DE202007014238U1

DE202007014238U1 - Vorrichtung zur Wärmeübertragung eines Heatpipekondensators

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Publication number: DE202007014238U1
Application number: DE202007014238U
Authority: DE
Original assignee: Narva Lichtquellen GmbH and Co KG
Current assignee: Narva Lichtquellen GmbH and Co KG
Priority date: 2007-10-11
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2017-10-12

Abstract

Vorrichtung zur Übertragung der Wärme eines Heatpipekondensators für Solarkollektoren in eine Wärmeträgerflüssigkeit, insbesondere bei Vakuum-Rohr-Solarkollektoren, bei denen die solare Strahlung auf einen Rohr- oder Flächenabsorber fällt und von diesem absorbiert wird und die erzeugte Wärme durch Wärmeleitung auf den Verdampferbereich einer Heatpipe übertragen wird, so dass die Wärmeträgerflüssigkeit wenigstens teilweise verdampft und der Dampf in der Heatpipe in Richtung Kondensator aufsteigt und in diesem kondensiert, wobei der Dampf bei der Kondensation die Verdampfungswärme an die Wandungen des Kondensators abgibt und die kondensierte Wärmeträgerflüssigkeit durch Schwerkraftwirkung oder mit Hilfe von Kapillarstrukturen wieder zum Verdampfungsbereich zurückgeführt wird und ein möglichst geringer thermischer Übertragungswiderstand von der Oberfläche der den Kondensator mit geringem Wärmewiderstand umfassende Aufnahme für den Kondensator in Richtung der aufzuheizenden Wärmeträgerflüssigkeit des Heizkreises oder einen zwischengeschalteten Speicherkreises dadurch erreicht wird, dass ein möglichst großflächiger Kontakt zwischen besagter Oberfläche und der aufzuheizenden Wärmeträgerflüssigkeit vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoraufnahme in Richtung...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Übertragen der an einen Heatpipekondensator abgegebenen und vorzugsweise von einem Vakuum-Solarkollektor gesammelten Wärme an eine Wärmeträgerflüssigkeit, die direkt oder indirekt ihre Wärme einer Anwendung zugeführt.
Heatpipe-Vakuum-Röhren-Kollektoren spielen in der Sammlung solarer Wärme vor allem in Wohnhäusern eine zunehmende Rolle. Der Grund liegt in dem häufig stark auseinanderfallenden Angebot solarer Energie und deren Nutzung im Haushalt, die besonders bei Heizungsunterstützung im Privatbereich kritisch ist. Wird in den Sommermonaten die in den Solarkollektoren gesammelte Wärme, da kein Heizbedarf besteht, ungenügend genutzt, erhitzen sich die Solarkollektoren auf die sogenannte Stagnationstemperatur, d.h. auf die Temperatur, bei der ohne Wärmeabgabe an ein Verbrauchssystem ein Gleichgewicht der Wärmezufuhr und Wärmeabgabe des Kollektors an die Umgebung erfolgt. Speziell bei leistungsstarken Vakuumsolarkollektoren-Röhren liegt die Stagnationstemperatur bei über 300 °C, was zu Schäden durch Dampfproduktion an den Heizkreisen führen kann. Auch die Wärmeträgerflüssigkeit, die üblicherweise ein Frostschutzmittel enthält, wird geschädigt, indem sie thermisch zersetzt wird. Die Reaktionsprodukte können zu Verstopfungen führen und damit die Anlage teilweise unbrauchbar machen.
Im Gegensatz zu den beschriebenen „direkt durchströmten" Systemen besitzt eine Heatpipe keinen unmittelbaren Flüssigkeitskontakt zu der Wärmeträgerflüssigkeit des Nutzerkreises, da die im Kollektor gesammelte Wärme in der Heatpipe zu einem Kondensator geführt wird. Dort wird die Wärme an die Hüllwände des Kondensators abgegeben und durchströmt diese. Die Außenoberfläche des Kondensators der Heatpipe kann sich direkt in der Wärmeträgerflüssigkeit eines Wärmeträgerkreises befinden und über ihre Oberfläche wird die Wärme üblicherweise über einen Zwischenspeicher der Nutzung zugeführt. Dieser Kreislauf in Richtung Nutzer wird im folgenden als Speicherkreis bezeichnet. Häufig wird aber eine „trockene" Anbindung der Heatpipe gewählt, bei der sich der Kondensator in einer Aufnahme befindet. Der Wärmefluss erfolgt hier „trocken" durch Kontakt des Kondensators bzw. über den Luftspalt zur Außenoberfläche der Kondensatoraufnahme, durch die Wand der Kondensatoraufnahme zur Innenoberfläche der Kondensatoraufnahme und von dort in die Wärmeträgerflüssigkeit des Speicherkreises.
Eine Heatpipe zum Übertragen solarer Wärme arbeitet wie folgt: Die von den Absorberblechen gesammelte Wärme verdampft eine Flüssigkeit, die sich im Verdampferteil der Heatpipe befindet. Der erzeugte Dampf strömt zum Kondensator und gibt durch Kondensation seine Verdampfungswärme an die Kondensatorwand ab. Die kondensierte Trägerflüssigkeit der Heatpipe wird durch Schwerkraft oder mittels einer Kapillarstruktur in den Verdampfungsbereich zurückgeführt und steht damit wieder dem Wärmetransport innerhalb der Heatpipe zur Verfügung, so dass der Kreislauf geschlossen ist.
Wird am Kondensator keine Wärme entnommen, heizt sich das System auf, bis die gesamte Verdampferflüssigkeit der Heatpipe verdampft ist. Dem Kondensator wird in diesem Zustand praktisch keine Wärme mehr zugeführt, da keine die Wärme transportierende Dampfströmung mehr existiert und die anderen Wärmetransportmechanismen wie Thermodiffusion oder Wärmeleitung nur sehr wenig Wärme transportieren. Die Finne d.h. das Absorberblech mit Wärmeträgerrohr heizen sich aber weiter bis zur Stagnationstemperatur auf, wobei der Druck in der Heatpipe steigt. Im eingeschwungenem Zustand herrschen im Verdampferteil und im Kondensator die gleichen Drücke. Die Temperaturen von Verdampferteil und Kondensator können sich allerdings erheblich unterscheiden.
Bei richtiger Dimensionierung der Heatpipe kann man durch diesen Mechanismus Heatpipe-Systeme eigensicher gestalten. Sie sind dann für den privaten Nutzen einfach handhabbar, da Schäden durch Dampfproduktion und Crackprodukte vermieden werden. Darüber hinaus können defekte Rohre bei „trockener" Anbindung auch bei befülltem System trocken ausgewechselt und nach der Sonne ausgerichtet werden.
Stand der Technik der Wärmeübertragung
Das erste Patent für eine Heatpipe wurde 1942 durch Gaugier angemeldet. es erfolgte allerdings keinerlei Nutzung. Im Jahr 1963 wurde das Prinzip von George Grover neu entdeckt, der sich entsprechende Schutzrechte sicherte.
Bekannt ist, gemäß Solar-Lexikon eine Heatpipe mit „trockener" Anbindung, bei der ein Rohr auch ohne Ablassen der Wärmeträgerflüssigkeit gewechselt werden kann. Im Falle der „trockenen" Anbindung befindet sich der Kondensator in einer Aufnahme, zu der der Kondensator einen guten Wärmekontakt besitzt und die Wärme wird via Kondensation an der Kondensatorwand – Luftspalt – Wand der Kondensatoraufnahme – Wärmeträgerflüssigkeit des Speicherkreises transportiert.
Nachteilig bei der trockenen Anbindung sind die großen thermischen Widerstände und damit Minderungen des Wirkungsgrades des Solarkollektors. Die Kondensatoren der Heatpipes besitzen in allen derzeitigen Anwendungen aus diesem Grunde im Verhältnis zu dem Wärmeträgerrohrdurchmesser der Heatpipe einen großen Durchmesser und sind vergleichsweise lang, um genügende Kontaktfläche zu schaffen. Wird der Kondensator zu klein ausgebildet, sinkt der Wirkungsgrad des Heatpipesystems erheblich, da große Temperaturabfälle auftreten. Nachteilig bei der „trockenen" Anbindung ist darüber hinaus die Tatsache, dass durch den im Verhältnis zum Wärmeträgerrohr der Heatpipe größeren Durchmesser des Kondensators die Wärmeträgerflüssigkeit nicht ungehindert zurückfließen kann, was Leistungsminderungen beim Betrieb der Röhre bei kleinen Neigungswinkeln bewirkt.
Bekannt ist auch gemäß gleicher Quelle die „nasse" Anbindung. Der Kondensator befindet sich bei der „nassen" Anbindung direkt in der Wärmeträgerflüssigkeit des Kreises (Speicherkreis). Der Weg des Wärmestromes und damit verlustbringende Temperaturabfälle werden bei der nassen Einbindung erheblich eingekürzt. Nachteilig ist aber auch bei der „nassen" Anbindung die große erforderliche Kontaktfläche zur Wärmeträgerflüssigkeit des Speicherkreises, so dass auch hier eine Ausbildung eines im Durchmesser großen und verhältnismäßig langen Kondensators erforderlich ist, was die gleichen Leistungsminderungen, bei der Trockenanbindung bei Winkeln unter 25° bewirkt und Schwierigkeiten bei der Abdichtung zum Speicherkreis mit sich bringt.
Nachteilig ist darüber hinaus die Notwendigkeit der Ausbildung von Dichtungen und die Tatsache, dass vor dem Röhrenwechsel das Wasser des Speicherkreises abgelassen werden muss.
Bekannt ist nach Offenlegungsschrift 2719 255 A1 , Anmeldetag 2.04.1977, ein „Sonnenenergiekollektor" bei dem Heatpipekondensator und ein Absorberrohr ineinander übergehen und dass das Absorberrohr durch eine Hülle, deren Zwischenraum evakuiert ist, thermisch isoliert ist, wobei die Hülle und die Grenzfläche zwischen Kondensator und Absorberrohr miteinander verschweißt sind bzw. das Absorberrohr sich in einem dewargefäßähnlichen Isolationsgefäß befindet oder als dritte Möglichkeit das Innenrohr des Dewargefäßes selbst als Absorberrohr genutzt wird und der Kondensator durch Klebemittel oder Dichtungen auf das Dewargefäß aufgesetzt ist.
Nachteilig bei dieser Erfindung sind der sehr große Durchmesser der Heatpipe, was ein sehr träges thermisches Verhalten bewirkt und die extrem komplizierten Herstellungsverfahren und die Unbeständigkeit der vakuumdichten Verbindungen.
Bekannt ist nach Patent PCT/CN 2005/000668, Anmeldung 13.05.2005 eine Glass Vaccum Heatpipe. Die Erfinder sind Yin Zhiqiang at all.
Bemerkenswert bei dieser Erfindung ist, dass die gesamte Heatpipe vollkommen aus Glas gefertigt ist, so dass sie für kostengünstige Thermosyphonsysteme gut geeignet ist.
Nachteilig bei dieser Erfindung ist, dass sie auf Grund der geringen Druckbelastbarkeit von Glas nur in relativ niedrigen Temperaturbereichen, eingesetzt werden kann und dass eine trockene Anbindung eine sehr hohe Bruchgefahr mit sich bringt, da die Glaswände des Kondensators auf Grund der erforderlichen guten Wärmeübertragung relativ dünn ausgebildet werden müssen.
Bei den bekannten Lösungen existieren die Nachteile, dass entweder die Herstellung der Solarkollektor-Heatpipe-Röhre extrem kompliziert bzw. nicht dauerhaft Vakuumdicht ist oder ein den Durchmesser des Wärmeträgerrohres übersteigenden Kondensator an das Wärmeträgerrohr vakuumdicht durch Schweißung oder Lötung angebracht werden muss, der aber geringe Neigungswinkel der Heatpipe in der Anwendung nicht zulässt und dieser Kondensator das automatisches Aufschweißen der Absorberbleche behindert oder im Falle der Glasheatpipe nur geringe Temperaturen und Drücke beherrschbar sind bzw. eine hohe Bruchgefahr besteht.
Erfindungsgemäß werden die Nacheile der bekannten Lösungen durch eine Neugestaltung der Vorrichtung zur Wärmeübertragung gemäß der Schutzansprüche gelöst.
Ermittelt man die Folge der Wärmewiderstände auf dem Weg des Wärmeflusses einzeln, so zeigt sich, dass der dominierende thermische Widerstand, ca. 80%–90% des gesamten Widerstandes, vom Übergangswiderstand bei der „trockenen" Anbindung von der Wand der Kondensatoraufnahme zur Wärmeträgerflüssigkeit des Speicherkreises ausgeht und bei der „nassen" Anbindung der Übergang von der Kondensatoroberfläche zur Wärmeträgerflüssigkeit des Speicherkreises bewirkt wird.
Im Falle der „trockenen" Anbindung wird erfindungsgemäß die Oberfläche der Kondensatoraufnahme (1) durch Kühlrippen (2), die in die Wärmeträgerflüssigkeit des Speicherkreises ragen, so vergrößert, dass sich der thermische Widerstand deutlich verringert. Da die thermischen Widerstände der Schritte Kondensation – Durchströmung der Kondensatorwand, des Luftspaltes und der Wände der Kondensatoraufnahme klein im Verhältnis zu dem Übergangswiderstand Kondensatoraufnahme – Wärmeträgerflüssigkeit des Speicherkreises sind, ist es möglich, den Durchmesser des Kondensators (3) so zu verringern, dass er dem Durchmesser des Wärmeträgerrohres (4) entspricht bzw. der aus dem Vakuumrohr herausführende Teil des Wärmeträgerrohres kann nach Füllung mit der Verdampferflüssigkeit, Evakuierung und vakuumdichtem Verschluss unmittelbar als Kondensator genutzt werden (1).
Eine andere erfindungsgemäße Gestaltung mit dem Ziel die Kontaktoberfläche zur Wärmeträgerflüssigkeit des Speicherkreises unter Nutzung der Möglichkeit zu vergrößern, wobei das Ende des Wärmeträgerrohres, wie oben beschrieben wurde, als Kondensator zu verwendet wird, ist in 2 dargestellt. Hier wird der Kondensator (5) in seiner Wärmeübertragungswirkung dadurch verbessert, in dem ein Zwischenkörper (6) aus einem die Wärme gut leitendem Material, wie Kupfer oder Aluminium, auf das Ende des als Kondensator wirkenden Wärmeträgerrohres aufgeschoben. Besser ist aber zur Vermeidung eines Luftspaltes den Zwischenkörper auf den Kondensator aufzuschrumpfen.
Im Falle der Nassanbindung wird erfindungsgemäß die Kontaktoberfläche zur Wärmeträgerflüssigkeit des Speicherkreises dadurch vergrößert, dass sich im Verteilerrohr (8), an das die einzelnen Röhrenkollektoren angeschlossen werden, für jede Röhre ein Rippenkörper (7) aus gut leitendem Material befindet und in den das unaufgeweitete, als Kondensator (5) dienende Ende des Wärmeträgerrohres hinein geschoben wird (3).
Ausführungsbeispiel
Ein Vakuumrohr sammelt 70 W Wärmeleistung bei direkter Durchströmung in den Speicherkreis. Der Wirkungsgrad eta 0 sei 0,79. Es werden nun folgende Fälle untersucht:
1. Üblicher Kondensator 022 mm, Länge 48 mm

Die einzelnen thermischen Widerstände und Temperaturabfälle ergeben sich zu:

	therm. Widerstand	Temp. Abfall
	K/W	K
Absorberblech-Wärmeträgerrohr	zu vernachlässigen	0
Durchströmung Rohrwand	zu vernachlässigen	0
Wärmeträgerrohrwand-Flüssigkeit-	0,019	1,33
Kondensation	0,025	1,74
Durchströmung Kondensatorwand	7,77 E-4	0,05
Durchströmung Luftspalt	0,015	1,03
Durchströmung Kondensatoraufnahme	7,77 E-4	0,05
Wärmeübertragung an Speicherkreis	0,366	25,6
Summe		29,8

Bei einer solchen Gestaltung sinkt der Wirkungsgrad:

eta 0 direkt durchströmte Röhre: 0,79

eta 0 gewählte Heatpipe: 0,7
2. Wärmeübertragung nach 1

Rippenkörper	:Oberfläche zum Wärmeträger des Speicherkreises
	140 cm²
Durchmesser des Kondensators	:10 mm
Länge des Kondensators	:50 mm

Unter dieser Annahme ergeben sich nachstehende thermische Widerstände und Temperaturabfälle:

	Therm. Widerstand	Temp.-Abfall
	K/W	K
Absorberblech-Wärmeträgerrohr	zu vernachlässigen	0
Durchströmung Rohrwand	zu vernachlässigen	0
Wärmeträgerrohrwand-Flüssigkeit	0,019	1,33
Kondensation	0,055	3,88
Durchströmung Kondensatorwand	6,8 E-4	0,05
Durchströmung Luftspalt enffällt	0	0
Durchströmung Kondensatoraufnahme	6,8 E-4	0,05
Wärmeübertragung an Speicherkreis	0,088	6,156
		11,4

Auf Grund des deutlich erniedrigten Gesamttemperaturabfalls ist folgender Wirkungsgradunterschied zu erwarten:

eta 0 direkt durchströmte Röhre: 0,79

eta 0 bekannte Lösung: 0,7

eta 0 bei Heatpipe gemäß Figur 1: 0,76
Es ist zu bemerken, dass trotz im Verhältnis zum Verdampferrohr der Heatpipe unaufgeweitetem Kondensator der Wirkungsgrad des gewählten, erfindungsgemäßen Ausführung höher als bei den bekannten Lösungen ist. Darüber hinaus kann der Neigungswinkel der Heatpipe-Solarkollektorröhre kleiner gewählt werden, was die Anwendungsmöglichkeiten erhöht.

Claims

Vorrichtung zur Übertragung der Wärme eines Heatpipekondensators für Solarkollektoren in eine Wärmeträgerflüssigkeit, insbesondere bei Vakuum-Rohr-Solarkollektoren, bei denen die solare Strahlung auf einen Rohr- oder Flächenabsorber fällt und von diesem absorbiert wird und die erzeugte Wärme durch Wärmeleitung auf den Verdampferbereich einer Heatpipe übertragen wird, so dass die Wärmeträgerflüssigkeit wenigstens teilweise verdampft und der Dampf in der Heatpipe in Richtung Kondensator aufsteigt und in diesem kondensiert, wobei der Dampf bei der Kondensation die Verdampfungswärme an die Wandungen des Kondensators abgibt und die kondensierte Wärmeträgerflüssigkeit durch Schwerkraftwirkung oder mit Hilfe von Kapillarstrukturen wieder zum Verdampfungsbereich zurückgeführt wird und ein möglichst geringer thermischer Übertragungswiderstand von der Oberfläche der den Kondensator mit geringem Wärmewiderstand umfassende Aufnahme für den Kondensator in Richtung der aufzuheizenden Wärmeträgerflüssigkeit des Heizkreises oder einen zwischengeschalteten Speicherkreises dadurch erreicht wird, dass ein möglichst großflächiger Kontakt zwischen besagter Oberfläche und der aufzuheizenden Wärmeträgerflüssigkeit vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoraufnahme in Richtung abzuführender Wärme mit Kühlrippen mit angemessener Fläche ausgestattet ist, wobei gegebenenfalls gleichzeitig turbulente Strömung realisiert wird.
Vorrichtung zur Wärmeübertragung eines Heatpipekondensators nach Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gekennzeichnet, dass der gewünschte großflächige Kontakt zwischen der Oberfläche der Kondensatoraufnahme in Richtung der aufzuheizenden Wärmeträgerflüssigkeit dadurch bewirkt wird, dass die Kondensatoroberfläche durch einen vollständigen oder nur teilweise den Kondensator umfassenden Mantel aus einem Material guter Wärmeleitfähigkeit vergrößert wird.
Vorrichtung zur Wärmeübertragung eines Heatpipekondensators nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen im Verteiler des Solarmoduls integriert sind.
Vorrichtung zur Wärmeübertragung eines Heatpipekondensators nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Kühlrippen der Heatpipe so groß sind, dass es nicht erforderlich ist, einen speziell aufgeweiteten Kondensatorkopf auszubilden, sondern der obere Teil des evakuierten und mit einer Verdampferflüssigkeit gefüllten Wärmeträgerrohres direkt in die Heatpipe-Aufnahme hineinragt und damit den Kondensator bildet.
Vorrichtung zur Wärmeübertragung eines Heatpipekondensators nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Mantel so groß ausgebildet ist, dass es nicht erforderlich ist, einen speziell aufgeweiteten Kondensatorkopf auszubilden, sondern der obere Teil des evakuierten und mit einer Verdampferflüssigkeit teilweise gefüllten Wärmeträgerrohres direkt in den Wärmeübertragungsmantel hineinragt und die Einheit aus dem oberen Teil des Wärmeträgerrohres dem Kondensationsbereich, und dem Mantel den Kondensatorkopf bildet.
Vorrichtung zur Wärmeübertragung eines Heatpipekondensators nach Ansprüchen 2 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel massiv aus Kupfer oder Aluminium ausgeführt wird.
Vorrichtung zur Wärmeübertragung eines Heatpipekondensators nach Ansprüchen 2 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel aus Kupfer oder Aluminium Aussparungen erhält, die dem Mantel eine speichenradähnliche Form geben.
Vorrichtung zur Wärmeübertragung eines Heatpipekondensators nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer „nassen" Anbindung ein mit einer großen Oberfläche zum Beispiel mit Kühlrippen ausgestatteten Körper sich im Verteiler befindet und dass in diesem Körper der Kondensator der Heatpipe eingeschoben wird.
Heatpipe-Wärmeübertragung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator aus dem Wärmeträgerrohr gebildet ist.
Heatpipe-Wärmeübertragung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper so gestaltet ist, dass er gleichzeitig mehrere Heatpipes aufnehmen kann.