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Flachkollektor zur Erwärmung von gasförmigen oder
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flüssigen Medien Die Erfindung betrifft einen Flachkollektor zur
Erwärmung von gasförmigen oder flüssigen Medien mittels Sonnenenergie mit einer
rückseitig wärmeisolierten Absorberplatte in einem mit einer strahlungsdurchlässigen
Abdeckung versehenen Gehäuse sowie eine Einrichtung aus mehreren solchen Flachkollektoren,
die hintereinander geschaltet sind.
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Bei Flachkollektoren dieser Art zur Erwärmung von Flüssigkeiten ist
es bekannt, in die Absorberplatte Rohre einzubetten, welche von dem flüssigen Medium
durchströmt werden (Fig. 1). Zur Erwärmung von Gasen, insbesondere Luft, ist es
bekannt, zwischen der Rückseite der Absorberplatte und der rückseitigen Isolation
einen Raum auszusparen, der von dem gasförmigen medium durchströmt wird (Fig. 2).
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In Klimazonen, in denen auch Fröste auftreten können, ist es bekannt,
als strahlungsdurchlässige Abdeckung zwei Scheiben in paralleler Anordnung zueinander
zur Wärmeisolation nach vorn, entgegen der Einfallrichtung der
Sonnenstrahlung,
vorzusehen. Diese doppelte Abdeckung mit den beiden sich hierdurch ergebenden, abgeschlossenen
Lufträume bewirkt einen guten Wirkungsgrad auch bei grösseren Temperaturdifferenzen
zwischen der Außenluft und dem zu erwärmenden Medium (Figo 3). Ein wesentlicher
Nachteil sind jedoch die Kosten der doppelten Abdeckung, deren Pflege und Ersatz.
Deshalb werden Flachkollektoren auch nur mit einer Abdeckung versehen, und die sich
hierdurch ergebende Verschlechterung des Wirkungsgrad es wird in Kauf genommen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellungs-und Unterhaltungskosten
zu senken und den Wirkungsgrad möglichst zu verbessern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von der aber legung aus,
daß sich jeglicher Aufwand zur Herabsetzung von Verlusten durch Konvektion, Abstrahlung
und/oder Körperleitung bei kleiner Temperaturdifferenz zwischen dem zu erwärmenden
Medium und der Außenluft kostenanteilig weniger auszahlt als bei großer Temperaturdifferenz.
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Hiervon ausgehend wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß in dem Maße,
wie sich das das Gehäuse durchströmende Medium erwärmt, abschnittsweise zusätzliche
Maßnahmen zur Herabsetzung von Wärmeverlusten der Absorberplatte durch Abstrahlung
nach außen getroffen sind.
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Eine erste Maßnahme besteht erfindungsgemäß darin, daß bei einem Flachkollektor
der eingangs genannten Art in Strömungsrichtung des Mediums der von ihm zuerst durchströmte
Bereich des Gehäuses eine geringere Zahl von Abdeckungen aufweist als die von ihm
danach durchströmten Bereiche, Hierbei geht die Erfindung von der theoretischen
Uberlegung aus, daß bei kleiner Temperaturdifferenz
zwischen dem
zu erwärmenden Medium und der Außenluft der Wirkungsgrad bei einer Einfachabdeckung
besser sein kann als bei einer doppelten Abdeckung0 Dies ergibt sich daraus, daß
bei kleiner Temperaturdifferenz die Wärmeverluste durch Abstrahlung von der Absorberplatte
nach außen entsprechend niedrig sind, während die Einstrahlungsverluste durch Absorption
und Reflexion bei einer doppelten Abdeckung grundsätzlich größer sind als bei einer
Einfachabdeckung. Da nun aber für den praktischen Gebrauch im allgemeinen eine Erwärmung
um 40 bis 600 C über die Umgebungstemperatur nötig ist, ergibt sich daraus bei einer
nur mäßigen Erwärmung des Mediums über die Außenlufttemperatur bei einer Einfachabdeckung
nicht nur ein besserer Wirkungsgrad, sondern auch eine Kosteneinsparung, beides
im Vergleich zu einem Kollektor mit doppelter Abdeckung0 Bei einer Einrichtung aus
mehreren hintereinander geschalteten Flachkollektoren sind entsprechend in Strömungsrichtung
des Mediums die von ihm zuerst durchströmten Flachkollektoren mit einer Einfachabdeckung
und die von ihm danach durchströmten Flachkollektoren mit mindestens einer zusätzlichen
Abdeckung versehen.
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Eine weitere Maßnahme, die in Verbindung mit der erstgenannten oder
gesondert angewendet werden kann, besteht darin, daß die Absorberplatte in dem vom
Medium zuerst durchströmten Bereich in an sich bekannter Weise eine geschwärzte
Oberfläche hat und in dem danach durchströmten Bereich eine vergütete Oberfläche,
deren Absorptionszahl wesentlich höher liegt als ihre Emissionszahl. Solche Oberflächen,
die die relativ kurzwellige Strahlungsenergie der Sonne zu etwa 90 % absorbieren,
d.h. eine Absorptionazahl von 0,9 haben, andererseits aber ihre relativ langwellige
Eigenstrahlung nur mit etwa 10 ffi abstrahlen, d.h. eine Emissionszahl von 0,1 haben,
sind bekannt.
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Durch Anwendung solcher vergüteten Oberflächen läßt sich der Wirkungsgrad
eines Kollektors im Bereich der Strahlungsbilanz erheblich verbessern. Da einerseits
solche Oberflächenvergütungen sehr teuer sind, andererseits hohe Strahlungsverluste
nur bei hohen Eigentemperaturen der Absorberplatte auftreten, bringt ihr Einsatz
im zuletzt durchströmten Bereich eines Kollektors die größten Vorteile.
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Die Erfindung kann mit gleichem Vorteil auch bei Batterien aus Flachkollektoren
angewendet werden in der Weise, daß einfacher ausgestattete und daher billigere
Flachkollektoren mit solchen zusammengeschaltet werden, die aufwendiger ausgestattet
und daher teurer sind.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und
der Zeichnung erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 einen Flachkollektor für flüssige
Medien im Querschnitt; Fig. 2 einen Flachkollektor für gasförmige Medien im Querschnitt;
Fig. 3 ein Schaubild der Wirkungsgrade bei einfacher und doppelter Abdeckung eines
Flachkollektors im Verhältnis zur Temperaturdifferenz zwischen erwärmtem Medium
und Außenluft; Fig. 4 einen Flachkollektor zur Erwärmung von Flüssigkeit mit gestaffelter
Abdeckung in Draufsicht und im Schnitt; Fig. 5 einen Flachkollektor gemäß Fig. 4
zur Erwärmung von luft; Fig. 6 eine Batterie hintereinander geschalterer Flachkollektoren
mit unterschiedlicher Anzahl Abdekkungen.
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In Fig. 1 und 2 sind zunächst zur Einführung Flachkollektoren bekannter
Bauarten zur Erwärmung von flüssigen oder gasförmigen Medien schematisch dargestellt.
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In Fig. 1 liegt in einem flachen Gehäuse 1 die Absorberplatte 2, in
die eine Rohrschlange 3 eingebettet ist, unter zwei Abdeckscheiben 4 und 5. Der
Raum auf ihrer Rückseite ist mit einer Wärmeisolation 6 ausgefüllt, die gegen Wärmeverluste
zum Gehäuse 1 isoliert. Nach vorn ergeben sich durch die abgeschlossenen Lufträume
7 und 8 wärmeisolierende Luftpolster.
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In Fig. 2 ist in dem gleichen Gehäuse 1 mit einer Absorberplatte 2'und
den beiden Abdeckscheiben 4, 5 der Raum hinter der Absorberplatte nur etwa zur Hälfte
mit einer Isolierung 16 auf dem Gehäuseboden ausgefüllt, und der so gebildete Raum
17 wird von zu erwärmender Luft durchströmt, die durch Öffnungen 18 in einer Gehäuseseitenwand
ein- und abgeleitet wird.
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Fig. 3 zeigt nun in einem Schaubild den Wirkungsgrad als Quotient
aus Nutswärme: Eingestrahlte Energie, aufgetragen über der Temperaturdifferenz ii
T zwischen Absorberplatte und Außentemperatur für den Fall einer einfachen Abdeckung
(4) bzw. einer doppelten Abdeckung (4, 5).
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Die doppelte Abdeckung mit den beiden sich hierdurch ergebenden wärmeisolierenden
Luftpoletern 7, 8 ergibt bei einem L T von 50° C, also T 50 0, z.3. bei Erwärmung
von Wasser auf durchschnittlich 600 C bei einer Außentemperatur von 100 C, einen
Wirkungsgrad von etwa 40 ? Würde Jedoch 0 ein Medium wie Luft oder Wasser nur mäßig,
z.B. nur 10 C über die Umgebungstemperatur erwärmt, eo ergibt sich bei doppelter
Abdeckung ein Wirkungsgrad um 60 P, bei einfacher Abdeckung Jedoch um 70 *, also
ein besserer Wirkungsgrad bei geringeren Kosten.
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*während eine Einfachabdeckung bei gleichen Verhältnissen einen Wirkungsgrad
von nur etwa 34 , hätte.
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Fig. 4 zeigt einen Flachkollektor nach der Erfindung zur Erwärmung
eines flüssigen Mediums in seinem grundsätzlichen Aufbau ähnlich Fig. 1 mit einem
Gehäuse 1, einer von einer Rohrschlange 3 durchzogenen Absorberplatte 2, einer rückseitigen
Wärmeisolierung 6 und einer das Gehäuse 1 abdeckenden äußeren Scheibe 4. Erfindungsgemäß
ist auf der (in der Zeichnung oberen Gehäusehälfte, auf der die Absorberplatte 2
höhere Temperaturen annimmt, weil das durch die Rohre 3 strömende Medium bereits
erwärmt ist, unter der äußeren Abdeckscheibe 4 eine zweite Abdeckscheibe 5 angeordnet,
so daß sich in dieser Gehäusehälfte zwei die Wärme isolierende Luftpolster 7 und
8 bilden. Um diese abgeschlossenen Lufträume gegen den Raum unter der einfachen
Abdeckung 4 abzutrennen, ist in den Raum zwischen Absorberplatte 2 und Abdeckung
4 eine senkrechte Schottwand 9 eingezogen.
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Fig. 5 zeigt als Anwendungsbeispiel einen Flachkollektor größerer
Abmessungen zur Erwärmung von Iuft, die in der Zeichnung von links in den Raum unter
der Absorberplatte 2' und über der Bodenisolation 16 des Gehäuses 1 einströmt und
nach rechts ausströmt. Hier ist die Abdeckung gestaffelt in eine durchgehende äußere
Abdeckung 4, eine darunter liegende, über zwei Drittel der Fläche reiohende Abdeckung
5 und eine nochmals darunter liegende dritte Abdeckung 5a im letzten Drittel. Die
drei Bereiche sind wieder durch senkrechte Schottwände 9 gegeneinander abgetrennt.
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Fig. 6 zeigt schließlich eine Batterie aus vier Flachkollektoren 11,
12, 13, 14 zur Erwärmung von Wasser mittel.
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Sonnenenergie, die in Strömungsrichtung des Wasser. (von unten nach
oben) hintereinander geschaltet sind. Von dieeen vier Flachkollektoren haben die
ersten beiden 11, 12 nur eine einfache Abdeckung, während die letzten
beiden
13, 14 doppelt abgedeckt sind. Je nach den örtlichen Klimaverhältnissen können die
Flachkollektoren einer solchen Batterie auch ein- bis mehrfach abgedeckt werden,
wobei die Kosten für die eingesparte Energie am Aufstellungsort ins Verhältnis zu
den mit der Zahl der Abdeckungen steigenden Herstellungskosten ins Verhältnis zu
setzen sind.
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Die für Sonnenlicht durchlässigen Abdeckungen können aus Fensterglas,
Kunststoffplatten oder Kunststoffolien bestehen. Bevorzugt wird man aus Kostengründen
für die innere(n) Abdeckung(en) eine Kunststoffolie wählen, während die äußere Abdeckung
aus Fensterglas oder einer Kunststoffplatte besteht.
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Insbesondere bei Luftkollektoren sind Bauweisen bekannt, bei denen
die Wärmeabsorption unmittelbar auf der Bodenisolation (16 in Fig. 2) erfolgt. In
einem solchen Fall kann die äußere Abdeckung (4 in Fig. 5, linkes Drittel) wahlweise
auch ganz entfallen, Bei Flachkollektoren, insbesondere Warmluft-Kollektoren großer
Abmessungen, kann die Absorberplatte unterteilt und im Bereich größter Temperaturdifferenz
zur Außenluft statt einfach schwarz gefärbt mit einer vergüteten Oberfläche versehen
sein. Dasselbe gilt entsprechend für die heißen Elemente einer Batterie. Auf diese
Weise läßt sich der Wirkungsgrad kostengünstig weiter verbessern.