DE2709301A1 - Waermeaustauschvorrichtung zum einfangen von strahlungsenergie - Google Patents

Description

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DR. WOLFGANG M(JI 1 FR-BORi (PAI UN I ANWALT VON 1927- 197b) DR. PAlII. OHIfFL. DIPL-CHFM DR ALMItU SCHÖN. IJIPI -CHfcM. WERNER HtRlEL. DIPL-PHYS

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Compngnie Europeenne de Materie] Thermiaue

et Aeraulioue

21-23, rue des Ardennes, Parin I9eme, Frankreich

Wärmeaustauschvorrichtung zum Ednfangen von Strahlungsenergie

Die vorliegende Erfindung bezieht sich zum einen auf eine Wärmeaustauschvorrichtung zum Einfanden von Strahlungnenerpie. Es handelt sich um den Fall einer Vorrichtung zum Einfangen einer ,strahlung, wobei die eigentliche Einfanpvorrichtunp und die Einrichtungen zur Verwendung der eingefangenen Wärme kombiniert sind.

Zum anderen bezieht sich die vorliegende Erfindung insbesondere auf den Einsatz eines derartigen Wärmeaustauschers und der Einrichtungen oder Apparate zur Verwendung der Sonnenenergie, insbesondere im Hinblick auf die Erwärmung von Gebäuden und die Erzeugung von sanitärem Warmwasser.

Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich oft zur Erläuterung der Erfindung auf das Einfangen der Sonnenenergie. Er versteht

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sich jedoch, daß sich die Erfindung auf sämtliche Vorrichtungen zur Gewinnung einer Strahlungsenergie bezieht, wobei das Einfangen der direkten und diffusen Sonnenstrahlung nur eine besondere Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt.

Es ist eine Anzahl von Vorrichtungen dieser Gattunr bekannt. Allgemein bestehen die eigentlichen Einfangvorrichtungen aus Oberflächen, welche gegen die einfallende Strahlung (beispiels weise Sonnenstrahlung) gerichtet sind, wobei diese Oberflächen außen durch eine der Sonne entgegengerichtete durchsichtige Wandung sowie durch undurchsichtige isolierende Wandungen an den anderen Flächen geschützt sind.

Die gegen die Sonne gerichtete Fläche ist im allgemeinen bedeckt mit einer absorbierenden oder selektiven Beschichtung, welche der Strahlung entgegengerichtet ist und die den Zweck hat, ein Maximum an Strahlung von niedriger Wellenlänge zu absorbieren und die Strahlung von hoher Wellenlänge oder die durch Einfangvorrichtung selbst infolge der Temperatur, mit welcher sie die eingefangene Energie trägt, emittierte Streustrnhlung auf ein Minimum zu begrenzen.

Andererseits sind die Kosten für selektive Beschichtungen im allgemeinen ziemlich hoch und die Selektivität für Strahlungen von verschiedenen Wellenlängen ist ein wesentliches Element, um eine gute Wirksamkeit beim Zurückbehalten der durch die Oberfläche eingefangenen Wärme zu erhalten.

Eine der Aufgaben der selektiven Beschichtung ist es insbesondere, die parasitäre Strahlung auf ein Minimum zu bringen, die oft in einem großen Anteil von der Oberfläche der Einfangvorrichtung ausgestrahlt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeaustauschvorrichtung zum Einfangen von Strahlungsenergie

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zu schaffen, welche die Nachteile der absorbierenden Beschichtung in ökonomischer Hinsicht und die Nachteile der parasitären Strahlung in energetischer Hinsicht durch eine besondere Anordnung der Vorrichtung zum Einfangen der Strahlung beseitigt, wobei diese Anordnung einfach verwendet werden kann, um ein Fluid, beispielsweise Wasser, aufzuwärmen, oder wobei die Anordnung in einem System verwendet v/erden tenn, welches in einem Gebäude beispielsweise zu Wohnzwecken das Einfangen der Sonnenstrahlung und die verschiedenen Verwendungen der so gewonnenen Wärme integriert: Produktion von sanitärem Warmwasser, Erwärmung der Räume durch den Fußboden oder heizende Wände, Radiatoren, Konvektoren oder Ventilator-Konvektoren, wobei das aus den Einfangvorrichtungen stammende Wasser bei mäßiger Temperatur verwendet wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll dabei ferner unter sehr günstigen Bedingungen in gleicher Weise sowohl zum Einfangen von Sonnenenergie als auch irgend einer Strahlungsenergie, wie beispielsweise der Strahlungsenergie von warmen Oberflächen, schmelzenden Metallen oder dergleichen, verwendet werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Wärmeaustauschvorrichtung zum Einfangen von Strahlungsenergie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei diese Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine einzige im wesentlichen ebene Einfangplatte aufweist, sowie wenigstens ein Rohr für die Zirkulation des Wärmetransportfluids, wobei das Rohr kontinuierlich einstückig verbunden ist mit der Platte längs der Erzeugenden ihrer äußeren Oberfläche, welche im Kontakt mit der Platte steht.

Me erfindungsgemäße Vorrichtung verbessert merklich den Transport der Wärme zu den Verbrauchereinrichtungen, wobei sie ferner eine übertriebene Erhöhung der Temperatur der Einfangoberfläche und folglich eine Vergrößerung ihres Wärmeverlusts durch Strahlung und Konvektion in Richtung nach außen vermeidet.

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Gemäß einem Merkmal der Erfindung hat das Zirkulationsrohr die Form eines Ründels, welches zwischen den Tiöpen zur Änderung der Richtung eine Mehrzahl von im wesentlichen parallelen Längsabschnitten aufweist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat die Platte Rillen von geeignetem Querschnitt, in welchen das Rohrbündel zur Zirkulation teilweise eingelassen ist, wobei die Rohre mit den Rillen über die gesamte oder teilweise äußere Kontaktfläche kontinuierlich einstückig verbunden sind.

Auf diese Weise stellt man mit sehr wirtschaftlichen Mitteln ein optimales Abziehen der eangefangenen Strahlung in Höhe der Platte sicher.

Gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal hat die P]atte ferner ein rtewelltes Profil.

In einer der Ausführungsformen ist das gewellte Profil in einer Ebene angeordnet, welche im wesentlichen senkrecht zur ollgemeinen Richtung der Rohre und der Rillen verläuft, wobei die Kämme und die Vertiefungen der Wellungen im wesentlichen gleichen Abstand von den Rillen haben.

Vorteilhafterweise haben die Wellungen eine Form, bei welcher zwischen gekrümmten Kämmen und Vertiefungen gerade Abschnitte angeordnet sind, wobei die Rillen und die in desen angeordneten Rohre im wesentlichen in der Mitte der geraden Abschnitte angeordnet sind·

Die Wichtigkeit dieses Merkmals der Erfindung soll hier besonders hervorgehoben werden: dieses gewellte Profil der Einfangoberfläche erlaubt es, die absorbierende oder selektive Beschichtung zu vereinfachen - wenn nicht sogar zu vermeiden - wobei das Material im rohen Zustand oder einfach oxydiert bleiber kann.

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Die Oberfläche zum Empfangen der äußeren Strahlung auf direkte Weise oder nach nachfolgenden Reflexionen ist allgemein größer als die Oberfläche, welche eine parasitäre Strahlung emittieren kann.

Wie also im Lauf der Beschreibung festzustellen ist, wird ein Teil der an der Oberfläche der Einfangplatte reflektierten Strahlung in Richtung auf diese absorbierende Oberfläche selbst zurückgeschickt, woraus sich ergibt, daß hinsichtlich der Energiebilanz die absorbierende Oberfläche gleich ist der Abwicklung der gewellten Oberfläche oder diese noch übertrifft. Im Gegenteil, die generelle parasitäre Strahlung wird ihrerseits begrenzt auf die Oberfläche, welche der der ebenen Projektion der gewählten Oberfläche äquivalent ist.

Gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal hat die Platte ferner in einer zu dem Zirkulationsrohr im wesentlichen parallelen Richtung eine gewellte Form, welche wenigstens ein U-Profil mit verlängerten Schenkeln bildet·

Wie nachfolgend erläutert, bietet sich somit irgend-eine der Ausführungsformen des erihdungsgemäßen Wärmeaustauschers an für die Herstellung von Batterien von Austauscherelementen, welche in Serie oder parallel aneinander angeschlossen sind.

Vorteilhafterweise ist eine derartige Batterie von Austauschelementen im Wärmeaustausch an eine Vorrichtung zur Diffusion von Energie, insbesondere einen Ventilator-Konvektor, angeschlossen.

Diese Kombination bietet den Vorteil eines erhöhten Wirkungsgrades des Ventilator-Konvektors, zumal das Wärmetransportfluid eine mäßige Temperatur hat, was allgemein bei Einfangvorrichtungen der zur Rede stehenden Gattung der Fall ist·

Vorteilhafterweise sind die Rohre mit der Platte einstückig ver-

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bunden durch eine Zinnschweißung.

Andere Merkmale der Erfindung beziehen sich auf den Querschnitt der Rillen, die Anordnung der in diesen befindlichen Rohre sowie die Baumaterialien der Platten und der Rohre.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung schematiech dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigern

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Wärmeaustauschvorrichtung mit einer Platte, welche mit Rillen versehen ist, in welchen die Wärmeaustauscherrohre angeordnet sind,

Pig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung gemäß Fig. 1, wobei die Platte Sinuswellen aufweist,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung in vergrößertem Detail, welche das Detail der Anordnung eines Rohrs in ihrer Rille zeigt, und

Figuren 4 und 5

eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Wellen in Längsrichtung der Zirkulationsrohre angeordnet sind·

In den Zeichnungen sind die Elemente oder Verkleidungen, innerhalb welcher sich die erfindungsgemäßen Einfangplatten befinden und die zum Stand der Technik gehören, absichtlich weggelassen. Sie sind aus diesem Grunde nachstehend auch nicht näher beschrieben.

Allgemein ist die die Strahlung absorbierende Oberfläche im Inneren einer Verkleidung aigeordnet, die eine allgemein rechtwinklige Grundform und prismatische Gestalt hat und an ihrer

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der Strahlung ausgesetzten bevorzugten Fläche verglast, wobei die anderen Flächen der Verkleidung undurchsichtige und thermisch isolierte Wände bilden.

In dem Fall, in welchem die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Speichern von direkter oder diffuser Sonnenstrahlung verwandt wird für eine Erwärmung von Gebäuden, sind Verkleidungen dieses Typs an den äußeren Flächen der äußeren Mauern und der Dächer angeordnet - und können selbst an die Stelle dieser äußeren Mauern und Dächer treten - wobei sie diese schützen und isolieren und noch dazu die Funktion des Einfangens von Strahlungsenergie haben«

Nachfolgend wird auf die Zeichnungsfiguren 1 und 2 näher eingegangen·

Die grundsätzlich absorbierende Oberfläche des Wärmeaustauschers ist durch ein allgemein metallisches Blatt 1 gebildet, welches einstückig mit einem Bündel 2 von Rohren 3 verbunden ist, in deren Innerem das Fluid, insbesondere das Wärmeaustauschmedium, zirkuliert, um die eingefangene Wärme zu absorbieren und sie an die Verbrauchsstellen zu befördern. Dieses Metallblatt 1 kann beispielsweise ein schwarzes oder galvanisiertes, rohes oder oxydiertes Stahlblech sein oder aus Kupfer oder einer Legierung bestehen, wobei es zur Vergrößerung seines Absorptioskoeffizienten vorzugsweise mit einer Oxydschicht beschichtet ist«

Das Metallblattiund die Bohre 3 sind durch alle bekannten und geeigneten Mittel einstückig miteinander verbunden, vorzugsweise durch Schweißen längs der Kontakt-Mantellinie.

Wie genauer aus Fig. 3 ersichtlich, kann dieser Kontakt zwischen dem Blatt 1 und dem Rohr 3 verbessert werden durch eine beispielsweise halbzylindrische Formrille *, welche in das Metall-

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blatt 1 eingeprägt ist, und in welcher sich in geeigneter Tiefe jedes der Rohre 3 zur Zirkulation des Wärmeaustauschfluids erstreckt. Die Schweißung ist in diesem Fall beispielsweise am Boden 5 der Rille 4 angeordnet, wobei das Rohr 3 dort mit seiner ganzen oder teilweisen Oberfläche im Kontakt mit dem Metallblatt 1 ist.

Die Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Das mit den Rohren 3 einstückig verbundene Metallblatt 1 ist entsprechend einem nahezu sinusförmigen Profil gewellt oder besteht in seinem Profil aufeinanderfolgend aus Kreisbögen 6 und geraden Teilabschnitten 7, wobei dieses Profil in einer Ebene liegt, die orthogonal zur Ebene der Basis der verglasten Verkleidung liegt.

Das Metallblatt Λ kann eine Breite haben, welche der der Verkleidung entspricht oder kann in irgend-eine Anzahl von Streifen von geringerer Breite aufgeteilt sein. Im letzteren Fall sind diese Streifen von geringerer Breite und beispielsweise einer Teilbreite der Verkleidung fugendicht aneinander angeordnet und jeweils einstückig mit einem Rohr oder einem Rohrbündel verbunden, in welchem das Wärmetransportfluid zirkuliert.

Gemäß einer Variante dieser Ausführungsform, die Streifen des metallischen Blatts oder Bandeisen geringer Breite verwendet, welche beispielsweise im Profil sinusförmig oder ähnlich der Fig. 2 sind, kann die Ebene dieses Profils, welche senkrecht zur Oberfläche des Blatts verläuft, mit Bezug auf die Ebene der verglasten Basis der Verkleidung geneigt sein, wobei der Winkel zwischen den beiden Ebenen irgend einen Wert zwischen O und 90° annehmen kann.

Das oder die Rohre, welche mit der absorbierenden Oberfläche 1 einstückig verbunden sind, sind schlangenförmig angeordnet derart, daß sie die Gesamtheit dieser Oberfläche erfassen, von welcher sie de eingefangene Strahlungswärme abziehen.

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In dem Fall, in welchem die Oberfläche längs eines sinusförmigen oder ähnlichen Profils gewellt ist, verlaufen die Rohre längs der Erzeugenden der Oberfläche.

In der Ausführungsfonn gemäß Pig. 2 sind das oder die Rohre im wesentlichen in der Mitte der geraden Teilabschnitte 7 angeordnet, welche zwischen sich Kämme und Vertiefungen 6 verbinden. Es ist jedoch auch vorgesehen, daß jede Wellenlinie der Oberfläche ein oder mehrere Rohre enthält, wobei jeder Durchlaß mit dem vorherigen und nachfolgenden durch einen Endkrümmer verbunden ist. Eine vorteilhafte Ausildung dieser Schlange erhält man durch Krümmen eines kontinuierlichen Rohrs zwischen jedem Durchlaß.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß den Figuren 4 und 5 sind die mit der absorbierenden Fläche einstückigen Rohre längs desselben sinusförmigen oder ähnlichen Profils gewölbt wie diese Fläche.

Die einzelnen Elemente nehmen somit die Form eines U oder eines S mit gestreckten und parallelen Schenkeln oder eine Aufeinanderfolge dieser Profile an, wobei die Rohre 3 mit Endverbindunprsstücken 8 versehen sind. Die Nebeneinander Ordnung einer Mehrzahl dieser Elemente bilden ein Rohrbündel, wobei die Rohre durch geeignete Verbindung der Elemente unterein-ander sämtlich von der Wärmetransportflüssigkeit durchströmt werden können, und zwar in Serie, parallel oder in Serie und parallel.

Somit ist, wie bereits oben erwähnt, die erfindungsgemäße Einfangplatte eindeutig billiger im Anschaffungspreis als die der bekannten Vorrichtungen.

Ferner kommt noch ein zweiter, ebenfalls bereits erwähnter Vorteil hinzu, welcher sich auf den Vorgang des Wärmeaustausches bezieht. Betrachtet man die Ausführungsform gemäß Fig. 2 und nimmt man an, daß die Strahlung in Richtung des Pfeils F ein-

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fällt, so ist erkennbar, daß sämtliche Rohre durch diese Strahlung getroffen werden, wobei jedoch in Höhe der geraden Abschnitte der Wellungen die parasitären Reflexionen Vielfachreflexionen an den Wellungen erzeugen, so daß die Gesamtabsorption somit deutlich vergrößert wird.

Somit entspricht, wie bereits gesagt, die Auffangfläche der abgewickelten Oberfläche der Platte, wobei die eine parasitäre Zurückstrahlung ermöglichende Oberfläche auf die ebene Projektion dieser Oberfläche beschränkt ist, so daß die Verluste ebenfalls auf ein Minimum reduziert sind.

Die Platte und die Rohre können entweder metallisch oder aus Kunststoffmaterial hergestellt sein durch Gießformen oder Warmformen, wobei das Material im letzteren Fall dasselbe sein kann.

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Leerseite

Claims (15)

1. Ansprüche

   Wärmeaustauschvorrichtung zum Einfangen von Strahlungsenergie mit Einfangplatten, welche an ihrer der Strahlungsenergie entgegengerichteten Fläche allgemein mit einer absorbierenden Beschichtung versehen und derart miteinander vereinigt sind, daß sie zwischen sich Kanäle zur Zirkulation eines Wärmetransportfluids bilden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einfangplatte vorgesehen ist, welche eine Abstützung für ein schlangenförmig ausgebildetes kontinuierliches Rohr zur Zirkulation des Wärmetransportfluids bildet, wobei die Rohrschlange mit ihren Längsabschnitten in Rillen der Einfangplatte eingelassen und mit dieser am Boden der Rillen einstückig verbunden ist, vorzugsweise über die gesamte Länge und über die gesamte oder teilweise äußere Oberfläche, welche im Kontakt mit den Lnngsabschnitten steht, und daß die Platte ein gewelltes Profil aufweist, welches zwischen den gekrümmten Verbindungsteilen gerade Segmente enthält, und daß die Rillen und das Rohr, welches sich mit seinen Längsabschnitten in diesen einstückig verbunden befindet, im wesentlichen in der Mitte der geraden Segmente angeordnet sind.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte das gewellte Profil in einer Ebene enthält, welche im wesentlichen rechtwinklig zur allgemeinen Richtung der Länpsabschnitte liegt, wobei die durch die geraden Segmente und ihre gekrümmten Verbindungsteile gebildeten Vertiefungen der Wellungen in die allgemeine Richtung der Strahlungsenergie gerichtet sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte in einer zu den Längsabschnitten der Schlangenlinie im wesentlichen parallelen Richtung eine gewellte

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   ORIGINAL INSPECTED

   Form aufweist, welche wenigstens ein U-Profil mit verlängerten Schenkeln bildet.
4. 4·. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr einen zylindrischenQuerschnitt aufweist, wobei die Rillen einen entsprechenden Querschnitt haben.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte aus Metall besteht.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das die Platte bildende Metall, insbesondere seine der Strahlungsenergie entgegengerichtete Oberfläche, im rohen Zustand ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das die Platte bildende Metall, insbesondere an seiner der Strahlungsenergie entgegengerichteten Oberfläche, durch Oxydation oberflächenbehpndelt ist.
8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr mit der Platte durch Schweißen mit Zinn einstückig verbunden ist.
9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte aus einem synthetischen Material besteht, welches durch Formgießen oder Warmformen geformt ist.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dns Zirkulationsrohr aus im wesentlichen demselben Material wie die Platte besteht und mit dieser durch alle bekannten Mittel verbunden ist.
11. 11. Vorrichtung zur Gewinnung von Strahlungsenergie, insbe-

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    sondere direkter oder diffuser Sonnenenergie, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch wenigstens eine Wärmeaustauschvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 gebildet ist·
12. 12. Vorrichtung nach /nspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch eine Mehrzahl der Wänneaustauschvorrichtungen gebildet ist, wobei das Zirkulationsrohr Endverbindungsstücke aufweist, welche einen Anschluß des Rohrs in Serie, parallel oder in Serie und parallel ermöglicht.
13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Wärmeaustausch mit einer Vorrichtung zur Energieverteilung, insbesondere einem Ventilator-Konvektor, verbunden ist.
14. 14·· Wärmeaustauschvorrichtung mit Einfangplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 13_f dadurch gekennzeichnet, daß die Einfangplatte mit gewelltem Profil ein Volumen aufweist, welches es ermöglicht, daß die Einfangplatte zwischen zwei zueinander parallele Ebenen angeordnet wird, wobei sie im Inneren einer Verkleidung angeordnet ist, welche insbesondere eine zu den beiden Ebenen parallele verglaste Oberfläche aufweist, die gegen die mittlere Richtung der bevorzugten Strahlung gerichtet ist.
15. 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der beiden Ebenen im wesentlichen der Teilung des gewellten Profils der Platte benachbart ist·

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