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Solare Heizungs/Kraftwerksanlage
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Die Erfindung betrifft eine Solare Heizungs Airaftwerksanlage mit
einer Wärmequelle, einer Wärmesenke und einen geschlossenen Kreislauf nerstellenden
Vor- und Rücklaufleitungen.
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Anlagen der genannten Art werden im allgemeinen mit Solarkollektoren
als Wärmequelle betrieben, welche mit flüssigem oder gasförmigem Wärmetransportmediurn
gekühlt werden. Gewöhnlich sind der Kollektor und die Wärmesenke in einem Kreislauf
angeordnet, in dem das Wärmetransportmedium zirkuliert.
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Die irkulaticn des tiediums im Kreis laut basiert auf einem positiven
Drucksefulle, das entweder mittels mechanischer Pumpell von außen oder durch innere
Antriebskräfte aufgebracht wird. 3ekannte innere Pumpef ekte sind Kapillarkräfte,
wle sie z.B. in Wärmerohren wirksam sind, oder der Thermosyphoneffekt, welcher auf
der Dichteänderung des zirkulierenden I»lediums infolge Erwärmung oder Abkühlung
beruht, wobei das wärmere medium nach oben steigt und kälteres nach unten sinkt.
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Sowohl mechanische Pumpen als auch die genannten inneren Pumpeffekte
weisen eine Zahl von Nachteilen auf. Hechanische Pumpen benötigen einen Antrieb,
der Energie verbraucht und dessen Leistung kontinuierlich dem solaren Energleangebot
angepaßt werden muß, wenn die Kollektorauslauftemperatur des Wärmetransportmediums
möglichst gleich bleiben soll. Da Solarkraftwerksanlagen elektrischen Strom im Inselbetrieb
erzeugen sollen, müssen zusätzliche elektrische Batterien für den Betrieb des Kollektcrkreislaufs
bereitgestellt werden. Außerdem stellen sich bei geforderter Konstanz der Kollektorauslauftemperatur
erhöhte Ansprüche an Regel einrichtungen und Kreislaufarmaturen ein.
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Von den inneren Pumpeffekten kommt in begrenztem Umfang nur die Thermosyphonwirkung
als ausreichende Antriebskraft in Frage, da Kapillardruckdifferenzen in der notwendigen
Größenordnung mit den üblichen Wärmetransportmedien technisch bisher nicht ausreichend
realisiert werden konnten. Zwar besitzt der Thermosyphoneffekt gegenüber mechanischen
Pumpen den Vorteil, daß sein Funktionieren unabhängig von einer äußeren Kraft ist,
d.h. die Zirkulation setzt ein sobald die aufsteigende Flüssigkeit die Reibungsverluste
im Kreislauf überwinden kann.
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Dieser Vorteil kann aber nur in begrenztem Maße als alleinige Putnpkraft
ausgenutzt werden, da im stationären bzw. quasi-
stationären Betrieb
die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke als alleinige Antriebskraft
zu gering ist, so daß wiederum zusätzliche mechanische Pumpen im Kreislauf angeordnet
sein müssen.
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Die Begrenzung der inneren Pumpkraft geht nicht nur von der Wärmequelle,
d.h. den Kollektoren aus, auch die Wärmesenke, d.h. der Wärmetauscher oder der Speicher
bestimmen in Abhängigkeit von ihren Arbeitsbedingungen die mögliche Aufwärm-Spanne
in den Kollektoren.
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Hinzu kommt eine Behinderung der Zirkulation durch Durchlußstellorgane,
wie sie im allgemeinen an Kollektoren zur Einstellung der Kollektorauslauftemperatur
verwendet werden.
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Aus Vorstehendem ergibt sich, daß bisher bekannte Solaranlagen unter
technischen Unzulänglichkeiten der geschilderten Art und unverhältnismäßig hohem
daraus resultierendem Kostenaufwand leiden, so daß ein Einsatz solcher Anlagen in
wirtschaftlich spürbarem Ausmaß bisher nicht realisiert werden konnte.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solare Heizungs/Kraftwerksanlage
zu schaffen, welche ohne mechanische Pumpen auskommt und außerdem selbstregelnd
funktioniert.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Wärmetransportmedium
im Kreislauf eine Flüssigkeit mit geringer Verdampfungsenthalpie verwendet wird,
daß innerhalb der Wärmesenke ein Ausgleichsbehälter vorgesehen ist, daß die Vorlaufleitung
durch den Ausgleichsbehälter hindurchgeführt wird und daß die Verbindungsleitung
am Behältergrund porös dampfblasenundurchlässig ausgebildet ist.
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Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß bis auf ein Rückschlagventil alle bisher benötigten Kreislaufarmaturen entfallen.
Die Zirkulation des Wärmetransportmediums funktioniert ohne zusätzliche Energieversorgung.
Der Kreislauf startet automatisch sobald die Temperatur in den Kollektoren über
die Speichertemperatur ansteigt. Das Entleeren des Kollektors im Winter entfällt,
da bei der Wahl des Wärmetransportmediums die Schmelztemperatur berücksichtigt werden
kann. Der Kreislauf arbeitet mit dem entsprechenden Wärmetransportmedium bei jeder
Temperatur; insbesondere wird die Effizienz der Anlage dadurch erhöht, daß eine
automatische Anpassung der Kollektorbetriebstemperatur an die Wärmesenkentemperatur
stattfindet.
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen
bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind, nachfolgend näher erläutert. Es
zeigen: Fig. 1 das Grundprinzip einer solaren Heizungs-Kraftwerks anlage; Fig. 2
die schematische Darstellung eines solaren Hausheizungssystems; Fig. 3 das Grundprinzip
einer solaren Heizungs/Kraftwerksanlage mit konstanter Kollektorbetriebstemperatur;
Fig. 4 das Grundprinzip einer solaren Kraftwerksanlage.
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Gemäß Fig. 1 ist nach dem Grundprinzip der Erfindung eine Wärmequelle
1, eine Wärmesenke 2, eine obere und untere erbindungsleitung 3a, 3b, ein Ausgleichsbehälter
4 und ein Im Kreislauf zirkulierendes Wärmetransportmedium 5 vorgesehen.
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Die treibende Kraft für die Zirkulation des Wärmetransportmediums
in diesem hermetisch abgeschlossenen Kreislauf resultiert aus der Dichteänderung
beim Phasenwechsel (Verdampfung -Kondensation) des Wärmetransportmediums.
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Das eingefüllte Wärmetransportmedium genügt folgenden Anforderungen:
Der Systemdruck im Kreislauf darf bei der oberen Betriebstemperatur nicht den Kollektor
überbeanspruchen, d.h. der Dampfdruck des Wärmetransportmediums muß gering sein.
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Das Wärmetransportmedium hat einen möglichst niedrigen Schmelzpunkt,
damit der Kreislauf im Winter nicht entleert werden muß.
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Das Wärmetransporünedium weist eine geringe Verdampfungsenthalpie
auf, damit schon bei kleinen Sonnenintensitäten möglichst viele Dampfblasen als
Antrieb für die.Zweiphasenzirkulation gebildet werden. Das Wärmetransportmedium
ist verträglich mit den metallischen Kreislaufkomponenten, nicht brennbar, nicht
toxisch und billig.
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Ein Wärmetransportmedium, welches den genannten Anforderungen genügt,
ist z.B. Freon 215 oder Freon 214. In begrenztem Maße kommen auch Alkohole, wie
Methanol und Äthanol in Betracht.
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Im einzelnen funktioniert dieser Kreislauf wie folgt: An der Wärmequelle
1 bilden sich aufgrund der mit Q SOLAR bezeichneten Sonneneinstrahlung Dampfblasen,
welche wegen ihrer ge-
ringen Dichte im Kreislauf nach oben steigen.
Dabei wirkt auf die über den Blasen stehende Flüssigkeit eine Schubkraft, so daß
sich auch die Flüssigkeit in die gleiche Richtung bewegt.
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Ein Gemisch aus Dampf und Flüssigkeit, welches hier als Zweiphasenströmung
bezeichnet werden soll, verläßt die Ulärmequelle und gelangt über die im Kreislauf
oben angeordnete Verbindungsleitung 3a zur Wärmesenke. In der Senke kondensiert
der Dampfanteil der Strömung aus und eine reine Flüssigkeitsströmung bewegt sich
in der unteren Verbindungsleitung 3b zur Wärmequelle zurück. Damit ist der Kreislauf
geschlossen. Die Pumpwirkung steigt in diesem Zweiphasennaturumlauf mit der solaren
Einstrahlung, d.h. eine größere absorbierte Wärmemenge in der Wärmequelle bedeutet
einen höheren Dampfanteil in der Zweiphasenströmung und damit eine geringere Dichte
gegenüber der reinen Flüssigkeitsströmung. Die Aufgabe des Ausgleichsbehälters 4
(8) ist im folgenden mitbeschrieben.
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Gemäß Fig. 2 dient als Wärmequelle ein üblicher Flachplatten-Wärmekollektor
6. Weiter sind vorgesehen ein Wärmetauscher 9 und ein Ausgleichsbehälter 8, welche
beide in einem Wärmespeicher 7 angeordnet sind. Im Ausgleichsbehälter 8 ist am Behältergrund,
wie bereits beschrieben, ein Teil der Rohrleitung 11 durch eine poröse dampfblasenundurchlässige
Rohrwand als Filterrohr ersetzt, so daß die von den Blasen aus dem Kreislauf verdrängte
Flüssigkeit ungestört in den Behälter 8 gelangen kann.
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Damit sich nachts bzw. an Regentagen die lJärmetransportrichtung nicht
umkehrt, ist in der oberen Verbindungsleitung 11 ein Rückschlagventil 10 eingebaut.
Über eine Rücklaufleitung 12 ist der Kreislauf geschlossen.
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Die Funktion des Ausgleichsbehälters 8 ist im wesentlichen folgende:
Zum einen übernimmt er die aus dem Kreislauf verdrängte Flüssigkeit durch ein am
Behältergrund angeordnetes, dampfblasenundurchlässiges, poröses Filterrohr 3c (s.a.Fig.l)
ohne den Kreislaufdruck und damit die Verdampfungstemperatur
nennenswert
zu ändern. Zum anderen ist der Ausgleichsbehälter im Wärmespeicher angeordnet, so
daß die Temperatur im Wärmespeicher die Kreislaufbetriebstemperatur bestimmt, da
das Wärmetransportmittel im Ausgleichsbehälter nahezu die gleiche Temperatur annehmen
wird wie das Wärmespeichermedium im Speicher. Der Ausgleichsbehälter kann auch selbst
als Wärmespeicher dienen, so daß die Kreislaufbetriebstemperatur gleich der Speichertemperatur
ist.
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Die Temperaturanpassung von Wärmetransportmedium im Ausgleichsbehälter
und Speichermedium im Speicher stellt die selbstkontrollierte Regelung des Kollektorkreislaufes
dar: hat das Speichermedium eine Temperatur von 600C, dann verdampft das Wärmetransportmedium
in den Kollektoren bei etwa 620 C. Bei einer Schwimmbadheizung mit einer Wassertempera
tur von 16° C würde das Wärmetransportmedium in den Kollektoren bei etwa 180 C verdampfen.
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Ändert sich die Speichertemperatur beim Laden oder Entladen des Speichers,
so folgt ihr die Betriebstemperatur des Kollektorkreislaufes. Die Temperaturdifferenz
zwischen Absorberfläche und Speichermedium ist allgemein eine Funktion des Wärmeübergangsmechanismus.
Sie ist bei gleicher Wärmestromdichte etwa 100 mal kleiner beim Zweiphasennaturumlauf
nach.
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der Erfindung als beim reinen Flüssigkeitsnaturumlauf.
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In Fig. 3 ist gezeigt, wie sich nach der Erfindung eine konstante
Kollektorbetriebstemperatur - dargestellt mit zwei parallelgeschalteten Kollektoren
- realisieren läßt. Die Verdampfungstemperatur in den Kollektoren 30, 31 wird über
den Druck der Inert-Gaspufferung in einem Ausgleichsbehälter 34 konstant gehalten.
Der Gasdruck im Ausgleichsbehälter wird ebenfalls konstant gehalten. Dieses wird
dadurch erreicht,daß das Gas in einem flexiblen Gasraum,z.B. einer Gummiblase 35,
untergebracht
ist. Im Ausgleichsbehälter 34 ist, wie bereits beschrieben, ein Wärmetauscher 36
angeordnet.
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In der in Fig. 4 gezeigte-solare Kraftwerksanlage soll eine gleichbleibende
Dampfqualität in den Kollektoren 15 erzeugt werden. Der Kreislauf besteht aus zwei
Teilkreisläufen, der Vorwärmzone 16 mit einem Ausgleichsbehälter 17 und dem isothermen
Verdampfungskreislauf 15.
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Beide Teilkreisläufe sind in Reihe geschaltet. In der Vorwärnizone
16 wird das Kondensat von der Kondensationstemperatur auf die Verdampfungstemperatur
aufgeheizt. Das Kondensat wird mit einer Pumpe 18 in den Ausgleichsbehälter 17 gefördert.
Der Druck des Ausgleichsbehälters wird bei veränderlichem Flüssigkeitsniveau mittels
eines Inert-Gaspuffers konstant gehalten.
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Die Pumpe 18 braucht nicht geregelt zu werden, da nur so viel Flüssigkeit
aus dem Vorwärmungsteil der Verdampferzone zugeführt wird, wie dieser an Dampf entnommen
wird. Dieser Vorgang erfolgt automatisch. Der Ausgleichsbehälter 17 ist in einer
Höhe angeordnet, die sicherstellt, daß der gesamte Kollektorkreislauf im kalten
Zustand mit Flüssigkeit gefüllt ist. Sobald in den Kollektoren Dampfblasen entstehen,
bildet sich in einem höher gelegenen Dampfseparator 19 ein Dampfpolster aus, wobei
der zirkulierende Zweiphasenkreislauf nicht unterbrochen wird. Der von den Dampfblasen
aus dem Kreislauf verdrängte Flüssigkeitsanteil sammelt sich im Ausgleichsbehälter
17. Beide Kreislaufteile arbeiten nach dem Naturumlaufprinzip, so daß die Pumpe
nur für das in der Arbeitsmaschine abgebaute Druckgefälle des Kondensats aufkommen
muß. In der Vorwärmzone resultiert die innere Antriebskraft aus der Dichteänderung
der Flüssigkeit zwischen Kondensation und Verdampfung. Im isothermen Verdampfungskreislauf
15 resultiert die innere Antriebskraft +) 25 ++) 26
aus der Blasenbildung
bei der Verdampfung.
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Der im Dampfseparator 19 abgeschiedene Dampf gelangt über ein Absperrventil
20 zu einer bekannten Wärmekraftmaschine 21 o.ä.
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und von da zu einem Kondensator 22. Die Wä.rmekraftmaschine 21 kann
beispielsweise einen Generator antreiben. Der Kondensator 22 ist mit einer Kühlwasserleitung
23 und einer Kühlwasserpumpe 24 ausgerüstet.
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- Patentansprüche -
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