DE3014836A1

DE3014836A1 - Waermeuebertragungssystem

Info

Publication number: DE3014836A1
Application number: DE19803014836
Authority: DE
Inventors: Emil Baechli
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-04-17
Filing date: 1980-04-17
Publication date: 1980-11-06
Also published as: ATA200580A; IT8012512A0; ZA802313B; FR2454590B1; BE882831A; CH641546A5; FR2454590A1; IT1136178B; JPS567948A

Description

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Wärmeübertragungssystem

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungssystem zum Ausgleich eines Gefälles zwischen einem Wärmespeicher bzw. Wärmeübertrager und einer wesentlich höher dazu angeordneten Wärmequelle, insbesondere für mit Sonnenenergie betriebene Heizsysteme, wobei ein Sonnenkollektorsystem aus Flüssigkeit enthaltenden Verdampferrohren und/oder Reflektoren besteht, welche über als Wärmeübertrager ausgebildete Rohrleitungen und eine motorgetriebene Umwälzpumpe mit einem Wärmeaustauscher in einem Brauchwasserbehälter verbunden sind.

Die Wärmeübertragung zwischen Sonnenkollektor und Wärmeaustauscher erfolgt in bekannter Weise über Flüssigkeits- bzw. Luftumwälzung. Jedoch sind auch Systeme der Wärmeübertragung bekannt geworden, bei welchen innerhalb der Sonnenkollektoren der Wärmetransport über Wärmerohre, sogenannte Heat pipes, erfolgt und die weitere Übertragung zum Wärmespeicher über Flüssigkeitsumwälzung durch Leitungen, welche den im Wärmespeicher eingesetzten Wärmeaustauscher mit dem Sonnenkollektor verbinden, welcher seine Wärme an den Verbraucherkreislauf abgibt. In die Wärmeübertragungsleitung sind neben einer oder mehreren Pumpen noch Bypass-, Dreiwege- und Überlaufventile sowie Thermostate eingeschaltet. Bei dieser bekannten Anordnung befindet sich der Wärmespeicher im Keller oder im Garten des Anwesens. Letztere Anordnung ist immer dann gegeben, wenn ZoB. neben der Warmwasserversorgung des Hauses noch ein Schwimmbad mit beheizt werden soll.

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Bei einem anderen Konzept der Speicherung der von den Sonnenkollektoren erzeugten Wärme wird die Anordnung des Wärmespeichers am obersten Punkt des Hauses, beispielsweise am Dachboden, vorgesehen. Hier wird ein nahezu druckloser Speicher verwendet (Veröffentlichung "Sonnenenergie", Herausgeber H. Matthöfer, aus der Reihe "Forschung aktuell")

Von Rachteil bei den bekannten Anordnungen ist jedoch die Tatsache, dass bei einer Anordnung des Wärmespeichers im Keller des Gebäudes eine oder mehrere mit Fremdenergie angetriebene Pumpen, sowie verschiedene Ventile, iirelche durch technisch aufwendige Konstruktionen über Thermostaten, Durchflussmesser oder elektronisch gesteuert werden, vorgesehen werden müssen.

Beim Konzept der Anordnung des Wärmespeichers in gleicher Höhe mit dem Sonnenkollektor oder direkt unter der Kollektorfläche, beispielsweise auf dem Dachboden, besteht jedoch die Gefahr, dass bei diesem nahezu drucklos arbeitendem Speichersystem die Kollektorfläche bei Verdampfungsgefahr der Flüssigkeit im Sommer oder bei extremer Kälte im Winter leerläuft. Es sind daher thermisch hoch belastbare und somit teuere Kollektoren erforderlich.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wärmeübertragungssystem zu schaffen, bei welchem das Wärmeträgermedium zwischen dem Sonnenkollektor und dem Wärmespeicher ohne Zuführung von Fremdenergie, insbesondere bei Anordnung des Wärmespeichers an einem wesentlich tieferen

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Punkt als des Wärmeerzeugers transportiert v/ird, wobei das System selbstregelnd sein soll, d.h. ohne zusätzliche Regelkreise auskommt.

Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Pumpe für den Kondensatrücklauf von einer durch im Sonnenkollektorsystem durch Umwandlung der durch Sonnenenergie erzeugten Eigenenergie beaufschlagten Antriebsvorrichtung angetrieben ist, und dass die Innenoberfläche der Verdampferrohre zur Erhöhung der Kapillarwirkung oberflächenvergrössernde Ausbildungen auf v/eist.

Der Vorteil des erfindungsgemässen Wärmeübertragungssystems ist insbesondere darin zu erblicken, dass für den Kondensatrücklauf vom Wärmeaustauscher zum Sonnenkollektor keine durch Fremdenergie angetriebene Pumpen erforderlich sind, sondern das Zurückpumpen des Kondensats in den Sonnenkollektor durch eine von einem Dampfmotor angetriebene Pumpe erfolgt, wobei der Dampfmotor in der Vorlaufleitung und die Pumpe in der Kondensatrücklaufleitung angeordnet sind. Da bei steigender Erhitzung und somit Dampferzeugung der Dampfmotor schneller läuft und dabei die Pumpe eine entsprechend grössere Menge kondensiertes i/ärmeträgermedium in den Verdampfer zurückfördert, ist ein einfacher Rücktransport des Kondensats gewährleistet. Der Kraftaufwand für das Pumpen ist sehr klein, da bei der Ausbildung der Kollektorrohre als sogenannte Heat pipes nur eine geringe Flüssigkeitsmenge umgewälzt zu werden braucht. Da weiterhin die Wärmeübertragung erst dann einsetzt, wenn im Kollektor eine höhere Temperatur erzielt ist, als der Wärmespeicher auf-

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weist, sind keinerlei Steuer- und/oder Regelorgane notwendig.

Eine Wärmeübertragung erfolgt durch das verdampfte Medium im Sonnenkollektor sehr rasch zum Wärmeverbraucher und endet sofort, sobald in beiden Organen die gleiche Temperatur vorherrscht, oder im Sonnenkollektor eine niedrigere Temperatur eintritt als im Verbraucher. Durch den Wegfall der sonst üblichen Steuerorgane wird eine besonders wirtschaftlicht Lösung erreicht.

Damit die Wärmeübertragung nicht vom Wärmespeicher zum Kollektor erfolgen kann, wird der Wärmeaustauscher im Wärmeverbraucher vorzugsweise so angeordnet, dass das im Wärmeaustauscher kondensierte Medium sofort abfliessen kann. Damit wird ausgeschlossen, dass die Wärme von z.B. erhitzten V/arme speicher in den beispielsweise nachts abgekühlten Sonnenkollektor zurückgefördert wird.

Um ein Einfrieren der Flüssigkeit im Kollektor zu vermeiden, können die Zuleitungen zum Wärmeerzeuger, sowie dieser selbst, im Bereiche der Einfrierungsgefahr Gefälle aufweisen, sodass das Wasser jederzeit in den Wärmeaustauscher zurückfliessen kann. Bei Verwendung anderer Medien, d.h. solcher, welche nicht einfrieren können, ist ein derartiges Gefälle nicht erforderlich.

Weitere mögliche Ausbildungsformen des Erfindungsgegenstandes, insbesondere des Pumpenantriebes und der Verdampferrohre in den Sonnenkollektoren, gehen aus den dem

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Hauptanspruch nachgeordneten Unteransprüchen hervor. So hat sich eine Vergrösserung der Innenoberfläche der Verdampferrohre des Sonnenkollektors besonders vorteilhaft ausgewirkt, da dadurch immer eine bestimmte Menge der Wärmeträgerflüssigkeit daran haften und somit die Innenoberfläche benetzt bleibt. Weiterhin können am Verdampferrohr über deren Länge verteilt kleinere Flüssigkeitsreservoire verteilt sein, wodurch bei Inbetriebsetzung des Sonnenkollektors sofort eine ausreichende Flüssigkeitsmenge zur Verdampfung bereitsteht.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 ein zum Staiad der Technik zu zählendes Verdampferrohr, eine sogenannte Heat pipe,

Fig. 2 eine erste erfindungsgemässe Anordnung des Wärmeübertragungssystems ,

Fig. 3 ein Detail einer durch Dampf angetriebenen Pumpe,

Fig. 4· eine zweite erfindungsgemasse Anordnung des Wärmeübertragungssystems ,

Fig. 5a- e verschiedene Ausbildungsformen eines Verdampferrohres in Längs- und Querschnitt.

Gemäss Fig. 1 ist mit 1 ein abgeschlossenes, evakuiertes Rohr bezeichnet, welches teilweise mit einem Wärmeträgermedium, vorzugsweise einer Flüssigkeit, gefüllt ist. Durch Zufuhr von mit Pfeilen 2 bezeichneter Wärme verdampft das Wärmeträgermedium. Während beispielsweise das (in der Zeichnung) linke Ende 1' warm gehalten ivird, das rechte Ende des Rohres 1" jedoch kalt bleibt, findet ein dauernder Energieübergang gemäss den Pfeilen 3 vom warmen Rohrende 1¹

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zum kalten Rohrende 1" statt, wobei die Wärme am kalten Rohrende 1" gemäss den Pfeilen 2¹ an die Umgebung abgegeben wird. Da der Wärmeübergang sehr schnell erfolgt, tritt zwischen den beiden Rohrenden 1', 1" nur eine minimale Temperaturdifferenz auf.

Das Prinzip des in Fig. 1 beschriebenen, an sich bekannten V/ärmerohres νιίτό. in der erfindungsgemässen Ausbildung eines Wärmeübertragungssystemes angewendet. Wie in Fig. 2 wiederum mit 1 bezeichnet, ist das Rohrende 1' des Wärmeübertragungsrohres 1 über eine Rohrleitung 4- mit einem als Wärmeaustauscher 5 ausgebildeten Rohrende 1" verbunden, wobei der Wärmeaustauscher in einem Wärmespeicher 6_?beispielsweise einem Brauchwasserkessel,geneigt angeordnet ist. Der im Rohr 1, vorzugsweise einem Sonnenkollektor, gebildete Dampf strömt durch die Rohrleitung 4- in den Wärmeaustauscher 5 'und. gibt dort die Wärme an die Umgebung, beispielsweise an Brauchwasser,ab. Das dabei gebildete Kondensat fliesst durch eine Rücklaufleitung 7 iⁿ den Sonnenkollektor zurück und tritt am Rohrende 1' in diesen ein, v/o es wiederum aufgeheizt, bzw. verdampft wird. In der Rohrleitung 4- ist ein Dampfmotor 8 angeordnet, welcher entweder als Turbine oder Kolbenmotor ausgebildet sein kann, und welcher über eine gemeinsame Welle 9 eine Pumpe 10, beispielsweise eine Zentrifugalpumpe, antreibt. Die Pumpe fördert das Kondensat zurück in den Sonnenkollektor 1.

Aus der Detailansicht der Fig. 3 ist der generelle Aufbau des Dampfmotors 8 mit der damit gekuppelten Pumpe 10 er-

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sichtlich. Die beiden Gehäuseteile sind entlang der Welle 9 durch Dichtungen 11 gegeneinander abgedichtet, sodass einerseits kein Dampf in die Kondensatpumpe 10 und andererseits kein Kondensat in den Dampfmotor 8 gelangen kann.

In der Fig. 4- ist eine zv/eite Ausbildungsform des Wärmeübertragungssystems dargestellt, wobei im Wärmespeicher 6 zwei oder mehrere Wärmeaustauscher 5, 5' übereinander angeordnet sind. Die beiden Wärmeaustauscher 5» 5¹ sind untereinander durch eine Verbindungsleitung 12 verbunden, wobei in der Rohrleitung 4- ein Thermostat 13 und zwischen- der Rohrleitung 4 und der Verbindungsleitung 12 ein von diesem gesteuertes Ventil 14- angeordnet ist. Wenn das aus dem Sonnenkollektor kommende Wärmeträgermedium, beispielsweise Dampf, heisser ist als das V/asser im Wärmespeicher 6, v/ird der Zu-. fluss des V/ arme träge rmediums vom Thermostat 13 und dem Ventil 14- so gesteuert, dass zuerst die erste Stufe des Wärmeaustauschers 5' angeströmt wird und dann über die Verbindungsleitung 12 das Wärmeträgermedium in den Wärmeaustauscher 5 gelangt, wobei in diesem die Restwärme an das Brauchwasser im Wärmespeicher 6 abgegeben v/ird. Ist das Brauchwasser annähernd gleich warm v/ie das aus dem Sonnenkollektor 1 kommende Wärmeträgermediura, wird nur der Wärmeaustauscher 5 durchströmt. Die Wärmeaustauscher 5» 5¹ sind im Wärmespeicher 6 vorzugsweise geneigt angeordnet, da dadurch das Kondensat sofort abfliessen kann und nicht von neu einströmendem Dampf mitgerissen v/ird.

Bei den in den Fig. 5 a bis e gezeigten Ausführungsformen des Verdaraperrohres 1 wird durch verschiedene Mittel die

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Innenoberfläche so vergrössert, dass das Wärmeträgermedium diese vollständig benetzt und durch eine Kapillarwirkung daran haften bleibt. Zusätzlich dazu wird gleichzeitig eine Vergrösserung der den Wärmeaustausch zur Verfugung stehenden Fläche erzielt. So ist beispielsweise gemäss Fig. 5 a die Innenoberfläche des Verdampferrohres 1 mit Jiängsrillen 15 versehen, während in Fig. 5 b die Rillen 16 in Umfangsrichtung des Verdampferrohres 1 verlaufen. Eine weitere bevorzugte Ausbildungsform besteht darin, dass im Innern des Verdarapferrohres 1 eine Wendelfeder 17 eingesetzt ist, während es auch möglich ist, die Innenoberfläche des Verdampferrohres 1 mit einer porösen Schicht 18 oder mit einem Drahtgeflecht 19 zu versehen (Fig. 5 c - e).

Selbstverständlich ist der Anmeldungsgegenstand auf das in den Zeichnungen Dargestellte nicht beschränkt. So könnte beispielsweise zur Rückförderung des Kondensates aus den Wärmeaustauschern 5? 5¹ anstelle der Pumpe 10 auch ein Diffusor oder ein Ejektor verwendet werden, wodurch die V/artungsfreundlichkeit der Anlage noch erhöht würde.

Durch die erfindungsgemässe Ausbildung des Wärmeübertragungssystems und der Verwendung von Dampf anstelle einer Flüssigkeit oder eines Gases, wird zum Betrieb nur ein Bruchteil der sonst üblichen Flüssigkeitsmenge im System benötigt, wodurch ein wesentlich schnelleres Reagieren der Anlage, insbesondere auf Einstrahlungsschwankungen, erzielt wird, d.h. es kann gegenüber Anlagen mit grossem Inhalt durch die Verdampfung eine wesentlich grössere Energiemenge in kürzerer Zeit als bei Flüssigkeitsumwälzung übertragen werden.

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Claims

Patentanwälte Münzen 2 17. April 1980 Emil Bächli, Endingen/Schweiz Patentansprüche

1.] Warmeubertragungssystem zum Ausgleich eines Gefälles zwischen einem Wärmespeicher bzw. Wärmeübertrager und einer wesentlich höher dazu angeordneten Wärmequelle, insbesondere für mit Sonnenenergie betriebene Heizsysteme, v/obei ein Sonnenkollektorsystem aus Flüssigkeit enthaltenden Verdampferrohren und/oder Reflektoren besteht, welche über als Wärmeübertrager ausgebildete Rohrleitungen und eine motorgetriebene Umwälzpumpe mit einem Wärmeaustauscher in einem Brauchwasserbehälter verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (10) für den Kondensatrücklauf von einer durch im Sonnenkollektorsystem (1) durch Umwandlung der durch Sonnenenergie erzeugten Eigenenergie beaufschlagten Antriebsvorrichtung (8,9,10) angetrieben ist, und dass die Innenoberfläche der Verdampferrohre (1) zur Erhöhung der Kapillarwirkung oberflachenvergrossernde Ausbildungen (5a - e) aufweist.

2. Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (8,9,10) ein Dampfmotor mit daran gekuppelter Pumpe ist.

3. Warmeubertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (8,9₅1O) eine an sich bekannte Dampfturbine ist.

4-. Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (8,9,10) eine durch Dampf angetriebene Kolbenpumpe ist.

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5. Wäriaeübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampferrohre (1) der Sonnenkollek- · toren an den Innenoberflächen mit Längsrillen (15) versehen sind.

6. Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberflächen der Verdampferröhre (1) mit Umfangsrillen (16) versehen sind. .

7. Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum der Verdampferrohre (1) V/endelfedern (17) angeordnet sind.

8. Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberflächen der Verdampferrohre (1) mit einer porösen Schicht (18) überzogen sind.

9. Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenoberfläche der Verdampferrohre (1) ein dünnes Drahtgeflecht (19) angeordnet ist.

10. Wärmeübertragungssystem nach den Ansprüchen 4- bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberflächen der Verdampf err öhre (1) mit einer Kombination der oberflächenvergrössernden Mittel versehen sind.

11. Warmeübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Sonnenenergie erzeugte Eigenenergie durch Solarzellen gewonnene elektrische Energie ist, welche die die Pumpe betätigende Antriebsvorrichtung (8,9,10) antreibt.

12. V/ärmeübertragungssystem nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass neben den Verdarr.pferrohren (1,1',11") eine Solarzellenbatterie angeordnet ist.

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