DE202009005525U1

DE202009005525U1 - Wärmeübertrager für Wärmerohr-Kondensatoren

Info

Publication number: DE202009005525U1
Application number: DE202009005525U
Authority: DE
Original assignee: Narva Lichtquellen GmbH and Co KG
Current assignee: Narva Lichtquellen GmbH and Co KG
Priority date: 2009-04-11
Filing date: 2009-04-11
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2019-04-12

Abstract

Wärmeübertrager für Wärmerohr-Kondensatoren, die Wärme in ein Wärme-Übertragungsfluid übertragen, das diese Wärme einer Nutzung zuführt, insbesondere für solarthermische Anwendung bei der solare Energie von einer speziellen Absorbermaterialbeschichtung absorbiert wird und von dort als Wärme auf das Träger-Blech des Absorbermaterials übertragen wird, dann zum Verdampferteil des Wärmerohres geführt wird oder im Falle eines Sydney-Vakuumrohres gelangt die Wärme auf dem Weg Absorberschicht-Glaswand-Kontaktblech-Wärmerohr-Verdampferteil zum Kondensator, wobei die Vorrichtung zur Übertragung der Wärme mit dem Kondensator in möglichst innigem Wärmekontakt gebracht wird, wobei üblicherweise dieser Vorgang durch die Anwendung einer Wärmeleitpaste unterstützt wird gekennzeichnet dadurch, dass zur Übertragung der Wärme aus einem Wärmerohr-Kondensator eine Vorrichtung genutzt wird, die aus einem den Kondensator des Wärmerohres bis zu 180° umfassendes Schalensegment besteht, in dem ein Wärme-Übertragungsfluid fließt, bei dem der Fluid-Strom zwischen der die Kondensatoroberfläche berührenden inneren Schale und der äußeren Schale so geführt wird ist, dass das Fluid weitgehend die gesamte den Kondensator berührende innere...

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für Wärmerohrkondensatoren gemäß 1 zur trockenen Übertragung der Wärme aus Wärmerohr-Kondensatoren, auch Heatpipe-Kondensatoren genannt, insbesondere in Anwendung bei Sammlung solarer Energie zur Bereitstellung von Wärme für Heizungen, Warmwasserbereitstellung und technologische Anwendungen, wobei die Wärme, die durch einen die solare Energie absorbierenden Kollektor (1) bereitgestellt wird, auf den Verdampferteil (2) eines Wärmerohres durch Wärmeleitung übertragen wird, wobei in diesem Verdampferteil eine Flüssigkeit verdampft, der Dampf in dem Wärmerohr aufsteigt und im Kondensatorteil (3) des Wärmerohres wieder kondensiert, wobei der Dampf die enthaltene Verdampfungsenergie an die Kondensatorwände abgibt und das Kondensat durch Schwerkraft oder durch eine Kapillarstruktur wieder zurück in den Verdampferteil zurückgeführt wird und damit für ein erneutes Verdampfen zur Verfügung steht und die an die inneren Oberflächen des Kondensators abgegebene Wärme durch Wärmeleitung zu einem Wärmeübertrager gelangt und die Wärme aus dem Wärmerohr-Kondensator mittels Wärmeleitung die Wand dieses Wärmeübertragers (4) durchdringt und über die Innenoberflächen des besagten Wärmeübertragers an ein Wärme-Übertragungsfluid abgegeben wird, welches die Wärme einer Nutzung zuführt.
Stand der Technik
Technisch problematisch bei der Gestaltung des Wärmeübertragers für einem Wärmerohrkondensator ist, dass ein geringer thermischer Widerstand für einen guten Übertragungswirkungsgrad, der im engen Zusammenhang mit dem Temperaturabfall zwischen der Kondensator-Außenoberfläche und dem Wärme-Übertragungsfluid steht, realisiert werden muss. Dabei besteht die technische Aufgabe, einen möglichst guten thermischer Kontakt zwischen der Kondensator-Außenoberfläche und der diese Kondensatoraußenoberfläche kontaktierende Oberfläche der Vorrichtung zur Übertragung dieser Wärme zu realisieren.
Da der Kondensator für eine bestimmte Übertragungsleistung eine bestimmte Mindestgröße aufweisen muss, ergeben sich für die Vorrichtung zur Übertragung der Wärme verhältnismäßig große Abmessungen in denen das Wärme-Übertragungsfluid strömt. Wegen der Größe dieser Strömungs-Querschnitte und der vergleichsweise geringen Durchströmungsgeschwindigkeit stellen sich laminare Strömungen ein. Die Wärme wird folglich nur durch thermische Diffusion in das Wärme-Übertragungsfluid abgegeben, wie dies in einem Behälter geschieht, in dem die Flüssigkeit unbewegt steht. Aus dem Zusammenhang, dass große Abmessungen der Vorrichtung zur Übertragung der Wärme zu besseren Wirkungsgraden tendieren, ergibt die Praxis der bekannten technischen Lösungen generell große, massive Verteiler, wie eine Kombination mit mehrer Vorrichtung zur Übertragung der Wärme genannt werden, die naturgemäß sehr viel Material guter Wärmeleitfähigkeit erfordern.
Bekannt ist eine Konstruktion des Wärmeübertragers für Wärmerohrkondensatoren gemäß der veröffentlichten Schrift der Firma Viessmann Nr.: 9449 327 D 03/2009 bei der zwei Flachrohrprofile, deren Breite der Kondensatoren-Länge entspricht, so für die Aufnahme der Kondensatoren halbkreisförmig ausgeformt sind, dass die beiden Rohre, wenn sie spiegelsymmetrisch angeordnet werden, die Kondensatoren nahezu vollständig umfassen. Um den Wärmewiderstand weiter zu senken, werden die Flachprofilrohre mittels Federn so auf die Kondensatoren gedrückt, dass immer ein direkter Metall-Metall-Kontakt entsteht und ein niedriger Wärmewiderstand zwischen den Kondensator-Außenoberflächen zu erwarten ist. Um den Wärmekontakt weiter zu verbessern werden üblicherweise Wärmeleitpasten angewendet. Diese Konstruktion wird in Edelstahl oder Kupfer gefertigt.
Mit der vorliegenden Ausführung werden geringe Temperaturabfälle zwischen Kondensator und Wärme-Übertragungsfluid erreicht.
Nachteilig ist der hohe Materialeinsatz, welchen die vorliegende Konstruktion erfordert und der schlechte Wärmeübergang zwischen Wärme-Übertragerwand und Wärme-Übertragungsfluid, der durch die aus der Konstruktion sich zwingend ergebenden großen Querschnitte bewirkt wird, da sich die Wärme-Übertragungsfluid-Strömung laminar einstellt.
Bekannt ist eine Konstruktion des Wärmeübertragers für Wärmerohr-Kondensatoren, die von einer Reihe von Firmen genutzt wird, wie beispielsweise von der Firma augusta solar in der Firmenschrift „Hochvakuum-Röhrenkollektor HP 8/12/16" vorstellt.
Bei dieser Konstruktion werden die Kondensatoren der Wärmerohre in möglichst gegenüber dem Kondensatordurchmesser eng tolerierte Hülsen gesteckt. Diese Hülsen sind üblicherweise so in ein quer zu den Hülsen verlaufendes größeres Rohr eingelötet bzw. geschweißt, dass die Hülse vom Wärme-Übertragungsfluid umspült und auf diese Weise die Wärme übertragen wird.
Nachteilig bei dieser Art der Konstruktion sind die für die Strömung des Wärme-Übertragungsfluids unangemessen große Strömungsquerschitte, die zu laminarer Strömung und damit zu schlechten Wärmeübertragungen, d. h. hohen Temperaturabfällen und damit auch zu Wirkungsgrad-Verschlechterungen führen.
Nachteilig bei dieser Konstruktion ist weiterhin, dass prinzipiell ein guter Metall-Metall-Kontakt nicht gesichert werden kann, da die Flächen, über die die Wärme übertragen werden soll, nicht aufeinander gepresst werden, sondern durch leicht verschiedene Durchmesser von Kondensator und Hülse wird gesichert, dass der Kondensator überhaupt in die Hülse passt. In der Praxis mindert man diesen Nachteil mit Hilfe von Wärmeleitpasten. Über längere Zeiten härten die verwendeten Wärmeleit- Paste aus, so dass es bei erforderlichem Wechsel von Vakuum-Rohrsolarkollektoren mit Wärmerohr zu Zerstörungen kommen kann.
Obwohl die Konstruktion wegen ihrer einfachen Herstellung oft angewendet wird, ist nachteilig, dass die Herstellung erhebliche Materialmengen, üblicherweise Kupfer, erfordert.
Bekannt ist das Gebrauchsmuster DE 202 16 789.5 , in dem ein Solarkollektor mit einem Sammelrohr beschrieben wird. Mit der in dem Schutzrecht beschriebenen Lösung soll erreicht werden, dass der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung dadurch verbessert wird, in dem durch entsprechende Gestaltung des Wärme-Übertragungs-Fluid-Kanales die Strömung die Hülse, in der sich der Kondensatorbefindet, so geführt wird, dass sie den oberen Teil des Kondensators, bezogen auf den Durchmesser des Kondensators, intensiver als den unteren Teil kühlt.
Nachteilig bei dieser Konstruktion ist, dass sie extrem materialaufwendig ist und von allen Verteilervarianten den höchsten Fertigungsaufwand erfordert.
Nachteilig ist darüber hinaus, dass der große, sich aus der Konstruktion ergebende Querschnitt des Wärme-Übertragungsfluid-Kanals, zu laminarer Strömung führt und damit zu hohem Temperaturabfall mit Wirkungsgradminderungen.
Bekannt ist das Patent DE 41 20 692 A1 , in dem die Wärmeübertragung zwischen dem Kondensator und dem das Wärme-Übertragungs-Fluid führende Rohr über eine das Rohr für das Wärme-Übertragungsfluid umschlingende Blechschelle aus gut leitenden Material erfolgt, wobei das Teil der Schelle, das in Richtung Kondensator zeigt, so geformt ist, dass es den Kondensator mittels zweier miteinander verschraubter bzw. aufeinander gepresster Halbschalen umfasst und damit eine guten Wärmekontakt zum Kondensator bewirkt. Über das Blech der Schelle wird die Wärme zum Wärme-Übertragungsfluid-Kanal geführt, wobei die Schelle diesen Kanal fest umschließt und damit auch hier einen guter Wärmekontakt bewirkt.
Nachteilig bei dieser Konstruktion ist, dass die Konstruktion relativ Platz benötigt und dass der große für die Wärmeübertragung erforderliche Querschnitt zu laminarer Strömung des Wärme-Übertragungsfluides führt, was zu hohen Temperaturabfällen und damit zu Wirkungsgradverschlechterungen führt.
Bekannt ist das Patent DE 102 50 745 A1 . In diesem Patent wird ein Herstellungsverfahren für einen Verteiler für den Anschluss von Wärmerohrkondensatoren geschützt. Dabei wird aus einem Rohr durch Innenhochdruck-Umformung ein Verteiler für den Anschluss mehrerer Kondensatoren hergestellt. Die dabei entstehenden Anschlussmöglichkeiten umfassen den Kondensator weitgehend aber nicht vollständig. Damit ergibt sich die Möglichkeit, über ein zusätzliches Andrückblech einen innigen Kontakt zwischen Verteiler und Kondensator herzustellen.
Nachteilig bei dieser Ausführungsform ist, dass generell durch die vorgegebene Länge des Kondensators große Rohre verwendet werden, die einen hohen Materialeinsatz erfordern und dass große Querschnitte entstehen, die das Wärme-Übertragungsfluid laminar strömen lassen. Dies führt zu großen Temperaturabfällen und damit zu Minderungen des Wirkungsgrades.
Erfindungsgemäß werden die Nachteile der bekannten Lösungen durch eine Neugestaltung der Vorrichtung zur Übertragung der Wärme aus einem Wärmerohr-Kondensator entsprechend der vorliegenden Schutzansprüche gelöst. Dabei besteht die erfinderische Aufgabe darin, eine bzw. mehrere Lösungen zu finden, bei denen

– ein guter, direkter Kontakt zwischen Kondensator und Kondensator-Aufnahme immer gewährleistet ist,
– wenig Material eingesetzt wird,
– gesichert wird, dass Wärmeträgerfluid turbulent strömt.

Erfindungsgemäß wird ein den Kondensator bis maximal 180° umfassender doppelschaliger Wärmeübertrager als Schalenelement so gestaltet, dass die gesamte Übertragung der Wärme mittels dieses Wärmeübertragers so erfolgt, dass die Anteile der Wärmeübertragung durch das bzw. die Zuführungsrohre zu vernachlässigen sind.
Um diese Ziele zu erreichen, wird der Kondensator mittel eines oder mehrerer federnder Elemente an die Außenwand der inneren Schale gedrückt, so dass ein inni ger Wärmekontakt bewirkt wird. Dieser inniger Wärmekontakt wird durch eine geeignete Wärmeleitpaste unterstützt.
Das Problem der erforderlichen gute Wärmeübertragung von der Wand des Wärmeübertragers in das Wärme-Übertragungsfluid wird trotz deutlich verminderter Oberflächen dadurch gelöst, dass turbulente Strömung erzeugt wird, wobei die verschiedenen Möglichkeiten, die in den Schutzansprüchen beschrieben sind, genutzt werden können.
Ausführungsmöglichkeiten bestehen vor allem darin, dass der Querschnitt für den Transport des Wärme-Übertragungsfluides so klein gewählt wird, dass bei der angestrebten Temperaturerhöhung pro Kollektor turbulente Strömung zwingend erzeugt wird. Bei der Dimensionierung des Wärme-Übertragungs-Kanales ist ein Kompromiss zwischen Turbulenzerzeugung und Druckabfall über diesen Kanal zu schließen. Weitere Möglichkeiten, Turbulenz im Wärmetauscher zu erzeugen, besteht darin, die inneren Oberflächen so zu gestalten, dass turbulente Strömungen zwangsweise erreicht werden oder durch Einsatz verwirbelnder Störkörper, die sich im Spalt zwischen der inneren und der äußeren Schale befinden.
Ausführungsbeispiel
Gemäß 2, in der der Querschnitt des Ausführungsbeispieles dargestellt ist, wird der Kondensator (5) mittels einer federnden Vorrichtung, die beliebig gestaltet werden kann, gegen einen schalenförmigen Wärmeübertrager (6) gedrückt, der die Anschlüsse (7) und (8) für die Durchleitung des Wärme-Übertragungsfluides besitzt. Zur weiteren Unterstützung der Wärmeübertragung und zur Erreichung einer turbulenten Strömung existiert zwischen der inneren Schale, die den Kondensator kontaktiert und der äußeren Schale ein mäanderförmiger Strömungskanal (9) für das Wärme-Übertragungsfluid (siehe 3, in der die Draufsicht des Wärmeübertragers dargestellt ist).
Der Querschnitt des mäanderförmigen Strömungskanals wird durch Wahl des Abstandes der beiden Schalen und der Anzahl der Mäanderwände so gewählt, das bei der Fluidmenge, die pro Zeiteinheit den Wärmeübertrager durchströmen soll, turbulente Strömung erzeugt wird und damit eine gute Wärmeübertragung vom Wärmeübertrager in das Wärme-Übertragungsfluid trotz relativ geringer geometrischer Abmessung erreicht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 20216789 U [0012]
- DE 4120692 A1 [0015]
- DE 10250745 A1 [0017]

Claims

Wärmeübertrager für Wärmerohr-Kondensatoren, die Wärme in ein Wärme-Übertragungsfluid übertragen, das diese Wärme einer Nutzung zuführt, insbesondere für solarthermische Anwendung bei der solare Energie von einer speziellen Absorbermaterialbeschichtung absorbiert wird und von dort als Wärme auf das Träger-Blech des Absorbermaterials übertragen wird, dann zum Verdampferteil des Wärmerohres geführt wird oder im Falle eines Sydney-Vakuumrohres gelangt die Wärme auf dem Weg Absorberschicht-Glaswand-Kontaktblech-Wärmerohr-Verdampferteil zum Kondensator, wobei die Vorrichtung zur Übertragung der Wärme mit dem Kondensator in möglichst innigem Wärmekontakt gebracht wird, wobei üblicherweise dieser Vorgang durch die Anwendung einer Wärmeleitpaste unterstützt wird gekennzeichnet dadurch, dass zur Übertragung der Wärme aus einem Wärmerohr-Kondensator eine Vorrichtung genutzt wird, die aus einem den Kondensator des Wärmerohres bis zu 180° umfassendes Schalensegment besteht, in dem ein Wärme-Übertragungsfluid fließt, bei dem der Fluid-Strom zwischen der die Kondensatoroberfläche berührenden inneren Schale und der äußeren Schale so geführt wird ist, dass das Fluid weitgehend die gesamte den Kondensator berührende innere Schale kühlt und die inneren Oberflächen der beiden Schalen oder auch nur einer Schale so gestaltet sind, dass eine turbulente Strömung bewirkt wird oder in eine der Schalen beziehungsweise in beide Schalen strömungsführende Leiteinrichtungen so eingebracht sind, dass auf diese Weise turbulente Strömung betriebsmäßig erzeugt wird.
Wärmeübertrager für Wärmerohr-Kondensatoren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ein- und Ausströmanschlüsse des Schalensegmentes diagonal bezogen auf die Symmetrieachse des Schalensegmentes angeordnet werden.
Wärmeübertrager für Wärmerohr-Kondensatoren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in die äußere Schale eine mäanderförmige oder anders gestaltete Struktur eingebracht wird, die das Kühlfluid so führt, dass der Fluidstrom alle Bereiche des Schalensegmentes erfasst.
Wärmeübertrager für Wärmerohr-Kondensatoren nach Anspruch 1 und Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Mäanderstruktur durch Einsickungen in der äußeren Schale, die Trennwände bilden, bewirkt wird.
Wärmeübertrager für Wärmerohr-Kondensatoren nach Ansprüchen 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Mäander-Wände metallisch innig fest mit einer beziehungsweise mit beiden Schalensegmenten verbunden sind.
Wärmeübertrager für Wärmerohr-Kondensator nach Ansprüchen 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass die strömungsführende Mäanderstruktur dadurch entsteht, dass ein entsprechend geformter Blechstreifen zwischen die innere und die äußere Schale des Schalensegmentes eingelegt wird.
Wärmeübertrager für Wärmerohr-Kondensatoren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Schale des Schalenelementes, die innere Schale des Schalenelementes oder beide Schalen des Schalenelementes auf der Fluidseite mit einer Turbulenz der Strömung bewirkenden rauen Struktur versehen sind.
Wärmeübertrager für Wärmerohr-Kondensatoren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulenz im Schalenelement dadurch erzeugt wird, dass Metallwolle in den Spalt zwischen der äußeren und der inneren Schale eingebracht wird.
Wärmeübertrager für Wärmerohr-Kondensatoren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulenz im Schalenelement durch einen Metallschaum mit offenen Poren erzeugt wird.
Wärmeübertrager für Wärmerohr-Kondensatoren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager an den Wärmerohr-Kondensator durch eine Kraft angepresst wird, die durch eine Feder oder einen Spanngurt realisiert sein kann.