DE3445787A1

DE3445787A1 - Waermeaustauscherflaeche

Info

Publication number: DE3445787A1
Application number: DE19843445787
Authority: DE
Inventors: Matthias 1000 Berlin Rosen; Gerhard 5675 Haan Tischer; Wilfried 4350 Recklinghausen Viehweger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-12-11
Filing date: 1984-12-11
Publication date: 1985-05-30

Description

Matthias Rosen
Rudolstädter Str. 121
D-1000 Berlin 31

Wärmeaus taus cherflache

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeaustauscherfläche nach Anspruch 1. Sie eignet sich zur Exergiegewinnung aus natürlich auftretenden Temperaturdifferenzen.

Es ist bekannt, zur Wärmeaufnahme bei erhöhten Temperaturen schwarze Oberflächen zu verwenden, die Sonnenlicht absorbieren.

Die Temperatur der Umwandlung läßt sich durch durchsichtige Abdeckungen, beispielsweise Glas (Treibhauseffekt), und/oder durch konzentrierende Spiegelsysteme steigern.

Zur Wärmeabgabe bei tiefen Temperaturen sind diese Systeme nur mäßig bis garnicht geeignet. Die minimal erreichbare Temperatur liegt nur wenig unter der Sättigungstemperatur des Wasserdampfes in der Luft, da sich bei Unterschreitung Tau niederschlägt und die verhältnismäßig große Kondensationswärme frei wird .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zu schaffen, das nicht nur die Wärmeaufnahme bei erhöhter, sondern besonders die Wärmeabgabe bei tiefer Temperatur ermöglicht.

So kann "beim Betrieb einer Sorptionsmas chine zur Kälteerzeugung auf diese ganz verzichtet werden, wenn die erzeugte Temperatur noch häufig genug unterschritten werden kann. Ist dies nicht der Fall, ergeben sich dennoch folgende Vorteile:

a) auf eine zusätzliche Kühlung, "beispielsweise durch Wasser, kann verzichtet werden

b) die relativen Druckunterschiede in der Maschine verringern sich

c) das Sorptionsmittel ist freier wählbar und man kommt mit geringeren Mengen aus, da die Sorptionskraft nicht so hoch zu sein braucht

d) der Maschinenwirkungsgrad steigt, besonders bei der sich anbietenden periodischen Bauweise.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß einer Wärmestrahlen gut abgebenden, beispielsweise mit Heizkörperlack beschichteten, oder auch Sonnenlicht gut absorbierenden, beispielsweise mit Solarlack beschichteten Fläche ein spiegelndes System vorgesetzt wird, dessen flächig ausgeführte Bestandteile im Wesentlichen senkrecht zur vorgenannten Fläche stehen. Ein Wärmeaustausch mit der Umgebung durch Strahlung findet daher permanent, durch Konvektion jedoch nur dann, wenn die Temperatur der austausehenden Fläche über der der Umgebung liegt, statt, da sich in den durch das spiegelnde System und die wärmeaustuaschende Fläche gebildeten nach oben hin offenen Gefäßen bei niedriger Temperatur der austauschenden Fläche eine stabile Luftschichtung einstellt. Die kalte und trockene luft weist ein höheres spezifisches Gewicht auf, was der freien Konvektion entgegenwirkt.

Eine weitere Eigenschaft des Systems besteht darin, daß Strahlung mit einem geringen Winkel zur austauschenden Fläche vom spiegelnden System häufiger reflektiert werden muß, und so ein größerer Teil absorbiert wird.

Wird die Wärmeaustauscherfläche im Freien annähernd \A/aü,$e recht ausgestellt, wird der Strahlungsaustausch da abgeschwächt, wo der Weg durch die Atmosphäre in den Weltraum besonders lang wird und so die Störeffekte der Atmosphäre "T 5 größer sind, oder sogar der Strahlungsaustausch mit dem <f Boden, Bäumen oder Gebäudeteilen stattfindet. Dieser Effekt ^ kann durch zusätzlich aufgestellte und den jeweiligen Bedingungen angepaßte Spiegelflächen verstärkt werden. Nähere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beispielen.

Es zeigen Abb. 1 ein einfaches Kühlsystem

Abb. 2 die dazugehörige Wärmeaustauscherfläche

in Seitenansicht und Draufsicht Abb. 5 ein von E. Altenkirch vorgeschlagenes Sorptionssystem mit einer erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherfläche ausgerüstet. In Abb. 1 sei 1 das Dach eines Hauses, auf welchem sich die Wärmeaustauscherfläche 2 in leichter Schräglage auf der Isolation 3 befindet. Das Rohr 4 ist Bestandteil der Wärmeaustauscherflache 2 und an einem Ende zugelötet, während das andere Ende über Rohr 5 mit dem Behälter 6 im Kühlschrank 7 in Verbindung steht.

Die Wärmeaustauscherfläche 2 besteht gemäß Abb. 2 aus wabenförmig angeordneten, IR und sichtbare Strahlung reflektieren'Vlächen 8, beispielsweise aus Aluminium, die einen geringen Abstand zur strahlungsaustauschenden Platte 9 haben können, damit der Wärmeübergang durch Wärmeleitung erschwert wird und gleichzeitig Regen- und Kondenswasser unter Mitnahme von Schmutzpartikeln abfließen kann. Unter der wärmeaustauschenden Platte 9 befindet sich die Rohrschlange 4, welche zwecks besserer Wärmeübertragung mit Platte 9 verlötet ist.

In Behälter 6 befindet sich ein zweiphasiges flüssiges System, zuunterst Wasser .mit Glykol, darüber eine wasserunlösliche und Glykol maximal begrenzt lösende Flüssig-

keitsschicht mit wesentlich höherem Dampfdruck, im Folgenden Arbeitsmittel genannt.

Das Leitungssystem wurde vor dem Einfüllen evakuiert, so daß es im Wesentlichen nur von Arbeitsmitteldämpfen erfüllt ist.

Die Anlage arbeitet wie folgt.

Sinkt die Temperatur der Wärmeaustauscherfläche unter die des Kühlschranks 7 aufgrund der Wärmeabstrahlung oder der konvektiven Wärmeabgabe während der Nacht, beginnt Arbeits-

"¹O mitteldampf in der Rohrschlange 4 zu kondensieren und fließt über die Yerbindungsleitung 5 in den Behälter 6 zurück, in welchem die gleiche Menge wieder verdampft und den Weg zurück zur Wärmeaustauscherfläche findet. So wird dem Kühlschrank 7 und besonders der Wasserphase im Behälter 6 Wärme entzogen, wodurch sich unter O⁰G in der Wasserphase amorphes Bis bildet.

Steigt die Temperatur in der Wärmeaustauscherfläche 2 wieder, kommt der Arbeitsmittelkreislauf zum Erliegen, da sich eine stabile Temperaturschichtung einstellt. Das zuvor produzierte Eis übernimmt nun die Wärmeaufnahme aus dem Kühlschrank 7.

Soll nun nicht nur die Nachtkälte, sondern die gesamte in der Wärmeaustauscherfläche 2 erzielbare Temperaturdifferenz genutzt werden, kann ein Ventil direkt % über dem Kühlschrank 7 in der Verbindungsleitung 5 angeordnet wer-den, während die Rohrschlange 4 verdickt und mit festem Sorptionsmittel gefüllt wird.

Während der Nachtperiode sinkt die Temperatur in der Wärmeaustauscherfläche 2. und vermindert den Druck des Arbeitsmittels über dem Sorptionsmittel in der Rohrschlange so weit, bis das neueingefügte Ventil in Leitung 5 selbsttätig öffnet und Arbeitsmittel im Behälter 6 verdampfen kann.
Während der Tagperiode wird das Arbeitsmittel in der Rohrschlange 4 durch die zugeführte Wärme ausgetrieben und gelangt in die Verbindungsieitung 5, welche jetzt als Kondensator wirkt. Das verflüssigte Arbeitmittel wird anschließend durch das Ventil in den Behälter 6 zurückgelassen.

Aufgrund der verhältnismäßig niedrigen mittlern Temperatur in der Wärmeaustauscherfläche 2 ist, wie zuvor erwähnt, nur eine geringe Sorptionskraft notwendig. Es kann daher

O mit einer hohen Arbeitsmittelbeladung gearbeitet werden, ^ 5 wodurch die Wärmekapazität der gesamten Wärmeaustauscher-3" fläche abnimmt.

r. An Stelle eines Sorptionsmittels ist auch ein solches verwendbar, welches eine Kappilarkondensation des Arbeitsmittels ermöglicht.
Abb. 3 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel.

Es sei 10 das Dach eines Hauses, auf dem sich der Kältespeicher 11 umgeben vom Isolierkörper 12 mit nach Süden ausgerichtetem Sonnenkollektor 13 und leicht nach Norden geneigter Wärmeaustauscherfläche 14 im Sinne der Erfindung befinden. Die Verbindungsrohre 15 und 16 bilden mit der Rohrschlange 17 der Wärmeaustauscherfläche 14 und dem Kältespeicher 11 ein Umlaufsystem, welches durch die Einrichtung 19 entlüftet wird. Das Rohr 20 verbindet den Sonnenkollektor 13 mit dem Vorratsbehälter 21 und bildet im Kältespeicher 11 einen Kondensator. Der Vorratsbehälter 21 befindet sich in der Kühlschrankisolierung 22 und bildet mit dem Verbindungsrohr 23 und den Verdampfer 24 ein Umlaufsystem.

Die Anlage arbeitet wie folgt.

In den Rohren des Sonnenkollektors 13, die untereinander in Verbindung stehen, befindet sich das Sorptionsmittel, beispielsweise aktive Kohle, beladen mit dem Arbeitsmittel, beispielsweise Ammoniak, welches während der Tagperiode ausgetrieben wird. Es kondensiert anschließend im Rohr 20 unter Wärmeabgabe an den Kältespeicher 11 und erreicht den Vorratsbehälter- 21 in flüssiger Form.

Während der Nacht sinkt der Dampfdruck des Arbeitmittels aufgrund des abgekühlten Sorptionsmittels bis zunächst das Arbeitsmittel im Vorratsbehälter 21 und später im Verdampfer 24 unter Wärmeaufnahme siedet.

Im Kältespeicher 11, "beispielsweise gefüllt mit einem Wasser-Alkohol-Gemisch, entsteht nun aufgrund der Dichtedifferenzen ein Umlauf durch die Warmeaustauscherfläche 14, die ebenfalls abgekühlt ist. So wird die Kälte für die nächste Austreibungsperiode am Tage gespeichert.

Das System läßt sich weiter verbessern, wenn der Kollektor 13 durch eine erfindungsgemäße Wärmeaustauscherfläche ersetzt wird. Zwischen Dach 10 und Kollektor 13 wird desweiteren ein zusätzlicher Spiegel so angebracht, daß tagsüber zusätzliches Sonnenlicht auf nun als Wärmeaustauscherfläche umgebauten Kollektor 13 reflektiert wird, während in der Nacht Wärmestrahlen, die das Dach treffen wurden, in den Weltraum umgelenkt werden.
Die so erzielten Vorteile wurden bereits erwähnt.

Weitere Anwendungsbeispiele sind kontinuierlich arbeitende Sorptionsmaschinen, bei welchen der thermodynamische Kreisprozeß weiter entfernt von der evtl. vorhandenen Kristallisationsgrenze geführt werden kann, Wärmetransformatoren, beispielsweise zur Raumheizung, sowie Anlagen zur Kraft- oder Stromerzeugung, bei denen beispielsweise ein Stirlingmotor zwischen einem Wärme- und einem Kältespeicher arbeitet.

Claims

Rudolstädter Str. 121
D-1000 Berlin 31

Wärme aus taus cherflache

Patentansprüche

j;1.jWärmeaustauscherflache, geeignet zum Wärmeaustausch ^-^mit der Umgebung, dadurch gekennzeichnet, daß der austauschenden Fläche ein spiegelndes System vorgesetzt wird, dessen flächig ausgeführte Bestandteile im Wesentlichen senkrecht zur austauschenden Fläche stehen.
2. Wärmeaustauscherfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeaustauschende Oberfläche insbesondere für den Strahlungsaustausch im IR-Bereich geeignet ist.
3. Wärmeaustauscherfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeaustauschende Oberfläche für den Strahlungsaustausch im IR- und im sichtbaren Bereich geeignet ist.
4. Wärmeaustaucherfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das spiegelnde System in der Projektionsebene der wärmeaustauschenden Fläche Vierecke, Sechsecke oder Kreise zeigt.
5. Wärmeaustauscherflache nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das spiegelnde System nur wenige oder keine Berührungsstellen mit der wärmeaustauschenden Fläche hat.
6. Wärmeaustauscherfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohr oder ein Rohrregister für den Transport des wärmetragenden Mediums benutzt wird.
7. Wärmeaustauscherfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Oberfläche der wärmeaustauschenden Fläche freigehalten wird für den Wärmeaustausch mit dem angeschlossenen Apparat.
8. Wärmeaustauscherfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeaustauschende Fläche aus zwei Blechen besteht, welche Hohlräume, geeignet für den Transport des wärmetragenden Mediums, freigeben.
9. Wärmeaustauscherfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Teile dessen aus Stahl, Kupfer, Aluminium, Edelstahl oder Kunststoffen als Grundwerkstoff bestehen.
10. Wärmeaustauscherfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Lot, Klebstoffe, Chrom, Zinn, Zink oder Nickel als Zusatzwerkstoffe verwendet werden.
11. Wärmeaustauscherfläche nach Anspruch 1₉ dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungen der einzelnen Teile durch Schweißen, Löten, Kleben, Nieten, Schrauben oder Aufwalzen hergestellt werden.
12. Wärmeaustauscherfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das spiegelnde System unbehandelt, eloxiert, poliert, geglänzt, vakuumbedampft, elektrolytisch beschichtet, tauchbadbeschichtet, flammgespritzt oder mit aufgewalzten, aufgeklebten oder aufgelöteten Schichten zum Einsatz kommt.