DE3003688C2

DE3003688C2 - Wärmespeicheranlage mit einem flüssigen Wärmeträger und einem Speichertank

Info

Publication number: DE3003688C2
Application number: DE19803003688
Authority: DE
Inventors: Veit Ing.(grad.) 8011 Putzbrunn Merges
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1980-02-01
Filing date: 1980-02-01
Publication date: 1982-10-14
Also published as: DE3003688A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Wärmespeicheranlage mit einem flüssigen Wärmeträger und einem Speichertank, wobei der Wärmeträger zugleich Speichermedium ist und der Speichertank in seinem oberen Bereich eine Ableitung zu einem Verbraucher, in seinem unteren Bereich eine Rückführleitung von dem Verbraucher und in seinem Inneren ein vertikales Zentralrohr aufweist, das sich von nahe der Unterseite des Speichertanks bis in den Bereich der Oberseite des Speichertanks erstreckt, und wobei eine Beheizung zur Erwärmung des Wärmeträgers vorgesehen ist, derart, daß sich eine im Zentralrohr aufsteigende Wärmeströmung einstellt.

Flache oder konzentrierende Solarkollektoren werden üblicherweise mit einem Rohrnetz untereinander verbunden. Mit Hilfe einer zumeist elektrisch angetriebenen Pumpe wird ein Wärmeträger umgewälzt, welcher die absorbierte Sonnenenergie einem Verbraucher oder einem Wärmespeicher zuführt.

In vielen Anwendungsfällen sorgt eine Regelung für konstante Kollektorfeld-Auslauftemperatur. Im Fall der Speicherung haben sich senkrecht aufgestellte Tanks bewährt, in denen warmer Wärmeträger über kaltem Wärmeträger aufgrund des Dichteunterschieds lagert Je nach Kollektoranzahl wird die Durchströmung einzelner Kollektorreihen kalibriert, um die erforderliche gleichmäßige Aufheizung sicherzustellen. Zum Vorheizen des Kollektorfeldes wird der Wärmeträger im Kurzschluß umgepumpt bis die Arbeitstemperatur am Kollektorfeldausgang erreicht ist

Die Nachteile der bisherigen Lösungen bestehen darin, daß für Umwälzpumpe und Regelung elektrische Energie erforderlich ist, die bei manchen Anwendungsfällen eigens hierfür erzeugt werden muß. Bei Rachkollektoren liegt der Strombedarf bei 1 bis 2 W pro m² Kollektoroberfläche.

Umwälzpumpe und Motor sind oft störanfällig und bedürfen regelmäßig der Wartung. Das gleiche gilt für die Temperaturregelung am Kollektorfeldausgang. Zur Regelung wird die Wärmeträgertemperatur aufgenommen, wo lediglich ein Mittelwert aus allen Kollektoren erfaßbar ist Kollektoren, die aufgrund ungleichmäßiger Durchströmung oder Einstrahlung, z. B. wegen Teilbeschattung überhitzt bzw. unterkühlt sind, werden nicht erkannt Gegenüber der Solltemperatur haben heißere Kollektoren einen schlechteren Wirkungsgrad, teilbeschattete oder fehlerhafte Kollektoren können zur Abkühlung des Wärmeträgers führen.

Bei Ausfall von Umwälzpumpe oder Regelung ist das Kollektorfeld durch zusätzliche Maßnahmen gegen Überdruck bzw. Überhitzung zu schützen, um Gefahren und Beschädigungen zu vermeiden.

Da das Kollektorfeld flüssigkeitsgekühlt ist, sind alle Leitungen entsprechend dem Durchsatz dimensioniert Zur Vermeidung hoher Strömungsverluste weisen sowohl Hin- wie Rückleitung beträchtliche Querschnitte auf. Folglich fallen hohe Leitungs- und Isolationskosten an und die große nicht nutzbare Wärmekapazität, vor allem durch Flüssigkeitsinhalt führt zu langen Vorheizzeiten.

Nach der DE-OS 26 02 911 ist eine Wärmespeicheranlage mit einem Wärmeträger und einem Speichertank gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches bekannt

Unter Nutzung des Prinzips dieses Speichertanks ist es Aufgabe der Erfindung, eine Solarkollektoranlage mit geschichtetem Speichertank zu schaffen, die ohne Umwälzpumpe auskommt, sich ohne elektrische Regelorgane selbsttätig regelt und den Wärmetransport ohne Temperaturverluste bewältigt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Beheizung über Solarkollektoren erfolgt, wobei der Wärmeträger nach Erwärmung auf seine Siedetemperatur über eine Zuleitung, die in die untere Öffnung des Zentralrohres, welches wärmeisoliert ist, mündet, dem Speichertank zuführbar ist und nach der Wärmeabgabe über eine an der Unterseite des Speichertanks angeordnete Rückleitung zu den Solarkollektoren wieder zurückleitbar ist, wobei der Speichertank über dem Niveau der Solarkollektoren angeordnet ist, und daß der obere Ausgang des Zentralrohres durch einen Ventildeckel verschließbar ist, der zum öffnen des oberen Ausganges des Zentralrohres durch den dem Zentralrohr zugeführten siedenden Wärmeträger aufschwimmbar gestaltet ist.

Die Vorteile der Erfindung liegen in dem Minimum an notwendigem Materialaufwand und damit großer Kostengünstigkeit, da Umwälzpumpe, elektrische Regelung, zusätzlicher Expansionstank, Wärmetauscher und Ventile nicht benötigt werden. Die Anlage ist kurz nach Beginn der Sonneneinstrahlung betriebsbereit und

gegen Oberhitzungsschäden einzelner Kollektoren optimal gesichert Wärmeverluste entlang des Rohrnetzes bewirken keine Abkühlung des Wärmeträgers.

Ein Ausführungsbeispiel der Wärmespeicheranlage nach der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im, folgenden näher beschrieben.

Solarkollektoren 10 sind mittels einer Zuleitung 11 und einer Rückleitung 12 parallel geschaltet. Beide Leitungen 11 und 12 münden an der Unterseite 13 in einen Speichertank 14. Der Speichertank 14 ist über Kollektorr.'veau angeordnet Die Solarkollektoren 10, die Leitungen U, 12 und der Speichertank 14 sind gegenüber der Umgebung thermisch isoliert Die Zuleitung 11 von den Solarkollektoren 10 zum Speichertank 14 führt waagerecht oder bergauf und weist einen wesentlich größeren Querschnitt auf als die Rückleitung 12, die waagerecht oder bergab führt

Im Speichertank 14 befindet sich ein wärmeisoliertes Zentralrohr 15, in dessen Unterseite 16 die Zuleitung 11 endet und dessen oberes Ende einen Vv-ntildeckel 17 trägt Zm oberen Bereich des Speichertanks 14 befindet sich ein Puffergas unter einstellbarem Druck. Hierzu dient ein Gasbehälter 18 mit einem Einstellventil 19, einem Manometer 20 sowie einem Sicherheitsventil 21. Eine Verbindungsleitung 26 führt von dem Gasbehälter 18 in den oberen Bereich des Speichertanks 14.

Das System unterhalb des Puffergases ist mit flüssigem bzw. siedendem Wärmeträger 22 gefüllt, das bei Flachkollektoren meist aus Wasser besteht Der Gasdruck wird entsprechend der gewünschten Betriebstemperatur gemäß Dampfdrucktabelle eingestellt. Eine Drossel 23 in der Rückleitung 12 verhindert Naturkonvektion im Kollektorkreislauf in beiden Richtungen.

An der Unterseite 13 des Speichertanks 14 ist eine Rückleitung 24 von einem nicht dargestellten Verbraueher für den kalten Wärmeträger 22 angeordnet, während heißer Wärmeträger 22 im oberen Bereich des Speichertanks 14 durch eine Ableitung 25 dem Verbraucher zugeleitet wird.

Die Funktion der Wärmespeicheranlage ist folgende: Durch Absorption von Sonnenlicht erwärmt sich der in den Solarkollektoren 10 befindliche flüssige Wärmeträger 22. Bei Erreichen der Siedetemperatur entstehen Dampfblasen 9, die den Wärmeträger 22 in den Speichertank 14 drängen und in der Zuleitung 11 aufsteigen. Dabei erwärmen die Dampfblasen 9 die Zuleitung 11 durch Kondensation. Die Rückleitung 12 wird nicht vorgewärmt Hat die Zuleitung 11 Siedetemperatur erreicht dringen die Dampfblasen 9 in das wärmeisolierte Zentralrohr 15 des Speichertanks 14 und wärmen dieses ebenfalls auf Siedetemperatur vor. Nach dem Aufwärmen von Zuleitung 11 und Zentralrohr 15 verdrängt der Dampf aus den Dampfblasen 9 den Wärmeträger 22 aus dem Venüldeckel 17, so daß dieser eine vorgegebene Öffnungsstrecke aufschwimmt Damit wird der warme Wärmeträger 22 des Zentralrohres 15 mit dem bereits im Speichertank 14 befindlichen durchschnittlich kälteren Wärmeträger 22 verbunden. Dem Zentralrohr 15 entweicht nach oben heißer Wärmeträger 22, wobei ankommende Dampfblasen 9 in dem unten nachströmenden kälteren Wärmeträger 22 kondensieren. Oberschreitet die Dampfmenge das Energieaufnahmevermögen des im Speichertank 14 momentan zirkulierenden Wärmeträgers 22, so verstärkt die größere Blasenanzahl der Dampfblasen 9 den Zirkulationsantrieb und damit die Zufuhr kalten Wärmeträgers 22. Die Zirkuiationsgeschwindigkeit im Speichertank f 4 regelt sich also selbst Den Solarkollektoren 10 strömt aus dem unteren Tankbereich kalter Wärmeträger 22 durch Schwerkraft zu. Entsprechend dem Volumenverhältnis Flüssigkeit/Dampf und den Strömungswiderständen wird die Rückleitung 12 mit geringerem Querschnitt gewählt Bei Aussetzen der Dampfzufuhr wegen mangelnder Einstrahlung, kondensiert der Restdampf im Ventildeckel 17 und das Zentralrohr 15 wird wieder verschlossen. Der Wärmeinhalt des Zentralrohres 15 geht nicht verloren, er wärmt den kalten Speicherbereich geringfügig vor.

Notkühlung ist erforderlich, wenn bei thermisch vollständig gefülltem Speichertank 14 weiterhin Solarenergie in den Solarkollektoren 10 absorbiert wird. In diesem Fall entweichen Dampfblasen 9 in das Puffervolumen im oberen Bereich des Speichertanks 14 unter Anstieg von Systemtemperatur und Druck. Das Sicherheitsventil 21 öffnet und läßt Dampf ab, bis die Sonneneinstrahlung nachläßt oder Wärme entnommen wird. Anschließend muß der Wärmeträger 22 ergänzt werden. Grundsätzlich sind die Solarkollektoren 10 solange vor Überhitzung geschützt, wie Wärmeträger 22 im Speichertank 14 vorrätig ist Bei üblichen Größenverhältnissen von Kollektorfeld und Speichertank 14 reicht dieser Schutz über mehrere Sonnentage, selbst wenn kein Wärmeträger 22 ergänzt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmespeicheranlage mit einem flüssigen Wärmeträger und einem Speichertank, wobei der Wärmeträger zugleich Speichermedium ist und der Speichertank in seinem oberen Bereich eine Ableitung zu einem Verbraucher, in seinem unteren Bereich eine Rückführleitung von dem Verbraucher und in seinem Inneren ein vertikales Zentralrohr aufweist, das sich von nahe der Unterseite des Speichertanks bis in den Bereich der Oberseite des Speichertanks erstreckt, und wobei eine Beheizung zur Erwärmung des Wärmeträgers vorgesehen ist, derart, daß sich eine im Zentralrohr aufsteigende Wärmeströmung einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung über Solarkollektoren (10) erfolgt, wobei der Wärmeträger (22) nach Erwärmung auf seine Siedetemperatur über eine Zuleitung (11), die in die untere Öffnung des Zentralrohres (15), welches wärmeisoliert ist, mündet, dem Speichertank (14) zuführbar ist und nach der Wärmeabgabe über eine an der Unterseite (13) des Speichertanks (14) angeordnete Rückleitung (12) zu den Solarkollektoren (10) wieder zurückleitbar ist, wobei der Speichertank (14) über dem Niveau der Solarkollektoren (10) angeordnet ist, und daß der obere Ausgang des Zentralrohres (15) durch einen Ventildeckel (17) verschließbar ist, der zum öffnen des oberen Ausganges des Zentralrohres (15) durch den dem Zentralrohr (15) zugeführten siedenden Wärmeträger (22) aufschwimmbar gestaltet ist

2. Wärmespeicheranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberseite des Speichertanks (14) ein Puffergas einbringbar ist und daß dazu an der Oberseite über eine Verbindungsleitung (26) ein Gasbehälter (18) mit regelbarem Gasdruck anschließbar ist

3. Wärmespeicheranlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (11) einen wesentlich größeren Querschnitt als die Rückleitung (12) aufweist.