DE202009011991U1

DE202009011991U1 - Solar thermal absorber

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Publication number: DE202009011991U1
Application number: DE202009011991U
Authority: DE
Original assignee: Henning Mark Dr-Ing
Current assignee: Henning Mark Dr-Ing
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2019-08-29

Abstract

Solarthermischer Absorber, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallschaum mindestens ein die Wärme aufnehmendes Medium führendes Rohr ganz oder teilweise umschließt und mit diesem thermisch leitend, insbesondere stoffschlüssig, verbunden ist, wobei der Metallschaum auf der nach Einbau dem einfallenden Sonnenlicht zugewandten Seite offenporig ist oder eine geschlossene Haut aufweist.Solarthermal absorber, characterized in that a metal foam at least one heat-receiving medium leading tube completely or partially encloses and thermally conductive, in particular materially connected, is connected, wherein the metal foam on the side facing the incident sunlight after installation is porous or a closed Having skin.

Description

Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Absorber mit effizienten WärmeübertragungseigenschaftenThe The invention relates to a solar thermal absorber with efficient Heat transfer properties

Auf dem Markt befindliche solarthermische Absorber weisen meist Absorberbleche auf, die in punkt-, linien- oder bandkontakt mit Rohren stehen, welche das die Wärme aufnehmende Fluid enthalten. Es gibt auch Bauformen, bei denen das Absorberblech ganz oder teilweise um die Rohre herumgelegt ist oder möglichst großflächig mit einem weiteren Blech verbunden ist, das ganz oder teilweise um die Rohre herumgelegt ist (zum Beispiel EP 1 271 070 A2 ). Diese Bauformen haben den Nachteil, dass die Herstellung von profilierten Blechen, das Fügen von Rohren und Blechen sowie das Fügen von Blechen untereinander kostenintensiv ist. Der Wärmeleitungswiderstand ist aufgrund der dünnen Absorberbleche und der kleinen Kontaktbereiche zwischen Absorberblech und Rohr erhöht, weshalb viele Rohre in einem geringen Abstand voneinander benötigt werden.Solar thermal absorbers on the market usually have absorber sheets which are in point, line or strip contact with pipes which contain the heat-absorbing fluid. There are also designs in which the absorber plate is wholly or partly wrapped around the tubes or as large as possible connected to another sheet, which is completely or partially wrapped around the tubes (for example EP 1 271 070 A2 ). These designs have the disadvantage that the production of profiled sheets, the joining of pipes and sheets and the joining of sheets with each other is costly. The heat conduction resistance is increased due to the thin absorber plates and the small contact areas between absorber plate and tube, which is why many tubes are needed at a small distance from each other.

In US 2006/0042625 A1 ist zwischen einer Absorberfolie und den Rohren ein Füllkörper aus einem gut wärmeleitenden Material eingelegt, der den Wärmefluss von der Folie zu den Rohren verbessern soll und die Rohre bis zur Hälfte umschließt. Nachteilig ist hier, dass bereits geringe Fertigungsungenauigkeiten, eine unterschiedliche Wärmeausdehnung von Rohren und Füllkörper aufgrund unterschiedlicher Temperaturverteilung oder unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten, sowie Unachtsamkeiten bei Zusammenbau, Transport oder Montage zu kleinen Luftspalten führen können, welche die Wärmeleitung signifikant behindern. Des Weiteren können die Rohre höchstens bis zur Hälfte vom Füllkörper umschlossen werden.In US 2006/0042625 A1 is inserted between an absorber film and the tubes, a packing made of a highly thermally conductive material, which is intended to improve the heat flow from the film to the tubes and encloses the tubes up to half. The disadvantage here is that even small manufacturing inaccuracies, a different thermal expansion of pipes and packing due to different temperature distribution or different coefficients of thermal expansion, as well as inattentiveness during assembly, transport or assembly can lead to small air gaps, which significantly hinder the heat conduction. Furthermore, the tubes can be enclosed at most by half of the packing.

In US 3 848 666 A wird ein Paneel aus Aluminiumschaum beschrieben, in welches Rohre eingegossen werden beziehungsweise sind, die von dem Wärmeträgermedium durchströmt werden. Diese Paneele können als Dacheindeckung für Hausdächer verwendet werden, um ebensolche Paneele zu erwärmen, die als Heizkörper in Wohnräumen angebracht sind. Nachteilig ist hier, dass das Paneel aufgrund der fehlenden Wärmedämmung und Beschichtung einen geringen Wirkungsgrad aufweist. Folglich ist die beschriebene Konstruktion nur bei starker Sonneneinstrahlung wirksam, während der ein Heizbedarf von Wohnräumen häufig jedoch nicht oder nur in geringem Umfang gegeben ist. Ferner ist die Herstellung über einen Gießprozess aufwändig und die Rohre müssen dabei vollständig vom Aluminiumschaum umschlossen eingegossen werden. Des Weiteren sind Ein- und Auslässe der Rohre jeweils auf der gleichen Seite des Paneels angeordnet.In US Pat. No. 3,848,666 a panel made of aluminum foam is described in which pipes are cast or are, which are flowed through by the heat transfer medium. These panels can be used as a roofing for rooftops to heat just such panels, which are installed as radiators in living rooms. The disadvantage here is that the panel has a low efficiency due to the lack of thermal insulation and coating. Consequently, the construction described is effective only in strong sunlight, while the heating needs of living rooms is often not or only to a limited extent. Furthermore, the production is complicated by a casting process and the pipes must be completely encapsulated enclosed by aluminum foam. Furthermore, inlets and outlets of the tubes are each arranged on the same side of the panel.

In EP 1 688 683 A1 wird die Absorberoberfläche mikroskopisch aufgerauht und makroskopisch verformt, sodass eine verbesserte Strahlenabsorption erfolgt, da reflektierte Strahlung zu einem gewissen Teil erneut absorbiert wird. Nachteilig ist, dass kleine Mikroporen bei einem anschließenden schwarzen Beschichten oder Einfärben des Absorberbleches zum Teil verschlossen werden können. Des Weiteren erfordert die Herstellung der Absorberoberfläche mindestens zwei zusätzliche Arbeitsschritte: einen chemischen für die Mikroporosität sowie einen mechanischen für die Verformung.In EP 1 688 683 A1 the absorber surface is roughened microscopically and macroscopically deformed, so that an improved radiation absorption takes place, because reflected radiation is absorbed to a certain extent again. The disadvantage is that small micropores can be partially closed in a subsequent black coating or coloring the absorber sheet. Furthermore, the production of the absorber surface requires at least two additional steps: a chemical for the microporosity and a mechanical for the deformation.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei optimalen Absorptionseigenschaften für Solarstrahlung die so entstandene Wärmeenergie optimal an ein Wärmeträgermedium abzuführen, sodass eine im Vergleich zu herkömmlichen solarthermischen Absorbern deutliche Erhöhung der Effizienz resultiert, wobei zugleich ein einfaches und kostengünstiges Herstellverfahren angewendet werden kann.Of the Invention is the object of optimal absorption properties for solar radiation, the resulting heat energy optimally dissipate to a heat transfer medium, so one compared to conventional solar thermal Absorbers significant increase in efficiency results, wherein at the same time a simple and inexpensive manufacturing process can be applied.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen solarthermischen Absorber gelöst, der im einfachsten Fall aus einem Metallschaum besteht, welcher mindestens ein die Wärme aufnehmendes Medium führendes Rohr ganz oder teilweise umschließt. Diese Verbindung kann stoffschlüssig ausgeführt werden. Die nach Einbau der Sonne zugewandte Seite des Metallschaums kann ganz oder teilweise offene Poren oder eine geschlossene Haut aufweisen. Auf besagter Seite kann ein Deckblech mit dem Metallschaum verbunden sein. Diese Verbindung kann stoffschlüssig ausgeführt werden. Um eine möglichst hohe Strahlenabsorption bei möglichst niedrigen Wärmeabstrahlverlusten zu erreichen, kann der Absorber auf besagter Seite beschichtet oder eingefärbt sein, insbesondere mit schwarzer Farbe.According to the invention solved this task by a solar thermal absorber, which consists in the simplest case of a metal foam, which at least one heat-receiving medium leading Partially or partially enclosing the tube. This connection can be performed cohesively. The after installation The sun-facing side of the metal foam may be partially or completely open Have pores or a closed skin. On said side a cover plate can be connected to the metal foam. This connection can be performed cohesively. To one as possible high radiation absorption with the lowest possible heat radiation losses To reach the absorber can be coated on said side or be colored, especially with black color.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher beschrieben.The Invention will be apparent from the following embodiments described in more detail.

1 zeigt einen Absorber, bei dem die nach Einbau der Sonne zugewandte Seite offene Poren aufweist. 1 shows an absorber, in which after installation of the sun-facing side has open pores.

2 zeigt einen Absorber, bei dem die nach Einbau der Sonne zugewandte Seite keine offenen Poren aufweist, sondern zum Beispiel eine überwiegend geschlossene Gusshaut. 2 shows an absorber, in which after installation of the sun-facing side has no open pores, but, for example, a predominantly closed casting skin.

3 zeigt einen Absorber, bei dem die nach Einbau der Sonne zugewandte Seite ein mit dem Metallschaum verbundenes Deckblech aufweist. 3 shows an absorber, in which after installation of the sun facing side has a metal foam associated with the cover plate.

4 zeigt einen Absorber, bei dem der Metallschaum auf der nach Einbau der Sonne zugewandten Seite das Rohr nicht vollständig umschließt und beispielsweise eine offenporige Oberfläche aufweist. 4 shows an absorber in which the metal foam on the side facing the sun after installation does not completely surround the tube and, for example, has an open-pored surface.

Der Absorber besteht aus mindestens einem Rohr (1), welches von dem die Wärme aufnehmenden Medium (2) durchströmt wird. Das Rohr (1) ist vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer oder einer Aluminium- oder Kupferlegierung. Das Rohr (1) ist ganz oder teilweise von einem Metallschaum umgeben (3a, 3b, 3c). Dieser Metallschaum (3a, 3b, 3c) besteht vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Die nach Einbau dem einfallenden Sonnenlicht zugewandte Seite kann ganz oder teilweise offenporig (3a) sein, über eine geschlossene Fläche verfügen wie beispielsweise eine Gusshaut (3b), oder mit einem Deckblech (4) verbunden sein (3c). Das Deckblech (4) ist vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer oder einer Aluminium- oder Kupferlegierung.The absorber consists of at least one pipe ( 1 ), which depends on the heat-absorbing medium ( 2 ) is flowed through. The pipe ( 1 ) is preferably made of aluminum, copper or an aluminum or copper alloy. The pipe ( 1 ) is completely or partially surrounded by a metal foam ( 3a . 3b . 3c ). This metal foam ( 3a . 3b . 3c ) is preferably made of aluminum or an aluminum alloy. The side facing installation after the incident sunlight can be wholly or partially open-pored ( 3a ), have a closed surface such as a cast skin ( 3b ), or with a cover plate ( 4 ) ( 3c ). The cover plate ( 4 ) is preferably made of aluminum, copper or an aluminum or copper alloy.

Die nach Einbau das Sonnenlicht absorbierende Fläche des Absorbers ist vorzugsweise schwarz eingefärbt, um den Absorptionsgrad zu maximieren und den Emissionsgrad zu minimieren.The After installation, the sunlight absorbing surface of the absorber is preferably colored black to the degree of absorption to maximize and minimize emissivity.

Einer der Vorteile dieser Konstruktion besteht darin, dass die Wärme dem Rohr (1) nicht punktuell, sondern über einen großen Bereich gleichmäßig zugeführt wird. Des Weiteren kann die Wärme einen direkteren Weg von der das Sonnenlicht absorbierenden Absorberoberfläche zum Rohr (1) nehmen, was den Wärmewiderstand verringert. Aus diesem Grund wird die Wärme der Absorberoberfläche schneller abgeführt. Die Oberflächentemperatur des Absorbers ist bei gleicher Sonneneinstrahlung deshalb geringer als bei einem Absorber herkömmlicher Bauart. Da die Abstrahlverluste umso niedriger sind, desto niedriger die Oberflächentemperatur ist, weist ein erfindungsgemäßer solarthermischer Absorber eine erhöhte Effizienz auf. Simulationsrechnungen zeigen, dass die Größenordnung der Effizienzerhöhung 20% und mehr betragen kann.One of the advantages of this construction is that the heat is transferred to the pipe ( 1 ) is not punctiform, but is uniformly supplied over a large area. Further, the heat may be a more direct path from the absorber surface absorbing the sunlight to the tube (FIG. 1 ), which reduces the thermal resistance. For this reason, the heat of the absorber surface is dissipated faster. The surface temperature of the absorber is therefore lower with the same solar radiation than with an absorber of conventional design. Since the radiation losses are lower, the lower the surface temperature, a solar thermal absorber according to the invention has an increased efficiency. Simulation calculations show that the magnitude of the efficiency increase can be 20% or more.

Offene Poren an der Absorberoberfläche (3a) sind von Vorteil, da auf eine Oberfläche auftreffende Strahlung immer nur teilweise absorbiert wird. Ein Teil der Strahlung wird reflektiert. Durch die Porosität wird ein Teil der reflektierten Strahlung erneut absorbiert, was eine Effizienzsteigerung bewirkt.Open pores on the absorber surface ( 3a ) are advantageous because incident on a surface radiation is always only partially absorbed. Part of the radiation is reflected. Due to the porosity, part of the reflected radiation is absorbed again, which causes an increase in efficiency.

Die für Rohr (1) und Deckblech (4) vorzugsweise verwendeten Materialien haben den Vorteil, sich mit dem vorzugsweise auf Aluminium oder einer Aluminiumlegierung basierenden Metallschaum leicht stoffschlüssig verbinden zu lassen, was einen möglichst guten Wärmeübergang gewährleistet.The for pipe ( 1 ) and cover plate ( 4 ) preferably used materials have the advantage to be easily materially connected to the preferably based on aluminum or an aluminum alloy metal foam, which ensures the best possible heat transfer.

Im Betrieb kommt es zu sich ständig ändernden Temperaturverteilungen innerhalb des Absorbers, beispielsweise zwischen Tag und Nacht. Aufgrund der Wärmeausdehnung entstehen mechanische Spannungen, welche jedoch von dem Metallschaum (3a, 3b, 3c) ausgeglichen werden können, ohne dass Materialermüdung eintritt oder die thermisch leitende Verbindung mit dem Rohr (1) beziehungsweise dem Deckblech (4) darunter leidet. Der erfindungsgemäße solarthermische Absorber verfügt deshalb über eine besondere Langlebigkeit.During operation, there are constantly changing temperature distributions within the absorber, for example between day and night. Due to the thermal expansion, mechanical stresses arise, which, however, from the metal foam ( 3a . 3b . 3c ) can be compensated without material fatigue occurs or the thermally conductive connection with the pipe ( 1 ) or the cover plate ( 4 ) suffer from. The solar thermal absorber according to the invention therefore has a particular longevity.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- EP 1271070 A2 [0002]
US 2006/0042625 A1 [0003]
US 3848666 A [0004]
- EP 1688683 A1 [0005]

Claims

Solarthermal absorber, characterized in that a metal foam at least one heat-receiving medium leading tube completely or partially encloses and thermally conductive, in particular materially connected, is connected, wherein the metal foam on the side facing the incident sunlight after installation is porous or a closed Having skin.

Solar thermal absorber according to claim 1, characterized characterized in that the metal foam on the after installation the incident Sunlight facing side for better absorption or lower Emission is coated or colored, in particular in black color.

Solar thermal absorber according to claim 1, characterized characterized in that the metal foam on the after installation the incident Sunlight facing side with a cover sheet thermally conductive is connected, so that the incident sunlight at least partially absorbed by the cover plate instead of the metal foam.

Solar thermal absorber according to claim 3, characterized characterized in that the tube is directly adjacent to the cover plate and connected to this thermally conductive.

Solar thermal absorber according to one of the claims 3-4, characterized in that the cover sheet in order coated or dyed for better absorption or emission is, especially with black color.