Gefälle ausgeführt sind.

2. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerleitungen (30, 31, 32) und die Sam­ melleitung(en) (40, 41) parallel zu den längeren Sei­ tenkanten (11, 12) des Absorbers (1) verlaufen.

3. Absorber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verteilerleitungen (30, 31, 32) mit einer gemeinsamen Zuführleitung (50) verbunden sind und daß die Sammelleitung(en) (40, 41) mit ei­ ner (gemeinsamen) Abführleitung (60) verbunden ist (sind).

4. Absorber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitung (50) rechtwinklig zu den Ver­ teilerleitungen (30, 31, 32) und parallel und rand­ nah zu einer dritten Seitenkante (13) des Absorbers (1) in diesem geführt ist.

5. Absorber nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Abführleitung (60) rechtwinklig zu der (den) Sammelleitung(en) (40, 41) und parallel und randnah zu einer vierten Seitenkante (14) des Absor­ bers (1) in diesem geführt ist.

6. Absorber nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verteilerleitungen (30, 31, 32) und die Sammelleitung(en) (40, 41) als integrale Teile des Absorbers (1) ausgebildet sind.

7. Absorber nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitung (50) und die Abführleitung (60) jeweils zwei über den rechtecki­ gen Umriß des Absorbers (1) vorstehende Anschlußen­ den (51, 51'; 61, 61') aufweisen.