DE3003047A1

DE3003047A1 - Fluessigkeitsventil fuer sonnenheizeinrichtung

Info

Publication number: DE3003047A1
Application number: DE19803003047
Authority: DE
Inventors: Bruce Shawn Buckley
Original assignee: Chevron Research and Technology Co
Current assignee: Chevron USA Inc
Priority date: 1979-01-26
Filing date: 1980-01-25
Publication date: 1980-10-09
Also published as: ES8102652A1; GB2041174B; FR2447505A1; AU5478280A; SE8000571L; JPS5599549A; ES488027A0; GB2041174A; US4245617A; BR8000450A; ZA80235B; DK29880A; IL59068A0

Description

Hamburg, den 15. Januar 19BQ 233679

Priorität: 26. Januar 1979, U.S.A., Patentanmeldung 676?

Anmelder*

Chevron Research Company San Francisco, CaI., U.S.A.

FlÜssigkeitsventil für Sonnenheizeinrichtung

Ein übliches Verfahren zum Erzeugen von heißem Wasser durch Sonnenenergie besteht darin, einen Tank über einem Kollektor anzuordnen und bald· dutch linen sogenannten Thermoeyphon zu verbinden. Dabei ist der Kollektor mit dem darüber engeordneten Uaseerepeichertank durch Röhren verbunden, und zwar so, daß eine Röhre das Oberteil die

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Kollektors mit dem Oberteil des Tanks und eine zweite Röhre den Boden des Kollektors mit dem Boden des Tanks verbindet. Uenn uährend des Tages die Sonnenstrahlen das Wasser im Kollektor aufheizen, steigt das eruärmte Wasser aufgrund seiner geringeren Dichte hoch und ge angt durch das obere Rohr in den Speicherbehälter. Durch das Bodenrohr wird der Kollektor mit kälterem Uasssr vom Boden des Tanks uiederaufgefüllt. Uährend also die Sonne den Kollektor heizt, ergibt sich eine Thermosyphon-Zirkulation, wobei das heiße Wasser kontinuierlich vom Kollektor in den Speicher fließt.

Uenn die Sonne untergeht, Hat das weniger dichte, eruärmte Uasssr die Neiqung, sich im oberen Bereich des Tanks zu halten, so daß as uährend der Nacht oder sogar uährend des folgenden Tages benutzt worden kann. Falls jedoch der Speicherbehälter nicht über dem Kollektor angeordnet wäre, uürde sich in der Nacht eine umgekehrte Thermosyphon-Umuälzung ergeben. Das sonneneruärmte Wasser im Speichertank uürde zurück in den Kollektor fließen, wo es sich abkühlt, und das gekühlte Wasser uürde in den Behälter zurückfließen.

Qbuohl die Anordnung von dem Behälter über de.) Kollektor nicht dieser umgekehrten Thermosyphon-Umuälzung unterliegt, ergaben sich eine Reihe von anderen Schwierigkeiten.Per Behälter hat ein erhebliches Gewicht, oft mehr als dreihundert Kilogramm. Es verursacht erhebliche Kosten, uenn insbe-

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sondere kleinere Wohngebäude stark genug gebaut werden, um das Gewicht des Tanks abzustützen. Auch 13t eine solche Anordnung kopflastig und könnte bei nicht ausreichender Abstützung durch starke Uinde umgestürzt werden. Weiter würde ein Kollektor am wenigsten durch Schatten anderer Objekte in seiner Wirkungsweise beeinträchtigt, wenn er möglichst hoch, d. h. auf dem Dach, angeordnet uird. Die Anordnung eines Speicherbahälters noch über dem Kollektor auf einem Dach ist jedoch nicht nur aufwendig und schwierig, sondern stört auch das Aussehen eines Gebäudes.

Falls dagegen der Behälter nicht über dem Kollektor angeordnet uird, kann d;.e Einrichtung ziemlich gedrängt gebaut uerden. Z. B. kann der Behälter auf derselben Höhe wie der Kollektor auf einem flachen Dach oder bei Installation auf dem Boden angeordnet und .als Stütze für den Kollektor benutzt werden. Aber eine solche Einrichtung arbeitet unbefriedigend, da die bei Tage angesammelte Uärme durch die umgekehrte Thermosyphon-Umuälzung während der Nacht wieder verbraucht uird.

In der US-PS 4 050 508 ist eine Anlage dieser Art beschrieben, die mit einem Ventil ausgerüstet ist, das den FlüssigkeitsfluQ in der einen Richtung ermöglicht, jedoch in der Gegenrichtung verhindert. Mit einem solchen Ventil kann eine Zhermosyphon-Sonnanheizeinrichtung ausgestattet uerden, bei

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der dar Behälter nicht über dem Kollektor liegt, wobei des Ventil die umgekehrte Thermoayphon-Umuälzung verhindert und die Umwälzung in der Förderrichtung ermöglicht, wenn die Sonne den Kollektor heizt. Des dargestellte Ventil ist an sich einfach und leicht zu bauen und hat auch keine beweglichen Teile, die einer Abnutzung unterliegen, so daß das Ventil über eine lange Zeit zuverlässig arbeitet und damit •in Einwegventil für ein mit Kollektor und Speicherbehälter ausgestattetes Thermosyphon-Sonnenheizsystem bildet. Bei dieser Einrichtung ist sine erste Flüssigkeit mit einer Übertragungsmenge im Kollektor und einer Speichermenge im Schulter und eine zweite Flüssigkeit vorgesehen, die eine von dar ersten abweichende Dichte hat und mit dieser unvermischbar ist Und zwischen der Ubertragungs- und der Speichermenge angeordnet und von diesen durch Grenzflächen getrennt ist. Öle Grenzfläche zwischen der zweiten Flüssigkeit und der Speichermenge ist dabei größer als die Grenzfläche zwischen der zweiten Flüssigkeit und der Ubertragungsnenge.

Öle Erfindung sieht nun eine verbesserte Einrichtung mit einem FlUssigkeitsventil vor, das ein Gehäuse mit einer darin auegebildeten Kammer aufweist. Diese Kammer enthält eine erste und eine zweite Flüssigkeit und die zweite Flüssigkeit hat eine von der ersten abweichende Dichte und ist mit dieser unvermischbar. Die erste und die zweite Flüssigkeit aind auf einer gemeinsamen Fläche von einer dadurch gebildeten

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Grenzfläche begrenzt. Ein Auslaß in dem Gehäuse ist in Verbindung mit der ersten Flüssigkeit,und eine Leitung in dem Gehäuse geht durch die erste Flüssigkeit und die Grenzfläche hindurch und reicht mit ihrem einen Ende in die zweite Flüssigkeit. Die Grenzfläche hat eine Ausdehnung, die wesentlich größer als die Querschnittsfläche der Leitung ist. Eine Fangkammer ist in der Leitung vorgesehen, um die zweite Flüssigkeit abzufangen. Ein Einlaß in dem Gehäuse ist durch das andere Ende der Leitung in Verbindung mit der zueiten Flüssigkeit. Falls daher der Druck am Einlaß den Druck am Auslaß in einem bestimmten Ausmaß übersteigt, fließt die erste Flüssigkeit aus der Leitung durch'die zueite Flüssigkeit und aus dem Auslaß heraus. Falls jedoch der Druck am Auslaß den am Einlaß übersteigt, drückt die erste Flüssigkeit einen Teil der zueiten Flüssigkeit in die Leitung und gleicht damit den überschüssigen Auslaßdruck aus und verhindert einen Zustrom der ersten Flüssigkeit vom Auslaß nach dem Einlaß.

Diese Anordnung führt zu einer weiteren Vereinfachung und Verbesserung der Funktion, und zwar mit sehr einfachen Mitteln.

Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen die Erfindung und ihre Anwendung beispielsweise erläutert und dargestellt sind. Es zeigen:

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Fig. 1 Vereinfacht einen ssnkrechten Schnitt durch eine erfindungsgemäße Einrichtung,

Fig. 2

und 3 die Einrichtung nach Fig. 1 in verschiedenen BatriebszustMnden,

Fig. 4 die Einrichtung nach Fig. 1 in umgekehrter An-Ordnung,

Fig. 5 einen senkrechten Schnitt durch eine Thermosyphon-Sonnenheizeinrichtung mit Ventileinrichtungen gamäQ Fig. 1 und 4 und

Fig. 6' eine weitere Ausgestaltung der Einrichtung nach Fig. 1 .

Ein erfindungsgemäßes Ventil 10, Fig. 1, weist ain Gahäusa 12 mit einer darin ausgebildeten Kammer 14 auf. Eine Einlaßöffnung 16 ist durch eine Leitung 18 in Verbindung mit der Kammer 14, die einen Auslaß 20 mit einem Anschlußrohr 22 aufweist.· Der untere Teil der Kammar 14 ist mit einer Flüssigkeit 30 geringer Viskosität, z. B₀ Uasser, gefüllt, und zwar bis unmittelbar unter dem oberen Ende 32 der Leitung 18. Der übrige Teil der Kammer 14 ist mit einer zweiten Flüssigkeit 34 geringerer Dichte gefüllt, die mit der Flüs=

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sigkeit 30 unuermischbar ist, ζ. B. einem Öl geringer Dichte, uie Silikonöl, Mineralöl, Rizinusöl, das auf dsm Wasser schwimmt. Dia Fläche dar Grenzfläche 38 zwischen dem Öl und dem Uasser ist wesentlich größer als die Quarschnittsflache dar Leitung 18.

Fig. 2 zeigt die Wirkungsweise des Ventils 10, wenn der Druck am Einlaß 16 größer als der Druck am Auslaß 20 ist. Das Wasser 30 steigt in der Leitung 18 hoch, strömt unter dem Dl 34 hindurch und fließt aus dem Auslaß 20 heraus.

Umgekehrt zeigt Fig. 3 die 'Wirkungsweise des Ventils 10, wenn der Druck am Auslaß 20 größer als der Druck am Einlaß 16 ist. Das Öl 34 wird dann in das Steigrohr 18 gedrückt. Wenn die Tiefe der Grenzfläche 40 weit genug unter dar Grenzfläche 38 liegt, gleicht die Säule 42 des eine geringe Dichte aufweisenden Öles 34, das unter die Fläche des eine höhere Dichte habenden Wassers 30 gedrückt worden ist, den Druckunterschied aus, der zwischen dem Auslaß 20 und dem Einlaß 16 liegt. Die Strömung wird angehalten und damit das Wasser gehindert, vom Auslaß 20 nach den Einlaß 16 zu fließen.

Fig. 4 zeigt die Leitung 18' eines Uentilea 10', die sich durch Wasser 30^f hindurch in eine Flüssigkeit 50 hinein erstreckt, die dichter als das Wasser ist, z, B, Queck-

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silber oder organische Flüssigkeiten, die mit Uasser unvermischbar sind. Wenn der Druck am Einlaß 16' größer als der Druck arn Auslaß 20' ist, drückt das weniger dichte Uasser 30' die Flüssigkeit 5G am Ende 32' der Leitung 18' beseite und das Uasser fließt dann vom Einlaß 16' nach dem Auslaß 20· .

Im allgemeinen hängt die Empfindlichkeit jedes Ventils 10, 10' von den Unterschieden ab, die zwischen den Dichten der Flüssigkeiten in den Kammern bestehen. Uenn der Dichteunterschied klein ist, wird das Ventil sehr empfindlich gegen Druckunterschiede, die zwischen Einlaß und Auslaß auftreten. D. h., daß dann nur ein sehr geringer Druck erforderlich ist, um eine Strömung vom Einlaß nach dem Auslaß hervorzurufen. Falls z. B, in einer Ventileinrichtung 10 das Öl 34 Mineralöl mit einer Schwere von 0,88 ist, würde Uasser 30 über das obere Ende 32 des Steigrohres 18 fließen, wenn der Druckunterschied zwischen Einlaß 16 und Auslaß 20 in der Größen-Ordnung von 0,07 p/cm ist. Falls jedoch das Öl 34 Rizinusöl mit einem spezifischen Gewicht von 0,96 ist, würde das Ventil angenähert dreimal so empfindlich wie ein Uasserf'lineralöl-Veritil sein und nur einen Druckunterschied in der Größenordnung von etwa 0,023 p/cm erfordern, um einen Fluß vom Einlaß 16 nach dem Auslaß 20 auszulösen.

Fig. 5 zeigt vereinfacht die Anordnung dar Ventile 10 und

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10' in einer Thermosyphon-Sonnenheizeinrichtung 6Q für
Uasser. Ein Sonnenkollektor 62, dar für Thermosyphon-Betrieb ausgelegt ist, ist en einem oberen Verteiler 64
durch ein Rohr 66 an die Leitung 18 das Ventils 10 angeschlossen. Das Rohr 22 des Ventils 10 ist durch ein Rohr 68 mit dem oberen Ende des Speicherbehälters 70 verbunden. Der Boden des Speicherbehälter 70 ist durch ein Rohr 72 mit der Leitung 18' das Ventils 10' verbunden. Das Rohr ist mit einem Rohr 74 verbunden, das an den Bodenverteiler 76 des Kollektors 62 angeschlossen ist. Es ist nicht erforderlich, daö baide Ventile 10 und 10' in die Schleife eingebaut werden. Eines der beiden Ventile reicht aus, um die geuünschte Einueg-Strömung zu gewährleisten.

In Fig. 6 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der das Ventil mit einer Fangkammer 80
ausgestattet ist. Der Druck am AuslaO 20 eines Ventils 10, Fig. 3, kann gelegentlich so groß werden, daß die Grenzfläche 40 sich durch die Leitung 18 hindurch und aus dem Ventil herausbeuegt. Die Fangkammer 80 fängt dabei irgendwelches Öl 34 auf, das zu weit nach unten in die Leitung gedrückt uor.den ist. Die Fangkammer 80 ist so bemessen, daß sie wenigstens die Neηge des Öles 34 aufnehmen kann, die eich unter der Oberkant· 32 der Leitung 18 in der Hauptkammer 14 befindet, wenn kein' Druckunterschied zwischen
Einlaß 16 und Auslaß 20 besteht, siehe Fig. 1. Wenn der

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Druckuntsrschiad zu sehen dam Einlaß und dam Auslaß größer wird, uird mehr Öl 34 in der Fangkammer 80 gesammelt. Obwohl schließlich dia Grenzfläche 38 sich oben über das obere Ende 32 dar Leitung 18 hebt und Wasser 30 durch die Leitung 18 nacn unten fließt, fließt es durch das in der Kammer 80 gefangene Öl 34 hindurch und aus dem Ventil 10 heraus. Obuohl diese Situation nicht vorteilhaft für die Speicherung wan durch Sonne erwärmtem Wasser ist, da der umgekehrte Fluß einen Uärmeverlust bedeutet, ist es besser als Öl 34 vollständig aus der Hauptkammer 14 zu verlieren. Uenn der Druckunterschied zwischen dem Einlaß 16 und dem Auslaß 20 umkehrt, uird das in der Kammer 80 gefangene Ö'l 34 zurück in die Hauptkammer durch die Leitung 18 gedrückt. Der normale Betrieb uird dann uiederaufgenommen, ohne daß Öl 34 aus dem Ventil 10 verlorengeht. Eine entsprechende Fangkammer kann auch im Ventil 10', Fig. 4, vorgesehen uerden.

Ansprüche

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Claims

-yf. Ansprüche

1.)Flüssigkeitsventil, insbesondere für eine Solar-heizeinrichtung zur Verhinderung der Rückströmung bei Umkehr des Temperaturgefälles, mit einer in einem Gehäuse ausgebildeten Kammer, in der eine erste Flüssigkeit und eine zweite, in der Dichte von der ersten verschiedene und mit dieser unvermischbare Flüssigkeit enthalten sind, die einander an einer gemeinsamen Grenzfläche begrenzen, uobei das Gehäuse einen mit der ersten Flüssigkeit in Verbindung stehenden Auslas und einen Einlaß aufweist, an den ein durch die erste Flüssigkeit bis zur Grenzfläche führendes Leitungsrohr anschließt, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Leitungsrohr (18) durch die Grenzfläche (38), die merklich größer als die Querschnittsfläche des. Rohres ist, hindurch und mit seinem inneren Ende (32) in die zweite Flüssigkeit (34) hineinerstreckt und mindestens ein Volumen aufweist, das ausreicht, um das Volumen der zweiten Flüssigkeit aufzunehmen, das zwischen der Grenzfläche und einer dazu parallelen und durch das innere Ende des Rohres bestimmten Ebene enthalten ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Flüssigkeit (34) eine geringere Dichte als die

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erste Flüssigkeit (30) hat und auf dieser schwimmt und daß das Leitungsrohr (18) sich durch die erste Flüssigkeit nach oben in die zueite Flüssigkeit hinein erstreckt.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Flüssigkeit (30) Wasser oder mit Zusätzen versehenes Uass-er und die zueite Flüssigkeit (34) Öl ist.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zueite Flüssigkeit (34) ein Öl aus einer aus SiIikonöl, Mineralöl und Rizinusöl gebildeten Gruppe ist.

5. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Flüssigkeit (30¹) eine geringere Dichte als die zueite Flüssigkeit (50) hat und auf dieser schuimmt und daß das Leitungsrohr (16*) sich abwärts durch die erste Flüssigkeit hindurch und in die zueite Flüssig* keit hinein erstreckt.

6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Flüssigkeit Wasser und die zueite Flüssigkeit Quecksilber oder eine organische Flüssigkeit ist.

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7. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungsrohr (18) mit einer Fangkammer (80) ausgebildet ist.

8. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungsrohr (18, 18') als Uärmeisolator ausgebildet ist.

9. Ventil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fangkammer (8Q) in der Nähe des Einlasses (16) liegt.

10. Ventil nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fangkammer .(80) ein Volumen hat, das mindestens so groß wie das Volumen der zueiten Flüssigkeit (34) ist, das sich zwischen der Grenzfläche (38) und der Ebene befindet; die parallel zu der Grenzfläche liegt und durch das innere Ende (32) des Leitungsrohres (18) bestimmt ist.

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