DE202007014238U1 - Device for heat transfer of a heatpipe condenser - Google Patents
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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...contraption for transmission the heat a heatpipe capacitor for Solar collectors in a heat transfer fluid, especially in vacuum tube solar collectors, where the solar radiation on a pipe or surface absorber falls and is absorbed by this and the heat generated by heat conduction to the evaporator section a heat pipe is transmitted, so that the heat transfer fluid at least partially evaporated and the steam in the heat pipe in Direction capacitor rises and condenses in this, wherein the vapor during condensation the heat of vaporization to the walls of the condenser gives off and the condensed heat transfer fluid by gravity or with the help of capillary structures again is returned to the evaporation area and one possible low thermal transfer resistance from the surface the recording of the capacitor with low thermal resistance comprehensive for the Condenser in the direction of the heat transfer fluid to be heated of the heating circuit or an intermediate storage circuit is achieved thereby that one possible large area contact between said surface and the heat transfer fluid to be heated is present, characterized in that the capacitor holder in the direction...
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.The The invention relates to a device for transmitting to a heatpipe capacitor discharged and preferably collected by a vacuum solar collector Heat on a heat transfer fluid, the direct or indirect heat an application supplied.
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.Heatpipe vacuum tube collectors play in the collection of solar heat especially in residential buildings increasing role. The reason lies in the often strongly disintegrating Offer solar energy and its use in the household, especially with heating support is critical in the private sector. Will in the summer months the in heat collected by the solar collectors, since there is no need for heating, insufficient used, the solar collectors heat up to the so-called stagnation temperature, i.e. on the temperature at which without dissipating heat to a consumption system a balance of heat and heat dissipation of the collector to the environment. Especially with powerful Vacuum solar collector tubes the stagnation temperature is over 300 ° C, which causes damage Steam production can lead to the heating circuits. Also the heat transfer fluid, the usual contains an antifreeze is damaged, by being thermally decomposed. The reaction products can too Lead blockages and so that the system partially unusable.
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.in the Contrary to the described "directly flowed through" systems has a heat pipe no direct liquid contact with the heat transfer fluid the user group, since the heat collected in the collector in the Heat pipe is led to a capacitor. There the heat gets to the Cover walls of the Capacitor discharged and flows through this. The outer surface of the Condenser of the heat pipe can be directly in the heat transfer fluid a heat transfer circuit are located and over their surface becomes the heat usually over one Temporary storage of use supplied. This cycle towards User is referred to below as the storage circuit. Frequently becomes but a "dry" connection of the heat pipe selected where the capacitor is in a receptacle. The heat flow takes place here "dry" by contact of the Capacitor or over the air gap to the outer surface of the Capacitor receptacle, through the wall of the capacitor receptacle to inner surface the capacitor holder and from there into the heat transfer fluid of the storage circuit.
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.A Heatpipe to transfer solar heat works as follows: The heat collected by the absorber plates evaporates a liquid, which is located in the evaporator section of the heat pipe. The generated steam flows to the condenser and gives by condensation its heat of vaporization to the Capacitor wall off. The condensed carrier liquid of the heat pipe becomes by gravity or by means of a capillary structure in the evaporation area returned and is thus again the heat transport available within the heat pipe, so that the circuit is closed.
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.Becomes no heat at the condenser taken out, the system heats up until the entire evaporator liquid the heat pipe has evaporated. The capacitor is in this state practically no heat supplied there is no heat transporting steam flow exists more and the other heat transport mechanisms like thermal diffusion or heat conduction only very little heat transport. The fin. the absorber plate with heat transfer tube but continue to heat up to the stagnation, wherein the pressure in the heat pipe rises. In the steady state prevail in the evaporator part and in the condenser the same pressures. The Temperatures of evaporator section and condenser may increase however, differ significantly.
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.at proper sizing of the heatpipe can be achieved through this mechanism Design heat pipe systems intrinsically safe. They are then for the private one Benefit easy to handle, since damage caused by steam production and Crack products are avoided. In addition, can be broken Pipes with "dry" connection also at inflated System dry replaced and aligned to the sun.
Stand der Technik der WärmeübertragungPrior art of heat transfer
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.The first patent for a heat pipe was registered in 1942 by Gaugier. it happened, however no use. In 1963, the principle was George Grover rediscovered, which secured corresponding property rights.
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.It is known, according to the solar lexicon, a heat pipe with "dry" connection, in which a pipe can be exchanged without draining the heat transfer fluid.In the case of the "dry" connection, the capacitor is in a recording, to which the capacitor has a good thermal contact owns and the heat is transported via condensation on the condenser wall - air gap - wall of the condenser holder - heat transfer fluid of the storage circuit.
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.adversely at the dry connection are the large thermal resistances and thus reducing the efficiency of the solar collector. The capacitors The Heatpipes have in all current applications from this Basically in proportion to the heat transfer tube diameter the heatpipe a big one Diameter and are comparatively long to provide sufficient contact area. If the capacitor is too small, the efficiency drops the heatpipe system considerably, as large temperature drops occur. The disadvantage of the "dry" connection is beyond the fact that due to the larger diameter in relation to the heat transfer tube of the heat pipe of the condenser, the heat transfer fluid can not flow back unhindered, which decreases performance in the operation of the tube at small angles of inclination causes.
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.Known is also the same Source the "wet" connection. The capacitor is located directly at the "wet" connection in the heat transfer fluid of the circle (memory circle). The path of the heat flow and thus loss-making temperature waste are significantly reduced in the wet integration. adversely but is also in the "wet" connection the big required contact area to the heat transfer fluid of the memory circuit, so that here too an education in the Diameter big and relatively long Capacitor is required, resulting in the same power reductions, in the dry connection at angles below 25 ° causes and difficulties brings with the seal to the storage circuit with it.
Nachteilig ist darüber hinaus die Notwendigkeit der Ausbildung von Dichtungen und die Tatsache, dass vor dem Röhrenwechsel das Wasser des Speicherkreises abgelassen werden muss.adversely is about it addition, the need for training of seals and the fact that before the tube change the water of the storage circuit must be drained.
Bekannt
ist nach
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.adversely in this invention, the very large diameter of the heat pipe, what a very sluggish thermal Behavior causes and the extremely complicated manufacturing process and the volatility of vacuum tight connections.
Bekannt ist nach Patent PCT/CN 2005/000668, Anmeldung 13.05.2005 eine Glass Vaccum Heatpipe. Die Erfinder sind Yin Zhiqiang at all.Known is according to patent PCT / CN 2005/000668, application 13.05.2005 a glass Vaccum heat pipe. The inventors are 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.Remarkable in this invention, the entire heat pipe is completely off Glass is made, allowing for cost-effective thermosyphon systems is well suited.
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.adversely in this invention, they are due to the low compressive strength Of glass only in relatively low temperature ranges, used can be and that a dry connection a very high risk of breakage brings with it, since the glass walls of the capacitor due to the required good heat transfer relatively thin must be trained.
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.at the known solutions exist the disadvantages that either the production of the solar collector heatpipe tube extreme complicated or not permanently vacuum-tight or one the diameter the heat transfer tube excess condenser to the heat transfer tube vacuum-tight by welding or soldering must be attached, but the low inclination angle of the heat pipe in the application does not allow and this capacitor the automatic welding of the Absorber sheets hindered or in the case of Glasheatpipe only small Temperatures and pressures manageable or there is a high risk of breakage.
Erfindungsgemäß werden die Nacheile der bekannten Lösungen durch eine Neugestaltung der Vorrichtung zur Wärmeübertragung gemäß der Schutzansprüche gelöst.According to the invention the wake of the known solutions solved by a redesign of the device for heat transfer according to the protection claims.
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.If the sequence of thermal resistances is determined individually on the path of the heat flow, it is clear that 80% -90% of the total resistance, the transition resistance in the "dry" connection from the wall of the condenser uptake to the heat transfer fluid of the storage circuit emanates and in the "wet" connection, the transition from the condenser surface to the heat transfer fluid of the Memory circuit is effected.
Im
Falle der „trockenen" Anbindung wird erfindungsgemäß die Oberfläche der
Kondensatoraufnahme (
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
Im
Falle der Nassanbindung wird erfindungsgemäß die Kontaktoberfläche zur
Wärmeträgerflüssigkeit des
Speicherkreises dadurch vergrößert, dass
sich im Verteilerrohr (
Ausführungsbeispielembodiment
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:One Vacuum tube collects 70 W heat output with direct flow in the storage circuit. The efficiency eta 0 is 0.79. It will now the following cases examined:
1. Üblicher Kondensator 022 mm, Länge 48 mm1. more usual Capacitor 022 mm, length 48 mm
Die
einzelnen thermischen Widerstände
und Temperaturabfälle
ergeben sich zu:
Bei
einer solchen Gestaltung sinkt der Wirkungsgrad:
2. Wärmeübertragung
nach
Unter
dieser Annahme ergeben sich nachstehende thermische Widerstände und
Temperaturabfälle:
Auf
Grund des deutlich erniedrigten Gesamttemperaturabfalls ist folgender
Wirkungsgradunterschied zu erwarten:
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.It It should be noted that despite in relation to the evaporator tube of Heatpipe unexpanded capacitor, the efficiency of the selected, inventive embodiment higher than in the known solutions is. About that In addition, the inclination angle of the heat pipe solar collector tube can be smaller chosen be what the applications elevated.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE202007014238U DE202007014238U1 (en) | 2007-10-11 | 2007-10-11 | Device for heat transfer of a heatpipe condenser |
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DE202007014238U1 true DE202007014238U1 (en) | 2008-02-07 |
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ID=39047320
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