DE3643038A1 - Wellschlauch fuer solaranlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wellschlauch für Solar­ anlagen mit einem entsprechend dem Sonnenstrand ver­ schwenkbaren Spiegelsystem zur Konzentration der Sonnenstrahlen auf eine mit dem Spiegelsystem ver­ bundene und mitschwenkende Leitung, die ihrerseits von einem Wärmeträger durchströmt und über den ge­ nannten Wellschlauch an ein ortsfestes Leitungselement angeschlossen ist, wobei die Krümmung des Wellschlau­ ches im Verlauf der Schwenkbewegung des Spiegelsy­ stems das Vorzeichen wechselt und wobei der Well­ schlauch von einem Geflecht und einer Isolierung umgeben ist.

Bei derartigen bekannten Anlagen wird das Spiegel­ system automatisch dem Sonnenstrand nachgeführt, wobei ein Schwenkwinkel von etwa 180° zurückgelegt werden muß. Während der Nacht wird das Spiegelsystem in die obere Totpunktlage geschwenkt, die Spiegelfläche ist dabei nach unten gerichtet, damit sich keine Niederschläge, Staub oder Regen u. dgl. auf der Spie­ gelfläche absetzen können.

Unter Berücksichtigung dieser oberen Totpunktlage beträgt der Gesamtdrehwinkel des Spiegelsystems etwa 250°. Dieser Winkel muß während 24 Stunden zu­ nächst in der einen Drehrichtung und danach in der anderen Drehrichtung durchfahren werden. Der glei­ che Drehwinkel ergibt sich für die mit dem Spiegel­ system verbundene Leitung, in der ein von den Son­ nenstrahlen aufgeheizter Wärmeträger zirkuliert. Der Anschlußflansch dieser Leitung liegt meist außer­ halb der Drehachse des Spiegelsystems, so daß neben der reinen Drehbewegung auch eine beträchtliche Schwenkbewegung längs eines Kreisbogens auftritt. Die Verbindung des Anschlußflansches der sich be­ wegenden Leitung mit dem ortsfesten Leitungselement muß deshalb durch ein flexibles Element erfolgen. Man verwendet dazu einen metallischen Wellschlauch, der von einem Geflecht und einer Isolierung umgeben ist, zumal der Wärmeträger unter einem Druck von 20 bar und einer Temperatur von 300- bis 400°C steht.

Beim Betrieb dieser Solaranlagen hat sich gezeigt, daß der bekannte Wellschlauch überraschenderweise die für diesen Anwendungsfall zu erwartende Lebens­ dauer bei weitem nicht erreicht. Die meisten Well­ schläuche sind bereits nach 3000, bestenfalls nach 5000 Zyklen durch Schlauchbruch ausgefallen. Vor­ gegeben sind aber anwenderseitig 10 000 Zyklen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den bisher bekannten Wellschlauch für diesen Anwendungsfall hinsichtlich seiner Lebensdauer zu verbessern, so daß er die vorgeschriebene Zyklen mit Sicherheit aushält. Außerdem soll er sich durch einfache, kostengünstige Herstellbarkeit auszeichnen.

Die Erfindung geht dabei von einer genauen Analyse der Schlauchbewegung aus, die anhand von Fig. 1 näher erläutert wird.

Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht der Solaranlage in sechs verschiedenen Betriebsstellungen. Der verschwenkbare Spiegel ist jeweils mit 1, die sich mit ihm drehende, vom Wärmeträger durchströmte Leitung mit 2 und die Drehachse dieses Systems mit 3 bezeichnet. Der Anschluß der Leitung 2 an ein ortsfestes Leitungselement 4 erfolgt über einen Wellschlauch 5, der hier der Einfachheit halber nur als Linie dargestellt ist.

In der linken Zeichnung befindet sich der Spiegel 1 annähernd in der oberen Totpunktlage, also in der Nachtposition. In der nächsten Zeichnung ist der Spiegel für den Sonnenaufgang eingestellt. Er wandert dann entsprechend dem Sonnenstand im Uhrzeigersinn kontinuierlich weiter bis zum Sonnenuntergang. Diese Position ist in der rechten Zeichnung dargestellt.

Eine eingehende Überprüfung des Krümmungsverhal­ tens des Wellschlauches während des Spiegelumlaufs hat gezeigt, daß es beim Übergang von der Sonnen­ untergangsposition in die Nachtposition etwa 90° vor Erreichen der Nachtposition zu einem plötzlichen Umschnappen des Wellschlauches kommt.

Wie man in der Zeichnung sieht, hat der von der Son­ nenuntergangsstellung kommende Wellschlauch zunächst eine starke Rechtskrümmung. Diese Krümmung wird beim Zurückdrehen in die Nachtposition, die wohlgemerkt entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgt, zunächst der Richtung nach beibehalten, aber quantitativ etwas schwächer, vergl. den Linienzug A in der linken Zeichnung von Fig. 1. Daran anschließend nimmt die Ausbeulung wieder leicht zu, weil der Abstand der Leitung 2 von dem ortsfesten Leitungselement 4 wie­ der kleiner wird. Gleichzeitig bildet sich aber vom Leitungselement 4 ausgehend ein allmählich stärker werdender Bogen in Gegenrichtung aus, so daß schließ­ lich in der Position C zwei Bögen aufeinanderfol­ gen, die in entsprechende Richtung ausgebeult sind. Dies ist ein für den Wellschlauch instabiler Spannungszustand. Es kommt daher bei Weiterdrehung in die Position D zu einem plötzlichen Umschnappen des Wellschlauches in die gestrichelt dargestellte Lage. Diese Lage ist stabil und wird bis zum Errei­ chen der Nachtposition beibehalten.

Nach den Erkenntnissen der Anmelderin führt das Um­ schnappen des Wellschlauches - im mathematischen Sinn der abrupte, übergangslose Vorzeichenwechsel der Krümmung - zu einer lokalen Überdehnung, die für den vorzeitigen Ausfall der bisher bekannten Well­ schläuche ursächlich sein dürfte.

Zur Beseitigung dieses Umschnappens schlägt die Erfindung vor, daß der Wellschlauch zumindest zwei­ lagig ausgebildet ist und zumindest in seinem der wechselnden Krümmung unterworfenen Längenbereich von einem bewegungsdämpfenden Versteifungsmantel umgeben ist, der im Sinne einer Begradigungshilfe auf den Wellschlauch wirkt.

Durch den Versteifungsmantel wird die Überdehnung des Wellschlauches in der C-Position nicht mehr im bis­ her üblichen Ausmaß zugelassen. Vielmehr führt die Begradiungshilfe dazu, daß der Wellschlauch be­ reits bei wesentlich schwächerer Ausbildung der beiden entgegengesetzten Krümmungsbögen in die stabile Position entsprechend dem gestrichelten Linienzug umschnappt, wobei der Schnappvorgang selbst wesentlich harmloser ist, weil es zuvor keine oder nur noch eine geringfügige Ausbildung entge­ gengesetzter Krümmungen gegeben ist.

Die Mehrlagigkeit des Wellschlauches unterstützt die Vorgänge, weil der Schlauch dadurch insgesamt elastischer ist als bei einer einlagigen Ausfüh­ rung gleicher Gesamtwandstärke.

Der Versteifungsmantel könnte zwischen Wellschlauch und Geflecht angeordnet werden. In Weiterbildung der Erfindung hat es sich aber als besonders gün­ stig erwiesen, ihn außerhalb des Geflechtes, also zwischen dem Geflecht und der Isolierung, vorzu­ sehen.

Hinsichtlich der konstruktiven Ausbildung des Ver­ steifungsmantels hat es sich als besonders vorteil­ haft erwiesen, einen sog. Agraffschlauch zu verwen­ den. Dabei handelt es sich um einen Schlauch, der aus einem profilierten Metallband gewickelt ist, wobei die Bandkanten derart gefalzt sind, daß sie dicht ineinander verhakt sind.

Zur Gewährleistung der angestrebten hohen Lebens­ dauer hat es sich weiterhin als vorteilhaft erwie­ sen, daß der Wellschlauch zumindest in dem der wech­ selnden Krümmung unterworfenen Längenbereiche eine Wellentiefe größer 15%, vorzugsweise größer 18% des Innendurchmessers aufweist und daß der Abstand zwischen den Wellenbergen weniger als 15, vorzugs­ weise weniger als 12% des Innendurchmessers beträgt.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung zur Erhöhung der Lebensdauer liegt in einer Versteifung der Well­ schlauchenden. Dadurch wird die Dehnungsaufnahme und die damit einhergehende Belastung des Wellschlau­ ches von den Wellschlauchenden abgehalten. Dies ist deshalb von Bedeutung, weil die Enden aufgrund ihrer Verschweißung oder andersgearteten Verbindung mit den Anschlußteilen, Flanschen od. dgl. etwas gefährdet sind. Diese Versteifung kann durch zusätz­ liche Wellschlauchlagen, die sich nur über den End­ bereich des Wellschlauches erstrecken, herbeige­ führt werden oder durch ein steiferes Wellenprofil, beispielsweise einen größeren Wellenabstand oder eine geringere Wellentiefe. Sie kann aber auch durch über die Schlauchenden gezogene, starre Knickschutz­ hülsen gewährleistet sein. Bei diesen Knickschutz­ hülsen bietet es sich an, sie unmittelbar mit den sich axial anschließenden Enden des Versteifungs­ mantels zu verschweißen. Notwendig ist dies aber nicht.

Schließlich kann zwischen dem Agraffschlauch und dem Wellschlauch noch ein Hochtemperaturschmier­ mittel eingebracht werden. Dadurch wird ebenfalls ein frühzeitiger Übergang der Schlauchkrümmung vom instabilen in den stabilen Bereich begünstigt.

Weitere Merkmale und Vorteile des Anmeldungsgegen­ standes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei­ bung eines Ausführungsbeispieles anhand von Fig. 2. Sie zeigt einen teilweisen Axialschnitt durch den Wellschlauch.

Wie man sieht, hat der Wellschlauch folgenden Aufbau:

Innen verläuft ein metallischer Ringwellschlauch 6, d. h. ein Schlauch mit in Umfangsrichtung umlaufen­ den Wellen. Er ist durchgehend mindestens zeitwandig, maximal fünfwandig und hat eine Gesamtwandstärke von 0,2 bis 0,4 mm. Die aufeinanderfolgenden Wellen­ berge und Wellentäler sind durch zumindest annähernd radial verlaufende Flanken verbunden. Der Abstand benachbarter Wellenberge beträgt etwa 5,5 mm, die Wellentiefe etwa 25 mm, der Innendurchmesser etwa 100 bis 150 mm.

An den Enden des Ringwellschlauches 6 kann der Ab­ stand zwischen den Wellenbergen vergrößert werden, um ihn dort auszusteifen und für einen harmonischen Übergang zu den starren Anschlußstutzen 7 und 8 zu sorgen. Diese Anschlußstutzen sind zylindrisch aus­ gebildet, sie können aber auch mit Flanschplatten oder anderen Anschlußvarianten versehen sein.

Die Verbindung der Enden des Wellschlauches 6 mit den beiden Anschlußstutzen 7 und 8 erfolgt jeweils durch einen axial abgewinkelten Bund, der über eine entsprechende Eindrehung der Anschlußstutzen axial übergeschoben und verschweißt ist.

Über den Ringwellschlauch 6 ist ein ein- oder zwei­ lagiges Geflecht 9 aus Stahldraht gezogen. Seine Enden sind an den Anschlußstutzen 7 und 8 festge­ legt, damit sich der Wellschlauch 6 unter dem Über­ druck des durchfließenden Mediums nicht längen kann.

Wesentlich ist nun, daß außerhalb des Geflechtes 9 ein Agraffschlauch 10 angeordnet ist. Dieser Schlauch ist an sich als Schutzschlauch bekannt. Im hier vorliegenden Falle fungiert er jedoch als Begradigungs- oder Streckungshilfe, wobei sich überraschend ge­ zeigt hat, daß er die Ausbildung aufeinanderfolgender Schlauchbögen entgegengesetzter Krümmung gemäß Po­ sition c in der linken Zeichnung von Fig. 1 dra­ stisch reduziert und anstelle des bisher beobach­ teten Umschnappens einen vergleichsweise sanften Übergang des Wellschlauches in die gestrichelt ge­ zeichnete Position herbeiführt.

Schließlich ist die Schlauchleitung noch von einer Isolierung 11 umgeben, die an sich bekannten Aufbau aufweist und daher in der Zeichnung nur schematisch angedeutet ist.

Fig. 2 zeigt noch eine Alternative für die endständige Geradführung des Wellschlauches 6. Dazu sind an die beiden Anschlußstutzen 7 und 8 Knickschutzhülsen 12 und 13 montiert, die sich jeweils ein Stück über die Enden des Wellschlauches 6 erstrecken. Dadurch wird der Wellschlauch in seinem überdeckten Bereich gegen Abbiegen gesichert.

Damit es am Ende der Knickschutzhülsen 12 und 13 beim Abbiegen des Wellschlauches nicht zur Kantenan­ lage kommt, laufen die Knickschutzhülsen an diesen Enden mit einem Radius aus. Gleichzeitig dienen diese Enden zur Festlegung des sich axial anschließenden Agraffschlauches 10.

Claims (12)

1. Wellschlauch für Solaranlagen mit einem ent­ sprechend dem Sonnenstand verschwenkbaren Spiegel­ system zur Konzentration der Sonnenstrahlen auf eine mit dem Spiegelsystem verbundene und mit­ schwenkende Leitung, die ihrerseits von einem Wär­ meträger durchströmt und über den genannten Well­ schlauch an ein ortsfestes Leitungselement ange­ schlossen ist, wobei die Krümmung des Wellschlau­ ches im Verlauf der Schwenkbewegung des Spiegel­ systems das Vorzeichen wechselt und wobei der Well­ schlauch von einem Geflecht und einer Isolierung umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellschlauch (6) zumindest zweilagig ist und zumindest in seinem der wechselnden Krümmung unterworfenen Längenbereich von einem bewegungs­ dämpfenden Versteifungsmantel (10) umgeben ist, der im Sinne einer Begradigungshilfe auf den Wellschlauch wirkt.

2. Wellschlauch nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Versteifungsmantel (10) zwischen dem Geflecht (9) und der Isolierung (11) ange­ ordnet ist.

3. Wellschlauch nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Versteifungsmantel (10) ein Agraffschlauch ist.

4. Wellschlauch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Well­ schlauch (6) zumindest in dem der wechselnden Krümmung unterworfenen Längenbereich eine Wellen­ tiefe größer 15%, vorzugsweise größer 18% des Innendurchmessers aufweist.

5. Wellschlauch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ab­ stand zwischen den Wellenbergen des Wellschlau­ ches (6) zumindest in dem der wechselnden Krüm­ mung unterworfenen Längenbereich kleiner 15%, vorzugsweise kleiner 12% des Innendurchmes­ sers ist.

6. Wellschlauch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Wellschlauches (6) versteift sind.

7. Wellschlauch nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Versteifung der Wellschlauch­ enden durch zusätzliche Wellschlauchlagen herbei­ geführt ist.

8. Wellschlauch nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Versteifung der Wellschlauch­ enden durch ein steiferes Wellenprofil, größe­ ren Wellenabstand oder geringere Wellentiefe her­ beigeführt ist.

9. Wellschlauch nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Versteifung der Wellschlauch­ enden durch über die Schlauchenden gezogene, starre Knickschutzhülsen (12, 13) herbeige­ führt ist.

10. Wellschlauch nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Knickschutzhülsen (12, 13) mit den sich axial anschließenden Enden des Agraffschlauches (10) verschweißt sind.

11. Wellschlauch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wellschlauch (6) und dem Agraffschlauch (10) ein Hochtemperaturschmiermittel eingebracht ist.

12. Wellschlauch nach einem der vorhgehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegungs­ dämpfende Versteifungsmantel (10) als Biegeradius­ begrenzung des Schlauches fungiert, also den kleinst­ möglichen Biegeradius definiert.