DE2536800A1

DE2536800A1 - Sonnenenergiesammler

Info

Publication number: DE2536800A1
Application number: DE19752536800
Authority: DE
Inventors: Leon Thomas Wilson
Original assignee: Wilson Solar Kinetics
Current assignee: Wilson Solar Kinetics
Priority date: 1974-09-16
Filing date: 1975-08-19
Publication date: 1976-04-01
Also published as: US3954097A; FR2284837A1; AU8422575A; JPS5156037A; CA1018850A

Description

Wilson Solar Kinetics Corporation
P.O. Box 876
Hartford, CT 06103
USA

SONNENENERGIESAMMLER

Die Erfindung betrifft einen Sonnenenergiesammler zum Heizen von Bauwerken und anderen Anlagen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen länglichen Sonnenenergiesanunler, durch welchen ein Fluid umläuft und längs zwei koaxial angeordneten Strömungswegen erwärmt wird.

Die US Patentschrift 2 557 478 betrifft eine Heizvorrichtung, webhe mit Sonnenenergie betrieben wird. Dabei sind Sonnenenergiesammler vorgesehen, welche die Sonnenenergie auf ein flüssiges Wärmefauschermedium, wie z.B. Wasser, übertragen, welches in einem grossen Speichertank oder Behälter in der zu wärmenden Anlage vorgesehen ist. E=LIs die Anlage zu erwärmen ist, ' so fördert eine Pumpe ein zweites Wärmetauschermedium durch einen j Wärmetauscher in dem Behälter oder die Pumpe fördert das er-

j wärmte Medium durch weitere Wärmetauscher in einem Raum oder den j Räumen der zu wärmenden Anlage. Falls eine umsteuerbare Pumpe verwendet wird, so ist es möglich von den verschiedenen Räumen der Anlage Wärme über den Behälter und den Wärmesammler abzu- j ; führen. So kann z.B. im Winter Sonnenenergie während den Tages- ί

;

! stunden gesammelt werden zum Erwärmen der Anlage während einem '·

• ganzen Tag. Im Sommer kann von der Anlage während den Tagesstunden Wärme zur Kühlung abgeleitet werden und diese Wärme ^! kann während der Nacht über den Sonnenenergiesammler abgestrahlt '■ werden.

j Es ist offensichtlich, dass der Wirkungsgrad des Sonnenenergie_t Sammlers von ausschlaggebender Bedeutung in einer Wärmeanlage _f ist, wie sie z.B. in der oben erwähnten Patentschrift beschrieben : ist. Unabhängig von dem angewandten Wärmetauschermedium, ist es I erwünscht, dass das Medium der angesammelten Sonnenenergie . während dem grösstmöglichen Teil seines Strömungsweges durch ! den Sammler ausgesetzt ist. Bei vielen bekannten Sonnenenergie-

ι sammler strömt ein Fluid längs zwei koaxialen Stromungswegen; ; dabei erfolgt eine unmittelbare Heizung des Fluides durch Wärmei leitung durch eine Rohrwand längs dem äusseren Stromungsweg in j Folge der besonderen Ausbildung des Sammlers und der koaxialen j Anordnung der Strömungswege. In der US Patentschrift 2 205 378 ■ ist ein solcher Sonnenenergiesammler beschrieben.

ι Längliche Sonnenenergiesammler mit in Serie und koaxial ange-' ordneten Stromungswegen sind sehr wünschenswert im Hinblick auf i ihre kompakte Bauweise. Sie können entweder vertikal am Dach oder an einer Seitenwand der Anlage befestigt werden und bei einer solchen Befestigung sind sie selbst=reinigend, d.h. Staub und andere Teilchen, welche die Wärmeübergangskoeffizienten verringern können fallen von den Reflexions- und Wärmeflächen herab oder werden durch die Witterung abgewaschen. Ein besserer Wirkungsgrad dieser Sonnenenergiesammler könnte durch eine Bauweise erreicht werden wobei das durch den Sammler strömende Wärmetauschmedium unmittelbar durch die Sonnenenergie längs den beiden koaxialen Strömungswegen erwärmt wird.

Es ist dementsprechend eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Sonnenenergiesammler zu schaffen wobei das durch koaxial angeordnete und in Serie miteinander verbundene Strömungswege zirkulierende Wärmetaus chmedium durch die Sonnenenergie im wesentlichen in gleicher Weise längs den beiden Strömungswegen erwärmt wird.

Die Erfindung liegt in einem Sonnenenergiesammler zum Erwärmen

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¹ von Wasser oder anderen Wärmetauseherfluiden. Der Sonnenenergie-' sammler hat einen länglichen Wärmetauscher mit zwei Strömungswegen, welche sich beide im wesentlichen längs der gesamten Länge des Wärmetauschers erstrecken und an einem Ende in Serie j geschaltet sind, so dass das Medium in den Wärmet aus eher hinein ! und aus diesem zurück fliesst. Die Strömungswege sind koaxial.

Ein Strömungsweg besteht aus einem einfachen, längsverlaufenden = Kanal in einem inneren Rohr und der andere Strömungsweg besteht i aus wenigstens einem schraubenförmigen Kanal, welcher um den längsverlaufenden Kanal angeordnet ist und aus einem äusseren Rohr mit schraubenförmig gewellter Rohrwand besteht. Der ; schraubenförmige Kanal gestattet die Aufnahme von Sonnenenergie '. durch das Fluid in dem längsverlaufenden Kanal zwischen den

Wellenbergen oder Wellungen des äusseren Rohres durch unmittel- ; baren Wärmedurchgang durch die Rohrwände.

ί Ein ringförmiges Wärmeschild aus einem optisch durchsichtigen

! Material, wie z.B. Plastik ist um den Wärmetauscher entlang einem wesentlichen Teil seiner Länge angeordnet zum Zurückhalten der

j Wärme in der Nähe des Wärmetauschers. Ein länglicher Reflektor mit einer im wesentlichen parabolischen Reflexionsfläche fokussiert die einfallende Sonnenenergie auf eine Brennlinie des Reflektors. Der Reflektor ist durch geeignete Mittel

• befestigt damit die Brennlinie und die Achse des länglichen ■ Wärmetauschers im wesentlichen zusammenfallen.

\ Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen

! dargestellt und wird im folgenden ausführlicher beschrieben,

! es zeigen:

I Figur 1 eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, des Sonnen-

i energiesammlers.

; Figur 2 eine Draufsicht des Sonnenenergiesammlers nach Figur 1.

j In Figur 1 ist der längliche Sonnenenergiesammler entsprechend

j der Erfindung in.Vertikalrichtung an einem Dach R befestigt und

, der Sonnenstrahlung ausgesetzt. Der Sonnenenergiesammler 10

: ist an die Heizanlage des Bauwerkes angeschlossen. Eine solche

j Heizanlage ist in der schon erwähnten US Patentschrift 2 575

! beschrieben. In der Zeichnung ist der Sonnenenergiesammler in Vertikalrichtung am Dach befestigt, er kann jedoch auch vertikal

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' an einer Seite des Bauwerkes befestigt werden falls man dadurch : ■ eine grössere Sonnenenergiestrahlung aufnehmen und den Sammler · besser gegen Windkräfte und Schmutz schützen kann/ wodurch
die Wärmeübergangseigenschaften des Sammlers herabgesetzt
ί wurden. _:

Der Sonnenenergiesammler besteht im wesentlichen aus ehern
\ länglichen Wärmespeicher 12, einem optisch durchsichtigen

Wärmeschild 14, das koaxial um den Wärmetauscher 12 angeordnet

ist sowie aus einem länglichen Reflektor 16 mit einer parabolischen Reflexionsfläche 18, welche die einfallende Sonnen- j energie auf eine Brennlinie fokussiert, die mit der Achse des
Wärmetauschers und des Schirmes zusammenfällt. Die Reflexionsfläche 14 reflektiert die Sonnenenergie durch den durchsichtigen
j Wärmeschirm 14 auf den Wärmetauscher 12. Ein Wärmetaus eher fluid,
, wie z.B. Wasser, strömt von der Heizanlage des Bauwerkes durch den Wärmetauscher zur Aufnahme der angesammelten Sonnenenergie.

Der Wärmetauscher 12 besteht aus einem dünnwandigen inneren
Rohr 20 und einem dünnwandigen äusseren Rohr 22, welches koaxial
in Bezug zu dem inneren Rohr· angeordnet ist. Beide Rohre 20 und
22 bestehen aus Kupfer oder Aluminium, d.h. aus einem Werkstoff
mit guten Wärmeleiteigenschaften. Das äussere Rohr hat eine ; Serie von schraubenförmigen Wellen längs einem wesentlichen
Bereich der Rohrwand über dem Dach R. Die Wellen bilden eine
Reihe von schraubenförmig verlaufenden Wellenbergen und Wellentäler an der inneren und der äusseren Fläche des Rohres 22.
Die Wellentäler an der inneren Oberfläche berühren schraubenförmige Dichtungsstellen an der äusseren Oberfläche des inneren
Rohres 20 und bilden wenigstens ein schraubenförmig verlaufender
Kanal um das Rohr 20 für das Wärmetauschermedium. Man erhält _; mehrere schraubenförmige Kanäle falls die Wellungen aus '

mehreren Schraubenlinien bestehen. i

Die Wellentäler der Wellen an der inneren Oberfläche des
Rohres 22 können mechanisch in Berührung mit der äusseren
Oberfläche des inneren Rohres 22 gepresst werden, um die ■ schraubenförmigen Dichtstellen zwischen benachbarten Wellen j herzustellen, oder man kann andere geeignete Dichtungsmittel

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vorsehen. Die mechanische Berührungsdichtung zwischen den beiden Rohren kann wahrend der Herstellung der Wellung erreicht werden durch Verdrillen und durch Aufpressen des äusseren Rohres 22 in Axial= richtung über das innere Rohr, wie in der US Patentschrift 3 730 229 ausführlicher beschrieben ist.- Die kleinen Wellunge^ die dabei am inneren Rohr 20 entstehen bewirken geringe Wirbelbewegungen des Wärmetauschermediums und dadurch erreicht man einen besseren Wärmeübergang auf das in Axialrichtung durch den länglichen Kanal des inneren Rohres strömende Wärmetauschermedium.

■ Am unteren Ende des Sonnenenergiesammlers 10 unterhalb dem Dach R ist der Wärmetauscher 12 mittels einer Konsole 30 und drei Streben 32 befestigt, die an der Dachunterseite festgeschraubt sind. Geeignete Abweisbleche 33 können zwischen dem Wärmetauscher und dem Dachbelag zwecks Abdichtung des Daches vorgesehen sein. Das untere Ende des Wärmetauschers ist mit geeigneten Anschlüssen 34 und 36 versehen zur Befestigung an anderen Teilen der zugeordneten Heizanlage. Das Anschlussstück 34 ist am inneren Rohr 20 befestigt und dient als Einlass für das Wärmetauschermedium. Das Anschlusstuck 36 ist am äusseren Rohr 22 befestigt und dient als Auslass für das Wärmetauschermedium.

Am oberen Ende des Wärmetauschers 12 ragt das aussere Rohr 22 über das oben offene innere Rohr 22 hinaus und ist mittels einer Kappe 38 verschlossen. Die Kappe 38 dient als Endwand zur Verbindung des länglichen Kanales des inneren Rohres 20 mit den schraubenförmigen Kanälen zwischen den Wellungen des äusseren Rohres 22 und der Aussenflache des inneren Rohres 20. Es ist somit zu erkennen, dass zwei koaxial zueinander angeordnete Strömungswege vorgesehen sind, welche durch den länglichen Kanal und den schraubenförmigen Kanal gebildet sind. Ein Wärmetauschermedium strömt in das innere Rohr 20 unterhalb dem Dach R durch das Anschlusstuck 34 ein, steigt nach oben durch den länglichen Kanal des Rohres 20 und nimmt dabei Wärmeenergie auf durch unmittelbare Wärmeleitung durch die Rohrwände an den schraubenförmigen Dichtungsstellen der Rohre 20 und 22. Das Fluid fliesst dann zu dem Anschlusstuck 36 zurück durch die schraubenförmigen

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Kanäle und nimmt dabei Wärmeenergie auf durch Wärmeleitung durch die Wellen der Wand des "äusseren Rohres. Ein ringförmiges Abstandsstück ist zwischen den unteren Enden des inneren und des "ausseren Rohres 20 und 22 festgelötet damit das Fluid durch das Anschlusstück 36 abströmen kann. Das Wärmeschild 14 ist vorgesehen damit die eingestrahlte Sonnenenergie aus dem Ringraum zwischen dem ausseren Rohr 22 des Wärmetauschers 12 und der inneren Fläche des Schirmes nicht durch Wärmekonvexion verloren gehen kann. Das Wärmeschild ist zylindrisch und ist lose über die Wellungen des "ausseren Rohres 22 aufgesetzt. Das obere Ende des Wärmeschildes ist durch eine Endwand 48 verschlossen und somit kann das Wärmeschild einfach auf der Kappe 38 des Wärmetauschers ruhen. Das untere Ende des Wärmeschildes ist am ausseren Rohr 22 mittels einer rohrförmigen Muffe 40 sowie mit zwei lösbaren Klemmen 42 und 44 befestigt. Das obere Ende der Muffe umgibt das untere Ende des zylindrischen Schirmes und ist an diesem durch die Klemme 42 befestigt, während das untere Ende der Muffe einen glatten, zylindrischen Bereich des Rohres 22 unterhalb den Wellungen und über dem Dach R umgibt und an dieser Stelle mittels einer Klemme 44 befestigt ist. Die Muffe 40 dichtet somit den ringförmigen Raum zwischen dem Wärmeschild 14 und dem Wärmetauscher 12 ab.

Ein optisch durchsichtiger Werkstoff wie z.B. klarer Acrylkunststoff wird zur Herstellung des Wärmeschildes verwendet. Die Sonnenstrahlung gelangt dann durch den Schirm zu dem Wärmetauscher und kann von dort nicht wieder einfach abgestrahlt werden. Wind, Wasser und andere Witterungsbedingungen können die Wärme von der Oberfläche des Wärmetauschers 12 nicht ableiten, so dass asin Wirkungsgrad verbessert ist.

Der längliche Reflektor 16 ist am Wärmeschild 14 mittels zwei Befestigungskonsolen 50 und 52 befestigt, welche ringförmige Teile aufweisen, die das Wärmeschild umgeben sowie mit mehreren im wesentlichen radial verlaufenden Armen 54 und 56 versehen sind. Die Konsole 50 und die radial verlaufenden Arme 54, siehe Figur 2, sind zwischen dem Wärmeschild und dem Reflektor am oberen Ende des länglichen Wärmetauschers 12 vorgesehen während die Konsole 52 mit den Armen 56 in ähnlicher Weise zwischen dem

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Wärmeschild und dem Reflektor am unteren Ende des Wärmetauschers vorgesehen ist. Jede Konsole ist in Form einer Klemme ausgebildet und mit einer Klemmschraube 58 und Mutter 60 versehen, siehe Figur 2, zur lösbaren Befestigung der Konsolen am Wärmeschild damit man den Reflektor 16 in jeder beliebigen Winkelstellung in Bezug auf den Wärmetauscher 12 feststellen kann.

Die Reflexionsfläche des Reflektors 16 ist länglich ausgebildet und hat eine im wesentlichen parabolische Fläche, wie in Figur dargestellt ist. Die radial verlaufenden Arme 54 und 56 sind derart bemessen, dass die Brennlinie der Reflexionsfläche mit der mittleren Achse des Wärmetauschers 12 zusammenfällt. Dementsprechend kann der Reflektor um den Wärmetauscher bewegt werden damit man eine Stellung auswählen kann, in welcher eine maximale Menge von Sonnenenergie während jeder bestimmten Tageszeit auf die gewellte Fläche des Wärmetauschers gespiegelt wird. Um die Wärmeabsorptionseigenschaften des Wärmetauschers weiter zu verbessern ist die äussere Oberfläche des Rohres 22 schwarz gestrichen. Dadurch wird die Wärmeabstrahlung verringert und der Wärmetauscher kommt näher an die Eigenschaften eines schwarzen Körpers in dem infraroten Spektrum heran.

Der Sonnenenergiesammler 10 wurde oben in seiner Ausführungsform beschrieben zur Absorption von Sonnenstrahlen, er kann jedoch auch teilweise auseinander gebaut werden zur Verwendung als Wärmeradiator zur Kühlung eines Fluides, welches durch den Wärmetauscher 12 strömt. Durch Lösen der Klemme 44, kann der Reflektor 16, das Wärmeschild 14 und die Muffe 40 nach oben über die Wellungen des Wärmetauschers 12 geschoben und entfernt werden. Falls das Wärmetauschermedium dann durch die Rohre 20 und 22 strömt und die Umgebungstemperatur des Wärmetauschers geringer ist als die Temperatur des Wärmetauschermediums, so kann Wärme von diesem Medium abgeleitet werden. Dementsprechend kann man den Wärmetauseher verwenden zum Kühlen des Wärmetauschermediums während der Nacht falls die Aussentemperatur abfällt; bis etwa unterhalb 18°C, und wenn ausreichende Mengen des gekühlten Mediums gespeichert sind kann das Bauwerk während des folgenden Tages gekühlt werden wenn die Aussentemperatur wieder hoch ist.

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Der beschriebene, längliche Sonnenwärmespeicher ist selbstreinigend falls er in Vertikalstellung befestigt ist. Ein Wärmetauschermedium strömt durch den Sammler längs zwei koaxialen Strömungswegen und die Sonnenenergie wird auf das Medium übertragen durch unmittelbare Wärmeleitung durch die Wärmetauscherwände längs beiden Strömungswegen. Der Reflektor 16 kann um den Wärmetauscher 12 eingestellt werden, um Sonnenenergie aus irgendeiner Richtung auf den Wärmetauscher zu spiegeln und der Reflektor 12 und das Wärmeschild 14 können einfach entfernt werden damit man den Wärmetauscher als Radiator benutzen kann.

Die Erfindung wurde anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles beschrieben, es sei jedoch erwähnt, dass verschiedene Abänderungen im Sinne des allgemeinen Erfindungsgedankens vorgenommen werden können. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine rohrförmige Muffe 40 verwendet zum Abdichten des unteren Endes des Wärmeschildes 14 gegenüber einem glatten Bereich des äusseren Rohres 22. Es ist selbstverständlich, dass andere lösbare Abdichtungsmittel verwendet werden können. Die mechanische Abdichtung zwischen dem inneren Rohr 20 und dem äusseren Rohr 22 des Wärmetauschers, welche-man erreicht durch Aufeinanderpressen der beiden dünnwandigen Rohre ist vorzuziehen, da auf diese Weise kleine Wellungen in dem inneren Rohr 20 entstehen, welche eine turbulente Strömung begünstigen und somit den Wärmeübergang verbessern. Man kann jedoch auch andere Verfehren verwenden zur Befestigung der beiden Rohre 20 und 22 aneinander. Obschon in Sonnenenergieheizanlagen meistens ein flüssiges Wärmeübergangsmedium verwendet wird ist es auch möglich ein gasförmiges Medium in dem beschriebenen Sammler zu verwenden.

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Claims

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Patentansprüche

.· Sonnenenergiesammler zum Heizen von Wasser oder eines anderen Wärmetauschermediums, mit einem länglichen Wärmetauscher der zwei Strömungswege aufweist, welche sich im wesentlichen längs der gesamten Länge des Wärmetauschers erstrecken und an einem Ende desselben mit=einander verbunden sind, damit am anderen Ende des Wärmetauschers in den ersten Strömungskanal eingeleitetes Fluid zunächst längs des Wärmetauschers in einer Richtung durch den einen Strömungskanal fliesst und dann längs , des Wärmetauschers zu dem genannten anderen Ende in entgegengesetzter Richtung durch den anderen der Strömungskanäle zurückstömt, und mit einem länglichen Reflektor, der eine längliche und im wesentlichen parabolische Reflexionsfläche aufweist, welche in der Nähe des Wärmetauschers angeordnet ist zum Fokussieren von einfallender Sonnenenergie auf eine Brennlinie, welche sich längs der Länge des Wärmetauschers erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Strömungswege (20) ein länglicher Strömungskanal ist während der andere der Strömungswege (22) wenigstens ein schraubenförmiger Kanal ist, v/elcher um den länglichen Kanal angeordnet ist.
2. Sonnenenergiesammler nach Anspruch 1, wobei der längliche Wärmetauscher ein äusseres Rohr sowie ein inneres Rohr aufweist, das koaxial in dem äusseren Rohr angeordnet ist, und wobei das Innere des inneren Rohres den länglichen Kanal bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das äussere Rohr (22) schraubenförmig gewellt ist und an seiner Innenfläche mit einer Reihe von • schraubenförmig verlaufenden Wellenbergen und Wellentäler

versehen ist, wobei die schraubenförmig verlaufenden Wellentäler an der inneren Fläche des äusseren Rohres die äussere Fläche des : inneren Rohres (20) berühren, um mindestens einen schrauben- [ förmig verlaufenden Kanal des genannten anderen Strömungsweges j zu bilden.
3. Sonnenenergiesammler nach Anspruch 2, wobei ein optisch durchsichtiges^ zylindrisches Wärmeschild um den Wärmetauscher angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur

; Befestigung des Reflektors mindestens zwei Befestigungskonsolen (50, 52) vorgesehen sind wobei jede dieser Konsolen einen das zylindrische Schild umgebenden Ring sowie mehrere im

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¹ wesentlichen radial verlaufende Arme (54, 56) aufweist, die am Reflektor befestigt sind, und dass ein lösbares Befestigungs-

: mittel (58, 60) vorgesehen ist zur Befestigung des Ringes an

■ dem zylindrischen Schild, und wobei die Ringe von dem Schild lösbar sind, um den Reflektor in jede gewünschte Stellung in Bezug auf das Schild zu verschwenken und in dieser Stellung

■ erneut festzuklemmen.

!
4. Sonnenenergiesammler nach Anspruch 3, dadurch

i gekennzeichnet, dass das äussere Rohr (22) an dem genannten einen Ende des Wärmetauschers bis über das Ende des inneren j Rohres (20) hinausragt und mit einer Verschlusskappe (38) ι an dem einen Ende des Wärmetauschers versehen ist zwecks ; Verbindung der beiden Strömungswege miteinander, und dass das j zylindrische Schild an seinem dem einen Ende des Wärmetauschers

benachbarten Ende eine Endwand (48) auf v/eist, welche dieses I Ende des Schildes verschliesst, wobei diese Endwand des Schildes j auf der Kappe des Wärmetauschers aufliegt falls der Sammler

im wesentlichen mit in Vertikalrichtung angeordnetem Wärmetauscher ! befestigt ist und das genannte Ende das obere Ende des I Wärmetauschers bildet.
5. Sonnenenergiesammler nach Anspruch 4, dadurch gekenn- ! zeichnet, dass der Wärmetauscher an dem genannten anderen Ende über das benachbarte Ende des Wärmeschildes hinausragt, und dass eine ringförmige Muffe (40) aus biegsamem Material ! an dem genannten anderen Ende des Wärmetauschers vorgesehen ist, wobei die ringförmige Muffe an ihrem einen Ende das Wärmeschild umgibt und an demselben befestigt ist und an ihrem anderen Ende den Wärmetauscher umgibt und an demselben befestigt ist zwecks Abdichtung des Ringraumes zwischen dem Wärmeschild und dem Wärmetauscher.

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