DE19544627A1 - Wölbstrukturierte Absorberrohre mit einer Titan - Nitrid - Oxyd - Beschichtung zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades von Kollektoren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein spezielles Verfahren zur Rohrverformung von wölbstrukturierten Blechstreifen mit einer Titan-Nitrid-Oxyd-Beschichtung zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades von Solar-Kollektoren in der Ausführung von Flach-, Röhren- oder Parabolrinnen-Kollektoren.

In der gängigen Praxis sind wölbstrukturierte Rohre als Wärmeüberträger bekannte Technik. Hierbei ist die hohe Druckfestigkeit bei geringer Wandstärke ein großer Vorteil in der Wärmeübertragung. So weisen wölbstrukturierte Rohre nach Messungen an der TFH-Berlin bei Prof. Mirtsch und nach seinem Verfahren hergestellte wölbstrukturierte Rohre, einen um mindest 70% höheren Wärmeübergang als glatte Rohre auf. Hinzu kommt, daß in den so strukturierten Rohren die durchfließende Wärmeträgerflüssigkeit eine starke Verwirbelung erfährt. Es ist somit keine große Pumpleistung bzw. hoher Pumpendruck erforderlich, um so über die Reynoldszahl die Verwirbelung der Wärmeträgerflüssigkeit zu erreichen. Dünnwandige Rohre verbrauchen außerdem weniger Material und auch für den Wärmeübergang nachteiligen eigenen Wärmeverbrauch.

Bei Absorberrohren in Solar-Kollektoren treten zusätzliche Energieverluste durch Emission-Rückstrahlung auf. Die von der Firma Tinox, München, entwickelte selektive Beschichtung für Absorberbleche reduziert diese Emissionsverluste auf weniger als 6% bei einem hohen Absorptionsgrad von 94%. Die so selektiv beschichteten Absorberstreifen bzw. -bleche werden in einer Hochvakuum-Anlage als Coilware produziert und wurden bisher nur in Versuchsreihen als Absorberbleche und nicht zu Röhren verformte Absorber eingesetzt.

Durch diese hier vorliegende Erfindung kann die Wölbstruktur von Blechen mit der selektiven Beschichtung der Fa. Tinox zu einem neuartigen hochwirksamen Absorbersystem erweitert werden und in Solaranlagen wesentlich höhere Wirkungsgrade erzielen.

So wird z. B. beim Bau zukünftiger Parabolrinnen-Kollektoren Wasser als Wärmeträgermedium geplant, um einen höheren Wirkungsgrad gegenüber gleichen oder ähnlichen Anlagen die mit Wärmeträgeröl gefahren werden zu erreichen. Wärmeträgeröl hat einen sehr niedrigen Wärmeleitwert gegenüber Wasser. Aber beim Einsatz von Wasser entstehen bei hohen Temperaturen, wie sie in Parabolrinnen-Kollektoren, sehr hohe Drücke, die durch starke Rohrwandungen der Absorber aufgefangen werden müssen. Wird aber das Wärmeträgeröl mit Gallium-Partikeln angereichert (Anmeldenummer 195 00 949.5), so erhöht sich wesentlich der Wärmeleitwert dieses Öles, ohne daß der Dampfdruck des Öles verändert wird. So kann man wesentlich höhere Wirkungsgrade mit der Kombination der wölbstrukturierten und selektiv beschichteten Absorberrohre und einem galliumdotierten Wärmeträgeröl erreichen bei gleichzeitig niedrigeren Herstellkosten der Anlagen.

Aufgrund einer notwendigen Hochvakuumkammer für das selektive Beschichten der Absorberbleche, kann diese Kammer nur eine begrenzte Größe haben. Die für ein nachträgliches Beschichten von wölbstrukturierten Absorberrohren erforderlichen Größe einer Hochvakuumkammer ist aus technischen und Kostengründen nicht durchführbar. Deshalb ist eine Absorberrohrherstellung mit selektiver Beschichtung nur nach erfolgter Behandlung in der Hochvakuumkammer möglich und dies beschreibt die vorliegende Patentabmeldung.

Die Prinzipzeichnungen Fig. 1 bis Fig. 3 zeigen drei unterschiedliche geometrische Basisfiguren, die mittels der wölbstrukturierten Verformung in ein Metallblech entweder durch Pressung, Walzen, hydraulisch oder pneumatischen Druck oder Unterdruck per Vakuum durchgeführt worden ist. Die Seitenlängen der wölbstrukturierten geometrischen Formen sind von dem späteren Außendurchmesser des Absorberrohres abhängig.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipzeichnung eines wölbstrukturierten Bleches, dessen Grundstruktur das Dreieck 1 ist. Die Breite der Strukturierung 2 ist geringfügig kleiner als der Umfang des daraus später zu formenden Rohres.

Die Länge der Strukturierung 3 entspricht der Länge der Wölbstruktur des daraus später zu formenden Rohres.

Die nichtstrukturierte Querseite 4 des Bleches nimmt später als verformtes Rohr ein Anschluß- oder Kupplungsstück für eine weitere Rohrverlängerung auf.

Die nichtstrukturierte Fläche an der Langseite 5 des Bleches ergibt nach erfolgter Verformung die zwei Schenkel 9 des zu einem Omega verformten Rohres.

Fig. 2 zeigt eine Prinzipzeichnung eines wölbstrukturierten Bleches, dessen Grundstruktur das Rechteck 6 ist.

Hierbei verlaufen die Langseiten der Rechtecke in einem Winkel von 30° zur Langseite des Bleches. Es ist auch eine andere Winkelstellung möglich, ebenso ein Parallelverlauf der Rechteckseiten zur Lang- bzw. Querseite des Bleches.

Die Wölbstruktur könnte aber auch quadratische Formen aufweisen und ebenfalls in ihrer Ausrichtung winkelig oder parallel zur Langseite des Bleches verlaufen.

Fig. 3 zeigt eine Prinzipzeichnung eines wölbstrukturierten Bleches, dessen Struktur das Sechseck 7 zur Grundlage hat.

Auch hierbei ist eine Anordnung der Sechsecke denkbar die in einem gewissen Winkel zur Langseite des Bleches verlaufen.

Eine winkelig verlaufende Struktur der geometrischen Verformungen hat den Vorteil, daß die Wölbstrukturen nach der Verformung zu einem Rohr spiralenförmig verlaufen, und die durch das Rohr durchfließende Wärmeträgerflüssigkeit einen längeren Durchflußweg und eine zusätzliche Verwirbelung derselben mit sich bringt.

Fig. 4 zeigt eine Prinzipzeichnung eines Bleches 8 im Querschnitt nach einer wölbstrukturierten Verformung.

Fig. 5 zeigt die Prinzipzeichnung eines mit Dreiecken wölbstrukturiertem verformten Bleches zu einem Absorberrohr in Omegadorm.

Die beiden Schenkel 9 werden bei der Verformung so vorgespannt, daß sie danach mit einer ausreichenden Kraft gegeneinander drücken. Dies hat den Vorteil, daß die beiden Schenkel beim Verschweißen 10 miteinander keine Vorrichtung zum Zusammenpressen für den Schweißvorgang benötigen.

Fig. 6 zeigt eine Prinzipzeichnung eines zu einem Omega verformten Rohres mit zwei größeren Flächen 11 die zu einer großen Absorberfläche zusammengeschweißt 10 sind. Diese Absorberfläche ist dann sonnenseitig ausgerichtet.

Wird die so auszurichtende Fläche mit einer elektrisch isolierenden keramischen Komposite beschichtet, so können auf dieser Oberfläche photovoltaische Elemente zusätzlich aufgebracht werden und die in diesen Elementen entstehende thermische Energie mittels der Wärmeträgerflüssigkeit im wölbstrukturiertem Rohr abtransportiert werden.

Die keramische Komposite ist nur eine µm stark und behindert nicht meßbar die Wärmeabfuhr.

Fig. 7 zeigt eine Prinzipzeichnung mit dem sonnenseitig ausgerichteten Absorberrohr und breiten Absorberflächen 13.

Da die Blechstärken gering sind, müssen die so großflächigen Absorberflächen durch je eine Sicke 14 am Außenrand versteift werden.

Fig. 8 zeigt eine Prinzipzeichnung in der Seitenansicht von zwei omegaverformten Absorberrohren, die durch eine die durch ein Kupplungsstück 15 miteinander verbunden und danach verschweißt werden.

Als Schlauch- oder Rohranschluß mit geringerem Durchmesser dient das Anschlußstück 16. Für weitere Rohrverlängerungen oder auch als Schlauch- oder Rohranschluß mit gleichem Durchmesser wie das Absorberrohr, dient der Anschluß 17.

Claims (11)

1. Absorberrohr, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Titan-itrid-Oxyd beschichtetes Metallblech und mit geometrischen Basisfiguren, bestehend entweder aus Dreiecken, Quadraten, Rechtecken, Rhomben, Parallelogrammen, Trapezen oder Sechsecken, wölbstrukturiert zu einem omegaähnlichen Rohr verformt und zwischen den so entstandenen Schenkeln des Omega verschweißt wird.

2. Absorberrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmerückstrahlverluste durch die Beschichtung mit Titan-Nitrid-Oxyd stark herabgesetzt werden.

3. Absorberrohr nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß ein wölbstrukturiertes Rohr trotz seiner dünnen Wandstärke eine hohe Druckfestigkeit aufweist, und eine so strukturierte Oberfläche dem Rohr durchfließende Wärmeträgerflüssigkeit einen hohen Verwirbelungsgrad bei bereits geringer Pumpleistung aufzwingt.

4. Absorberrohr nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Wandstärke des Absorberrohres in Verbindung mit der wölbstrukturierten Verformung einen konvektiven Wärmeübergang im Vergleich zu glatten Rohren von mehr als 70% hat.

5. Absorberrohr nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination eines strukturgewölbten Rohres mit einer Titan-Nitrid-Oxyd-Beschichtung eine wesentliche Steigerung des thermischen Wirkungsgrades von Solar-Kollektoren ermöglicht.

6. Absorberrohr nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der geometrischen Figuren mit ihrer Ausrichtung auf dem Absorberrohr in parallelen Anordnungen (1) und (7) oder in winkeligen Anordnungen (6) zur Langseite des Absorberrohres in die Blechwandung eingeformt sind.

7. Absorberrohr nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbstrukturierung durch die geometrischen Formen nur soweit vorgenommen wird, wie sie für den Absorberrohrteil, nicht aber für Anschlußstücke (4) Schweiß- (10) und glatten Absorberflächen (11 und 13) vorgesehen sind.

8. Absorberrohr nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer vergrößerten Absorberfläche (11) auch als Hybrid-Kollektor eingesetzt werden kann, indem die sonnenseitig zugewandte Absorberfläche mit photovoltaischen Elementen bestückt werden kann.

9. Absorberrohr nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberfläche (13), wenn aus Stabilitätsgründen erforderlich, an den Langseiten mit je einer Sicke (14) zur Erhöhung der Steifigkeit versehen werden muß.

10. Absorberrohr nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschweißung (10) der beiden Omega-Schenkel (9) zur erheblichen Versteifung und Biegefestigkeit langer Absorberrohre beiträgt.

11. Absorberrohr nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberrohre durch Kupplungsstücke (15) miteinander zu längeren Rohren verschweißt werden können.