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Wärmetauscher, insbesondere zur Aufnahme von Sonnenenergie
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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere zur Aufnahme
von Sonnenenergie, bei welchem Rohre, Kanäle od. dgl.
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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.
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Derartige Wärmetauscher sind beispielsweise zur Ausnutzung der Sonnenenergie
bekannt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Für die Spannung der Folie kann an deren Verankerung an sumindest
einem freien Ende wenigstens eine Feder angreifen.
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Dies ergibt eine besonders einfache Konstruktion.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.
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Nachstehend ist die Erfindung mit ihren ihr als wesentlich zugehörenden
Einzelheiten anhand der Zeichnung noch näher beschrieben. Es zeigt in schematisierter
Darstellung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wärmedehnungen u. dgl. können von der Feder 6 ebenfalls aufgenommen
werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Dadurch kann zusätzlich oder anstelle der Warmluft auch noch Warmwasser
gewonnen werden. Die Ausführungsform eignet sich besonders gut für Trocknungsvorgänge
oder für Luftheisungen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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- Ansprüche -
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