DE2704047A1 - Waermetauscher, insbesondere zur aufnahme von sonnenenergie - Google Patents

Waermetauscher, insbesondere zur aufnahme von sonnenenergie

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Description

  • Wärmetauscher, insbesondere zur Aufnahme von Sonnenenergie
  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere zur Aufnahme von Sonnenenergie, bei welchem Rohre, Kanäle od. dgl.
  • für das die Wärme aufnehmende und weiterleitende Medium und mit diesen Rohren od. dgl. in Kontakt befindliche, vorzugsweise geschwärzte Absorberplatten, die z. B. Sonnenwärme zu den Rohren od. dgl. und deren Inhalt leiten, vorgesehen sind.
  • Derartige Wärmetauscher sind beispielsweise zur Ausnutzung der Sonnenenergie bekannt.
  • Für Temperaturbereiche unter 100° Celsius werden dabei für die Wärmegewinnung sogenannte Flachkollektoren verwendet. Diese bestehen im wesentlichen aus einem wärmeisolierten Kasten mit transparenter Abdeckung und einem eingebauten Wärmeabsorber.
  • Dabei gibt es entweder Flachkollektoren mit Wasser oder solche mit Luft als Wärmetransportmedium. Bekannt ist es dabei, wenn für das Wärmeträgermedium eine Rohrschlange mit daran angebrachter geschwärzter Absorberplatte vorgesehen ist. Diese Absorberplatte überträgt die absorbierte Sonnenenergie auf die Rohrschlange. Diese Absorberplatte ist entweder mit den Rohren durch Schweißen oder durch Klemmvorrichtungen od. dgl. verbunden. Dabei besteht der Nachteil, daß an dieser Verbindungsstelle Wärme verloren geht. Man hat deshalb auch versucht, den Kontakt zu verbessern, indem die Absorberplatten wellenförmig gebogen werden und die Rohrschlangen in ein solches Wellental eingelegt werden.
  • All diese Maßnahmen sind jedoch nicht voll befriedigend, weil an den Verbindungsstellen fjbertragungsverluste auftreten und lange Aufheizzeiten dadurch notwendig sind, daß das relativ umfangreiche Material der gesamten Vorrichtung zunächst aufgeheizt werden muß. Bei wechselhaftem Wetter kann deshalb unter Umständen eine solche Vorrichtung ihren Zweck gar nicht erfüllen oder zu einer negativen Energiebilanz führen. Da die verwendeten wärmeleitenden Werkstoffe, z. B. Kupfer, teuer sind, muß eine solche verminderte Energieausbeute als nachteilig und unbefriedigend angesehen werden.
  • Es besteht deshalb die Aufgabe einen Wärmetauscher der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit welchem die Energieausbeute erhöht werden kann; dabei soll einerseits die von den Absorberplatten od. dgl. aufgenommene Energie besser in die Rohre od. dgl. eingeführt werden können und außerdem soll zumindest die Möglichkeit bestehen, die Aufheizzeit fir den Wärmetauscher dadurch zu verringern, daß dieser eine geringere eigene Wärmekapazität hat.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung vor allem dadurch gekennzeichnet, daß als Absorberplatte eine wärmeleitende Folie vorgesehen ist, die an wenigstens ein Rohr od. dgl. geführt und gespannt ist und einen Teil des Umfanges von zumindest einem Rohr od. dgl. umschlingt. Eine solche Folie leitet einerseits gut die Wärme, nimmt selbst jedoch aufgrund der geringen Materialstärke nicht viel Wärme auf, so daß sie schnell aufgeheizt ist. Dadurch, daß sie unter Spannung das Rohr etwas umschlingt, wird an dieser Stelle über eine relativ große Fläche unter entsprechend starkem Druck zwischen Folie und Rohrwandung ein guter Wärmeübergang erzielt.
  • Für die Spannung der Folie kann an deren Verankerung an sumindest einem freien Ende wenigstens eine Feder angreifen.
  • Dies ergibt eine besonders einfache Konstruktion.
  • Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform von eigener Bedeutung kann darin bestehen, daß mehrere parallele Rohre vorgesehen sind, die von der wärmeleitenden Folie abwechselnd von oben und unten übergriffen werden. Dabei ist besonders vorteilhaft, wenn jeweils in Längsrichtung der parallelen Rohre nebeneinander Folienbahnen angeordnet sind, wobei die jeweils einander unmittelbar benachbarten Folienbahnen die Rohre Jeweils gegenläufig umschlingen. Dies ergibt insgesamt eine einfache Konstruktion, bei welcher eine Folienbahn mehrere Rohre umschlingt und so für einen guten Wärmeübergang sorgt.
  • Bei mehreren Folienbahnen nebeneinander, die die Rohre jeweils gegenläufig umschlingen, ergibt sich der weitere Vorteil, daß die von den gespannten Folien auf die Rohre wirkenden Auslenkkräfte jeweils weitgehend gegeneinander aufgehoben werden, so daß für die Rohre od. dgl. dünnere Wandstärken möglich sind.
  • Dies verbessert wiederum den Wärmeübergang und vermindert die zum Aufheizen des Wärmetauschers notwendige Wärmemenge. Es ergibt sich so also ein Wärmetauscher, welcher auch bei kurzzeitiger Sonneneinstrahlung schon Wärme abführen kann.
  • Die beiden Enden einer Folie oder Folienbahn können gegeneinander gerichtet und von einer gemeinsamen Spannfeder zusammengehalten sein. So ist es möglich, zwei oder mehr Rohre mit einer wärmeleitenden Folie zu erfassen und dennoch nur eine Spannfeder zu benötigen. Die Rohre und Folien können dabei wiederum in einem wärmeisolierten Kasten mit transparenter Abdeckung eingebaut sein, wobei die transparente Abdeckung innerhalb des Kastens einen Treibhauseffekt bewirkt.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.
  • Nachstehend ist die Erfindung mit ihren ihr als wesentlich zugehörenden Einzelheiten anhand der Zeichnung noch näher beschrieben. Es zeigt in schematisierter Darstellung.
  • Fig. 1 einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines Sonnenkollektors mit mehreren parallelen Rohren, die von Folienbahnen abwechselns umschlungen sind, Fig. 2 eine Draufsicht des Sonnenkollektors gemäß Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher, bei welchem jeweils zwei Rohre von einer gemeinsamen Folie umschlungen sind, Fig. 4 eine Ausfüiirungsform, bei welcher die parallelen Rohre in der Höhe gegeneinander versetzt sind, so daß sich ein größerer Umschlingungswinkel und eine bessere Ausnutzung der einfallenden Wärmestrahlen ergibt, Fig. 5 eine weitere Ausführungsform, bei welcher jeweils ein Rohr von einer Folie umschlungen ist, Fig. 6 eine vergrößerte Darstellung der Verankerung einer Spannfeder an einem Ende einer wärmeleitenden Folie im Bereich eines umschlungenen Rohres und Fig. 7 eine Ausführungsform, bei welcher die wärmeleitende Folie einen Luftkanal begrenzt.
  • Ein in allen Ausführungsbeispielen im Ganzen mit 1 bezeichneter Wärmetauscher dient jeweils zur Aufnahme von Sonnenenergie und soll bevorzugt auf Dächern von Häusern angebracht werden. Er weist jeweils einen wärmeisolierten Kasten 2 mit einer transparenten Abdeckung 3 auf, auf welche die Sonnenstrahlung auftrifft. Im Inneren sind Rohre 4 angeordnet, in denen bei den meisten Ausführungsbeispielen das die Wärme aufnehmende und transportierende Medium fließt.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß als die Wärme aufnehmende und zu den Rohren 4 od. dgl. leitende Absorberplatte eine wärmeleitende Folie 5 vorgesehen ist, die an wenigstens ein Rohr 4 od. dgl., in den meisten Ausführungsbeispielen an mehrere Rohre, geführt und unter Spannung gesetzt ist und dabei einen Teil des Umfanges von dem jeweiligen Rohr umschlingt.
  • Dadurch wird vor allem die Kontaktfläche zwischen diesen wärmeaufnehmenden Folien 5 und den Rohren 4 vergrößert bei gleichzeitig guter Anpressung in diesem Bereich, so daß sich ein guter Wärmeübergang mit einfachen konstruktiven Mitteln ergibt.
  • Die Spannung der Folien 5 ergibt sich jeweils durch wenigstens eine an ihrem Ende angreifende Feder 6, welche jeweils anhand der Ausführungsbeispiele erwähnt werden wird.
  • In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem mehrere parallele Rohre 4 vorgesehen sind, die von einem gemeinsamen Sammelrohr 7 ausgehen und auch in ein solches gemeinsames Sammelrohr 8 münden, wobei diese Sammelrohre 7 und 8 jeweils einen Anschluß 9 zum Heizkreislauf eines Hauses od.dgl.
  • aufweisen. Diese parallelen Rohre 4 sind jeweils von der wärmeleitenden Folie 5 abwechselnd von oben und unten übergriffen, wobei die wärmeleitende Folie 5 jeweils abschließend um ein Endrohr 4 a geschlungen ist, dessen Querschnitt im Ausführungsbeispiel größer als der der dazwischen befindlichen Rohre 4 ist. Dadurch wird erreicht, daß an den Rohren 4 a mit dem größten Querschnitt auch die größte Berührfläche vorhanden ist.
  • Anhand der Fig. 2 erkennt man, daß bei diesem Ausführungsbeispiel jeweils in Längsrichtung der parallelen Rohre 4 und 4 a nebeneinander Folienbahnen 5 a angeordnet sind, wobei die Jeweils einander unmittelbar benachbarten Folienbahnen 5 a die Rohre 4 jeweils gegenläufig umschlingen. Durch diese vor allem anhand der Fig. 2 in Verbindung mit Fig. 1 gut erkennbare abwechselnde Umschlingung der Rohre 4 ergibt sich ein Ausgleich der von den Folienbahnen 5 a und deren Spannkraft auf die Rohre ausgeübten Auslenkkräften. Dadurch sind an den Rohren dünnere Wandstärken möglich gegenüber einer Konstruktion, bei der nur eine Folie jeweils abwechselnd von unten und oben unter Spannung an den parallelen Rohren anliegen würde. Die dünneren Wandstärken der Rohre ergeben einen besseren Wärmeübergang und vermindern die Zeit, die zum Aufheizen des Wärmetauschers 1 notwendig ist. Entsprechend schnell kann der Wärmetauscher auch auf kürzere Sonneneinstrahlung reagieren.
  • In mehreren Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, daß die beiden Enden 5 b einer Folie 5 bzw. 5 a gegeneinander gerichtet und von der gemeinsamen Spannfeder 6 zusammengehalten sind.
  • Wärmedehnungen u. dgl. können von der Feder 6 ebenfalls aufgenommen werden.
  • Fig. 3 ist ein Beispiel dafür, daß jeweils zwei Rohre 4 von einer wärmeleitenden Folie 5 etwa über die Hälfte ihres Umfanges umschlungen sein können und an der Unterseite durch eine gemeinsame Feder 6 verspannt sein können. Dies ergibt in vorteilhafter Weise an den Rohren 4 einen großen Umschlingungewinkel mit gutem Wärmeübergang. Andererseits sind jeweils für zwei Rohre Spannfedern erforderlich und es wird immer nur von einer Seite her Wärme an die Rohre 4 herangeführt, während bei einer Ausführungsform etwa gemäß Fig. 1 jeweils von beiden Seiten her Folienbereiche Wärme zu einem Rohr hinführen.
  • Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 sind die von der wärmeleitenden Folie 5 umschlungenen Rohre 4 jeweils in der Höhe gegeneinander versetzt und die diese Rohre 4 umschlingende Folie 5 weist einen etwa zickzack-förmigen Verlauf auf. Dadurch wird ae r der Umschlingungswinkel an den einzelnen Rohren ebenfalls vergrößert und außerdem können die einfallenden Wärmestrahlen besser ausgenutzt werden, da von diesen Strahlen immer ein Teil reflektiert werden wird, der wiederum zu einem Teil auf einen benachbarten Winkelbereich der Folie fallen kann, bevor ein Restanteil endgültig zurückgestrahlt wird.
  • In Fig. 4 ist schematisch ein solcher Strahl 10 angedeutet, der auf die Folie 5 fällt und zu einem Teil reflektiert wird, wobei dieser Teil wiederum auf einen benachbarten Folienbereich fällt, ehe ein kleiner Restanteil zurückgestrahlt wird.
  • Eine weitere Ausführungsform zeigt Fig. 5. Dabei ist vorgesehen, daß jeweils ein freies Ende 3 b der wärmetauschenden Folie 5 an dem Kasten 2 od. dgl. Gehäuse über eine Feder 6 verankert ist und ein Rohr 4 umschlingt und daß das andere freie Ende 5 c an die Unterseite des Nachbarrohres geführt ist und dort zusammen mit dem dort befindlichen freien Ende 5 b der nächsten Folie 5 zusammen verankert ist. Dies ergibt eine einbahnige Bespannung, bei der keine Lücken vorhanden sind und dennoch die Gesamtkonstruktion einfach ist.
  • Eine weitere Ausführungsform zeigt schließlich Fig. 7. In diesem Falle begrenzt die wärmeleitende Folie 5 nach wenigstens einer Seite hin, hier nach der der Wärmeeinstrahlung zugewandten Seite hin, einen Luftkanal ii; sie ist dabei um zwei an den Rändern dieses Kanales 11 angeordnete Verankerungsrohre 12 od. dgl. dicht am Rand anliegende Verankerungen geführt. Die Luft kann durch eine Zufuhr 13 in den Kanal 11 eintreten und wird durch einen Abfuhrkanal 14 nach dem Aufwärmen wirder abgezogen. Dabei kann auch durch die Verankerungsrohre zusätzlich oder anstelle von Luft als Wärmeträger Wasser geführt werden.
  • Dadurch kann zusätzlich oder anstelle der Warmluft auch noch Warmwasser gewonnen werden. Die Ausführungsform eignet sich besonders gut für Trocknungsvorgänge oder für Luftheisungen.
  • Den vorbeschriebenen Ausführungsformen ist gemeinsam, daß als irmeleitende Folie 5 eine geschwärzte Metallfolie vorzugsweise aus Kupfer vorgesehen ist, welche die Wärme gut leitet und außerdem die gewünschte Spannung gut übertragen kann. Dennoch hat sie selbst keine große Wärmekapazität, so daß beim Aufheizen nicht viel Wärmeenergie und Zeit notwendig ist.
  • Fig. 6 zeigt noch, daß die freien Enden 5 b der Folie 5 für eine Verstärkung und für den Angriff der Spannfedern 6 um eine Verstärkungsleiste 15 od. dgl. gewickelt sind, welche Lochungen 16 od. dgl. für das Einführen der Federenden 17 aufweist, wobei hier jeweils Schraubenfedern 6 als eine Möglichkeit dargestellt sind.
  • Insgesamt ergibt sich ein Wärmetauscher 1, der vor allem zur Aufnahme von Sonnenenergie geeignet ist und beispielsweise das Heizsystem von Wohnhäusern unterstützen oder bilden kann und konstruktiv an verschiedene Wünsche und Möglichkeiten anpaßbar ist. Dabei ist vorteilhaft, daß die wesentlichen Teile des Wärmetauschers aus dünnwandigem Material gebildet sein können, so daß sie sehr schnell auch bei kurzzeitiger Sonneneinwirkung Wärme abführen können, da für ihre eigene Aufheizung nicht viel Wärme notwendig ist. Gleichzeitig ergibt sich ein guter Wärmeübergang an den Wärmeträger.
  • Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale und Konstruktionsdetails können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander wesentliche Bedeutung haben.
  • - Ansprüche - Leerseite

Claims (13)

  1. Ansprüche ö. Wärmetauscher,inbesondere zur zur Aufnahme von Sonnenenergie, bei welchem Kanäle, Rohre od. dgl. für das die Warme aufnehmende und weiterleitende Medium und mit diesen Rohren od. dgl. in Kontakt befindliche, vorzugsweise geschwärzte Absorberplatten, die z. B. Sonnenwärme zu den Rohren od.dgl.
    und deren Inhalt leiten, vorgesehen sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Absorberplatte eine wärmeleitende Folie (5) vorgesehen ist, die an wenigstens ein Rohr od. dgl. geführt und gespannt ist und einen Teil des Umfanges von zumindest einem Rohr od. dgl. umschlingt.
  2. 2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Spannung der Folien (5) an deren Verankerung an zumindest einem freien Ende wenigstens eine Feder (6) angreift.
  3. 3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere parallele Rohre (4) vorgesehen sind, die von der wärmeleitenden Folie abwechselnd von oben und unten übergriffen werden.
  4. 4. Warmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Folienenden (5 b) Jeweils um Endrohre (4 a) geschlungen sind, deren Durchfluß-Querschnitt vorzugsweise größer als der der zwischen ihnen liegenden Rohre (4) ist.
  5. 5. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der AnsprUche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils in Längsrichtung der parallelen Rohre (4, 4 a) nebeneinander Folienbahnen (5 a) angeordnet sind, wobei die jeweils einander unmittelbar benachbarten Folienbahnen (5 a) die Rohre (4) Jeweils gegenläufig umschlingen.
  6. 6. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden (5 b) einer Folie (5, 5 a) gegeneinandergerichtet und von einer gemeinsamen Spannfeder (6) zusammengehalten sind.
  7. 7. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Rohre (4) von einer wärmeleitenden Folie (5) etwa über die Hälfte ihres Umfanges umschlungen sind und an der Unterseite durch eine gemeinsame Feder (6) verspannt sind.
  8. 8. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von der wärmeleitenden Folie (5) umschlungenen Rohre (4) jeweils in der Höhe gegeneinander versetzt sind und die diese Rohre (4) umschlingende Folie (5) einen etwa zickzack förmigen Verlauf aufweist.
  9. 9. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein freies Ende (5 b) der wärmetauschenden Folie an dem Kasten (2) od. dgl. Gehäuse über eine Feder verankert ist und ein Rohr umschlingt und daß das andere freie Ende (5 c) an die Unterseite des Nachbarrohres geführt ist und dort zusammen mit dem dort befindlichen freien Ende (5 b) der nächsten Folie (5) zusammen verankert ist.
  10. 10. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Folie nach wenigstens einer Seite hin einen Luftkanal (11) begrenzt und vorzugsweise um zwei an den Rändern dieses Kanales angeordnete Verankerungsrohre (12) od. dgl. dicht am Rand anliegende Verankerungen geführt ist.
  11. 11. Luftkanal nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in den Verankerungsrohren zusätzlich oder anstelle von Luft als Wärmeträger Wasser geführt ist.
  12. 12. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als wärmeleitende Folie (5) eine geschwärzte Metallfolie vorzugsweise aus Kupfer vorgesehen ist.
  13. 13. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden (5 b) der Folie (5) für eine Verstärkung und für den Angriff der Spannfedern (6) um eine Verstärkungsleiste (15) od. dgl. gewickelt sind, welche Lochungen od. dgl. für das Einführen der Federenden (17) aufweist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2456917A2 (fr) * 1978-08-02 1980-12-12 Rhone Poulenc Ind Absorbeurs de radiations solaires
DE3010098A1 (de) * 1980-03-15 1981-09-24 Gesellschaft für angewandte Solartechnik mbH, 7888 Rheinfelden Sonnenkollektor
DE102006010578B3 (de) * 2006-03-06 2007-08-16 Acm Coatings Gmbh Solarkollektor

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