DE2740448A1

DE2740448A1 - Foam glass for use in solar collectors - as insulating and constructional material

Info

Publication number: DE2740448A1
Application number: DE19772740448
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl Chem Dr Beyer; Gerd Dipl Chem Dr Colling; Bert Dipl Ing Dr Meier; Karl Dipl Chem Dr Ruehl
Original assignee: Ruetgerswerke AG
Current assignee: Ruetgers Germany GmbH
Priority date: 1977-09-08
Filing date: 1977-09-08
Publication date: 1979-03-22

Abstract

Foam glass is used as a heat-insulating and constructional material for solar collectors. The foam glass may be made from glass powder, volcanic glass, basalt and/or waterglass. Solar collectors constructed from foam glass as load-bearing material with a heat-insulating function are also claimed. The materials are completely resistant to temps. of 550-600 degrees C, which are above those encountered even in high-temp. collectors. They have higher mechanical strength than organic foams, and can be made with a glazed, closed-cell surface, and can function both as the load-bearing housing and thermal insulation of the collector.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von anorganischenThe invention relates to the use of inorganic

Glas -Schaumstoffsystemen als Wärmedämmstoff-und Konstruktionsmaterial mit großer thermischer Belastbarkeit für Solarkollektoren. Glass foam systems as thermal insulation and construction material with high thermal load capacity for solar collectors.

Zur Nutzung der Solarenergie wurde schon eine Vielzahl von Kollektorkonstruktionen vorgeschlagen. Auch auf dem Markt werden bereits zahlreiche Kollektoren angeboten.A large number of collector designs have already been used to use solar energy suggested. Numerous collectors are already available on the market.

Für die Solarenergienutzung in unseren Breiten werden für die Brauchwasser-, Schwimmbad- und partielle Gebäudeheizung meistens Flachkollektoren empfohlen. Bei diesen Kollektorkonzeptionen werden die Sonnenstrahlen von einer wasserdurchströmten Kollektorabsorptionsfläche mit schwarzer Oberfläche adsorbiert und die eingefangene Wärmeenergie an das in einem Kreislauf zirkulierende Wärmeübertragungsmedium Wasser abgegeben. Zur Verhinderung von Wärmeverlusten ist die Kollektor-Absorptionsfläche in einem Kollektorgehäuse nach unten und an der Seite mit Dämmstoffmaterialien eingebettet. Die Wärmekonvektion nach oben wird durch eine Ein-oder Mehrfachabdeckung mit Glas- oder transparenten Kunststoffplatten erreicht.For the use of solar energy in our latitudes, domestic water, Swimming pool and partial building heating mostly recommended with flat plate collectors. at In these collector concepts, the sun's rays are flowed through by a water Collector absorption surface with black surface adsorbed and the trapped Heat energy to the heat transfer medium water circulating in a circuit submitted. The collector absorption surface is used to prevent heat loss embedded in a collector housing downwards and on the side with insulation materials. The heat convection upwards is ensured by a single or multiple cover with glass or transparent plastic plates.

Für die Solarenergienutzung in sonnenreichen Gegenden wurden sogenannte Hochtemperatur-Kollektoren entwickelt. Bei diesen Kollektor-Typen wird die Sonnenstrahlung durch Planhohl- oder Parabolspiegelsysteine auf einem meistens mit Wasser durchströmten Absorptionsflächenrohr fokusiert.For the use of solar energy in sunny areas, so-called Developed high temperature collectors. With these collector types the solar radiation through planar hollow or parabolic mirror systems on a mostly flowed through with water Focused absorption surface tube.

Dieses Kollektorkonstruktionsprinzip erlaubt die Herstellung von Dampf z.B. zur Stromerzeugung. Da die Betriebstemperaturen von Hochtemperaturkollektoren im Vergleich zu den Flachkollektoren bei etwa 200 bis 4000C liegen, erfordert dieser Kollektortyp zur Verhinderung von Wärmeverlusten nach unten eine äußerst temperaturbeständige Kollektorisolierung.This collector construction principle allows the production of steam e.g. to generate electricity. As the operating temperatures of high temperature collectors compared to the flat plate collectors are around 200 to 4000C, this requires Collector type to prevent heat loss down an extremely temperature-resistant Collector insulation.

Mit keinem dieser Kollektor-Konzeptionen ist jedoch bis heute im Vergleich zu den vorhandenen konventionellen Energiequellen eine wirtschaftliche Nutzung der Solarenergie möglich. Dies liegt an zu hohen Material- und Fertigungskosten und damit viel zu teueren Kollektoren und an dem unbefriedigenden Langzeitverhalten der Kollektoren und der Kollektor-Bauteil-Romponenten, die zum jetzigen Zeitpunkt eine Investition nicht rechtfertigen. Dies gilt vor allen Dingen für die zur Energiegewinnung so wichtige Kollektor-Isolierung zur Verhinderung von Wärmeverlusten.With none of these collector concepts is however in comparison to this day an economical use of the existing conventional energy sources Solar energy possible. This is due to high material and manufacturing costs and thus much too expensive collectors and the unsatisfactory long-term behavior the collectors and the collector component parts that are currently in use do not justify an investment. This applies above all to those used to generate energy So important collector insulation to prevent heat loss.

Die bei der Solarenergiegewinnung mit Flachkollektoren auftretenden Sollektor-Absortptionsflächentemperaturen liegen war im Regelfall bei max. etwa 90 bis 95 0C. Es entspricht aber dem Erkenntnisstand der Technik, daß die Kollektortemperaturen im Leerlauf, d.h. bei Ausfall der Pumpen und Stillstand des Primär-Wasser-Absorptions-Kreislaufes oder aber z.B., wenn das Speichertemperaturniveau bereits auf 95 bis 1000C aufgeheizt wurde, die Nollektor-Absorptionsflächen-Temperaturen bei ständiger Sonneneinstrahlung auf mindestens 140 bis 1600C, besonders bei der für unsere Breiten unbedingt erforderlichen 2-fach-Glasabdeckung,erreichen können. In Ausnahmefällen wurden bereits Temperaturbelastungen von 180 bis 2100C gemessen. Dieser Temperaturbelastung hält kein Polystyrol-, Polyurethan- oder Polyisocyanurat-Schaum stand. Polystyrol-Schaum schmilzt bereits bei Temperaturen um 100° C. Polyurethan (PU)- und Polyisocyanurat (PIC)-Schaum ist selbst bei niederen Temperaturen nicht sehr alterungsbeständig und erleidet bei Temperaturen von unter 1000C bereits einen oxidativen und thermischen Polymermolekülabbau, bei dem die Schaumstruktur zersetzt und der Schaum bröselig wird. Ein weiterer Nachteil von PU-Schaum ist die im Temperaturbereich von 100 bis 1500C unbefriedigende Hydrolysebeständigkeit.The ones that occur when generating solar energy with flat-plate collectors The target absorption surface temperatures were usually a maximum of about 90 to 95 0C. However, it corresponds to the state of the art that the collector temperatures idle, i.e. if the pumps fail and the primary water absorption circuit comes to a standstill Or, for example, if the storage tank temperature level has already been heated to 95 to 1000C the collector absorption surface temperatures with constant solar radiation to at least 140 to 1600C, especially the one that is absolutely necessary for our latitudes 2-fold glass cover. In exceptional cases, there have already been temperature loads measured from 180 to 2100C. No polystyrene, polyurethane or polyisocyanurate foam. Polystyrene foam already melts at temperatures around 100 ° C. Polyurethane (PU) and polyisocyanurate (PIC) foam is even at low levels Temperatures not very resistant to aging and suffers at temperatures below 1000C already has an oxidative and thermal degradation of polymer molecules, in which the Foam structure decomposes and the foam becomes crumbly. Another disadvantage of PU foam is the unsatisfactory resistance to hydrolysis in the temperature range from 100 to 1500C.

Wegen der geringen Temperaturbeständigkeit der organischen Polystyrol-, Polyurethan- und Polyisocyanurat-Dämmstoffe wird die Kollektor-Isolierung vielfach mit anorganischen Glas- oder Mineralfasern oder entsprechenden Mineralvliesmatten ausgeführt. Derartige anorganische Dämmstoffmaterialien sind temperaturbeständig, besitzen jedoch eine Reihe von Nachteilen: Die anorganischen Mineralfasermatten haben zwar eine ausreichende Wärmedämmwirkung, jedoch eine zu geringe Druckfestigkeit. Ein allgemeiner Nachteil der bekannten anorganischen Dämmstoffmaterialien ist, daß hiermit Kollektorisolierungen im Handeinlegeverfahren ausgeführt werden müssen, wodurch höhere Herstellkosten entsteh n. Auch zur Herstellung von Kollektor-Gehäuseformteilen mit Isolationswirkung sind sie u.a. wegen mangelnder Eigenfestigkeit nicht geeignet.Because of the low temperature resistance of the organic polystyrene, The collector insulation is often used for polyurethane and polyisocyanurate insulation materials with inorganic glass or mineral fibers or corresponding mineral fleece mats executed. Such inorganic insulation materials are temperature resistant, However, they have a number of disadvantages: The inorganic mineral fiber mats have an adequate thermal insulation effect, but their compressive strength is too low. A general disadvantage of the known inorganic insulation materials is that this means that collector insulation must be carried out by hand, which results in higher manufacturing costs. Also for the manufacture of molded collector housing parts With an insulating effect, they are not suitable, among other things, because of their lack of inherent strength.

Eine wesentliche Verbesserung bezüglich Temperaturbeständig keit und kostengünstiger Herstellung gegenüber den vorgenannten Dämmstoffsystemen erbringen Dämmstoffniaterialie» anf Basis eines Phenolharz enthaltenden duroplastischen Hartschaumstoffes. Diese in der deutschen Patentanmeldung 2 717 027 der Rütgerswerke AG vom 18.4.1977 beschriebene Dämmstoffsysteme für temperaturbeständige Solarkollektoren sind in erster Linie aus Gemischen von bituminösen Massen und/oder Teeren und Phenolharzen aufgebaut. Derartige Phenolharzschaumstoffsysteme besitzen gegenüber Polystyrol-, Polyurethan- und Polyisocyanurat-Schäumen den Vorteil, daß bei einer Temperaturbelastung im Temperaturbereich von 100 bis 200° C keine Zersetzung des Schaumstoffes durch Polymermolekülabbau stattfindet. Ein weiterer Vorteil der Phenolharz-Schaumstoffsysteme ist, daß sie kostengünstig sind und bei einer Temperaturbeanspruchung, insbesondere im Temperaturbereich von 100 bis 2000C ihre mechanischen und Dämmstoffeigenschaften nicht verlieren. Auch bei einer stärkeren Temperaturbelastung oberhalb von 200 bis 4000C bleibt die Dämmstoff-Funktion dieser Phenolharz-Schaumstoffsysteme vielfach erhalten, die mechanischen Eigenschaften, z.B. die Druckfestigkeit sinkt jedoch auf sehr geringe Werte.. Die Phenolharz-Dämmstoffsysteme sind deshalb nicht als tragende Konstruktionsteile mit Wärmedämmfunktion für Hochtemperatur-Solarkollektoren geeignet.A significant improvement in terms of temperature resistance and Provide cheaper production compared to the aforementioned insulation systems Insulation material based on a phenolic resin-containing rigid thermosetting foam. This in the German patent application 2 717 027 of the Rütgerswerke AG from April 18, 1977 Insulation systems described for temperature-resistant solar collectors are in primarily from mixtures of bituminous masses and / or tars and phenolic resins built up. Such phenolic resin foam systems have compared to polystyrene, Polyurethane and polyisocyanurate foams have the advantage that they are exposed to high temperatures No decomposition of the foam in the temperature range from 100 to 200 ° C Polymer molecule degradation takes place. Another advantage of the phenolic resin foam systems is that they are inexpensive and subject to temperature stress, in particular their mechanical and insulation properties in the temperature range from 100 to 2000C not lose. Even with a stronger one Temperature load above from 200 to 4000C the insulating function of these phenolic resin foam systems remains Preserved many times, the mechanical properties, e.g. the compressive strength, decrease however on very low values .. The phenolic resin insulation systems are therefore not as load-bearing structural parts with a thermal insulation function for high-temperature solar collectors suitable.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb, ein auch bei Temperaturen oberhalb 200° C geeignetes Dämmstoffmaterial verbesserter Temperaturbeständigkeit für kostengünstig herstellbare Solarkollektoren zu finden.The object of the present invention was therefore to provide an even at temperatures Above 200 ° C suitable insulation material with improved temperature resistance for inexpensive solar collectors.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man als Wärmedämmstoffmaterial (Kollektorisolations- und Formteilmaterial) ein Schaumglas verwendet. Solche Schaumgläser, wie z.B. Abfallglas, Basalt- und/oder Silikatschaumgläser können nach an sich bekannten Verfahren, wie z.B. nach DT-AS 1 115 177, DT-PS 1 212 691, DT-OS 1 596 407, DT-OS 1 596 628, DT-OS 1 671 243 und DT-OS 1 796 014, hergestellt werden. In erster Linie werden Schaumgläser aus pulverförmigem Glas, vulkanischem Glasmaterial, Basalt und/oder Wasserglas eingesetzt und insbesondere die nach DT-AS 2 121 574, DT-PS 2 215 047, DT-OS 2 237 460, DT-OS 2 510 732, DT-OS 2 524 981, DT-OS 2 534 874 und DT-OS 2 606 049 und auch nach DT-OS 2 453 882 erhaltenen Schaumgläser.According to the invention, this object is achieved in that the thermal insulation material (Collector insulation and molded part material) a foam glass is used. Such foam glasses such as waste glass, basalt and / or silicate foam glasses can be made according to known Procedure, e.g. according to DT-AS 1 115 177, DT-PS 1 212 691, DT-OS 1 596 407, DT-OS 1 596 628, DT-OS 1 671 243 and DT-OS 1 796 014. Primarily foam glasses made of powdered glass, volcanic glass material, basalt and / or Water glass used and in particular those according to DT-AS 2 121 574, DT-PS 2 215 047, DT-OS 2 237 460, DT-OS 2 510 732, DT-OS 2 524 981, DT-OS 2 534 874 and DT-OS 2 606 049 and also foam glasses obtained according to DT-OS 2,453,882.

Die erfindlugsgemäßen anorganischen Abfallglas/Basalt-Schaumstoffsysteme besitzen gegenüber den organischen Polystyrol-, Polyurethan-, Polyisocyanurat- und Phenolharz-Schaumstoffsystemen den Vorteil, daß sie selbst bis zu Temperaturbelastungen von etwa 550 bis 600°C absolut beständig sind. Ein weiterer Vorteil der anorganischen Schaumstoffsysteme gegenüber den organischen Dämmstoffmaterialien ist die höhere mechanische Festigkeit. So werden z.B. bei Raumgewichten von etwa 170 bis 180 kg/m3 ausreichend hohe Druckfestigkeitswerte bei mit organischen Dämmstoffmaterialien vergleichbarer Wärmeleitzahl erreicht.The inorganic waste glass / basalt foam systems according to the invention have compared to the organic polystyrene, polyurethane, polyisocyanurate and Phenolic resin foam systems have the advantage that they are themselves up to temperature loads are absolutely resistant from about 550 to 600 ° C. Another benefit of the inorganic Foam systems compared to organic insulation materials is the higher one Mechanic solidity. So are e.g. with densities of about 170 to 180 kg / m3 sufficiently high compressive strength values with organic insulation materials comparable coefficient of thermal conductivity achieved.

Gegenüber den vorgenannten anorganischen Mineralfaser-Kollektorisolierungen besitzen die erfindungsgemäßen Schaumstoffsysteme nicht nur den Vorteil größerer mechanischer Beständigkeit, Bruchfestigkeit, Biegefestigkeit, sondern zeichnen sich auch dadurch aus, daß sie durch Binde- und Glasurmittel-Zusätze wie z.B. spezielle Phosphat- oder Silikat- und Borat-Kombinationen nach DT-OS 2 356 524 mit einer glasierten geschlossenzelligen Oberfläche hergestellt werden können, was ihren guten Einsatz für die erfindungsgemäße Verwendung gewährleistet.Compared to the aforementioned inorganic mineral fiber collector insulation The foam systems according to the invention not only have the advantage of being greater mechanical resistance, breaking strength, flexural strength, but stand out also by the fact that they are made by binding and glazing additives such as special Phosphate or silicate and borate combinations according to DT-OS 2 356 524 with a glazed closed-cell surface can be produced, what their good use guaranteed for the use according to the invention.

Die erfindungsgemäßen Schaumstoffsysteme können auch in Kombination mit üblichen Dämmstoffmaterialien für Flach-und Hochtemperaturkollektoren verwendet werden, z.B. in einer Sandwich-Anordnung oder durch nachträgliches Aus-oder Überschäumen mit organischen Dämmstoffsystemen. Zur Verhinderung von Rißbildungen und zur Erhöhung des Kälte-Wärme-Wechselverhaltens kann das erfindungsgemäße Schaumstoffsystem anorganische und/oder organische Fasern, wie z.B. Glas, Asbest- oder Kohlenstoff-Fasern enthalten.The foam systems according to the invention can also be used in combination used with common insulation materials for flat and high temperature collectors e.g. in a sandwich arrangement or by subsequent foaming or foaming over with organic insulation systems. To prevent cracking and increase the cold-heat change behavior, the foam system according to the invention can be inorganic and / or contain organic fibers such as glass, asbestos or carbon fibers.

Die Erfindung betrifft auch Solarkollektoren, die dadurch gekennzeichnet sind, daß ihre Konstruktionsteile mit Wärmedämmfunktion aus dem erfindungsgemäß verwendeten Schaumstoffsystem aufgebaut sind. Der Aufbau kann durch Verwendung von Schaumstoffplatten oder durch Ausschäumen eines Metallkollektorgehäuses oder Unterschäumen von Metallabsorptionsflächen erfolgen. Die zur Wärmeabsorption erforderlichen Kollektorbauteilez wie zB.- Kollektorabsorptionsflächen-oder Rohranschlüsse, können in das aus Formteil dem Wärmedämm-Material bestehende/eingelegt oder ebenfalls ausgeschäumt werden. Es können auch durch Formausschäumung erhaltene Wärmedämmformteile mit Integral-Schaum-Struktur und auf Wunsch glasierter geschlossenzelliger Außenoberfläche verwendet werden. Die hohe mechanische Festigkeit des erfindungsgernäßen Dänmstoffmaterials und die Möglichkeit der Herstellung von glasierten geschlossenzelligen Außenoberflächen erlaubt die herstellung von Flach- und Hochtemperatur-Kollektor-Konzeptionen, bei denen das Dä.mmstoffsystem gleichzeitig die Isolationsfunktion und die tragende Kollektorgehäusefunktion übernimmt. Ein Kollektorgehäuse als tragendes Konstruktionsteil für das Dämmstoffmaterial ist nicht mehr erfo derli ch. Die erfiidungsgemäflen Schaumformteile können in beliebiger Form als Platten, Halbschalen oder kastenförrnige Körper hergestellt werden. Als Dichtullgsmassen werden elastische Kunststoff- oder Kaut schiik-Di chtungssys teme, zweckmäßigerweise elastische Epoxidharz-Kombinations-Dichtungsmassen, verwendet.The invention also relates to solar collectors, which are characterized are that their structural parts with thermal insulation function from the invention foam system used are constructed. Build can be done using Foam sheets or by foaming a metal collector housing or under foaming made of metal absorption surfaces. The collector components required for heat absorption such as collector absorption surfaces or pipe connections can be made of molded part the thermal insulation material existing / inserted or likewise foamed will. Molded thermal insulation parts with an integral foam structure obtained by foam molding can also be used and, if desired, a glazed, closed-cell outer surface can be used. The high mechanical strength of the inventive Danish material and the Possibility of producing glazed, closed-cell external surfaces allows the production of flat and high temperature collector concepts, at where the insulation system has both the insulating function and the load-bearing function Takes over the collector housing function. A collector housing as a load-bearing structural part for the insulation material is no longer required. The molded foam parts according to the invention can be produced in any shape as plates, half-shells or box-shaped bodies will. Elastic plastic or rubber gasket systems are used as sealing compounds teme, expediently elastic epoxy resin combination sealing compounds used.

Claims

Insulation and construction material for solar collectors P a t e n t a n s p r ü c h e Use of foam glass as insulation and construction material for solar collectors.

2. Use according to claim 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t that foam glasses made of powdered glass, volcanic glass material, basalt and / or water glass is used.

3. Use according to claim 1 or 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a sight glass according to DT-AS 2 121 574, DT-PS 2 215 047, DT-OS 2 237 460, DT-OS 2 453 882, DT-OS 2 510 732, DT-OS 2 524 981, DT-OS 2 534 874 and DT-OS 2 606 049 used foam glass.

4. Use according to one of claims 1 to 3, d a -d u r c h g e It is not indicated that the foam glasses can be combined with conventional insulation materials used.

5. Use according to one of claims 1 to 4, d a -d u r c h g e it is not noted that the foam glasses are inorganic and / or organic fibers contain.

6. Solar collector, which does not indicate that its load-bearing structural parts with thermal insulation function from one of the claims 1 to 5 foam material used are constructed with or without reinforcement.