DE3707769A1 - Anlage zur uebertragung von solarenergie auf in einem gefaess befindliche fluessigkeit - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Übertra­ gung von Solarenergie auf in einem Gefäß befindliche Flüssig­ keit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine bekannte Anlage dieser Art geht aus von direktverdam­ pfenden Kollektoren und einem Topf als Innenteil eines doppelwandigen Gefäßes, z.B einem Kochtopf. Der Dampf beauf­ schlagt dabei das Gefäß von der Außenseite her, das an­ fallende Kondensat wird nach unten in Richtung der Schwer­ kraft abgeführt. Wegen des sehr guten Wärmeübergangs bei der Kondensation genügt eine Übertemperatur des Dampfes von weni­ ger als 10° um Wasser in dem Topf zum Sieden zu erhitzen. Dieses bekannte System verlangt jedoch Spezialgefäße, konven­ tionelle Kochtöpfe können nicht verwendet werden. Außerdem besteht bei dem Kreislauf die Gefahr, daß durch ungereinigte Außenseiten der Töpfe der Kollektorkreislauf verschmutzt wird.

Ausgehend von diesem Stande der Technik hat nun die vorlie­ gende Erfindung zur Aufgabe, eine Anlage bzw. einen Kreislauf gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, der die Erhitzung von Flüssigkeit in einem konventionellen Gefäß er­ möglicht, ohne daß bei einer solaren Wärmeenergieausnutzung weitere Fremdenergie zur Überwindung von Förderhöhen notwen­ dig ist und ohne daß am Gefäß irgendwelche Modifikationen notwendig sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt nun die vorliegende Erfin­ dung die Merkmale vor, die im Kennzeichen des Patentanspru­ ches 1 angegeben sind. Weitere, besonders vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen, die in den Kennzeichen der weiteren Unteransprüche aufgeführt sind.

Bei der Erfindung kann nun die heizende Fläche in Form eines Kondensators direkt in die zu erhitzende Flüssigkeit bzw. in Kochgut eingetaucht werden. Dadurch entsteht ein direkter Wärmeübergang, wobei in vorteilhafter Weise bestehende bzw. konventionelle und bereits vorhandene Gefäße weiter ver­ wendet werden können. Darüberhinaus bleibt der Kreislauf des Kollektors in sich vollständig geschlossen und muß bei Ent­ nahme des Erhitzungsgefäßes nicht mehr geöffnet werden. Dies erfolgt durch die vorliegende Erfindung dadurch, daß sich die Wärmequelle direkt in der zu erhitzenden Flüssigkeit befin­ det, so daß die Verluste nach außen klein bleiben können.

Weiterhin entstehen bei der Anwendung von Wasser als Wärme­ träger keine Überhitzungsprobleme an der Heizfläche mehr. Der Wärmeübergang an die Flüssigkeit bestimmt die Kondensations­ rate und damit den Wämestrom. Die maximale mögliche Tempera­ tur kann vom Systemdruck bestimmt werden und kann daher in Grenzen von etwa 20° gehalten werden.

Besonders vorteilhaft ist bei der vorliegenden Erfindung, daß der Wärmeträger aus dem Kondensator zur Rückführung zum Kollektor wieder über den Gefäßrand gehoben werden kann, wo­ durch eine ständig arbeitende Umwälzpumpe erübrigt wird. Der erfindungsgemäße Kreislauf arbeitet somit fremdenergiefrei. Die Erfindung ermöglicht dies durch das Wechselspiel zwischen einem eingeschlossenen Luftvolumen in Strömungsrichtung hin­ ter dem Kondensator und dem Dampfraum in der Dampfleitung so­ wie dem Kondensator. Dadurch wird das Kondensat aus dem Kon­ densator über den Gefäßrand hinweg gefördert.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden und anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigen die

Fig. 1 den Kreislauf in kaltem Zustand, die

Fig. 2 den stationären Betrieb im Kreislauf, die

Fig. 3 das Ende der Anstiegsphase des Kondensats im Konden­ sator und die

Fig. 4 das Ende der Kondensatrückführphase, wobei das Wasser als Kreislaufflüssigkeit schraffiert, der Dampf gepunktet und die Luft hell dargestellt ist.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen den Solarkollektor 1 als Wärme­ quelle, der im wesentlichen aus dem lichtdurchlässigen Sie­ derohr 2 als Empfänger und dem Kondensatrückführrohr 3 hier koaxial im Siederohr besteht. Vom Siederohr führt die Dampf­ leitung 4 nach oben zu dem allseitig geschlossenen Gehäuse 6 des Kondensators 5 als Wärmesenke, der von oben her über den Rand 8 eines Gefäßes 7 in die darin befindliche und zu erwär­ mende Flüssigkeit 9 eingetaucht ist. Die Dampfleitung 4 mün­ det dabei von oben her in das Gehäuse 6 an der Dampfein­ leitungsstelle 28, um die Eintauchbarkeit nicht zu behindern. In das Gehäuse 6 des Kondensators 5 ragen von oben her zwei Tauchrohre 10 und 11 abgedichtet durch dessen Wandung hin­ durch, wobei das Ende bzw. die Öffnung 14 des ersten Tauch­ rohres 10 bis zur tiefsten Stelle 16 des Gehäuseinnenraumes 17 reicht, die Öffnung 15 des zweiten Tauchrohres 11 jedoch im Verhältnis dazu geodätisch etwas höher angeordnet ist.

Die beiden Tauchrohre 10 und 11 bilden jeweils den einen Schenkel von zwei umgekehrten Siphons 12 und 13, deren an­ dere, nach unten weisende Schenkel als Siphonrohr 18 und Siphonbrecherrohr 19 bezeichnet sind. Der zweite Siphon 13 wird wegen seiner Funktion auch als Siphonbrecher bezeichnet. Die beiden Rohre 18 und 19 führen, geodätisch gesehen, nach unten und münden auf in den Gasraum 20 eines vorzugsweise rohrförmigen, in etwa senkrecht oder schrägstehenden Luft­ sammlers 21, der ein bestimmtes Luftvolumen VL enthält. Der Luftsammler 21 ist über ein Fallrohr 22 an die Rück­ führleitung 23 angeschlossen, über welche das Kondensat bzw. das Wasser mittels des Kondensatrückführrohres 3 dem Sie­ derohr 2 des Solarkollektors 1 wieder zugeführt wird. Kollek­ tor 1, Kondensator 5, Luftsammler 21 bilden mit ihren Verbin­ dungsleitungen 4, 12, 13, 22 und 23 ein geschlossenes System, welches gegen Überschreitung eines Höchstdruckes durch eine nicht näher dargestellte Sicherheitseinrichtung geschützt ist.

Das Siphonrohr 18 bzw. der andere Schenkel des ersten Siphons 12 führt, wie bereits erwähnt, in den Gasraum 20 des Luft­ sammlers 21 und ist in diesem soweit nach unten geführt, daß seine Mündung 24 unterhalb der Öffnung 14 des ersten Tauch­ rohres vom ersten Siphon 12 gelegen ist und die Siphondiffe­ renz Δ S ₁ gebildet wird. Das Siphonbrecherrohr 19 bzw. der andere Schenkel des zweiten Sipons 13 ist am oberen Ende 25 des Luftsammlers 21 angeschlossen, so daß seine Mündung 26 oberhalb der Öffnung 15 des zweiten Tauchrohres 11 gelegen ist und die Siphondifferenz Δ S ₂ gebildet wird. Die Länge des Siphonbrecherrohres 19 soll möglichst klein sein, die Mündung 26 muß geodätisch über der Öffnung 15 liegen. Der er­ ste Siphon 12 dient zur Abfuhr des Kondensates 27 aus dem Ge­ häuse 6, der zweite Siphon 13 dient zum zusätzlichen Druck­ ausgleich durch Luftrückströmung bei instationärem Betrieb.

Funktionsweise der Anlage bzw. des Kreislaufes wird nun an­ hand der vier Schaubilder bzw. Stadien gemäß den Fig. 1 bis 4 beschrieben:

Die Fig. 1 zeigt das geschlossene System mit Kollektor 1 und Kondensator 5. Als Wärmesenke ist ein gefülltes Gefäß 7 um den Kondensator 5 vorgesehen. Im kalten Zustand sind das Sie­ derohr 2 des Kollektors 1 und die Rückführleitung 23 voll­ ständig, sowie der Steigleitungsteil des Kollektors 1 und das Fallrohr 22 teilweise mit Wasser gefüllt. Die restlichen Kreislaufteile einschließlich des Kondensators 5 enthalten Luft unter atmosphärischem Druck.

Bei Wärmeaufnahme des Kollektors 1 wird nach Erreichen der Siedetemperatur Dampf durch die Steigleitung zum Kondensator 5 strömen. Die ursprünglich in der Leitung 4 und dem Konden­ sator 5 vorhandene Luft wird, da der Kreislauf geschlossen ist, durch den Kondensator 5 und den Siphon 12 und 13 in den nachgeschalteten Luftsammler 21 verdrängt (Fig. 2). Im Kon­ densator kondensiert der Dampf, bei stationärem Betrieb för­ dert der Siphon 12 das Kondensat 27 zum Luftsammler 22 bzw. zum Fall- und Rückführrohr 22 und 23.

Da jedoch die Förderleistung des ersten Siphons 12 den durch unterschiedlich entnommenen Wärmestrom rasch schwankenden Kondensatmengen im Innenraum 17 des Kondensators 5 nicht an­ gepaßt werden kann, andererseits der Siphon 12 aber für die Maximalmenge ausgelegt sein muß, würde eine häufige Unterbre­ chung der Siphonwirkung und -Förderung stattfinden. Nach ei­ ner solchen Unterbrechung sammelt sich das Kondensat im Innenraum 17 wieder und füllt diesen von unten her auf (siehe Fig. 3). Damit wird aber die Wärmeübertragungsfläche im Kon­ densator 5 auf der Dampfseite eingeschränkt, wodurch eine un­ zureichende Kondensation zum Druckanstieg im System führt. Demzufolge wird das vorhandene Luftvolumen reduziert wohinge­ gen die Dampfproduktion nicht nur die Dampfverdichtung kom­ pensiert sondern auch der durch die Reduktion des Luftvolu­ mens freiwerdende Raum aufgefüllt wird. Für das Konensat 27, das durch das im Kondensator 5 nach unten gezogende Tauchrohr 10 des Siphons 12 die Trennung von Dampf- und Luftraum dar­ stellt, bedeutet dies eine Verschiebung in den Luftsammler 21. D.h. in Dampfleitung 4 und Kondensatorinnenraum 17 ent­ steht ein Überdruck, der das Kondensat um die Bauhöhe des Kondensators 5 über den Siphon 12 anhebt.

Andererseits stört der erste Siphon 12 den Druckausgleich bei schwankender Wärmeentnahme wie z.B. bei Kaltwassereingaben oder Leistungsabfall im Kollektor 1 durch die hohe Wasser­ säule des Siphonrohres 18. Zur Vermeidung von resultierenden Wasserstandsschwankungen über die maximalen Marken im Kollek­ torsystem wurde daher der zweite Siphon bzw. der Siphonbre­ cher 13 zusätzlich vorgesehen. Über diesen erfolgt jetzt der Druckausgleich, in dem Luft vom Luftsammler 21 zum Kondensa­ tor 5 zurückströmt, während der erste Siphon 12 weiterfördern kann.

Der anstehende Überdruck im Kondensator 5 würde auch ohne Siphonwirkung, z.B. über den Siphonbrecher 13 für den Trans­ port des angesammelten Kondensats sorgen. Jedoch zieht die Kondensatentleerung in den Luftsammler 21 eine starke Konden­ sationsrate im Kondensator 5 nach sich. Durch die Ausnutzung einer Siphonwirkung kann das zunächst anfallende Kondensat durch unterschiedliche geodätische Höhen der Öffnungen 14 und 15 noch mitabgeführt werden, so das die Wiederholfrequenz für den zuvor beschriebenen Zyklus von füllen und entleeren mit ansprechen des ersten Siphons reduziert wird (siehe Fig. 4).

Das Verhältnis VL des Luftvolumens im Sammler 21 zu dem des Luftvolumens Vges im gesamten Kreislauf soll mindestens so groß sein, wie das Verhältnis des atmosphären Duckes PAtm und Betriebsdruck PBetr. Dazu muß VL noch mindestens so groß sein, daß es unter dem einem Druckverhältnis entsprechend der geodätischen Förderhöhe des Siphons 10 um das Volumen beider Siphons 11 und 12 komprimierbar ist.

Wichtig ist noch, daß im Gehäuse 6 des Kondensators 5 eine Art Sumpf in Form einer tiefsten Stelle 16 vorhanden ist, in welchem die Öffnungen 14 und 15 der Tauchrohre 10 und 11 mün­ den. Diese Stelle 16 sollte möglichst weit von der Dampfein­ leitung 28 entfernt sein.

Versuche haben ein Funktionieren des Kreislaufes bestätigt, die übertragenen Leistungen lagen im Bereich von 100%1500 Watt bei einer maximalen Dampftemperatur von 105°. Dies ent­ spricht einem Sättigungsbereich von 1, 2, 3 bar.

• Bezugszeichenliste  1 Solarkollektor
   2 Siederohr
   3 Kondensatrückführrohr
   4 Dampfleitung
   5 Kondensator
   6 Gehäuse
   7 Gefäß
   8 Rand
   9 Flüssigkeit
  10 erstes Tauchrohr
  11 zweites Tauchrohr
  12 erster Siphon
  13 zweiter Siphon bzw. Siphonbrecher
  14 erste Öffnung bzw. Ende
  15 zweite Öffnung bzw. Ende
  16 tiefste Stelle
  17 Gehäuseinnenraum
  18 Siphonrohr
  19 Siphonbrecherrohr
  20 Gasraum
  21 Luftsammler
  22 Fallrohr
  23 Rückführleitung
  24 Mündung
  25 oberes Ende
  26 Mündung
  27 Kondensat
  28 Dampfeinleitung

Claims (5)

1. Anlage zur Übertragung von Solarenergie auf in einem Gefäß befindliche Flüssigkeit mit den Merkmalen:

• a) einem geschlossenen Kreislauf zur Erzeugung von Dampf durch Direktverdampfung eines Wärmeträgers in einem Solarkollektor als Wärmequelle,
• b) Umwälzung des Wärmeträgers im Kreislauf durch Naturkon­ vektion,
• c) einer in den Kreislauf eingeschalteten Wärmesenke bzw. einem Wärmetauscher zur Übertragung der Wärme auf die Flüssigkeit im Gefäß, die geodätisch höher als die Wär­ mequelle angeordnet ist, sowie mit
• d) Wärmequelle und Wärmesenke vom Ab- zum Zulauf jeweils miteinander verbindenden Rohrleitungen,

gekennzeichnet durch die Merkmale:

• e) die Wärmesenke ist als von oben in die Flüssigkeit (9) bzw. in das Gefäß (7) eintauchbarer Dampfkondensator (5) ausgebildet,
• f) Dampfzu- und Kondensatableitung des Kondensators (5) sind nach oben über den Gefäßrand (8) entgegen der Schwerkraft geführt.

2. Anlage nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

• g) Der Kondensator (5) besteht aus einem geschlossenen Ge­ häuse (6)
• h) an den Innraum (17) des Gehäuses (6) ist von oben her die Dampfleitung (4, 28) vom Solarkollektor (1) ange­ schlossen,
• i) durch die Wand des Gehäuses (6) ist von oben her ein Tauchrohr (10) geführt, das mit seinem unteren Ende bzw. seiner Mündung (14) bis zur tiefsten Stelle des Innenraumes (17) ragt,
• j) das Tauchrohr (10) bildet den einen Schenkel eines um­ gekehrten Siphons (12), der über den Gefäßrand (8) wie­ der nach unten geführt ist,
• k) der andere, wieder nach unten führende Schenkel des Siphons bzw. das Siphonrohr (18) mündet von oben her in den Luftraum (20) eines vorzugsweise rohrförmigen Luft­ sammlers (21), dessen Volumen Bestandteil des Kreis­ laufvolumens ist,
• 1) die Mündung (24) des Siphonrohres (18) liegt geodätisch tiefer als die des Tauchrohres (10),
• m) der Luftsammler (21) ist mit seinem unteren Ende über ein Fallrohr (22) an die Kondensatrückleitung (23) zum Solarkollektor (1) angeschlossen.

3. Anlage nach Anspruch 2 gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

• n) Neben dem einen Tauchrohr (10) ist von oben in den In­ nenraum (17) des Kondensators (5) bzw. seines Gehäuses (6) ein zweites Tauchrohr (11) nach unten geführt, dessen Ende bzw. Mündung (15) geodätisch oberhalb der Mündung (16) des ersten gelegen ist
• o) das zweite Tauchrohr (11) bildet den einen Schenkel ei­ nes zweiten umgekehrten Siphons bzw. Siphonbrechers (13),
• p) der andere, wieder nach unten führende Schenkel bzw. das Siphonbrecherrohr (19) des zweiten Siphons (13) mündet von oben her in den Luftraum (20) des Luftsamm­ lers (21),
• q) die Einmündung des Siphonbrecherrohres (19) in den Luftsammler (21) liegt geodätisch höher als die Mündung (15) des Siphonrohres (18) vom ersten Siphon (12) im Luftsammler (21).

4. Anlage nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

• r) Das Verhältnis von Luftvolumen VL im Luftsammler (21) zum Gesamtvolumen Vges in kaltem Zustand ist gleich dem Verhältnis von Atmosphärendruck PAtm zu Betriebsdruck PBetr, wobei
• s) VL mindestens so groß ist, daß es unter einem Druck­ verhältnis entsprechend der geodätischen Förderhöhe des Tauchrohres 10 zum Anlaufen des Siphons um das Volumen beider Siphonvolumina komprimierbar ist.