DE2804411A1 - Sonnenkollektor mit einem verdampfungs-kondensations-system - Google Patents

Sonnenkollektor mit einem verdampfungs-kondensations-system

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DE2804411A1 DE19782804411 DE2804411A DE2804411A1 DE 2804411 A1 DE2804411 A1 DE 2804411A1 DE 19782804411 DE19782804411 DE 19782804411 DE 2804411 A DE2804411 A DE 2804411A DE 2804411 A1 DE2804411 A1 DE 2804411A1
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Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH, Steindamm 94, 2000 Hamburg 1
Sonnenkollektor mit einem Verdampfungs-Kondensations-System
Die Erfindung bezieht sich auf einen Sonnenkollektor mit einem ebenen metallenen Absorber für Sonnenstrahlung und mindestens einem langgestreckten, durch Metallwände begrenzten und ein verdampfbares Wärmetransportmittel enthaltenden geschlossenen Kanal, der einen mit dem Absorber in Wärmekontakt stehenden Verdampferbereich sowie einen im Betrieb räumlich höher liegenden Kondensorbereich besitzt.
Das im kalten Zustand flüssige Wärmetransportmittel sammelt sich normalerweise im Verdampferbereich des geschlossenen Kanals. Wenn dieser über den Sonnenenergieabsorber erhitzt wird, erwärmt sich das Wärmetransportmittel und steigt im Kanal in Form von Dampf nach oben in den Kondensorbereich, wo es kondensiert und damit seine Verdampfungswärme abgibt, wonach es in flüssiger Form wieder in den Verdampferbereich zurückfließt.
Bei einem bekannten Sonnenkollektor dieser Art (vgl. Arbeits-PHD 78-012 - 5 -
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gemeinschaft Solarenergie e.V., Bericht zur Veranstaltung vom Febr. 1977 in Essen) steht eine geschwärzte Absorberplatte über ihre gesamte Länge mit einem sogenannten Wärmerohr in Wärmekontakt, das in seinem Innern mit einer Kapillarstruktur versehen ist, welche zum Rücktransport des kondensierten Wärmetransportmittels dient. Gleichzeitig bewirkt die Kapillarstruktur, daß auch im kalten Zustand des Sonnenkollektors stets ein Teil des Wärmetransportmittels gleichmäßig über die Wand des Verdampferbereichs verteilt ist. Dies ist wichtig für ein schnelles Anlaufen des Wärmerohres beim Erhitzen des Sonnenkollektors.
Wärmerohre mit einer inneren Kapillarstruktur sind jedoch teuer und umständlich in der Herstellung. Man hat daher auch schon Verdampfungs-Kondensations-Systeme für Sonnenkollektoren mit einem geschlossenen Kanal ohne Kapillarstruktur hergestellt (DE-OS 2 601 976). Hierbei fließt das im Kondensorbereich kondensierte Wärmetransportmittel aufgrund der Schwerkraft wieder in den Verdampferbereich zurück. Im kalten Zustand sammelt sich aber das ganze Wärmetransportmittel unten im Verdampferbereich, so daß es bei Erwärmung relativ lange dauert, bis genügend Wärmetransportmitteldampf zum Wärmetransport vom Verdampferbereich zum Kondensorbereich zur Verfügung steht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sonnenkollektor mit einem Verdampfungs-Kondensations-System ohne Kapillar-
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struktur zu schaffen, bei dem dennoch ein Teil des Wärmetransportmittels auch im kalten Zustand gleichmäßig über den Verdampferbereich verteilt ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Sonnenkollektor eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Verdampferbereich eine Anzahl über seine Länge mit Abstand voneinander verteilter Ausbuchtungen zum Auffangen des unter dem Einfluß der Schwerkraft zum Verdampferbereich zurückfließenden kondensierten Wärmetransportmittels aufweist.
Beim Erhitzen des Verdampferbereichs über den Absorber erwärmt sich somit nicht nur das am unteren Ende des Verdampferbereichs gesammelte Wärmetransportmittel, sondern auch das in den Ausbuchtungen aufgefangene Wärmetransportmittel. Hierdurch wird erreicht, daß bei Wärmezufuhr innerhalb relativ kurzer Zeit genügend Wärmetransportmitteldampf zur Verfügung steht, um den Wärmetransport in Gang zu setzen.
Die Ausbuchtungen können sich in der Ebene des Absorbers oder parallel dazu erstrecken; sie können sich auch quer dazu erstrecken.
Vorzugsweise ist der Verdampfer-Kondensor-Kanal als geschlossenes Rohr ausgebildet, das mit dem plattenförmigen Absorber in Wärmekontakt steht und in seinem Verdampferbereich mit den Ausbuchtungen für das kondensierte Wärmetransportmittel ver-
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sehen ist. Hierbei können in dem plattenförmigen Absorber Aussparungen zum Einsetzen der Ausbuchtungen des Verdampfer-Kondensor-Rohres vorgesehen sein.
Der Absorber kann auch aus zwei miteinander verbundenen Metallplatten bestehen, die in rinnenartigen Vertiefungen den Verdampferbereich des geschlossenen Verdampfer-Kondensor-Rohres einschließen, wobei in mindestens einer der Metallplatten Öffnungen zum Herausragen der Ausbuchtungen des Rohres vorgesehen sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Sonnenkollektors nach der Erfindung bilden der Absorber und der Verdampferbereich eine Einheit, bestehend aus zwei miteinander verbundenen Metallplatten, von denen mindestens eine eine rinnenartige Vertiefung zur Bildung des Verdampferkanals aufweist, wobei die mit dem Verdampferkanal in Verbindung stehenden Ausbuchtungen zum Auffangen des kondensierten Wärmetransportmittels als Ansätze der rinnenartigen Vertiefung ausgebildet sind, die z.B. seitlich nach unten gerichtet sein können.
Vorzugsweise sind der Absorber und der Verdampferbereich in einer evakuierten Hülle aus durchsichtigem Material untergebracht. Hierdurch werden die Wärmeverluste des Sonnenkollektors auf ein Minimum herabgesetzt.
Benutzt man ein Wärmetransportmittel mit einer kritischen
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Temperatur T,, die der maximalen Betriebstemperatur der mit dem Kondensorbereich zusammenwirkenden Heizanlage entspricht, und einem kritischen Druck P- kleiner als 6 MPa, so wird erreicht, daß beim Überschreiten der kritischen Temperatur im Verdampfungs-Kondensations-System - bei Leerlauf der Heizanlage oder bei Überangebot von Sonnenenergie - der Kreislauf von Wärmetransportmitteldampf und zurückfließendem kondensiertem Wärmetransportmittel unterbrochen wird, wodurch ein Temperaturbegrenzungseffekt der Heizanlage auftritt und somit eine Überhitzung derselben in einfacher Weise vermieden wird. Nach Abkühlung des Wärmetransportmittels unter dessen kritische Temperatur setzt der Wärmetransport wieder ein. Wird in der Heizanlage als Wärmeträger wie üblich Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch verwendet, so sollte die kritische Temperatur des Wärmetransportmittels im Verdampfungs-Kondensations-System den Wert von 1200C nicht überschreiten. Einige geeignete Wärmetransportmittel dieser Art sind in nachstehender Tabelle aufgeführt (Freon ist ein durch Warenzeichen geschützter Handelsname).
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Wärmetransportmittel krit. Temp. (T^) krit. Druck (Pk)
0C Bar
112 41,2
96 49,8
106 44,2
82 40,7
67 39,6
115 27,8
96,8 43,4
Preon 12
Freon 22 (CHF2Cl)
Freon 500 2232
Freon 502 (CHF2Cl/CClF2-CF3)
Freon 13B1 (CBrF3)
Freon C 318 (C4F8)
Propan (C3H8)
Einige Ausführungsbeispxele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht von unten auf einen Sonnenkollektor mit einer Absorberplatte und einem Verdampfer-Kondensor-Rohr.
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II durch den Sonnenkollektor nach Figur 1.
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III durch den Sonnenkollektor nach Figur 1.
Fig. 4 eine Ansicht von unten auf einen Sonnenkollektor mit einer Absorberplatte und zwei Verdampfer»Kondensor-Rohren.
Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V durch den Sonnenkollektor nach Figur 4.
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Fig. 6 einen Seitenschnitt durch einen weiteren Sonnenkollektor nach der Erfindung.
Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie VII-VII des Sonnenkollektors nach Fig. 6.
Fig. 8 eine andere Ausführungsform eines Sonnenkollektors nach der Erfindung in auseinandergezogenem Zustand.
Fig. 9 einen Schnitt durch den Sonnenkollektor nach Figur 8 nach dem Zusammenbau.
Fig. 10 einen Sonnenkollektor nach der Erfindung mit einem zwischen zwei Absorberplatten angeordneten Verdampfer-Kondensor-Rohr.
Fig. 11 einen Sonnenkollektor, bestehend aus zwei miteinander verbundenen Absorberplatten mit zwei integrierten Verdampferkanälen.
Fig. 12 einen Schnitt längs der Linie XII-XII durch den Sonnenkollektor nach Figur 11.
Fig. 13 einen Schnitt längs der Linie XIII-XIII durch den Sonnenkollektor nach Figur 11.
Fig. 14 einen Längsschnitt durch einen in einer Vakuumhülle untergebrachten Sonnenkollektor nach Figur 1.
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Der Sonnenkollektor nach den Figuren 1 bis 3 besitzt einen ebenen metallenen Absorber 1, der z.B. aus einer an ihrer Oberseite mit Nickel- oder Kupferoxid bzw. -sulfid beschichteten Aluminiumplatte besteht. Mit dem Absorber 1 ist, z.B. durch Löten oder Schweißen, ein geschlossenes Rohr 2 aus Metall verbunden, das im Bereich des Absorbers 1 als Verdampfer 3 und mit seinem über den Absorber 1 hinausragenden Teil als Kondensor 4 für ein im Rohr 2 befindliches Wärmetransportmittel 5 wirkt. Ein derartiges Verdampfer-Kondensor-Rohr 2 bezeichnet man auch als Wärmerohr. Im Kondensorbereich 4 ist das Rohr 2 mit einer Anzahl flanschartiger Wärmeaustauscher 6 versehen, die von dem Wärmetransportmedium, z.B. Wasser, einer mit dem Sonnenkollektor zusammenwirkenden, nicht dargestellten Heizanlage umspült werden.
Im Betrieb wird der Sonnenkollektor so angeordnet, daß der Kondensor 4 räumlich höher liegt als der Verdampfer 3» sodaß sich das flüssige Wärmetransportmittel 5 normalerweise unten im Verdampf er 3 sammelt. Wird der Absorber 1 und damit der Verdampferbereich 3 des Rohres 2 durch Sonnenstrahlung erhitzt, entsteht ein Kreislauf von Wärmetransportmitteldampf, der im Kondensorbereich 4 kondensiert, und flüssigem Wärmetransportmittel 5, das aufgrund seiner Schwerkraft entlang der glatten Innenwand des Rohres 2 wieder in den Verdampferbereich 3 zurückfließt. Hierbei gibt der Dampf seine Wärme im Kondensorbereich 4 an die Wärmeaustauscher 6 ab, wo sie für
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Nutzzwecke verwendet werden kann.
Damit für diesen Wärmekreislauf über den gesamten Verdampferbereich 3 des Wärmerohres 2 genügend Wärmetransportmittel 5 zur Verfügung steht, ist der Verdampferbereich 3 des Wärmerohres 2 mit einer Anzahl über seine Länge mit Abstand voneinander verteilter Ausbuchtungen 7 zum Auffangen des unter dem Einfluß der Schwerkraft zurückfließenden kondensierten Wärmetransportmittels 5a versehen. Die Ausbuchtungen 7 erstrecken sich in diesem Fall parallel zur Ebene des Absorbers 1.
Der Sonnenkollektor nach den Figuren 4 und 5 unterscheidet sich von dem nach den Figuren 1 bis 3 lediglich dadurch, daß der ebene metallene Absorber 1 mit zwei Wärmerohren 2 versehen ist, die beide Ausbuchtungen 7 zum Auffangen des kondensierten Wärmetransportmittels aufweisen.
Bei dem Sonnenkollektor nach den Figuren 6 und 7 sind die Ausbuchtungen 7 zum Auffangen des zurückfließenden Warmetransportmittels an der Unterseite des Wärmerohres 2 im Verdampferbereich 3 angeordnet.
Gemäß den Figuren 8 und 9 ist der plattenförmige Absorber 1 mit Aussparungen 8 zum Einsetzen der nach unten ragenden Ausbuchtungen 7 des Wärmerohres 2 versehen. Nach dem Zusam-
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menbau ragen die Ausbuchtungen 7 in den plattenförmigen Absorber 1 hinein.
Bei dem Sonnenkollektor nach Figur 10 besteht der Absorber 21 aus zwei miteinander verbundenen Metallplatten 9 und 10, welche mit rinnenartigen Vertiefungen 11 versehen sind, welche den Verdampferbereich 3 eines Wärmerohres 2 einschließen. In mindestens einer der Metallplatten 9 und 10 bzw. ihrer Vertiefungen 11 sind Öffnungen 12 zum Hindurchtreten von Ausbuchtungen des Wärmerohres 2 vorgesehen. Axial verschoben können in der unteren Platte 10 ebenfalls Öffnungen vorhanden sein, durch die nach unten gerichtete Ausbuchtungen hinausragen.
Auch der Sonnenkollektor nach den Figuren 11 bis 13 besitzt einen Absorber 21, der aus zwei, z.B. nach dem Rollbond-Verfahren, miteinander verbundenen Metallplatten 9 und 10 besteht, von denen die obere zwei rinnenartige Vertiefungen 11 zur Bildung von zwei Verdampferkanälen 13 aufweist, welche an ihren unteren Enden geschlossen, mit einem Wärmetransportmittel gefüllt und an ihren oberen Enden mit geschlossenen Kondensorkanälen 24 verbunden sind. Hierbei bilden der Absorber 21 und die Verdampferkanäle 13 eine bauliche Einheit. Die obere Metallplatte 9 ist derart verformt, daß die Verdampferkanäle 13 mit über ihre Länge verteilten seitlich nach unten gerichteten Ansätzen 17 zur Bildung von Ausbuchtungen zum Auffangen des zurückfließenden kondensierten Wärmetransport-
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mittels versehen sind. Die ansatzartigen Ausbuchtungen 17 erstrecken sich hierbei in der Ebene des Absorbers 1.
Gegebenenfalls können die beiden Verdampferkanäle 13 am Anfang und Ende - bei langen Sonnenkollektoren auch an einzelnen Stellen dazwischen - miteinander verbunden sein. In diesem Fall würde ein zentraler Kondensorkanal 24 genügen.
Gemäß Fig. 14 ist der Sonnenkollektor nach Fig. 1 mit seinem selektiven plattenförmigen Absorber 1 und dem Verdampferbereich 3 des Wärmerohres 2, das in seinem Kondensorbereich 4 die Wärmeaustauscher 6 aufweist, in einem Abdeckrohr 14 aus Weichglas untergebracht. Das Abdeckrohr 14 besitzt einen runden Querschnitt und ist an seiner vorderen Stirnfläche 15 verschlossen. Seine hintere Stirnfläche 16 besteht aus Bleiglas und ist mit einem um das Wärmerohr 2 liegenden zylindrischen Metallstutzen 18 aus z.B. Kupfer oder einer Nickel-Eisen-Legierung vakuumdicht verbunden. Der Metallstutzen 18 geht in eine dünnwandige Metallhülse 19, z.B. aus Messing oder Edelstahl, über, welche mit dem Wärmerohr 2 vakuumdicht verbunden ist. Durch diese Konstruktion werden Wärmespannungen zwischen dem metallenen Wärmerohr 2 und dem gläsernen Abdeckrohr 14 vermieden. Das Abdeckrohr 14 ist auf einen Restgasdruck von weniger als 1 mBar evakuiert. Zwecks Verbesserung des Vakuums ist im Abdeckrohr 14 ein Getter 20 vorgesehen.
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An den Enden des plattenförmigen Absorbers 1 sind Reflektoren 22 und 23 vorgesehen, die sich quer zur Achse des Wärmerohres 2 erstrecken und aus mit Aluminium bedampftem Glimmer bestehen können. Der äußere Reflektor 23 dient gleichzeitig zur mechanischen Halterung des Absorbers 1 im Abdeckrohr 14. Durch die Unterbringung des Sonnenkollektors im evakuierten Abdeckrohr 14 werden die Wärmeverluste verringert. Eine weitere diesbezügliche Verbesserung läßt sich erzielen, wenn die Innenseite des Abdeckrohres 14 ganz oder teilweise mit einer selektiven wärmereflektxerenden Schicht bedeckt wird, die z.B. aus mit Zink dotiertem Indiumoxid bestehen kann.
In der Praxis werden mehrere dieser Sonnenkollektoren nebeneinanderliegend an eine vom flüssigen Wärmeträger einer Heizanlage durchflossene Wärmeaustauschleitung angeschlossen, indem ihre Wärmeaustauscher in die Leitung hineinragen. Auf diese Weise erhält man eine großflächige Sonnenkollektoranlage.
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Claims (9)

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH, Steindamm 94, 2000 Hamburg 1 Patentansprüche;
1., Sonnenkollektor mit einem ebenen metallenen Absorber für Sonnenstrahlung und mindestens einem langgestreckten, durch Metallwände begrenzten und ein verdampfbares 'Wärmetransportmittel enthaltenden geschlossenen Kanal, der einen mit dem Absorber in Wärmekontakt stehenden Verdampferbereich sowie einen im Betrieb räumlich höher liegenden Kondensorbereich besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampferbereich (3; 13) eine Anzahl über seine Länge mit Abstand voneinander verteilter Ausbuchtungen (7; 17) zum Auffangen des unter dem Einfluß der Schwerkraft zum Verdampferbereich zurückfließenden kondensierten Wärmetransportmitteis (5) aufweist.
2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausbuchtungen (7; 17) in der Ebene des Absorbers (1; 21) oder parallel dazu erstrecken.
3. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekenn-
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zeichnet, daß sich die Ausbuchtungen (7; 17) quer zur Ebene des Absorbers (1; 21) erstrecken (Fig. 6 u. 8).
4. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Verdampfer-Kondensor-Kanal als geschlossenes Rohr (2) ausgebildet ist, das mit dem plattenförmigen Absorber (1; 21) in Wärmekontakt steht und in seinem Verdampferbereich (3) mit den Ausbuchtungen (7) für das kondensierte Wärmetransportmittel (5) versehen ist.
5. Sonnenkollektor nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem plattenförmigen Absorber (1) Aussparungen (8) zum Einsetzen der Ausbuchtungen (7) des Verdampfer-Kondensor-Rohres (2) vorgesehen sind (Fig. 8).
6. Sonnenkollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (21) aus zwei miteinander verbundenen Metallplatten (9 und 10) besteht, die in rinnenartigen Vertiefungen (11) den Verdampferbereich (3) des geschlossenen Verdampfer-Kondensor-Rohres (2) einschließen, wobei in mindestens einer der Metallplatten (9) Öffnungen (12) zum Herausragen der Ausbuchtungen (7) des Rohres vorgesehen sind (Fig. 10).
7. Sonnenkollektor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (21) und der Verdampferbereich eine Einheit bilden, bestehend aus zwei miteinander
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verbundenen Metallplatten (9 und 10), von denen mindestens eine eine rinnenartige Vertiefung (11) zur Bildung des Verdampferkanals (13) aufweist, wobei die mit dem Verdampferkanal in Verbindung stehenden Ausbuchtungen zum Auffangen des kondensierten Wärmetransportmittels (5) als Ansätze (17) der rinnenartigen Vertiefung ausgebildet sind (Fig. 11 bis 13).
8. Sonnenkollektor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetransportmittel (5) eine kritische Temperatur (Tj5-)* die der maximalen Betriebstemperatur der mit dem Kondensorbereich (4) zusammenwirkenden Heizanlage entspricht, und einen kritischen Druck (Pj1) kleiner als 6 MPa aufweist.
9. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (1) und der Verdampferbereich (3) in einer evakuierten Hülle (14) aus durchsichtigem Material untergebracht sind (Fig. 14).
-O1.C 4
:? 11Q 8 3 2 / 0 0 8 3
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