DE3305838A1 - Strahlungsenergiewandler - Google Patents
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Description
-
- Strahlungsenergiewandler
- Die Erfindung betrifft einen Strahlungsenergiewandler, insbesondere einen Sonnenkollektor oder Solarabsorber, zur Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärme, der einen von einem Wärmeträgermedium durchströmten Absorptionskörper aufweist.
- Strahlungsenergiewandler nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches werden in der Ausbildung als Sonnenkollektor oder Solarabsorber zur Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme verwendet und häufig zur Warmwassererzeugung im Haushaltsbereich eingesetzt. Aus dem DE-GM 79 32 797 ist es dabei bekannt, als Absorptionskörper ein schwarz gefärbtes Rippenrohr zu benutzen, das die Strahlungsenergie absorbiert und in Form von Wärme an ein strömender Wärmeträgermedium abgibt.
- Strahlungsenergiewandler, insbesondere Solarenergiewandler, haben stets mit einem unbefriedigenden Wirkungsgrad zu dämpfen, der speziell im Haushaltsbereich die Rentabilität solcher Anlagen beeinträchtigt.
- So können beispielsweise mit einem Solarabsorber, der ein offenes System darstellt, das mit der Umgebung im Wärmeaustausch steht, nur relativ geringe Temperaturerhöhungen im Wörmeträgermedium erzeugt werden. Ein Solarabsorber besteht dabei z.B. aus einer Reihe von Rohren, die offen auf einem Hausdach verlegt werden.
- Häufig entsprechen jedoch die mit einem Solarabsorber erzielbaren Warmwassertemperaturen nicht den erhofften Werten, weshalb man ein geschlossenes System in Gestalt eines Sonnenkollektors bevorzugt. Der Einsatz eines Sonnenkollektors ist aber mit stark erhöhten Kosten verbunden, da neben den hohen Bauaufwand für den wärmegedämmten und abgedeckten Kollektor noch ein erheblicher Montageaufwand tritt, da Kollektoren in der Regel in die Dachhaut integriert werden mUssen. Daneben bleibt aber auch für Sonnenkollektoren das Problem des beschränkten Wirkungsgrades bestehen, was besonders bei dunstigem Wetter ein frühzeitiges Einschalten der Zusatzheizung nötig macht.
- Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Strahlungsenergiewandlern, insbesondere von Sonnenkollektoren und Solarabsorbern, aufzuzeigen und gegebenenfalls eine sinnvolle Kombination mit einer Wärmepumpe zu ermöglichen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles des Hauptanspruches. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung aufgezeigt.
- Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird ermöglicht, daß die Strahlungsenergie den transparenten oder transluzenten Absorptionskörper ohne nennenswerte Absorption passiert und erst im Wärmeträgermedium in Warme umgewandelt wird. Dadurch verringern sich die Wärmeverluste, die bisher durch Wärmeabgabe des heißen Absorptionskörpers an die Umgebung und bei der konvektiven Wärmeabgabe an das strömende Wärme trägermedium entstanden waren. Versuche mit je einem Solarabsorber gemäß der Erfindung und nach dem Stand der Technik haben gezeigt, daß mit dem erfindungsgemäßen Strahlungsenergiewandler um 80 bis 100 C höhere' Temperaturen erzielt werden können, was einer Wirkungsgradverbesserung von 20 % bis 25 s entspricht.
- Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß sich der einfache und billige Solarabsorber wegen der erhöhten Abgabetemperaturen in einem größeren Aufgabenbereich einsetzen läßt. Besonders der Betrieb eines Solarabsorbers als Bestandteil eines Wärmepumpenkreisloufes wird rentabler, weil hier nicht nur Solarstrahlung sondern auch Umgebungswärme aus Luft, Regen und Kondensat genutzt werden können.
- Der Vorteil der Wirkungsgraderhöhung kommt bei allen Arten von Strahlungsenergiewandlern, mit denen im Sinne der Erfindung Wärme erzeugt wird, zum Tragen, wobei insbesondere auch die Abgabetemperatur von Sonnenkollektoren erhöht werden kann. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die in den Ausführungsbeispielen angegebenen Sonnenenergieanlagen beschränkt, sondern kann z.B. auch für technische Anlagen zur tibertragung von Wärme durch ein Vakuum mittels Wärmestrahlung verwendet werden. Auch zur Gewächsbauheizung ergeben sich vorteilhafte Einsatzmöglichkeiten. So kann beispielsweise ein lichtdurchlössiger - - - - - doch - - -Absorber unter dem Gewächshausi-angeordnet werden. bei Lichtüberschuß wird er von schwarzgefärbtem Wärmeträgermedium durchströmt, um einen Schattiereffekt zu erhalten und gleichzeitig Wärme zu gewinnen, die gespeichert wird. Herrscht Lichtmangel, so läßt man einen ungefärbten Wärmeträger hindurchströmen und verwendet den Absorber als Wärmerückgewinnungseinrichtung für Gewächshaus-Abluft. Muß geheizt werden, so läßt sich der Absorber als großflächige Niedertemperaturheizung verwenden.
- Der Absorptionskörper kann vollständig oder teilweise aus transparentem oder transluzentem Material bestehen. Die Transparenz oder Transluzenz soll die Strahlungsenergieumwandlung im Wärmeträgermedium ermöglichen und braucht daher nur an den Stellen gegeben sein, wo der Absorptionskörper vom Wärmeträgermedium durchflossen ist. Der Absorptionskörper kann dann an anderen Stellen durchaus strahlungsundurchlössig sein.
- Der Absorptionskörper kann auch unterschiedliche Formen aufweisen, wobei sich eine Ausbildung als mäanderförmig oder parallel verlegtes Rippenrohr als vorteilhaft in technischer und wirtschaftlicher Hin-)sicht herausgestellt hat. Zum einen ist ein Rohr kostengünstig und einfach zu verlegen und bereitet auch keine Anschlußprobleme. Zum anderen soll der Absorptionskörper häufig auch zur Aufnahme von Um- gebungswärme dienen, wobei eine Vergrößerung der Rohroberfläche durch Rippen vorteilhaft ist. Durch die Rippen ist auch eine gute Absorption in einem größeren Bereich der Strahlungseinfallswinkel erzielbar. Der Absorptionskörper kann aber auch als Platte mit Kanälen für das Wärmeträgermedium ausgebildet sein, wobei es sich zur Vergrößerung der Absorptionsfläche empfehlen kann, auch den Absorptionskörper selbst in den Zwischenbereichen, wo kein Wärmeträgermedium fließt, dunkel zu färben.
- Als transluzentes Material eignet sich beispielsweise copolymerisiertes Polypropylen, das den Vorteil einer hohen Hitze- und Frostbe-ständigkeit neben großer Stabilität gegenüber UV-Strahlen besitzt. Außerdem eignet sich dieses Material zur kostengünstigen Herstellung von Rippenrohren.
- Als Wärmeträgermedium kommen Flüssigkeiten oder Gase in Frage, die entweder bereits eine dunkle Eigenfarbe aufweisen oder andernfalls durch Zuschlagstoffe gefärbt werden. Kostengünstige Lösungen ergeben sich mit Wasser und Wasser-Frostschutzmittelgemischen, die mit fein dispergierten Farbstoffen wie Textil farben,' Pigment farben, präpariertem Ruß oder dgl. versetzt ist.
- Für einen hohen Absorptionsgrad wir angestrebt, die Umwandlung der Strahlungsenergie in Wärme möglichst tief im Wärmeträgermedium erfolgen zu lassen. Dies wird durch eine Anpassung der .Farbkonzentration des Wärmeträgermediums an den Strömungsquerschnitt im Absorptionskörper erreicht. Je größer dieser Strömungsquerschnitt ist, desto geringer wird die Farbkonzentraton gewählt.
- Zur Erhöhung des Absorptionsvermögens kann das Wärmeträgermedium Metallteilchen enthalten, die je nach flüssiger oder gasförmiger Konsistenz des Wärmeträgermediums in Emulsions- oder Staub form vorliegen. Unter diesem Gesichtspunkt eignen sich zum Einfärben des Wärmeträgermediums besonders metalikomplet Farbstoffe.
- Die Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch und beispielsweise dargestellt. Es zeigen im einzelnen: Fig. 1: eine Draufsicht auf einen Solarabsorber mit Rippenrohren, Fig. 2: eine perspektivische Ansicht eines Sonnenkollektors mit Rippenrohren und Fig. 3s einen Absorptionskörper in Plattenform.
- Fig. 1 zeigt einen Solarabsorber 4, bei dem die restlichen Teile des Kreislaufes, wie Anschlußleitungen, Wärmespeicher, Pumpen oder dgl.
- nicht dargestellt sind. Der Absorptionskörper 1 wird von einer Reihe von Rippenrohren 2 gebildet, die parallel zueinander an je ein Vorlaufrohr 11 und ein Riicklaufrohr 12 angeschlossen sind Die Rippenrohre 2 bestehen aus einem transparenten oder transluzenten Material, vorzugsweise'copolymerisiertes Polypropylen, das wegen seines niedrigen Absorptionskoeffizienten die auftreffende Sonnenstrahlung ungehindert passieren läßt. Der Solarabsorber 4 wird mit einem dunkel gefärbten )Wärmeträgermedium 3 beschickt, das durch die Rippenrohre 2 des Absorptionskörpers 1 strömt. Das Wärmeträgermedium 3 absorbiert dabei die durch die Rippenrohrwandungen tretende Sonnenstrahlung und wandelt sie in Wärme um. Durch sein geringes Absorptionsvermögen erwärmt sich das Rippenrohr nur noch maximal auf die Temperatur des Wärmeträgermediums 3oder der Umgebung. Dadurch werden die Verluste durch Wärmeabstrahlung des Rohres stark gemindert, wobei bei geeigneter Werkstoffauswahl das Rippenrohr zwar die Sonnenstrahlung passieren läßt, während es für die vom Wärmeträgermedium wieder emittierte Wärmestrahlung undurchlässig ist. In Zeiten geringerer Sonneneinstrahlung kann Uber das Rippenrohr Qärme aus der Umgebung auf das Wärmeträgermedium übertragen werden.
- Mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Solarabsorber 4 lassen sich somit höhere Temperaturen des Wämetragermediums bei gleichzeitiger Verringerung der Abwärmeverluste erzielen.
- Ein Solarabsorber gemäß Fig. 1 wird in geschlossenen Kreisläufen betrieben und wird zur Warmwasserbereitung, Heizung zum Wärmepumpenbetrieb und zur Wärmerückgewinnung eingesetzt. Ein solcher Absorber kann auch als Bestandteil einer Kühlanlage verwendet werden.
- Bei Verwendung des Solarabsorbers 4 in einem normalen Kreislauf mit Wärmetauscher und Wärmespeicher besteht das Wärmeträgermedium 3 aus gefärbtem Wasser. Zum Einfärben des Wassers eignen sich vornehmlich Textil farben, metallkomplexe Farbstoffe und fein dispergierte Pigmentfarben, z.B. präparierter Ruß. Die Farbkonzentration richtet sich dabei nach dem Durchmesser der Rippenrohre 2, wobei die beste Anpassung durch Versuche herausgefunden wird. Wird der Solarabsorber in einem thermodynamischen Kreisprozeß, z.B. einer Wärmepumpe, betrieben, wird statt gefärbtem Wasser eine gefärbte Sole oder dgl. verwendet. In jedem Fall ist die Zusammensetzung des Wärmeträgermediums so zu wählen, daß im Betrieb keine Entmischung von Farbstoffen und Trägerflüssigkeit erfolgt und daß sich insbesondere keine Farbstoffe an der -Innenwand der Rippenrohre oder anderer Absorptionskörper absetzen. Einem flüssigen Wärreträgermedium 3 können auch Metallteilchen in Emulsionsform beigegeben werden. Auch kann das Wärmeträgermedium gänzlich aus einer nicht korrodierenden Metallemulsion bestehen.
- Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Sonnenkollektors 5 ohne Darstellung seiner Abdeckung und den benötigten Anschlußleitungen und dgl. Der Absorptionskörper 1 besteht aus mehreren transparenten oder transluzenten Rippenrohren 1, die innerhalb eines Rahmens 7 möanderförmig auf einer Absorberplatte 6 verlegt sind. Die Absorberplatte 6 ist schwarz eingefärbt und fängt die zwischen den Rippenrohren 2 auftreffende Strahlungsenergie auf und gibt sie als Wärme wieder an die Rippenrohre 2 ab. Mit einem wä.rmegeddriwnten Sonnenkollektor, der nur Strahlungsenergie aufnimmt, lassen sich höhere Temperaturen erzielen, so daß das Wärmeträgermedium 3 auch ein dunkel gefärbtes Gas sein kann.
- Fig. 3 zeigt einen Absorptionskörper 1 in einer Ausbildung als Platte 8, die von Kanälen 9 für das Wärmeträgermedium durchzogen ist. Im Bereich der Kanäle 9, wo die Strahlung ungehindert in das Wärmeträgermedium gelangen soll, ist die Platte 8 transparent oder transluzent. Wenn, wie in Fig. 3 dargestellt, der Abstand zwischen den Kanälen 9 relativ groß ist, kann die Platte 8 in diesen Zwischenbereichen 10 eine dunkle Farbe aufweisen. Dies kann durch Einfärben der Plattenoberfläche, durch Einbau einer dunklen Schicht im Inneren der Platte 8 oder durch Aufteilung der Platte in dunkel farbige und strahlungadurchlässige Bauteile geschehen.
- StUckliste 1 Absorptionskörper 2 Rippenrohr 3 Wärmeträgermedium 4 Solarabsorber 5 Sonnenkollektor 6 Absorberplatte 7 Rahmen 8 Platte 9 Kanal 10 Zwischenbereich 11 Vorlaufrohr 12 RUcklaufrohr 13 14 15
Claims (9)
- P a t e n t a n s p r U c h e Strahlungsenergiewndler, insbesondere Sonnenkollektor oder R Strahlungaenergiewandler, insbesondere Sonnenkollektor oder Solarabsorber, zur Umwandlung von Strahlungsenergie in Warme, der einen von einem Wärmeträgermedium durchströmten Absorptionskörper aufweist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Absorptionskörper (1) zumindest teilweise aus transparentem oder transluzentem Material besteht und das Wärmeträgermedium (3) eine dunkle Farbe aufweist.
- 2) Strahlungsenergiewandler nach Anspruch 1,.dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Absorptionskörper (1) als mäanderförmig oder parallel verlegtes Rippenrohr (2) ausgebildet ist.
- 3) Strahlungsenergiewandler nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Absorptionskörper (1) als von Kanäle (9) durchzogene Platte (8) ausgebildet ist.
- 4)Strahlungsenergiewandler nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n -z e i c h ne t, daß die Platte (8) an Zwischenbereichen (lO),wo keine Kanäle (9) verlaufen, dunkel gefärbt ist.
- 5) Strahlungsenergiewandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Absorptionskörper (1) aus copolymerisiertem Polypropylen oder Plexiglas (WZ) besteht.
- 6) Strahlungsenergiewandler nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n - z e i c h ne t, daß als Wärmeträgermedium (3) mit fein dispergierten Farbstoffen, wie Textilfarben, Pigmentfarben, Ruß oder dgl., gefärbtes Wasser vorgesehen ist.
- 7) Strahlungsenergiewandler nach Anspruch 1 oder 6, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Farbkonzentration des Wärmetrugermediums (3) in Abhängigkeit vom Strömungsquerschnitt im Absorptionskörper (1) einstellbar ist.
- 8)Strahlungsenergiewandler nach Anspruch 1, 6 oder 7, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß das Wärmeträgermedium (3) Metallteilchen in Emulsions- oder Staubform enthält.
- 9) Strahlungsenergiewandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß er in eine Wärmepumpenanlage integriert ist.1 O>Strahlungsenergiewandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß er unter dem Dach eines Gewächahauses angeordnet und mit einem Wärmespeicher verbunden sowie wahlweise mit einem ungefärbten Wärmeträger beschickbar ist.
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