DE2528267A1 - Vorrichtung zur uebertragung von sonnenenergie an ein fluessiges medium - Google Patents

Description

FCECHST AKTIENGESELLSCHAFT
BUDERUS'SCHE EISENWERKE

Aktenzeichens HOE 75/F 750 u.H. Dr.MD/Κ

Datum: 20. Juni 1975

Vorrrichtung zur Übertragung von Sonnenenergie an ein flüssiges Medium

Es sind verschiedene Systeme zur direkten Nutzung der Sonnenenergie bekannt. Keines dieser Systeme hat bisher zu einer wesentlichen Ablösung sonstiger Energieträger durch Sonnenenergie geführt. Auch in Zukunft dürfte sich an dieser Situation kaum viel ändern. Dennoch erscheint es sinnvoll und zur Behebung zukünftiger Energieengpässe auch notwendig, die Sonnenenergie als Zusatzwärme für bestimmte Zwecke zu nutzen.

Eine der vorgeschlagenen Arten, Sonnenenergie zu nutzen, besteht darin, ein flüssiges Medium in einem metallischen Wärmetauscher durch Sonnenbestrahlung zu erwärmen und das erwärmte Medium wie z.B. Öl, !fässer oder Ifasser-Glykol-Gemische, an einen Wärmeabnehmer oder einen Wärmespeicher weiterzuleiten. Solche metallischen Wärmetauscher bestehen meistens aus einer Metallplatte, z.B. aus Aluminium, und einer aufgebrachten wendeiförmigen Rohrleitung, vorzugsweise atxs Kupfer. Durch die gute Wärmeleitung des Metalls, wird ein Großteil der von der Platte aufgenommene Wärmeenergie an die zirkulierende Flüssigkeit in der Rohrleitung abgegeben. Zur Verbesserung der Wärmeaufnahme ist es üblich, die Oberfläche des Wärmetauschers schwarz einzufärben. Um Wärmeverluste möglichst gering zu halten, werden die Wärmetauscher isoliert, z.B. durch Hartschaum, Glas- oder Steinwolle, in Kästen entsprechender Größe gelagert und mit einer lichtdurchlässigen Platte aus Glas oder Kunststoff, oder einer Folie abgedeckt.

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Das durch die Sonnenenergie erwärmte flüssige Medium kann Temperaturen über 6O C erreichen. Es läßt sich z.B. für die Raumbeheizung, Warmwasserbereitung, Schwimmbadbeheizung, oder die Bodenerwärmung in Dachgarten, Gärtnereien und Treibhäusern benutzen. Der Einsatz von zwischengeschalteten Wärme spei ehern ermöglicht einen gewissen Ausgleich zwischen der Zeit des größten Wärmeanfalls und der des Wärmebedarfs.

Es wurde bereits vorgeschlagen, Dächer mit solchen Wärmetauschern abzudecken. Die Metallkonstruktionen sind allerdings recht teuer, da die Herstellung der Wärmetauscher lohnintensiv ist und um die Wärme Verluste gering zu halten eine gute Isolierung zum Dach erforderlich ist. Ein besonderes Problem besteht im hohen Gewicht der metallischen Wärmetauscher. Bei einer Bedeckung wesentlicher Flächen eines Daches mit Wärmetauschern wird es erforderlich sein, die Dachkonstruktion entsprechend zu verstärken.

Es wäre deshalb wünschenswert, entsprechende Wärmetauscher aus einem leichteren Material, z.B. Kunststoff, herzustellen. Einem Nachbau der metallischen Wärmetauscher in Kunststoff steht aber die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffs entgegen. Eine erwärmte Kunststoffplatte würde nur einen geringen Anteil der aufgenommenen Wärme an eine darunterliegende Rohrleitung abgeben. Nicht direkt mit der Rohrschlange in Verbindung stehende Teile der Platte würden überhitzt werden, so daß es zu Spannungen in der Platte und rasch zu Alterungserscheinungen führen würde. Außerdem wäre die Herstellung entsprechend aufgebauter Wärmetauscher auch aus Kunststoff sehr lohnintensiv und deshalb teuer.

Es wurde nun gefunden, daß sich flache, plattenförmige Hohlkörper mit rohrförmigen Durchflußkanälen ausgezeichnet als Wärmetauscher eignen, wenn der Querschnitt der Kanäle nicht größer als 25 mm ist und der Abstand der Kanäle voneinander nicht mehr

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als 30 mm beträgt. Durch diese Konstruktion wird eine ausreichende Wärmeabgabe an das durchströmende flüssige Medium ermöglicht und die relativ schmalen Stellen zwischen den Kanälen werden ni cht überhi t ζ t.

Erfindungsgegenstand ist deshalb eine Vorrichtung zur Übertragung von Sonnenenergie an ein flüssiges Medium, bestehend aus einem Wärmetauscher, der isoliert in einem flachen Montagekasten unter einer lichtdurchlässigen Abdeckung montiert ist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß als Wärmetauscher ein plattenförmiger, flacher Hohlkörper mit rohrförmigen Durchflußkanälen für das flüssige Wärmeübertragungsmedium verwendet wird, dessen Durchflußkanäle einen Durchmesser von 5 - 25 mm, vorzugsweise 10-15 mm und einen Abstand voneinander von 2 - 30 mm, vorzugsweise 3-6 mm haben. Die Kanäle können wendelförmig verlaufen, oder zwei an gegenüber liegenden Seiten laufende Sammelkanäle werden durch senkrecht dazu verlaufende Verbindungskanäle verbunden. Um Geviclit zu sparen wird vorzugsweise auch der Montagekasten, die Isolierschicht und die durchsichtige Abdeckung aus Kunststoff gefertigt. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher mit Moiitagekasten und Abdeckung ist wesentlich leichter als bisherige Wärmetauscher und absolut korrosionsfest.

Er ist auch gegen chlorhaltiges Schwimmbad-Wasser beständig. Dies ist ein weiterer Vorteil gegenüber metallischen Wärmetauschern. Der Wärmetauscher läßt sich leicht transportieren. Aus praktischen Gründen werden Abmessungen von 0,5 - 1 Bi mal 1,5 - 2m bevorzugt. Zur Gewinnung größerer Wärmemengen können mehrere Wärmetauscher zusammengeschlossen werden. Sie können sowohl auf entsprechenden Tragkonstruktionen im Gelände aufgestellt als auch auf Dächern montiert werden. Eine komplette Dachbedeckung ist ohne besonderen baulichen Aufwand möglich.

Durch die Isolierschicht, die vorzugsweise aus einem Kunststoffschauin bestfsht, ist eine gute Isolierung zur Unterlage, z.B. -zum

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Dacht hin, gewährleistet. Die Schaum schicht bewirkt weiterhin eine Versteif tang der Wände des Montagekastens, so daß dieser dünnwandig sein kann. Alle Teile der Vorrichtung können durch wirtschaftliche Thermoplast-Verarbeitungsverfahren, wie z.B. Blasen, Spritzgießen, Extrudieren, Tiefziehen und Verschäumen hergestellt werden.

Der Montagekasten kann aus üblichen Thermoplasten, z.B. VinylchloirLd-Polymerisaten, Polyolefinen, oder Styrolpolymerisaten hergestellt werden. Vorzugsweise werden schlagfestes Polyvinylchlorid, z.B. Mischungen von Polyvinylchlorid mit chloriertem Polyäthylen oder mit Äthylen-Vinylacetat-Mischpolymerisaten modifiziertes Polyvinylchlorid, kautschukmodifiziertes Polystyrol, Polyolefine oder glasfaserverstärkte Polyestergießharze verwendet. Der Kasten kann spritzgegossen, aus Platten tiefgezogen oder als Hohlkörper geblasen werden. Beim Blasen wird entweder ein doppelwandiger Kasten 'hergestellt, oder zwei Kästen werden zusammen gefertigt und anschließend auseinandergeschnitten. Als Isolierschicht wird vorzugsweise ein Hartschaum aus Polystyrol z.B. eine extrudierte Schaumplatte oder Polyurethan verwendet. Selbstverständlich kann aber auch Glas- oder Steinwolle benutzt werden. Bei einem doppelwandigen Kasten ist es möglich, den Kasten mit einem Reaktivschaum, z.B. Polyurethan, auszuschäumen. Es ist weiterhin möglich, den Kasten aus einem treibmittelhaltigen Thermoplasten z.B. Polystyrol oder Polypropylen, spritzzugießen, so daß man einen sogenannten Integral-Schaumkörper erhält, der eine feste äußere Haut und einen geschäumten Kern hat. Ein solcher im Innern geschäumter Kasten hat eine höhere Stabilität und erübrigt eine zusätzliche Isolierschicht.

Der eigentliche Wärmetauscher, der von dem flüssigen Medium durchflossen wird, muß Dauertemperaturen bis 80 C und einen Innendruck bis 2 bar aushalten können. Als Material hat sich gegen Wärme und UV-Strahlen stabilisiertes Polypropylen gut bewährt. Der plattenförmige Hohlkörper wird vorzugsweise aus einem schlaucliförraigen Vorformling oder zwei übereinanderlaufenden Folien geblasen. Er kann auch durch Verschweißen zweier schalen-

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förmiger tiefgezogener oder gespritzter Hälften hergestellt verden.

Die Wanddicke sollte 1 bis 3 rom betragen, um eine gute Energieübertragung zu ermöglichen. Vorzugsweise sollte die Vanddicke zwischen 1 und 2 mm liegen.

Es ist zweckmäßig, für die Herstellung des Wärmet aus ehe i\<3 schwarz pigmentierten Kunststoff einzusetzen. Es ist aber auch möglich, die Oberfläche schwarz zu lackieren, oder bei Herstellung aus einem lichtdurchlässigen Material die Innenseite der unteren Wand schwarz zu färben. Dies läßt sich z.B. durch Fluten des waagerecht liegenden Wärmetauschers mit einem schwarzen Lack leicht durchführen. Bei Herstellung des Wäremtauschers aus zwei vorgefertigten Hälften oder Bleisen aus zwei Folien ist es auch möglich, eine lichtdurchlässige Oberseite mit einer dunkel eingefärbten Oberseite zu verbinden. Wenn die Oberseite durchsichtig ist, wird die Sonnenwärme von der dunklen Innenwand aufgenommen und direkt dem flüssigen Medium zugeführt.

Für die lichtdurchlässige Abdeckplatte kann Glas, oder um Gewicht zu sparen Kunststoff, z.B. Polyraethylmethacrylat, Polycarbonat oder ein schlagzähes Polyvinylchlorid verwendet werden. Die Abdeckung sollte wasser- und luftdicht sein.

Beim Einsatz ist für eine ausreichende Zirkulation des flüssigen Mediums durch Einbau einer Umlaufpumpe zu sorgen, um örtliche Überhitzung zu vermeiden. Außerdem muß darauf geachtet werden, daß der Innendruck 2 bar nicht überschreitet.

Die beigefügten Zeichnungen stellen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.

Es zeigen:

Fig.1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

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Fig. 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig 1 und Fig. 3 ein Beispiel für den Zusammenschluß mehrerer erfindungsgemäßer Vorrichtungen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus dem Montagekasten (i), dem Wärmetauscher (2), der isolierenden Schaumstoff schicht (3) und der lichtdurchlässigen Abdeckplatte (4). Die Haftung zwischen dem Wärmetauscher und der Isolierschicht kann durch Ankerstifte (5) verbessert werden.

Anschluß stat zen (6) an der Stirnseiten des Wärmetauschers (2) ermöglichen den Anschluß an weitere Wärmetauscher oder Sammelrohre (7» 8)j bzw. an die Leitungen, die zu den Wärmeverbrauchern oder dem Wärmespeicher führen. Die Anschlußstvitzen können auch an dei* Rückseite des Wärmetauschers montiert sein.

Beispiel

Zur Beheizung eines Frühbeetes wurde eine erfindungsgemäße Vorrichtung neben dem Beet in einem Winkel von 45 geneigt nach Süden ausgerichtet, aufgestellt und über Schlauchverbindungen mit einem unter dee Beet in der Erde eingebetteten Fla.chheiz~ körper aus Polypropylen verbunden. Eine kleine Pumpe sorgte für ausreichende Zirkulation des Heizmediuins. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bestand aus einem Montagekasten, tiefgezogen aus einer Platte aus schlagfestem Polyvinylchlorid, einer 50 mm dicken loslierschicht aus Polystyrol schaum, dem in Fig. 1 und 2 abgebildeten Wärmetauscher aus Polypropylen und einer Abdecke platte aus Glas. Der Wärmetauscher war 1 χ 1 m groß, hatte eine Wanddicke von 2 mm und Kanaldurchmesser von 25 mm, Der Abstand zwischen den Durchflußkanälen betrug jeweils 2 mm. Der Wärmetauscher war durch Extrusionsblasen aus einem Schlauch hergestellt worden. Vor Zufahren des Blaswerkzeuges war der Schlauch zu einem flachen, breiten Vorformling gespreizt worden.

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Messungen ergaben, daß bei Sonnenschein von diesem 1 m großen Wärmetauscher 600 bis 65O Kcal/Std. aufgenommen und an den im Erdreich installierten Heizkörper abgegeben'wurden. Die Pflanzen in dem Frühbe'et wuchsen sichtbar rascher als in einem daneben liegenden ungeheizten Beet. Seit zwei Jahren läuft diese Frühbeetheizung ohne Störung und erlaubt eine um 2-4 Vochen frühere Ernte von z.B. Salat und Radieschen.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   .] Vorrichtung zur Übertragung von Sonnenenergie an ein flüssiges Medium, bestehend aus einem Wärmetauscher, der isoliert in einem flachen Montagekasten unter einer lichtdurchlässigen Abdeckung montiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß als ¥ärmetauscher ein plattenförmiger, flacher Hohlkörper mit rohrförmigen Durchflußkanälen für das flüssige Wärmeübertragung smed ium verwendet wird, dessen Durchflußkanäle einen Durchmesser von 5 - 25 mm und einen Abstand voneinander von 2 - 30 mm haben.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußkanäle eine Wanddicke zwischen 1 und 3 nun haben.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der plattenförmige. Wärmetauscher aus Polypropylen besteht.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der plattenförmige Wärmetauscher aus schwarz pigmentiertem Polypropylen besteht.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß der plattenförraige Wärmetauscher aus einem schlauchförmigen Vorformling geblasen ist.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der plattenförraige Wärmetauscher zwei an gegenüberliegenden Seiten laufende Samraelkanäle und dazu senkrecht verlaufende Verbindungskanäle hat.

   7· Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Montagekasten aus thermoplastischem Kunststoff besteht.

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   .8. Vorrichtung noc-, .Anspruch ι l.is "» da._:.reh gekennzeichne ν daß zvischen Wärmetauscher 'jjüI Mc j-λ ag'.Kasten eint Iaolic schicht aus Polystyrol- odex' Polyuretlarischaum liegt.

   9« Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeicluiet, daß der Montagekasten spritzgegossen ist.

   10. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Montagekasten aus Integralschaum besteht.

   11. Vorrichtung naclx Anspruch 1 "bis 10, dadurch gekennzeiclin , , daß die Atideckung aus Polymetliylmethaorylat besteht.

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