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Die
Erfindung betrifft eine Heatpipe zur Wärmeübertragung,
insbesondere in der Anwendung bei Kollektoren, die solare Energie
zur Erwärmung eines Fluids sammeln, das der direkten oder
indirekten Übertragung der Wärme zu einer Nutzanwendung
dient, wobei die solare Strahlung auf einen Rohr- oder Flächenabsorber
(1) fällt – siehe 1 – und
von diesem möglichst vollständig absorbiert und
in Wärme umgewandelt wird, wobei die erzeugte Wärme
durch Wärmeleitung auf den Verdampferteil (2)
einer evakuierten und mit Verdampferfluid teilweise gefüllten
Heatpipe übertragen wird, so dass durch die Wärmezufuhr
das Verdampferfluid partiell verdampft und dabei Wärme
aufnimmt und der Dampf in Richtung eines Kondensators (3)
strömt und in diesem kondensiert, wobei der Dampf bei seiner
Kondensation die Verdampfungswärme an die Wandung des Kondensators
abgibt und das kondensierte Verdampferfluid durch Schwerkraftwirkung
oder mit Hilfe von Kapillarstrukturen wieder dem Verdampferbereich
zugeführt wird, so dass ein stetiger Wärmetransport
zwischen Verdampferbereich und Kondensator bewirkt wird und der
Verdampferbereich, Verbindungskanal (4) und Kondensator
so in Material und Geometrie gewählt sind, dass auch bei
der höchsten auftretenden Wärmezufuhr keine Gefahr
einer explosionsartigen Zerstörung der Heatpipe besteht
und als Verdampferfluid ein solches Fluid gewählt wird,
das im gewünschten Temperaturbereich den Wärmetransport
leistet und sich auch bei längerem, mehrjährigem
Gebrauch auch unter hohen Betriebstemperaturen nicht zersetzt.
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Stand der Technik
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Solarkollektoren
auf der Basis von Vakuum-Rohr-Kollektoren sind vor allem dort sinnvoll
einzusetzen, wo relativ hohe Temperaturdifferenzen zwischen der
Außentemperatur und der erforderlichen Arbeitstemperatur
des Wärmeträgers herrschen.
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Dies
ist vor allem bei der Bereitstellung von Prozesswärme oder
beim Heizen relativ schlecht isolierter Altbauten der Fall. Sind
die Vakuum-Rohr-Kollektoren direkt durchströmt und wurde
dem Wärmeträger ein Frostschutzmittel zugesetzt,
kommt es bei Betriebszuständen, bei denen ein hohes solares
Wärmeangebot nicht abgefordert wird, wie es zum Beispiel
in einem Privathaus beim Sommerurlaub der Fall sein kann, zur sogenannten
Stagnation der Vakuum-Rohr-Kollektoren.
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Die
Stagnation der Kollektoren bedeutet, dass sich die Temperatur des
Wärmeträgers im Wärmeträgerrohr
des Kollektors auf Temperaturen über 300°C erhitzen
kann. Bei dieser Temperatur besteht am Kollektor ein Gleichgewicht
zwischen eingestrahlter und wieder an die Umgebung abgegebener Wärme.
Je nach Druckbedingung verdampft ab einer gewissen Temperatur die
Wärmeträgerflüssigkeit und gleichzeitig
crackt ein Teil des Frostschutzmittels. Die Crackprodukte vermindern
die freien Strömungsquerschnitte des Vakuum-Rohr-Kollektors
und können bis zum völligen Verschluss und damit
zum Ausfall des Kollektors führen.
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Um
diese Betriebsstörungen zu vermeiden, wendet man deshalb
zunehmend Heatpipe-Vakuum-Röhren-Kollektoren vor allem
in Wohngebäuden an. Der Grund für die Nutzung
von Kollektoren mit Heatpipe liegt darin, dass Heatpipes mit speziellen
Maßnahmen „eigensicher" gestaltet werden können. „Eigensicher"
heißt in diesem Fall, dass auch wenn das Absorberblech
beispielsweise bei Stagnationsbedingung 300°C erreicht, am
Heatpipe-Kondensator eine durch das Design der Heatpipe vorbestimmte
Temperatur von beispielsweise 125°C nicht überschritten
wird. Auf diese Weise kann man gefährliche Drücke,
Dampfproduktion und das Cracken von Frostschutzmitteln vermeiden.
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Eine
Heatpipe „eigensicher" zu machen heißt, die Heatpipe
so herzustellen, dass unter allen Betriebsbedingungen gesichert
ist, dass von der Heatpipe, und dies betrifft vor allem den Stagnationsfall
des Solarkollektors, keine Gefahr durch den Druck des verdampften
Fluids und damit gegebenenfalls einer explosionsartigen Zerstörung
der Heatpipe ausgeht. Die Heatpipe wird deshalb so als Druckgefäß ausgebildet,
dass auch beim höchsten auftretendem Druck keine Gefahr
durch Zerstörung zu erwarten ist. Darüber hinaus
ist eine Schädigung des Wärmeträgerfluides,
das die Wärme zum Verbraucher fördert, auszuschließen
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Die
Art des Verdampferfluids und die dosierte Fluid-Menge bestimmen
dabei den Druck in einer Heatpipe.
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Dosiert
man beispielsweise 5 ml Wasser in die vorher evakuierte Heatpipe,
so ist das gesamte Wasser erst bei einer Temperatur von 300°C
verdampft. Die gewünschte Eigensicherheit wird nicht erreicht,
da Crackprozesse des Frostschutzmittels im Verbindungskreislauf
(5) nicht verhindert werden und bei dem üblicherweise
relativ niedrigem Druck im Verbindungskreislauf zum Verbraucher
in diesem Verbindungskreislauf Dampf erzeugt wird, der zu Zerstörungen
an Baugruppen der Anlage führen kann. Darüber
hinaus herrscht im Falle einer Abschalttemperatur von 300°C
ein Druck von etwa 90 bar in der Heatpipe, was große Materialstärken
in der Ausführung der Heatpipe erfordert.
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Dosiert
man dagegen sehr wenig Wasser, zum Beispiel 0,5 ml, erreicht man
eine deutliche Absenkung des Druckes. Dann allerdings reicht speziell
bei längeren Solarkollektoren die Wassermenge nicht mehr
aus, alle Bereiche des Verdampferteiles zu kühlen und der
Wirkungsgrad des Heatpipe-Solarkollektors sinkt durch erhöhte
Abstrahlungsverluste.
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Zur
Funktion von Heatpipes ist eine thermische Verkopplung des Kondensators
mit der Kondensatoraufnahme (6) erforderlich. Über
diese Verkopplung, die über einen Luftspalt, metallische
Kontaktbrücken, Wärmeleitpasten und anderes mehr
erfolgen kann, wird die Wärme an den Kreislauf weiterleitet,
der die gesammelte Wärme in Richtung Verbraucher transportiert.
Die Qualität der thermischen Verkopplung bestimmt maßgeblich
den Wirkungsgrad des Heatpipe-Solarkollektors.
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Ein
weiteres Problem von Heatpipes für Solarkollektoranlagen
ist, dass sie in Klimazonen, in denen Frost auftreten kann, frostsicher
gestaltet werden müssen, um nicht Zerstörungen
der Heatpipes durch Frosteinwirkung zu erleiden.
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Im
Schrifttum ist nachstehender Stand technischer Lösungen
dokumentiert:
Bekannt sind nach Gebrauchsmuster Nr. 20 2007
014 238.2 diverse Lösungen zur Übertragung des
Wärmestromes von der Heatpipeaufnahme in das Transportfluid,
bei denen die Oberfläche der Heatpipe bei direkter Anbindung
oder der Heatpipeaufnahme in Richtung Transportfluid durch verschiedenartige
Oberflächengestaltung vergrößert wurde,
um einen möglichst kleinen Temperaturverlust zu erreichen.
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Nachteilig
ist in diesem Zusammenhang, dass die vorgeschlagenen Lösungen
bei trockener Anbindung der Heatpipe nicht das Übertragungsproblem
Kondensator-Luftspalt lösen. Üblicherweise werden
zur Lösung des Problems Wärmeleitpasten oder eingeschobene
Kontaktbleche verwendet.
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Bekannt
ist
DE 0000 10
250 0744 A1 , in dem zur Sicherung des Wärmekontaktes
ein Blattfederelement in die Kondensatoraufnahmen mit eingeschoben
wird.
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Nachteilig
ist, dass ein zusätzliches Montageelement erforderlich
ist.
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Bekannt
ist
DE 120 692 A1 ,
in dem ein Bandstück aus einem Material, das gut Wärme
leitet, um den Kondensator geschlungen ist und seinerseits an das
Wärmetauscherrohr mit wenigstens einem Federelement angedrückt
wird.
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Nachteilig
ist der verhältnismäßig hohe technische
Aufwand und dass dennoch der Kontakt des Heatpipe-Kondensators zur
Kondensatoraufnahme nur partiell existiert.
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Bekannt
sind aus Internet-Veröffentlichungen der Firma Thermomax,
dass man zur Vermeidung von Zerstörungen der Heatpipe durch
Frost Alkohol oder Alkohol-Wasser-Gemische als Verdampferfluid einsetzt.
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Nachteilig
ist, dass Alkohole unter hohen Temperaturen nicht langzeitstabil
sind, so dass die Heatpipes eine begrenzte Lebensdauer haben bzw.
dass der Wirkungsgrad im Laufe der Lebensdauer stark absinkt.
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Bekannt
ist aus
DE 0069102856
T2 eine Erfindung, bei der Wärmeübertragung
dadurch verhindert wird, indem eine Vorrichtung in den Kondensator
eingebaut wird, die oberhalb der gewünschten Abschalttemperatur
das Fluid im Kondensator sammelt und zurückhält,
so dass sich dann kein Fluid mehr im Verdampferbereich befindet
und damit die Wärmezufuhr zum Kondensator unterbrochen
wird. Sinkt dagegen die Temperatur des Kondensators unter die Abschalttemperatur
wird das Fluid wieder freigegeben und die Heatpipe arbeitet wieder.
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Eine
Realisierung des beschriebenen Prinzips ist der Schrift der Firma
Thermomax „Evacuated Solar Energie Collector" – Technical
Reference & Installations
Manual zu entnehmen, in der ein Heatpipe-Solarkollektor einen Kondensator
mit einem Ventil, genannt „Memotron" enthält.
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Nachteilig
bei dieser Lösung ist, dass ein technisch aufwendiges Ventil
für die Abschalt-Funktion erforderlich ist, dessen Dichtheit
unter Temperaturen von mehr als 100°C über 20
Jahre sehr schwer zu realisieren ist. Im Falle von Undichtheit des
Ventils verliert dieses vollkommen seine Schutzwirkung in Bezug
auf die sich einstellende maximale Temperatur aber auch in Hinblick
auf den sich einstellen maximalen Druck. Die Heatpipe ist folglich
für den Druck zu dimensionieren, der sich beim Verdampfen
der gesamten Flüssigkeitsmenge einstellt. Darüber
hinaus muss bei undichten Ventilen mit Schäden durch Crackprodukte
gerechnet werden.
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Bekannt
ist nach Patent
PCT/CN 2005/00668 ,
Anmeldung 13.05.2005, eine Glas-Vakuum-Heatpipe. Die Erfinder sind
Yin Zhiqiang et al.
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Bemerkenswert
bei dieser Erfindung ist, dass die gesamte Heatpipe vollkommen aus
Glas gefertigt ist, so dass sie für kostengünstige
Thermosyphonsysteme gut geeignet ist.
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Nachteilig
bei dieser Erfindung ist, dass sie auf Grund der geringen Druckbelastbarkeit
nur eingeschränkt eingesetzt werden kann. Eine trockene
Anbindung bringt darüber hinaus eine große Bruchgefahr
mit sich, da die Glaswände des Kondensators auf Grund der
erforderlichen guten Wärmeübertragung sehr dünn ausgebildet
werden müssen.
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Bekannt
ist das Gebrauchsmuster
DE
201 08 682 U1 , in dem für eine Wärmeausleitung
bei doppelwandigen Vakuumrohren (Sydney-Typ) eine Heatpipe-Wärmeausleitung
geschützt wird. Darüber hinaus wird in einem Unteranspruch die
Möglichkeit der Abschalttemperatureinstellung dadurch gegeben,
dass in einem Temperaturbereich zwischen 170°C und 190°C
an jeder Stelle des Wärmerohres (Heatpipe) das gesamte
Wärmeträgerfluid verdampft ist.
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Nachteilig
ist, dass weder Menge noch Verdampfer- bzw. Wärmeträgerfluid
offengelegt werden.
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Bekannt
und auf dem Markt verfügbar sind wassergefüllte
Heatpipes, deren Frostsicherheit durch eine kegelförmige
langgezogene Spitze aus Edelstahl gesichert wird.
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Nachteilig
bei diesen Heatpipes ist das zusätzliche Kegelelement,
das an das Wärmeträgerrohr vakuumdicht gefügt
werden muss.
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Erfindungsgemäß werden
die Nachteile der bekannten Lösungen durch eine Neugestaltung
der Heatpipe entsprechend der Schutzansprüche gelöst.
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Dabei
besteht die Forderung eine frostsichere Heatpipe eigensicher zu
gestalten. Zur Lösung des Problems wird die Heatpipe so
dimensioniert, dass bei einer vorbestimmten Temperatur kein wesentlicher
Wärmetransport im technischem Sinne über den Dampf
des Fluids mehr erfolgt. Dazu wird nur eine solche Menge Fluid in
die Heatpipe dosiert, dass, wenn in der gesamten Heatpipe – also
im Verdampferteil, im Verbindungskanal und im Kondensator – die
sogenannte Abschalttemperatur herrscht, gerade das gesamte Fluid
verdampft ist. Das heißt, dass bei dieser Abschalttemperatur
weder im Verdampferteil, im Verbindungskanal oder im Kondensator
noch Fluid vorhanden ist. Bei der nun herrschenden Bedingung erfolgt
praktisch kein Wärmetransport mehr, da für den
Wärmetransport nun kein Fluid zur Verfügung steht,
dass verdampfen kann, dabei die Verdampfungswärme aufnimmt,
im Kondensator wieder abgibt und dann durch Schwerkraftwirkung oder Kapillarstrukturen
wieder zum Verdampferteil zurückkehrt.
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Erhitzt
sich nun der Verdampferteil durch die solare Strahlung weiter bis
zum Beispiel auf eine Stagnationstemperatur von 300°C,
wird dennoch keine Wärme zum Kondensator gefördert.
Der Grund liegt darin, dass einerseits bei dem nun in der Heatpipe
herrschenden Druck und bei den sich einstellenden Temperaturen, wie
oben beschrieben, ein Wärmetransport über Dampf
nicht möglich ist und andererseits auch ein Wärmetransport über
Thermodiffusion durch den in der Heatpipe befindlichen Dampf zu
vernachlässigen ist. Dadurch stellen sich in den einzelnen
drei Abschnitten der Heatpipe unterschiedliche Temperaturen ein:
Der Verdampferteil erreicht zum Beispiel 300°C, im Verbindungskanal
misst man 150°C und im Verdampferteil 130°C. Allerdings
herrscht ein einheitlicher Druck in der gesamten Heatpipe. In der
technischen Ausführung der Heatpipe muss allerdings der
Wärmetransport durch Wärmeleitung im Verbindungskanal
zu mindestens beachtet werden.
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Für
die erfinderische Lösung sind nachstehende, einander teilweise
widersprechende Bedingungen zu erfüllen:
- 1.
Es soll kein thermisch gesteuertes Ventil eingesetzt werden.
- 2. Die Fluidmenge muss so groß sein, dass auch bei
längeren Vakuum-Solarkollektoren mit Heatpipe-Wärme-Ausleitung
auch die entfernteren Bereiche ihre Wärme durch Verdampfen
von Fluid abgeben können.
- 3. Auch unter Bedingung 2 soll eine so niedrige Abschalttemperatur
realisiert werden, dass sich das Frostschutzmittel im Fluidkreis
zum Verbraucher nicht durch Cracken zersetzt.
- 4. Das Verdampferfluid der Heatpipe darf sich auch unter Stagnationsbedingung
(Temperaturen über 300°C) über sehr lange
Zeit nicht zersetzen.
- 5. Der Druck in der Heatpipe soll auch bei den höchsten
Systemtemperaturen möglichst niedrig sein, um materialsparend
arbeiten zu können.
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Zur
Lösung der bestehenden Aufgabe wurde nach einem Verdampferfluid
mit folgenden Eigenschaften gesucht:
- – Die
Verdampfung soll unter Vakuum bei Temperaturen < 25 °C erfolgen.
- – Es soll ein nicht-ideales Gas verwendet werden. Bei
nicht-idealen Gasen erhöht sich der Druck unterproportional
mit der Temperatur.
- – Das Verdampferfluid sollte frostsicher sein.
- – Das Verdampferfluid muss auch bei sehr langer Lebensdauer
(20 Jahre) chemisch stabil sein.
- – Das Verdampferfluid soll leicht verfügbar
und kostengünstig sein.
- – Das Verdampferfluid soll weitgehend ungefährlich
sein und die Umwelt nicht belasten.
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Die
Durchforstung der Möglichkeiten für solche Fluide
führte in die Gruppe der Alkane. Es zeigte sich, dass speziell
bei Anwendung von n-Hexan alle aufgeführten Bedingungen
erfüllt waren. Obwohl relativ große Fluidmengen
dosiert werden, verbleibt der Druck auch bei einer Stagnationstemperatur
von 310°C in einem leicht beherrschbaren Bereich, so dass
eine unmittelbare Wandlung eines direkt durchströmten,
koaxialen Wärmeträgerrohres in einer Heatpipe
dadurch möglich wurde, dass an das relativ dünnwandige
Wärmeträgerrohr unmittelbar ein Kondensator gefügt
wird. Nach Evakuierung, Füllung der vorbestimmten Verdampfer-Fluid-Menge
und vakuumdichtem Verschluss der Heatpipe ist der Solarkollektor
mit Heatpipe-Wärme-Übertragung funktionsfähig.
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Eine
solche „Plattform-Technologie" senkt die Herstellkosten
der Heatpipe-Kollektoren, da weder ein anderer Wärmeträgerrohrdurchmesser
noch die Wandstärke des Rohres verändert werden
muss.
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Zur
Einhaltung einer vordefinierten Abschalttemperatur, ohne dass ein
Ventil erforderlich ist, kann auch dienen, dass der Verbindungskanal
oder das gesamte Wärmeträgerrohr wenigstens teilweise
aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit,
wie zum Bespiel Edelstahl, angefertigt wird.
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Setzt
man bei gleichen Querschnitten an Stelle von Kupferrohr ein Rohr
aus Edelstahl ein, sinkt die ohnehin schon geringe Wärmeleitung über
das Wärmeträgerrohr auf eine zu vernachlässigende
Größe, da der Wärmeleitwert von Edelstahl
nur einen Bruchteil des Wertes von Kupfer beträgt.
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Ausführungsbeispiel
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Das
Wärmeträgerrohr eines Vakuum-Solarkollektor-Rohrs
wird mit einem Kondensator vakuumdicht gefügt. Über
ein Pumprohr wird die Heatpipe auf einen Druck von 5 Pa evakuiert
und anschließend mit der vorbestimmten Menge Fluid gefüllt.
Durch Zuquetschen des Pumprohres und sofortigen Verschluss des Pumprohres
durch beispielsweise eine Wolfram-Inertgas-Schweißung erfolgt
der vakuumdichte Verschluss der Heatpipe.
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Der
Kondensatoreinlass ist ca. 5 cm von dem Absorberblech entfernt.
Als Wärmeträgerrohr dient Kupfer der Abmessung Ø 10 × 0,4. Parameter
| Ziel-Abschalttemperatur: | 125 °C |
| Verdampferfluid: | n-Hexan |
| Stagnationstemperatur: | 300 °C |
Kondensatorabmessung:
| Durchmesser | 22
mm |
| Länge
zylindrischer Teil | 50
mm |
| kegelförmiges
Eingangsteil | 15
mm |
| | |
| Länge
des Absorberrohres: | 2
m |
| Aperturefläche: | 0,1
m2 |
| Volumen
der Heatpipe: | 0,16
l |
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Zur
Bestimmung der Menge des zu dosierenden Fluids wird über
die Molmasse von n-Hexan berechnet, welche Masse unter Betrachtung
des Gesamtvolumens der Heatpipe und unter Berücksichtigung
des spezifischen Partialdruckes des gewählten Fluids sich
in der Heatpipe bei 125°C befindet. Diese Masse wird in das
Dosiervolumen umgerechnet. Es sind 3 ml n-Hexan zu dosieren.
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Im
zweiten Schritt wird rechnerisch die mit der vorbestimmten Fluidmenge
gefüllte Heatpipe auf 300°C erhitzt und der sich
dabei einstellende Druck ermittelt. Hierbei kann vorausgesetzt werden,
dass ein ideales Gas vorliegt. Die Rechnung liegt dann auf der sicheren
Seite. Nach Rechnung ergeben sich nur 7 bar, was die Anwendung materialsparender
Querschnitte erlaubt. Ergebnisparameter
| eta0: | 0,76 |
| k1: | 1,12
W/m2·K |
| k2: | 0,004
W/m2·K |
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Bemerkenswert
ist die große Aufheizgeschwindigkeit der Heatpipe. Schon
nach 5 min sind 80°C erreicht, so dass auch bei schnellem
Wechsel von Sonnenschein und Wolken der Kollektor in sehr kurzer
Zeit die Arbeitstemperatur erreicht. Die Abschaltkurve ist in 2 dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 0000102500744
A1 [0014]
- - DE 120692 A1 [0016]
- - DE 0069102856 T2 [0020]
- - CN 2005/00668 [0023]
- - DE 20108682 U1 [0026]