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Technische Beschreibung
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Solarthermische Kollektoren mit Vakuumröhren
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- – 1 zeigt
ein übliches
Anordnungsschema –
bestehen
aus mehreren evakuierten Glasröhren 3
- – von
denen 3 zwei Beispiele im Querschnitt zeigt –
mit
Absorberstreifen 5, welche auftreffendes. Licht in Wärme wandeln
und mit Transportröhren für diese
Wärme,
die parallel oder in Reihe geschaltet direkt von einem Fluid, einer
Wärmeträgerflüssigkeit,
z. B. in den Rohren 6 und 7 durchströmt werden
-EDF
oder als Wärmerohr
(Heatpipe) 8 -EHP- die Wärme als Verdampfungswärme zum
Röhrenkopf transportieren,
der als Kondensator 10 ausgebildet ist, wo diese Wärme an das
Fluid übertragen wird.
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Der
Anschluss erfolgt in beiden Fällen
an eine von Wärmeträgerflüssigkeit
durchströmte
Armatur 1, die in der Regel an einer Seite der Vakuumröhren-Gruppe 2 im
rechten Winkel zu den Vakuumröhren 3 angebracht
ist und diese gewonnene Wärme über einen
Flüssigkeitskreislauf
zu einem Wärmespeicher
abführt.
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Diese
Armatur, die zum Verteilen und Sammeln der Wärmeträgerflüssigkeit beim System EDF bzw.
als Wärmetauscher
beim System EHP dient, bezeichnen wir als „Sammler".
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Der
Sammler 1 muss gut wärme-isoliert
sein. Er dient gleichzeitig zusammen mit einer – hier nicht dargestellten – elastischen
Halterung am anderen Röhrenende
zur mechanischen Befestigung der einzelnen Vakuumröhren 3.
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Der
Sammler ist durch die je nach Sonneneinstrahlung und Wärmeabnahme
in weitem Bereich schwankenden Temperaturen der in ihm befindlichen Rohre
für die
kalte und die erwärmte
Wärmeträgerflüssigkeit
temperaturbedingten Längenänderungen ausgesetzt,
die nur in eingeschränktem
Maße auf
die Vakuumröhren übertragen
werden dürfen.
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Im
normalen Betrieb ändern
sich täglich
die Temperaturen um ca. 100 K.
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Am
Anschluss der Vakuumröhren
können, wenn
keine Wärmeabnahme
erfolgt (Stagnation), Temperaturen bis 320 °C erreicht werden. Das entspricht
gegenüber
z.B. 20°C
einer relativen Längenänderung
bei Kupferrohr (αCu = 16,8·10–6 K–1)
von ca. 0,5 %.
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Die
Konstruktion muss diese Längenänderungen
elastisch auffangen können.
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Während das
System EDF beliebige Anordnung des Sammlers 1 erlaubt,
müssen
beim System EHP die Vakuumröhren 3 geneigt
angeordnet sein, und der Sammler 1 liegt in der Regel oberhalb
der Vakuumröhrengruppe 2.
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Die üblicherweise
verwendeten Sammler 1 liegen in der Ebene der Vakuumröhrengruppe 2 quer zu
den Vakuumröhren 3 und
hindern dadurch auf schrägen
Dächern,
dass Schnee, aber auch Verschmutzung durch Laubfall abrutschen.
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Vielfach
sind solarthermische Kollektoren nur als ganzes Gerät montierbar;
das Auswechseln beschädigter
Vakuumröhren
an montierten Kollektoren erweist sich als schwierig.
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Die
in den Schutzansprüchen
beschriebene Erfindung soll folgende Merkmale bieten:
- 1. architektonische Freiheit bei der Wahl des Winkels zwischen
Sammler und Vakuumröhren
– wie in 2 dargestellt –
- 2. Einstellbarkeit des Winkels der Absorberfinne (des Absorberstreifens) 5 zum
optimalen Energie-Einfang, falls die Vakuumröhre 3 materialsparend
mit einer flachen Absorberfinne 5 und konzentrisch angeordneter
Wärmeableitung
(6 und 7 bei EDF bzw. 8 bei EHP) ausgerüstet ist,
– entsprechend 3 –
- 3. Ankopplung von Vakuumröhrengruppen 2 auch zugleich
nach beiden Seiten des Sammlers 1
– wie in 4 und 5 für Dach-
und Fassadenanlagen bespielhaft gezeigt –
- 4. Winkelausgleich zur Längsachse
der Vakuumröhren 3 bzw.
Wärmeleiter 6/7 oder 8 bei
Montagen auf Dächern
oder an Fassaden,
- 5. Vermeidung des Schnee- und Schmutzfangens auf Schrägdächern am
Sammler 1,
- 6. Ausgleich thermischer Längenänderungen,
- 7. Vielfalt der Anwendungen und Entwürfe mit nur wenigen Bauteilvarianten,
- 8. Austauschbarkeit der Vakuumröhren,
- 9. leichte Montage – ohne
Kran – möglich,
- 10. Nutzung des Vakuumröhrenkollektors
als zusätzliche
Wärmedämmung.
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Stand
der Technik ist,
dass Merkmal 1 nur mit Sonderanfertigungen
erreichbar ist,
dass Merkmal 2 allein üblicherweise mit zylindrischen Einspannungen
ermöglicht
wird,
dass Merkmal 3 – wenn überhaupt – dann mit
zwei Sammlerkästen
ausgeführt
wird,
dass Merkmal 4 mit zylindrischen Kopplern die Verwendung
flexibler Wellrohre erfordert, welche eine teure Behebung dieses
Problems aber zugleich auch eine Lösung für die Merkmale 1 und 6 bieten,
dass
Merkmal 5 üblicherweise
vernachlässigt
wird und die Folgen den Betreiber der Anlage beschäftigen,
dass
Merkmal 6 – der
Ausgleich der thermischen Längenänderungen – auf verschiedene
Weise konstruktiv gelöst
werden muss und kann, aber z. B. mit nachteiligen Beschränkungen
bei der Zusammenschaltung mehrerer Kollektoren verbunden ist,
dass
die Merkmale 8 und 9 bei einigen Konstruktionen erheblichen Aufwand
erfordern oder aus Kostengründen
entfallen. – Wenn
Austauschen einzelner Vakuumröhren
nicht vorgesehen ist, wird davon ausgegangen, dass es weder beim
Transport noch bei der Montage und erst recht während des Jahrzehnte dauernden
Betriebs nicht zu Schäden
an den Glasröhren
kommt; für
eine große
Zahl von Anlagen eine zu optimistische Annahme.
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Merkmal
10 wird bekanntermaßen
leider von wenigen Anwendern genutzt.
- – In 5 wird
es in Verbindung mit Wärmedämm-Matten
dargestellt. –
Es
wird von den Sammlern 1 durch deren wärmedämmende Konstruktion und die
dicht benachbarte und beidseitig mögliche Röhrenankopplung unterstützt.
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Die
Erfindung erreicht Merkmal 5 durch Sammler 1, welche näher an der
Dachhaut liegen als die Vakuumröhren 3,
wobei es vorteilhaft ist, durch eine elastische, wärme-isolierende
und -reflektierende Unterlage 4 unter der Röhrengruppe 2,
die mit möglichst
geringem Abstand der Vakuumröhren 3 untereinander
ausgeführt
werden sollte, das Merkmal 10 ebenfalls zu nutzen.
- – Dies
zeigt 5 für
einige Dachanlagen im Schnitt und in der Ansicht einer Wand, bei
welcher auch unterschiedliche Längen
von Vakuumröhren 3 in
den Gruppen 2 dargestellt werden.
Diese schematische
Darstellung unterscheidet nicht, ob mit Dachhaut ein vorhandenes
Ziegel- oder Schieferdach, oder eine Folie mit Dachlattung gemeint
ist, denn beides, Aufdachmontage und Dachintegration, ist mit dafür geeigneten dichtend
verbundenen Dämm-Matten
möglich, aber
nicht Gegenstand dieser Erfindung.
Für derartige Anwendungen ist
zur Anpassung an die Gegebenheiten des Gebäudes (Dachhöhe, Fensterverteilung) ein
Baukastensystem von vielseitig einsetzbaren und ausrichtbaren Kollektorbestandteilen
aus wirtschaftlichen Gründen
erforderlich.
Die Kombination der Merkmale 5 und 10 ist besonders
für an
Wänden
angebrachte Kollektoren eine zusätzliche
Verbesserung der Wärmebilanz von
Gebäuden.
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Die
Erfindung erreicht die Merkmale 1 bis 4, 8 und 9 durch eine Ankopplung
der Vakuumröhren 3 mittels
kugelförmiger,
an der Sammlerarmatur dichtend angepresster Anschlussköpfe 9 der
Vakuumröhren – wie in 6 (nicht
maßstäblich) dargestellt.
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Zu
jeder Vakuumröhre
gehört
an der Sammlerarmatur eine mit ihrem Innenradius passende kugelige
Aufnahmeschale 15.
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Je
Vakuumröhre
verbinden zwei kurze dünne Rohre
– 13 für das kalte
zufließende
Fluid und 14 für
das erwärmte
abfließende
Fluid –
bei
direkt durchflossenen Vakuumröhren
(EDF) in 7
die Verteiler- 11 bzw.
Sammler-Rohre 12 elastisch mit den Aufnahmeschalen 15 für die Anschlusskugeln 9.
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Ein
Verteiler- 11 bzw. Sammler-Rohr 12 für eine Vakuumröhrengruppe 2 hat
beispielsweise 5 bis 12 Anschlüsse,
die – bei
Bedarf gegeneinander versetzt – zu
den Aufnahmeschalen 15 führen.
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Für zweiseitigen
Anschluss können
so zwei Aufnahmeschalen 15 Rücken an Rücken angeschlossen werden,
wenn man nicht vorzieht, diese zu einem Stück zusammenzufassen.
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Bei
schräg
angeschlossenen Vakuumröhren ist
ein vergrößerter Abstand
dieser Anschlüsse
zu berücksichtigen.
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Da
die Kopplung der Kugeln 9 an ihre Aufnahmeschalen 15 bestimmungsgemäß bei unterschiedlichen
Winkeln erfolgen kann, sind die Öffnungen
der Rohre 13 in den Aufnahmeschalen 15 zu den Rohren 6 als
Kanäle
ausgebildet, welche von den Kugeln 9 ausreichend abgedichtet
werden.
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Die Öffnungen
der Kugeln 9 von den Rohren 7 zu den Rohren 14 liegen
in der Drehachse zur Ausrichtung der Vakuumröhren 3. Die zulässige Montagewinkel-Toleranz wird durch
Aufweitung der Öffnung
des Rohrs 14 in der Aufnahmeschale 15 erreicht.
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Vollständige Abdichtung
zwischen den beiden Fluid-Übergängen in
der Aufnahmeschale ist nicht erforderlich, aber nach außen muss
die Abdichtung vollständig
sein.
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Das
wird dadurch erreicht, dass die Kugel 9 in der Gegend ihres Äquators
gegen den Dichtungsflansch 16 der Kugelschale 15 gepresst
wird. Die metallische Dichtung erfolgt somit an einem Flansch unter ähnlichen
Verhältnissen
wie bei einer Schneidring-Dichtung.
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Die
Elastizität
der Ankopplungskonstruktion (13, 14, 15)
soll Merkmal 6 für
kleine Anschlussgruppen ermöglichen,
während
längenausgleichende Elemente
zwischen den Anschlussgruppen der Sammlerrohre den thermischen Längenausgleich
für den
gesamten Sammler 1 sichern.
- – 7 zeigt
den unteren Teil der Sammlerarmatur mit dem Verteilrohr 11 für das kalte
Fluid und dem Sammelrohr 12 für das erwärmte Fluid.
Rohr 11.1 dient üblicherweise
zum Transport des kalten Fluids auf die dem einseitigen Anschluss des
Sammlers 1 entgegengesetzte Seite, damit die parallel geschalteten
Strömungen
in den Rohren 6 und 7 durch insgesamt gleich lange
Wege annähernd
gleiche Strömungswiderstände erhalten.
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Bei Vakuumröhren mit Wärmerohr (EHP)
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- – in 8 und 9 –
dient
der Anschlusskopf als Kondensator 10 des Wärmerohrs,
er wird
a) trocken bzw. unter Verwendung einer Wärmeleitpaste
an die Armatur des Sammlers 1 angekoppelt
oder b)
nass angekoppelt.
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In
beiden Fällen
ist auch hier die Kugelform vorteilhaft, um die Merkmale 1 bis 5,
8 und 9 zu erreichen; ausreichender Wärmeübergang auf etwa der halben
Kugeloberfläche
erfordert allerdings einen größeren Durchmesser
der Kugeln 10 als bei direkt durchströmten Vakuumröhren.
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Bei
der nassen Ankopplung wird
- – wie 9 zeigt –
die
Kugel 10 dichtend an den Flansch 16 der wannenförmig erweiterten
Aufnahmeschale 15 des Sammlers 1 angepresst.
Die
trockene Anbindung unterscheidet sich davon dadurch, dass der dichtende
Flansch entfällt
und dafür
die Aufnahmeschale 15 mit einer metallischen Membran abgedeckt
ist, gegen welche die Kugel 10 gepresst wird.
- – 10 zeigt
eine andere Ausführung
der nassen Ankopplung. Sie verwendet ebenso kleine dichtende Kugelköpfe 9.1 wie
beim System EDF, durch welche das Wärmerohr zu einem davor liegenden
zylindrischen Kondensator 10.1 hindurchgeführt wird,
der in einen erweiterten Abschnitt der Armatur des Sammlers 1 eintaucht.
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Der
Ausgleich thermischer Längenänderungen
innerhalb der Anschlussgruppe muss bei Ausführungen nach 10 durch
das ausreichend lang und elastisch bemessene Ende des Wärmerohrs
zwischen Vakuumröhre 3 und
Anschlusskugel 9.1 erfolgen.
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Die
Kugeln 9 bzw. 9.1 bzw. 10 werden über Verschraubungen
mit für
die gewünschte
Winkeleinstellbarkeit ausreichend großer Ringmutter oder über Spannbänder oder
federnde Bügel
mit der Anpresskraft F gegen den Flansch 16 bzw. die Membran
von 15 gepresst.
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Der
Sammler 1 ist in allen Beispielen zwischen seinen Armaturen
und seiner Wandung wärmeisoliert,
auch die obere Abdeckung 17, die der gewählten Anordnung
angepasst ist und der Kontur der Vakuumröhren folgt. Dazu kann diese
obere Abdeckung auch aus Teilstücken
für jede
angeschlossene Vakuumröhre 3 bzw.
jedes gegenständige
Vakuumröhrenpaar
bestehen.
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Zeichnungen zur Gebrauchsmusteranmeldung
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Sammler für Solarkollektoren mit Vakuumröhren
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Blatt 1:
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1 Beispiel
der üblichen
Anordnung der Vakuumröhrengruppe
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2 Beispiel
einer Winkelanordnung der Vakuumröhrengruppe
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3 Übliche Querschnitte
von Vakuumröhren
EDF und EHP (evacuated direct flow, evacuated heat pipe)
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4 Beispiele
für zweiseitigen
Anschluss von Vakuumröhren
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Blatt 2:
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5 Beispielhafte
Kollektor-Anordnungen als zusätzliche
Wärme-Isolation
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Blatt 3:
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6 Kugelförmiger Anschlusskopf
einer Vakuumröhre
EDF
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7 Querschnitt
durch einen Sammler mit Vakuumröhre
EDF
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Blatt 4:
-
8 Kugelförmiger Anschlusskopf
einer Vakuumröhre
EHP
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9 Querschnitt
durch einen Sammler mit Vakuumröhre
EHP
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Blatt 5:
-
10 Querschnitt
durch ein weiteres Beispiel Sammler mit Vakuumröhre EHP