DE2702585A1 - Heat exchanger for solar energy conversion - has flexible parts exposing reflecting zones to radiation on receiving excessive radiation - Google Patents
Heat exchanger for solar energy conversion - has flexible parts exposing reflecting zones to radiation on receiving excessive radiationInfo
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Abstract
Description
Wärmetauscher, vorzugsweise zur Umwandlung solarer Strah-Heat exchanger, preferably for converting solar radiation
lung in Wärme.treatment in warmth.
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, vorzugsweise für Sonnenkollektoren, zur Umwandlung einfallender Strahlung in Wärme, welcher sich, gegebenenfalls mittels eines Hilfssystems selbständig gegen Uberhitzung schützt, wenn die einfallende Strahlung zu stark wird.The invention relates to a heat exchanger, preferably for solar collectors, to convert incident radiation into heat, which, if necessary, by means of an auxiliary system automatically protects against overheating when the incident radiation becomes too strong.
Sonnenkollektoren zur Umwandlung solarer Strahlung in Wärme sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Sie bestehen im wesentlichen aus einem, solche Strahlung absorbierenden Rohr- oder Plattensystem, dem eigentlichen Wärmetauscher, welcher zur Vermeidung von Wärmeverlusten mit einer Abdeckung versehen ist, die für kurzwellige Infrarotstrahlung gut, für langwellige Wärmestrahlung jedoch schlecht durchlässig ist. Es sind, zur Erhöhung des Temperaturniveaus im Wärmetauscher auch Maßnahmen zur Konzentration der einfallenden Strahlung auf das absorbierende Rohr- oder Plattensystem bekannt, z.B. entsprechende Reflektoren oder Linsensysteme.Solar panels for converting solar radiation into heat are in different versions known. They essentially consist of one, such Radiation-absorbing pipe or plate system, the actual heat exchanger, which is provided with a cover to avoid heat loss, which good for short-wave infrared radiation, but bad for long-wave thermal radiation is permeable. There are also to increase the temperature level in the heat exchanger Measures to concentrate the incident radiation on the absorbing tube or plate system known, e.g. corresponding reflectors or lens systems.
Für den praktischen Einsatz von Sonnenkollektoren, vor allem in Gebieten mittlerer geographischer Breite besteht jedoch das Problem, daß die maximale solare Einstrahlung in einen Zeitraum fällt, in dem Wärme nur für die Warmwasserbereitung benötigt wird, nicht jedoch für Beheizung und umgekehrt im Winter, wenn größere Wärmemengen für Heizzwecke benötigt werden, nur mit geringer Einstrahlung zu rechnen ist.For practical use of solar panels, especially in areas medium latitude, however, there is the problem that the maximum solar Irradiation occurs during a period in which heat is only used for water heating is required, but not for heating and vice versa in winter when larger Heat quantities are required for heating purposes, only a low level of irradiation can be expected is.
Es besteht nun die Möglichkeit, Sonnenkollektoren z.B. mit Konzentration der einfallenden Strahlung so zu dimensionieren, daß auch noch im Winter oder zumindest in Ubergangszeiten das erzielbare Temperaturniveau im Wärmetauscher ausreicht, um ohne kostspielige Wärmetransformation, z.B.There is now the possibility of using solar panels e.g. with concentration to dimension the incident radiation so that even in winter or at least in transition times the achievable temperature level in the heat exchanger is sufficient to without costly heat transformation, e.g.
mittels Wärmepumpe, noch direkt heizen zu können. Für die starke Einstrahlung im Sommer sind die Wärmetauscher dann jedoch überdimensioniert, es müssen zur Vermeidung von Uberhitzung kostpielige und unsichere Verfahren eingesetzt werden, z,B. zusätzliche Kühlung mittels Frischwasser, oder die Kollektoren überhaupt stillgelegt werden, z.B. durch Ablassen der Wärmetauscher-Flussigkeit.by means of a heat pump to be able to heat directly. For strong radiation In summer, however, the heat exchangers are then oversized, which is a must to avoid expensive and unsafe procedures are used to prevent overheating, z, B. additional cooling by means of fresh water, or the collectors shut down at all e.g. by draining the heat exchanger liquid.
Die Erfinawig setzt sich zum Ziel, Wärmetauscher vorzuschlagen, welche ausreichend dimensioniert werden können, um auch in Zeiträumen geringer Einstrahlung noch Wärme eines Temperaturniveaus zur Verfügung stellen zu können, das eine direkte Verwendung für Beheizungszwecke gestattet, die sich jedoch bei zu starker Einstrahlung selbst vor berhitzung schützen.The Erfinawig aims to propose which heat exchanger Can be sufficiently dimensioned to withstand periods of low irradiation to still be able to provide heat at a temperature level that is a direct one Use for heating purposes is permitted, however, if the radiation is too strong protect yourself from overheating.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das Wärmetauscher- oder ein entsprechendes Hilfssystem bei Druckänderung ihre Form ändern und damit den Strahlungseinfall auf die Wärmetauscheroberfläche beeinflussen. Die Formänderung kann dabei kontinuierlich oder, im Falle einer Oberfläche mit "Durchschnappcharakteristik" auch diskontinuierlich erfolgen.According to the invention this is achieved in that the heat exchanger or a corresponding auxiliary system change their shape when the pressure changes and thus affect the incidence of radiation on the heat exchanger surface. The change in shape can be continuous or, in the case of a surface with a "snap-through characteristic" can also be carried out discontinuously.
In den anliegenden Zeichnungen sind einige Beispiele dargestellt, die im folgenden ebenso beschrieben werden, wie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.Some examples are shown in the attached drawings. which are also described below, as well as further features and advantages of the Invention.
Die ABB. 1, 2 und 3 zeigen Ausführungen, die sich vorwiegend für Sonnenkollektoren ohne Konzentration der einfallenden Strahlung eignen. Die Wärmetauscher sind im Querschnitt, åeweils links der geschlossene Betriebszustand, rechts der geöffnete Zustand unter erhöhtem Druck, dargestellt. Die Offnungscharakteristik der Ausführungen gemäß ABB. 1 und 3 wird kontinuierlich, die der Ausführung gemäß ABB. 2 diskontinuierlich verlaufen. Die Wandungen solcher Wärmetauscher 1 müssen aus dauerelastischem Material bestehen und sollten Infrarot-Strahlung auch selbst gut absorbieren, um nicht eigene Absorptionsschichten aufbringen zu müssen. Hierfür sind verschiedene Kunststoff- bzw. Kunstkautschuksorten geeignet, z.B. Ethylen-Propylen-Monomere, die es außerdem ermöglichen, die Wärmetauscher preisgünstig in einem Extrudierverfahren herstellen zu können. Grundsätzlich möglich wäre auch die Verwendung entsprechend elastischer Metalle oder auch von Kombinationen z.B. reflektierender Metalle und absorbierender Kunstkautschuksorten, es müssen dann jedoch als tibergangsstücke zu den starren Leitungsrohren des äußeren Kreislaufes vollelastische Endstücke vorgesehen werden. Zweckmäßig ist es auch unterschiedliche Wandstärken vorzusehen, um im geöffneten Zustand die angestrebten Querschnittsformen zu erreichen. Die Wärmetauscherwandungen sind an bestimmten Stellen verspiegelt, d.h. mit Infrarotstrahlung reflektierenden Zonen 2 versehen. Es sind ferner Halterungen 3 angedeutet, die in gegengleichen Führungen 4 eingeschoben den Wärmetauscher in seiner Lage fixieren. Der Kollektor ist sonst, Dekannten Konstruktionen entsprechend, mit einer Isolierschicht 5, ggf. mit reflektierender Oberfläche 6 und einer für Infrarotstrahlung durchlässigen Abdeckung 7 ausgerüstet.The FIG. 1, 2 and 3 show designs that are primarily used for solar panels without concentration of the incident radiation. The heat exchangers are in Cross-section, the closed operating state on the left and the open state on the right Condition under increased pressure, shown. The opening characteristics of the designs according to FIG. 1 and 3 is continuous, that of the execution according to FIG. 2 discontinuous get lost. The walls of such heat exchangers 1 must be made of permanently elastic material exist and should also absorb infrared radiation well in order not to own Having to apply absorption layers. Various plastic or synthetic rubbers are suitable, e.g. ethylene-propylene monomers, which also enable, the heat exchangers inexpensively in an extrusion process to be able to manufacture. In principle, it would also be possible to use it accordingly elastic metals or combinations of e.g. reflective metals and absorbent types of synthetic rubber, but then it must be used as transition pieces Fully elastic end pieces are provided for the rigid conduit pipes of the external circuit will. It is also useful to provide different wall thicknesses in order to allow the open Condition to achieve the desired cross-sectional shapes. The heat exchanger walls are mirrored in certain places, i.e. with infrared radiation reflecting Zones 2 provided. There are also brackets 3 indicated, the same in opposite Guides 4 inserted fix the heat exchanger in its position. The collector is otherwise, according to decanted constructions, with an insulating layer 5, if necessary with reflective surface 6 and a cover permeable to infrared radiation 7 equipped.
Im drucklosen, bzw. im Zustand niedrigen Druckes, d.h. im normalen Betriebszustand sind die absorbierenden Zonen des Wärmetauschers gegen die einfallende Strahlung gerichtet, im beginnenden Siedezustand öffnet der steigende Druck den Querschnitt des Wärmetauschers; es werden jetzt reflektierende Zonen gegen die einfallende Strahlung gerichtet und damit Wärmeaufnahme solange unterbunden bzw. reduziert, bis der Siedepunkt der Wärmetauscherflüssigkeit wieder unterschritten ist.In the unpressurized or in the state of low pressure, i.e. in normal The operating state is the absorbing zones of the heat exchanger against the incident one Directional radiation, in the beginning boiling state the increasing pressure opens the Cross section of the heat exchanger; there are now reflective zones against the incident one Radiation directed and thus heat absorption prevented or reduced as long as until the boiling point of the heat exchanger fluid is below again.
In der ABB 4 ist eine Ausführung dargestellt, die sich vorwiegend für Kollektoren mit Konzentration der einfallenden Strahlung auf den Wärmetauscher. Es sind hier, neben den auch in den vorhergehenden Abbildungen ausgewiesenen Elementen Wärmetauscher 1, Halterungen 3 mit Führungen 4, sowie Isolierung 5 mit reflektierender Oberfläche 6 und der für Infrarotstrahlung durchlässigen Abdeckung 7 zusätzliche Abschattungselemente 8 mit einer reflektierenden Seite 9 angeordnet, die im Zustand geringen Innendruckes die einfallende Strahlung passieren lassen bzw. auch selbst absorbierend die Wärmeaufnahme unterstützen, bei steigendem Druck jedoch geöffnet mit Hilfe ihrer reflektierenden Seiten 9 die Wirkung der einfallenden Strahlung auf den Wärmetauscher 1 unterbinden oder reduzieren. Die Abschattungselemente 8 müssen mit dem Wärmetauscfler 1 nicht unmittelbar verbunden sein, sie können auch, mit eigenen Lagerungen ausgerüstes, vom Wärmetauscher indirekt betätigt werden.FIG. 4 shows an embodiment that is predominantly for collectors with concentration of the incident radiation on the heat exchanger. They are here, in addition to the elements shown in the previous figures Heat exchanger 1, brackets 3 with guides 4, and insulation 5 with reflective Surface 6 and the cover 7 permeable to infrared radiation Shading elements 8 with a reflective side 9 arranged in the state low internal pressure the incident Let radiation pass or support the absorption of heat in a self-absorbing manner, with increasing pressure however, with the help of their reflective sides 9 open the effect of the incident Prevent or reduce radiation on the heat exchanger 1. The shading elements 8 do not have to be directly connected to the heat exchanger 1, they can also equipped with their own bearings, are operated indirectly by the heat exchanger.
Bei einer Kollektorauslegung, die nur geringere bberhitzungen zuläßt, kann es ausreichen Formen zu wählen, die bei steigendem Druck die absorbierenden Zonen aus der einfallenden Strahlung, bzw. bei Kollektoren mit Konzentration aus der Brennpunktlinie herausschwenken. hin solches Beispiel ist in der ABB 5 dargestellt. Die Bezugszahlen entsprechen wieder den vorhergehenden Abbildungen, die Wirksamkeit kann auch noch durch reflektierende Zonen 10, ggf. in der Abdeckung 7 unterstützt werden.With a collector design that allows only minor overheating, It may be sufficient to choose shapes that absorb the pressure when the pressure increases Zones from the incident radiation, or in the case of collectors with concentration pivot out of the focal line. Such an example is shown in FIG. The reference numbers again correspond to the previous figures, the effectiveness can also be supported by reflective zones 10, possibly in the cover 7 will.
Prinzipiell kann der Effekt der Erfindung jedoch auch über ein Hilfssystem erreicht werden, das z.B, dann erforderlich wird, wenn der Wärmetauscher in bekannter Weise nach einem Rollbond-Verfahren aus Aluminiumblechen hergestellt ist. Ein Beispiel zeigt die ABB 6. Mit einem Platten-Wärmetauscher 11 steht ein elastisches Element des iiilfssystems 12 in wärmeleitendem Kontakt, dessen Funktion ist der der Abbildung 4 identisch. Den Erfordernissen entsprechend kann dieses Hilfssystem in wärmeleitender Verbindung mit dem Wärmetauscher 11 stehen oder der unmittelbaren «instrahlung ausgesetzt sein, bzw. ist auch eine Kombination beider Einflüsse möglich.In principle, however, the effect of the invention can also be achieved via an auxiliary system can be achieved, which is required, for example, when the heat exchanger in known Way is made by a roll bond process from aluminum sheets. An example FIG. 6 shows. With a plate heat exchanger 11 there is an elastic element of the auxiliary system 12 in thermally conductive contact, the function of which is that of the illustration 4 identical. Depending on the requirements, this auxiliary system can be used in a thermally conductive manner Are connected to the heat exchanger 11 or are exposed to direct radiation or a combination of both influences is also possible.
Wird im Wärmetauscher- und im Hilfssystem der gleiche Flüssigkeitskreislauf verwendet, sollte das Hilfssystem an einen Teilstrom des Wärmetauscher-Rücklaufes angeschlossen und zusätzlich der Einstrahlung ausgesetzt werden. Der Siedepunkt wird dann zunächst im Hilfssystem erreicht. Um eine zu hohe Schalthäufigkeit zu vermeiden, sollte auch die Wärmeträgheit des Hilfssystems größer gehalten werden, als die des Wärmetauschers.The same fluid circuit is used in the heat exchanger and in the auxiliary system used, the auxiliary system should be connected to a partial flow of the heat exchanger return connected and also exposed to radiation. The boiling point is then first reached in the auxiliary system. In order to have too high a switching frequency should also avoid thermal inertia of the auxiliary system larger than that of the heat exchanger.
Es ist aber ebenso möglich, das Hilfssystem voll vom Kreislazf des Wärmetauscher-Systems zu trennen, wenn Drucksteigeringen im Wärmetauscher-Kreislauf vermieden werden sollen, es können dann im Hilfskreislauf auch Flüssigkeiten oder Gemische mit niedrigerem Siedepunkt als im Wärmetauscher-Kreislauf eingesetzt werden. Um auch das Hilfssystem gegen ueberdruck zu sichern, kann in dieses nur so viel Flüssigkeit eingefüllt werden, daß diese bei geöffnetem System voll verdampft ist und die weitere Drucksteigerung nur mehr der Gasgleichung für die Dampfphase der verwendeten Flüssigkeit entspricht.But it is also possible to fully use the auxiliary system from the Kreislazf des Separate the heat exchanger system if pressure increases in the heat exchanger circuit should be avoided, it can then also liquids or in the auxiliary circuit Mixtures with a lower boiling point than are used in the heat exchanger circuit. In order to secure the auxiliary system against overpressure, only so much can be done in it Liquid must be filled in so that it is fully evaporated when the system is open and the further increase in pressure only the gas equation for the vapor phase of the liquid used.
Die Kopplung des Hilfssystems an das Wärmetauscher-System kann gemäß ABB 7 weiters auch an einer beliebigen Stelle des Kreislaufes erfolgen, welcher aus dem Wärmetauscher 20 eines Sonnenkollektors, einem Brauchwasser-Wärmetauscher 21 und einem Hilfssystem-Wärmetauscher 22 besteht. Das Hilfssystem 23 betätigt über die Drucksteigerung im Siedebeginn einer Hilfssystem-Flüssigkeit mit niedrigerem Siedepunkt die Abschattungselemente 8. Eine besonders vorteilhafte Lösung stellt auch die Anordnung des Hilfssystem-Wärmetauschers 22 nach dem oder im Brauchwasser-Wärmetauscher 21 dar. In diesen Fällen wird bei entsprechender Abstimmung der Siedepunkte beider Flüssigkeiten der Wärmetauscher 20 auch dann bereits stillgelegt, wenn brauchwasserseitig keine Wärme abgenommen wird und damit die Temperatur im Brauchwasser-Wärmetauscher 21 ansteigt.The coupling of the auxiliary system to the heat exchanger system can according to FIG 7 also take place at any point in the circuit, which from the heat exchanger 20 of a solar collector, a domestic water heat exchanger 21 and an auxiliary system heat exchanger 22. The auxiliary system 23 actuates over the pressure increase at the beginning of the boiling point of an auxiliary system liquid with a lower Boiling point the shading elements 8. A particularly advantageous solution is also the arrangement of the auxiliary system heat exchanger 22 after or in the domestic water heat exchanger 21. In these cases, with appropriate coordination, the boiling points of both Liquids of the heat exchanger 20 are already shut down when the hot water side no heat is drawn off and thus the temperature in the domestic water heat exchanger 21 increases.
Die Kopplung kann aber auch, z.B. gemäß ABB 8 druckseitig erfolgen. Durch Siedebeginn im Wärmetauscher-Kreislauf entstehender Druckanstieg betätigt hier über einen Ausgleichsbehalter 24 mit Zwischenmembrane die Abschattungselemente 8 des Hilfssystems 23 oder umgekehrt.The coupling can also take place on the pressure side, e.g. in accordance with FIG. The rise in pressure caused by the start of boiling in the heat exchanger circuit is actuated here the shading elements via a compensating container 24 with an intermediate membrane 8 of the auxiliary system 23 or vice versa.
ns sind damit in allen dargestellten Beispielen Lösungen vorgeschlagen die selbstschützend wirken, doho der Sonnenkollektor verhindert seine bberhitzung selbst und unmittelbar an der Einstrahlung. Der Wärmetauscher-Kreislauf kann aber auch, z.B. für Reparaturarbeiten, abgesperrt werden ohne entleeren zu müssen, oder zoBo über Fremddruck auf einen beliebigen Zeitraum stillgelegt werden.Solutions are therefore suggested in all the examples shown which act self-protecting, doho the solar collector prevents its overheating itself and directly to the irradiation. The heat exchanger circuit can, however can also be locked, e.g. for repair work, without having to empty, or zoBo can be shut down for any period of time via external printing.
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DE19772702585 DE2702585A1 (en) | 1977-01-22 | 1977-01-22 | Heat exchanger for solar energy conversion - has flexible parts exposing reflecting zones to radiation on receiving excessive radiation |
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DE19772702585 DE2702585A1 (en) | 1977-01-22 | 1977-01-22 | Heat exchanger for solar energy conversion - has flexible parts exposing reflecting zones to radiation on receiving excessive radiation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE2702585A1 true DE2702585A1 (en) | 1978-07-27 |
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DE19772702585 Withdrawn DE2702585A1 (en) | 1977-01-22 | 1977-01-22 | Heat exchanger for solar energy conversion - has flexible parts exposing reflecting zones to radiation on receiving excessive radiation |
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DE (1) | DE2702585A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0018271A2 (en) * | 1979-04-13 | 1980-10-29 | COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE Etablissement de Caractère Scientifique Technique et Industriel | Solar collector of the heat pipe kind, protected against high pressures |
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1977
- 1977-01-22 DE DE19772702585 patent/DE2702585A1/en not_active Withdrawn
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0018271A2 (en) * | 1979-04-13 | 1980-10-29 | COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE Etablissement de Caractère Scientifique Technique et Industriel | Solar collector of the heat pipe kind, protected against high pressures |
FR2454064A1 (en) * | 1979-04-13 | 1980-11-07 | Commissariat Energie Atomique | SOLAR COLLECTOR, OF THE SAME TYPE, HOT PROTECTION AGAINST OVERPRESSIONS |
EP0018271A3 (en) * | 1979-04-13 | 1981-01-07 | Commissariat A L'energie Atomique Etablissement De Caractere Scientifique Technique Et Industriel | Solar collector of the heat pipe kind, protected against high pressures |
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8130 | Withdrawal |