DE3707769C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Übertragung von Solarenergie auf in einem Gefäß befindliche Flüssigkeit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine bekannte Anlage dieser Art geht aus von direktverdamp­ fenden Kollektoren und einem Topf als Innenteil eines doppel­ wandigen Gefäßes, z. B. einem Kochtopf. Der Dampf beaufschlagt dabei das Gefäß von der Außenseite her, das anfallende Konden­ sat wird nach unten in Richtung der Schwerkraft abgeführt. We­ gen des sehr guten Wärmeübergangs bei der Kondensation genügt eine Übertemperatur des Dampfes von weniger als 10° um Wasser in dem Topf zum Sieden zu erhitzen. Dieses bekannte System verlangt jedoch Spezialgefäße, konventionelle Kochtöpfe können nicht vewendet werden. Außerdem besteht bei dem Kreislauf die Gefahr, daß durch ungereinigte Außenseiten der Töpfe der Kol­ lektorkreislauf verschmutzt wird.

Aus der JP-OS 60-66 059 ist eine Anlage zur Übertragung von So­ larenergie auf eine in einem Gefäß befindliche Flüssigkeit be­ kannt, bei welcher die Wärmesenke als von oben in die Flüssig­ keit eintauchbarer Kondensator ausgebildet und mit dem Solar­ kollektor durch über den Gefäßrand entgegen der Schwerkraft verlaufende Leitungen verbunden ist. Die Anlage arbeitet mit einer Venturidüse zwischen den Leitungen durch welche das Kon­ densat über einen Siphon über den Solarkollektor zurückgeführt werden soll. Diese Konstruktion bedingt jedoch eine starre Rohrkonfiguration zwischen Kollektor und Kondensator und er­ möglicht keine flexiblen Leitungen, darüber hinaus wird die Wärmetauschfläche in dem Kondensator durch das in ihn ver­ drängte Luftvolumen begrenzt, wodurch die Wärmeübertragung verringert 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 notwendig ist und ohne daß am Gefäß irgendwelche Modifikationen notwen­ dig sind.

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

Durch das Wechselspiel zwischen dem Dampf- und dem Luftvolumen bleibt bei der erfindungsgemäßen Anlage die Wärmetauscherflä­ che im Kondensator immer voll erhalten, auch wenn die Verbin­ dungsleitungen flexibel ausgebildet und die geodätische Höhe zwischen Kollektor und Kondensator variiert wird. Der Konden­ sator bzw. die heizende Fläche kann somit von oben direkt über den Gefäßrand in die zu erhitzende Flüssigkeit bzw. das Koch­ gut eingetaucht werden.

Dadurch entsteht ein direkter Wärmeübergang, wobei in vorteil­ hafter Weise bestehende bzw. konventionelle und bereits vorhan­ dene Gefäße weiter verwendet werden können. Darüber hinaus bleibt der Kreislauf des Kollektors in sich vollständig ge­ schlossen und muß bei Entnahme des Erhitzungsgefäßes nicht mehr geöffnet werden. Dies erfolgt durch die vorliegende Er­ findung dadurch, daß sich die Wärmequelle direkt in der zu er­ hitzenden Flüssigkeit befindet, 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 Wärmestrom. Die maximale mögliche Temperatur kann vom Systemdruck bestimmt werden und kann daher in Grenzen von etwa 20° gehalten werden.

Besonders vorteilhaft, wie bereits erwähnt, ist bei der vor­ liegenden Erfindung, daß der Wärmeträger aus dem Kondensator zur Rückführung zum Kollektor wieder über den Gefäßrand geho­ ben werden kann, wodurch eine ständig arbeitende Umwälzpumpe erübrigt wird. Der erfindungsgemäße Kreislauf arbeitet fremd­ energiefrei durch das Wechselspiel zwischen dem eingeschlos­ senen Luftvolumen in Strömungsrichtung hinter dem Kondensator und dem Dampfraum in der Dampfleitung sowie dem Kondensator. Dadurch wir das Kondensat auch bei instationärem Betrieb aus dem Kondensator über den Gefäßrand hinweg gefördert, ohne daß die Wärmetauscherfläche durch die eingeschlossene Luft beein­ trächtigt wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden und an­ hand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigt 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 2 führt die Dampfleitung 4 nach oben zu dem allseitig geschlossenen Ge­ häuse 6 des Kondensators 5 als Wärmesenke, der von oben her über den Rand 8 eines Gefäßes 7 in die darin befindliche und zu erwärmende Flüssigkeit 9 eingetaucht ist. Die Dampfleitung 4 mündet 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 die Mündung 14 des ersten Tauchrohres 10 bis zur tiefsten Stelle 16 des Innenraumes 17 des Gehäuses 6 reicht, die Mün­ dung 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 weisenden Schenkel als Siphonrohr 18 und Siphonbrecherrohr 19 bezeichnet sind. Der zweite Siphon 13 wird wegen seiner Funktion auch als Siphonbrecher bezeichnet. Die beiden Siphonrohre 18 und 19 führen, geodätisch gesehen, nach unten und münden in den Luftraum 20 eines vorzugsweise rohr­ förmigen, in etwa senkrecht oder schrägstehenden Luftsammlers 21, der ein bestimmtes Luftvolumen VL enthält. Der Luftsammler 21 ist über ein Fallrohr 22 an die Kondensatrückleitung 23 an­ geschlossen, über welche das Kondensat bzw. das Wasser mittels des Kondensatrückführrohres 3 dem Siederohr 2 des So­ larkollektors 1 wieder zugeführt wird. Solarkollektor 1, Konden­ sator 5, Luftsammler 21 bilden mit ihren Verbindungsleitungen 4, 12, 13, 22 und 23 ein geschlossenes System, welches gegen Überschreitung eines Höchstdruckes durch eine nicht näher dar­ gestellte Sicherheitseinrichtung geschützt ist.

Das Siphonrohr 18 bzw. der andere Schenkel des ersten Siphons 12 führt, wie bereits erwähnt, in den Luftraum 20 des Luft­ sammlers 21 und ist in diesem soweit nach unten geführt, daß seine Mündung 24 unterhalb der Mündung 14 des ersten Tauch­ rohres 10 vom ersten Siphon 12 gelegen ist und die Siphondifferenz Δ S ₁ gebildet wird. Das Siphonbrecherrohr 19 bzw. der andere Schenkel des zweiten Siphons 13 ist am oberen Ende 25 des Luftsammlers 21 angeschlossen, so daß seine Einmün­ dung 26 oberhalb der Mündung 25 des zweiten Tauchrohres 11 ge­ legen ist und die Siphondifferenz Δ S ₂ gebildet wird. Die Länge des Siphonbrecherrohres 19 soll möglichst klein sein, die Einmündung 26 muß geodätisch über der Mündung 15 liegen. Der erste Siphon 12 dient zur Abfuhr des Kondensates 27 aus dem Gehäuse 6, der zweite Siphon 13 dient zum zusätzlichen Druck­ ausgleich durch Luftrückströmung bei instationärem Betrieb.

Die Funktionsweise der Anlage bzw. des Kreislaufes wird nun anhand der vier Schaubilder bzw. Phasen gemäß den Fig. 1 bis 4 beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt das geschlossene System mit Solarkollektor 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 Solarkollektors 1 und die Kondensatrückleitung 23 voll­ ständig, sowie der Steigleitungsteil des Solarkollektors 1 und das Fallrohr 22 teilweise mit Wasser gefüllt. Die restlichen Kreislaufteile einschließlich des Kondensators 5 enthalten Luft unter atmosphärischem Druck.

Bei Wärmeaufnahme des Solarkollektors 1 wird nach Erreichen der Siedetemperatur Dampf durch die Steigleitung zum Kondensator 5 strömen. Die ursprünglich in der Dampfleitung 4 und dem Kondensator 5 vorhandene Luft wird, da der Kreislauf geschlossen ist, durch den Kondensator 5 und die Siphons 12 und 13 in den nach­ geschalteten Luftsammler 21 verdrängt (Fig. 2). Im Kon­ densator kondensiert der Dampf, bei stationärem Betrieb för­ dert der erste Siphon 12 das Kondensat 27 zum Luftsammler 21 bzw. zum Fallrohr 22 und der Kondensatrückleitung 23.

Da jedoch die Förderleistung des ersten Siphons 12 den durch unterschiedlich entnommenen Wärmestrom rasch schwankenden Kon­ densatmengen im Innenraum 17 des Kondensators 5 nicht angepaßt werden kann, andererseits der erste Siphon 12 aber für die Maximalmenge ausgelegt sein muß, würde eine häufige Unterbre­ chung der Siphonwirkung und -Förderung stattfinden. Nach einer 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 Kondensator 5 auf der Dampfseite eingeschränkt, wodurch eine unzureichende Kondensation zum Druckanstieg im System führt. Demzufolge wird das vorhandene Luftvolumen reduziert, wohingegen die Dampfproduktion nicht nur die Dampfverdichtung kompensiert sondern auch der durch die Reduktion des Luftvolumens freiwer­ dende Raum aufgefüllt wird. Für das Kondensat 27, das durch das im Kondensator 5 nach unten gezogene erste Tauchrohr 10 des ersten Siphons 12 die Trennung von Dampf- und Luftraum darstellt, bedeutet dies eine Verschiebung in den Luftsammler 21; d. h. in Dampfleitung 4 und Innenraum 17 entsteht ein Über­ druck, der das Kondensat um die Bauhöhe des Kondensators 5 über den ersten Siphon 12 anhebt.

Andererseits stört der erste Siphon 12 den Druckausgleich bei schwankender Wärmeentnahme wie z. B. bei Kaltwassereingaben oder Leistungsabfall im Solarkollektor 1 durch die hohe Wassersäule des Siphonrohres 18. Zur Vermeidung von resultierenden Wasserstandsschwankungen über die maximalen Marken im Kollek­ torsystem wurde daher der zweite Siphon 13 zusätzlich vor­ gesehen. Über diesen erfolgt jetzt der Druckausgleich, indem Luft vom Luftsammler 21 zum Kondensator 5 zurückströmt, wäh­ rend der erste Siphon 12 weiterfördern kann.

Der anstehende Überdruck im Kondensator 5 würde auch ohne Siphonwirkung, z. B. über den zweiten Siphon 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 Mündungen 14 und 15 noch mitabgeführt werden, so daß die Wiederholfrequenz für den zuvor beschriebenen Zyklus von Füllen und Entleeren mit Ansprechen des ersten Siphons 12 reduziert wird (siehe Fig. 4).

Das Verhältnis des Luftvolumens im Luftsammler 21 zu dem des Luftvolumens im gesamten Kreislauf soll mindestens so groß sein, wie das Verhältnis des atmosphären Druckes zum Betriebs­ druck. Dazu muß das Luftvolumen im Luftsammler 21 noch mindestens so groß sein, daß es unter dem Druckverhältnis entsprechend der geodätischen Förderhöhe des ersten Tauchrohres 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 wel­ chem die Mündungen 14 und 15 der Tauchrohre 10 und 11 münden. Diese Stelle 16 sollte möglichst weit von der Dampfein­ leitungsstelle 28 entfernt sein.

Versuche haben ein Funktionieren des Kreislaufes bestätigt, die übertragenen Leistungen lagen im Bereich von 100 bis 1500 Watt bei einer maximalen Dampftemperatur von 105°.

Claims (4)

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

• a) einem Solarkollektor als Wärmequelle zur Erzeugung von Dampf durch Direktverdampfung eines Wärmeträgers, der in einem geschlossenen Kreislauf geführt ist, wobei
• b) die Umwälzung des Wärmeträgers im Kreislauf durch Natur­ konvektion erfolgt, sowie mit
• c) einer in den Kreislauf eingeschalteten, als Wärmetau­ scher ausgebildeten Wärmesenke zur Übertragung der Wärme auf die Flüssigkeit im Gefäß das geodätisch höher als die Wärmequelle angeordnet ist, sowie mit
• d) die Wärmequelle und die Wärmesenke vom Ab- zum Zulauf jeweils miteinander verbindenden Rohrleitungen, wobei
• e) die Wärmesenke als von oben in die Flüssigkeit eintauch­ barer Kondensator ausgebildet ist,
• f) dabei verlaufen die Dampfzu- und Kondensatableitungen des Kondensators nach oben über den Gefäßrand entgegen der Schwerkraft und
• g) der Kondensator besteht aus einem geschlossenen Gehäuse,
• h) an dessen Innenraum von oben her die Dampfleitung vom Solarkollektor angeschlossen ist, außerdem ist
• i) durch die Wand des Gehäuses von oben her ein Tauchrohr geführt, das mit seiner Mündung am unteren Ende bis zur tiefsten Stelle des Innenraumes ragt, wobei
• j) das Tauchrohr den einen Schenkel eines umgekehrten Si­ phons, der über den Gefäßrand wieder nach unten geführt ist bildet,

dadurch gekennzeichnet, daß

• k) der andere, wieder nach unten führende Schenkel des Si­ phonrohres (18) von oben her in den Luftraum (20) eines Luftsammlers (21) mündet, dessen Volumen Bestandteil des Kreisvolumens ist,
• l) die Mündung (24) des Siphonrohres (18) im Luftsammler (21) geodätisch tiefer als die des Tauchrohres (10) liegt und
• m) der Luftsammler (21) mit seinem unteren Ende über ein Fallrohr (22) an die Kondensatrückleitung (23) zum So­ larkollektor (1) angeschlossen ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• n) neben dem einen Tauchrohr (10) von oben in den Innenraum (17) des Gehäuses (6) vom Kondensator (5) ein zweites Tauchrohr (11) nach unten geführt ist, dessen am unteren Ende befindliche Mündung (15) geodätisch oberhalb der Mündung (14) des ersten Tauchrohres (10) gelegen ist, wobei
• o) das zweite Tauchrohr (11) den einen Schenkel eines zwei­ ten umgekehrten Siphons (13) bildet,
• p) der andere wieder nach unten führende Schenkel als Si­ phonbrecherrohr (19) des zweiten Siphons (13) von oben her in den Luftraum (20) des Luftsammlers (21) mündet und
• g) die Einmündung (26) des Siphonbrecherrohres (19) in den Luftsammler (21) geodätisch höher liegt, als die Mündung (24) des Siphonrohres (18) vom ersten Siphon (12) im Luftsammler (21).

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• r) das Verhältnis von Luftvolumen im Luftsammler (21) zum Gesamtvolumen der Anlage in kaltem Zustand gleich dem Verhältnis von Atmosphärendruck zu Betriebsdruck ist, wobei
• s) das Luftvolumen mindestens so groß ist, daß es unter ei­ nem Druckverhältnis entsprechend der geodätischen För­ derhöhe des ersten Tauchrohres (10) zum Anlaufen des Si­ phons um das Volumen beider Siphonvolumina koprimierbar ist.