DE4329891A1

DE4329891A1 - Wärmepumpender Solarkollektor

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Publication number: DE4329891A1
Application number: DE4329891A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-08-11
Filing date: 1993-08-11
Publication date: 1995-02-16

Description

Der Wirkungsgrad von Flachkollektoren wird durch die unver meidliche Wärmeabgabe vor allem an der Deckscheibe des Kollek tors begrenzt. Zur möglichen Verringerung der Wärmeabgabe werden eine Reihe von transparenten Wärmedämmungen verwendet, wie z. B. Aerogelfüllungen, Glasfasern und quadratische oder sechseckige Waben. Die vorliegende Erfindung benutzt das glei che Prinzip der transparenten Wärmedämmung.

Eine Verringerung der Wärmeabgabe an die Umwelt kann auch durch eine im Gegenstrom zur sich ausbreitenden Wärme flie ßende Wärmeträgerflüssigkeit erfolgen.

Die vorliegende Erfindung verwendet dazu eine aus mindestens zwei Komponenten bestehende Wärmeträgerflüssigkeit, von denen mindestens eine bei Betriebstemperatur verdampfbar ist. Durch die Verwendung einer teilweise verdampfbaren Wärmeträger flüssigkeit aus zwei Komponenten kann eine recht große Wärme menge bei fast gleichbleibenden Temperaturhöhen aufgenommen werden im Vergleich zu der Wärmeaufnahme einer aus einer Kom ponente bestehenden Wärmeträgerflüssigkeit.

Durch eine geeignete Wahl der Komponenten der Wärmeträger flüssigkeit kann die Verdampfungstemperatur in einem weiten Temperaturbereich variieren. Es verändert sich nur die Kon zentration der Komponenten. In der Nähe der Deckscheibe, wo die Wärmeträgerflüssigkeit zufließt, ist die Verdampfungstem peratur am niedrigsten. Dort ist die Konzentration der ver dampfbaren Komponente der Wärmeträgerflüssigkeit am größten. Wenn die Wärmeträgerflüssigkeit über die Verdampferflächen sickert, steigt die Temperatur mit zunehmender Annäherung an die lichtabsorbierende Fläche am Boden des Kollektors immer mehr an. Die verdampfbare Komponente der Wärmeträgerflüssig keit verdampft immer mehr, und die Konzentration der Wärme trägerflüssigkeit an der verdampfbaren Komponente nimmt immer mehr ab.

Die Wärmeaufnahme durch Verdampfung ist damit in einem recht großen Temperaturbereich bei gleichbleibendem Druck möglich. Die verdampften Anteile der Wärmeträgerflüssigkeit werden am Punkt der höchsten Temperatur am unteren Ende des Kollektors von der übrigen Wärmeträgerflüssigkeit abgetrennt und in ge trennten Rohrleitungen entlang der lichtabsorbierenden Fläche zurückgeführt. Dabei geben die getrennten Anteile der Wärme trägerflüssigkeit einen Teil ihrer Wärme ab.

Den größten Teil ihrer Wärme geben vor allem die verdampften Anteile der Wärmeträgerflüssigkeit in einem externen Wärme tauscher als Kondensationswärme oder als Resorptionswärme ab. Die Wärmeabgabe geschieht auf einem mittleren Temperaturniveau zwischen der Außentemperatur und der Maximaltemperatur am un teren Ende des Kollektors.

Nach einer Bauart werden die kondensierten leichter verdampf baren Anteile der Wärmeträgerflüssigkeit am oberen Ende des Kollektors mit einem Hilfsgas zusammengeführt, das den Partial druck erniedrigt und einen Teil der leichter verdampfbaren Anteile der Wärmeträgerflüssigkeit wieder verdampfen läßt. Anschließend werden die verdampften Anteile der Wärmeträger flüssigkeit von der getrennt geführten Restflüssigkeit resor biert und das Hilfsgas abgeschieden, das wieder in den Kreis lauf zurückkehrt.

Durch die Verdampfung von Anteilen der Wärmeträgerflüssigkeit wird Wärme gebraucht, und die Temperatur sinkt. Die Tempera turabnahme kann dabei so groß werden, daß sie unter die Umge bungstemperatur fällt und Wärme von außen aufgenommen werden kann.

Nach einer anderen Bauart werden die leichter verdampfbaren Anteile der Wärmeträgerflüssigkeit von den schwerer verdampf baren Anteilen in einem externen Wärmetauscher resorbiert. Die Resorptionswärme wird als Nutzwärme abgeführt. Durch Rückschlagventile wird wechselweise im Kollektorinnen raum und in der Resorptionsleitung ein Unter- bzw. Überdruck erzeugt, wodurch die Wärmeträgerflüssigkeit im Kreis bewegt wird und durch Verdampfung und Resorption Wärme gepumpt wird.

Im einzelnen werden Aufbau und Funktion des erfindungsgemäßen Kollektors wie folgt beispielhaft beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Bauart des Kollektors in einer schematischen Darstellung im Schnitt.

Fig. 2 zeigt den Kollektor in Schrägsicht und Aufriß.

Fig. 3 und 4 zeigen wärmeisolierende Elemente und ihre Anord nung.

Fig. 5 zeigt eine Möglichkeit zur Regulierung des statischen Drucks.

Fig. 6 zeigt eine andere Bauart des Kollektors.

In einem wärmeisolierten Gehäuse (1, 1; 2, 16) sind unter der Deckscheibe (1, 2; 2, 17) die wärmeisolierenden Elemente (1, 3; 2, 18) angebracht.

Nach der Bauart von Fig. 3 sind dabei Rippenscheiben (1, 3; 2, 18) gewählt, die oben eine durchsichtige Abdeckung tragen und im übrigen aus durchsichtigem oder spiegelndem Material bestehen. Im Abstand von einigen Rippenscheiben (3, 22) sind Trennstege (1, 4; 3, 23) angebracht, die einzelne übereinanderliegende Hohl räume (1, 5) zwischen der Deckscheibe und den wärmeisolierenden Elementen abtrennen. Die Rippenscheiben und die Trennstege mö gen etwas schräg angeordnet sein, damit eingedrungenes Hilfs gas in Richtung der Zuleitung der Wärmeträgerflüssigkeit ab strömen kann. Zwischen den Rippenscheiben sind Streifen aus elastischem Material (3, 24) eingelegt und Streifen aus porösem Material (3, 25), die die Wärmeträgerflüssigkeit langsam durch sickern lassen.

Die Wärmeträgerflüssigkeit besteht z. B. aus einem Wasser-Glykol Gemisch. Sie sickert aus den Hohlräumen (1, 5) unter der Deck scheibe (1, 2) durch die porösen Streifen (3, 25), fließt in dünner Schicht über die Rippenscheiben (3, 22) und tropft dann auf die lichtabsorbierende Fläche (1, 6; 2, 19).

Nach der Bauart von Fig. 4 bestehen die wärmeisolierenden Ele mente aus Folien, die mit Wellbahnen belegt und lichtdurch lässig sind, z. B. aus Glasfaservlies (4, 25). Die Folien sind zwischen schmalen Abdeckscheiben (4, 26) sowie Dichtungsstrei fen (4, 27) und porösen Streifen (4, 28) eingeklemmt. Im Abstand von einigen Abdeckscheiben (4, 26) sind Trennstege (4, 29) ange bracht.

Je nach der Neigung des Kollektors steigt der Druck der Wärme trägerflüssigkeit in den durch die Trennstege (1, 4) abgetrenn ten Hohlräumen (1, 5) unter der Deckscheibe (1, 2) mit der Tiefe immer mehr an. Damit sickert in den tiefer gelegenen Teilen des Kollektors mehr an Wärmeträgerflüssigkeit durch die wärme isolierenden Elemente. Das ist für den Betrieb vorteilhaft, weil damit im unteren Teil des Kollektors, in dem die Tempera tur ansteigt, mehr Wärme abgeführt werden kann.

Je nach der Neigung des Kollektors steigt der Druck aber in den tiefer gelegenen Teilen auf unterschiedlich hohe Werte an. Um die für den Kollektor optimale Durchströmung mit der Wärme trägerflüssigkeit zu erreichen, wird ein Verfahren nach Fig. 5 verwendet. Dabei fließt die Wärmeträgerflüssigkeit durch die Rohrleitung (5, 30) am unteren Ende des Kollektors zu und strömt durch die Düse (5, 31) in das Steigrohr (5, 32). Durch die Ver minderung des statischen Drucks in der Düse (5, 31) wird ein Hilfsgas, wie z. B. Luft, aus einer Rohrleitung (5, 33) ange saugt und mit der Wärmeträgerflüssigkeit vermischt. Von dem in dem Steigrohr (5, 32) aufsteigenden Gemisch fließt nur der flüssige Anteil in die durch Stege (5, 34) abgetrennten Hohl räume zwischen der Deckscheibe und den wärmeisolierenden Ele menten. Der Anteil der Wärmeträgerflüssigkeit an dem Gemisch wird beim Aufsteigen im Steigrohr (5, 32) immer geringer, so daß am oberen Ende nur noch das beigemischte Hilfsgas übrigbleibt, das dann durch die Rohrleitung (5, 33) wieder der Düse (5, 31) zugeleitet wird. Durch das Regulierventil (5, 35) vor der Düse (5, 31) kann die Menge der zufließenden Wärmeträgerflüssigkeit eingestellt werden, und durch das Regulierventil (5, 36) in der Rohrleitung (5, 33) kann die Menge des zugeführten Hilfsgases reguliert werden. Auf diese Weise können die Dichte und damit der statische Druck im Steigrohr (5, 32) verändert werden, so daß der Kollektor für verschiedene Neigungswinkel und optimal zu erreichende Temperaturen eingestellt werden kann.

Das in der Rohrleitung (5, 33) und im Steigrohr (5, 32) umströ mende Hilfsgas mag durch eine Verbindungsleitung mit dem Sammel gefäß (1, 7) verbunden sein.

Beim Betrieb des Kollektors werden die lichtabsorbierende Fläche (1, 2) und die wärmeisolierenden Elemente (1, 3) durch die Sonnenstrahlung erwärmt. Dadurch verdampfen Anteile der Wärmeträgerflüssigkeit, die über die wärmeisolierenden Elemen te und die lichtabsorbierende Fläche fließen.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Bauart strömen die verdampften Anteile der Wärmeträgerflüssigkeit zusammen mit dem hier zu Beginn des Betriebs verbreiteten Hilfsgas zum unteren Ende des Kollektors.

Das Hilfsgas wird während des Betriebs bald aus dem Raum zwischen den wärmeisolierenden Elementen abgeführt und sammelt sich selbsttätig in den oben gelegenen Teilen des Kollektors, insbesondere in dem Sammelgefäß (1, 7).

Die nicht verdampfte Wärmeträgerflüssigkeit tropft auf die lichtabsorbierende Fläche (1, 6) und fließt zum unteren Ende des Kollektors.

Die lichtabsorbierende Fläche (1, 6) ist zur Verminderung der Wärmeabstrahlung mit einer selektiven Beschichtung versehen. Am unteren Ende werden die verdampften Anteile der Wärmeträger flüssigkeit und die verbliebene Wärmeträgerflüssigkeit vonein ander getrennt. Über dem Flüssigkeitsspiegel (1, 8) strömen die verdampften Anteile der Wärmeträgerflüssigkeit in die Rohr leitung (1, 9). Die flüssigen Anteile fließen in dem erweiter ten unteren Teil der Rohrleitung (1, 9) zurück. Ein Schwimmer ventil (1, 10) sorgt dafür, daß in die Rohrleitung (1, 11) nur flüssige Anteile der Wärmeträgerflüssigkeit strömen.

Die weitgehend voneinander getrennten Anteile der Wärmeträger flüssigkeit werden in parallelen Rohrleitungen und in Windun gen hinter der lichtabsorbierenden Fläche (1, 6; 2, 19) nach oben geführt. An einem gewünschten Punkt der Wärmerückführung, der von der Kondensationstemperatur des verdampften Anteils der Wärmeträgerflüssigkeit abhängt, wird die Rohrleitung (1, 9) aus dem Kollektor herausgeführt. Die leichter verdampfbaren Antei le der Wärmeträgerflüssigkeit geben die Kondensationswärme in einem über dem Kollektor angebrachten Wärmetauscher (1, 12) ab. Danach wird die Rohrleitung (1, 9) weiter hinter der lichtabsor bierenden Fläche (1, 6) entlanggeführt, um die Restwärme an den Kollektor abzugeben. Am oberen Ende des Kollektors wird durch eine Düse (1, 13) ein Hilfsgas, wie z. B. Stickstoff oder Wasser stoff mitgerissen. Dadurch sinkt der Partialdruck, und es ver dampfen Anteile der leichter verdampfbaren Komponente der Wärme trägerflüssigkeit. Das Gemisch durchströmt die abwärts führen de Rohrleitung (1, 14). An ihrem unteren Ende vereinigen sich die beiden Rohrleitungen (1, 14) und (1, 11). Der Druck in der Düse (1, 14) ist groß genug, um in der Düse (1, 15) einen Unter druck zu erzeugen, der die schwer verdampfbaren Anteile der Wärmeträgerflüssigkeit durch die Rohrleitung (1, 11) ansaugt. Die vermischte Wärmeträgerflüssigkeit strömt nun zum unteren Ende der Hohlräume (1, 5) unter der Deckscheibe.

Bei einer anderen Bauart, die in Fig. 6 dargestellt ist, ge schieht der Kreislauf der Wärmeträgerflüssigkeit nicht in einem kontinuierlichen Prozeß sondern diskontinuierlich. Dazu strö men die getrennten Anteile der Wärmeträgerflüssigkeit nach ihrer Wärmeabgabe im unteren Teil des Kollektors durch je ein Rückschlagventil (6, 38) und (6, 39) und werden dann in einer Rohrleitung (6, 40) vereinigt. Die verdampften Anteile der Wär meträgerflüssigkeit werden nun zum Teil resorbiert und geben die Resorptionswärme als Nutzwärme in einem Wärmetauscher (6, 41) ab. Durch die Resorption sinkt der Druck. Ein Druckaus gleich kann nur durch die beiden Rückschlagventile (6, 38) und (6, 39) erfolgen. Das Rückschlagventil (6, 39) für die gasför migen Anteile der Wärmeträgerflüssigkeit öffnet erst ab einem gewissen Druck. Zuerst öffnet das Rückschlagventil (6, 38), durch das die flüssigen Anteile der Wärmeträgerflüssigkeit so lange angesaugt werden bis das Schwimmerventil (6, 42) den Zu fluß unterbricht. Danach öffnet das Rückschlagventil (6, 39). Wenn der Druckausgleich eingetreten ist, kondensiert ein ge wisser Teil der leichter verdampfbaren Komponente der Wärmeträ gerflüssigkeit in den kühleren Teilen der wärmeisolierenden Elemente und im oberen Teil des Kollektors. Dadurch entsteht im Innenraum des Kollektors ein Unterdruck, der die Rückschlag ventile (6, 38) und (6, 39) schließt und über das Rückschlag ventil (6, 43) einen Teil des Gemisches von flüssiger und gas förmiger Wärmeträgerflüssigkeit anzieht. Die gasförmigen An teile der Wärmeträgerflüssigkeit werden bei weiterer Wärmeab gabe im oberen Teil des Kollektors resorbiert.

Die übrigen Teile der Vorrichtung nach Fig. 6 sind wie in Fig. 1 beschrieben.

Die Wärmeaufnahme kann bei beiden Bauarten außer durch die Deckscheibe z.Teil auch durch einen vorgeschalteten externen Wärmetauscher geschehen.

Energetisch gesehen, nutzt der Kollektor Wärme von vergleichs weise hohem Niveau, um Wärme von niedrigem Niveau auf ein mitt leres Niveau anzuheben. Wenn keine Nutzwärme aus dem Kollek tor entnommen wird, gelangt die Restwärme zur Deckscheibe und wird dort an die Umgebung abgeführt. Der Kollektor erreicht dann seine höchstmögliche Temperatur.

Die Menge der entnehmbaren Nutzwärme hängt von der Temperatur differenz zwischen der Maximaltemperatur im unteren Teil des Kollektors und der abgegebenen Nutzwärme ab. Je größer die Tem peraturdifferenz ist, umso mehr Nutzwärme kann abgegeben werden. In der Nähe der Umgebungstemperatur kann die größte Menge an Nutzwärme abgegeben werden.

Je nach dem Verwendungszweck wird man entweder Wärme von hoher Temperatur, z. B. als Prozeßwärme, oder Wärme von niedriger Tem peratur, z. B. zur Raumheizung oder zur Erwärmung von Brauch wasser gewinnen wollen.

Claims

1. Solarkollektor, der mit einer strahlungsdurchlässigen Deck scheibe (1, 2; 2, 17) abgedeckt und in einem wärmeisolierten Ge häuse (1, 1; 2, 16) untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wärmeträgerflüssigkeit verwendet wird, die aus min destens zwei Komponenten mit unterschiedlichem Siedepunkt be steht, von denen mindestens eine bei Betriebstemperatur ver dampfbar ist,
daß die Wärmeträgerflüssigkeit in dünner Schicht über wärme isolierende Elemente (1, 3; 2, 18), wie z. B. Rippenscheiben (3, 22) oder mit Wellbahnen belegte Folien (4, 25), z. B. aus Glasfaser, fließt, die lichtdurchlässig oder in ihren parallel zum ein fallenden Licht liegenden Flächen auch spiegelnd sein können, daß die wärmeisolierenden Elemente (1, 3; 2, 18) mit einer durch sichtigen Abdeckung versehen sind, die geeignete Öffnungen, wie z. B. spaltartige Zwischenräume oder Löcher freiläßt, die mit porösem Material gefüllt sind und die Wärmeträgerflüssig keit in die wärmeisolierenden Elemente sickern lassen, daß mindestens eine Komponente der Wärmeträgerflüssigkeit beim Fließen über die wärmeisolierenden Elemente fortschreitend ver dampft,
daß die verdampfte(n) Komponente(n) und die verbliebene Wärme trägerflüssigkeit entlang der lichtabsorbierenden Fläche zum unteren Ende des Kollektors fließen,
daß die lichtabsorbierende Fläche vorteilhaft mit einer selek tiven Beschichtung versehen ist,
daß die Wärmeträgerflüssigkeit und die verdampften Anteile ge trennt werden,
daß der Abfluß des flüssigen Anteils der Wärmeträgerflüssigkeit durch ein Schwimmerventil geregelt wird,
daß die getrennten Bestandteile der Wärmeträgerflüssigkeit in parallelen Rohrleitungen (1, 9) und (1, 11) hinter der lichtab sorbierenden Fläche zurückgeführt werden und einen Teil ihrer Wärme abgeben,
daß die leichter verdampfbaren Anteile der Wärmeträgerflüssig keit in der Rohrleitung (1, 9) an einem geeigneten Punkt aus dem Kollektor herausgeführt werden, um ihre Kondensationswärme in einem externen Wärmetauscher abzugeben,
daß der externe Wärmetauscher hoch genug angebracht ist, damit die kondensierten Anteile der Wärmeträgerflüssigkeit einen genügend hohen Druck bekommen, um den Kreislauf der Wärmeträ gerflüssigkeit im Kollektor aufrecht zu erhalten,
daß die kondensierten leichter verdampfbaren Anteile der Wär meträgerflüssigkeit hinter der lichtabsorbierenden Fläche bis zum oberen Ende des Kollektors geführt werden und mit der lichtabsorbierenden Fläche Wärme austauschen können,
daß die kondensierten leichter verdampfbaren Anteile der Wär meträgerflüssigkeit am oberen Ende des Kollektors durch eine Düse (1, 13) strömen und dabei ein Hilfsgas, wie z. B. Luft, Wasserstoff oder Stickstoff, mitreißen,
daß das Hilfsgas in ein Sammelgefäß ein- und ausströmen kann, das mit der Düse (1, 13) verbunden ist,
daß das Gemisch in einer Rohrleitung (1, 14) abwärts geführt wird,
daß am unteren Ende der abwärts führenden Rohrleitung (1, 14) das Gemisch aus Hilfsgas und verdampften und flüssigen Anteilen der Wärmeträgerflüssigkeit durch eine Düse (1, 15) strömt und dabei die schwer verdampfbaren Anteile der Wärmeträgerflüssig keit aus der Rohrleitung (1, 11) ansaugt,
daß das so entstandene Gemisch in einer gemeinsamen Rohrleitung zum unteren Ende der Hohlräume (1, 5) unter der Deckscheibe strömt,
daß der Zufluß zu den Hohlräumen (1, 5) durch ein Regulierventil (5, 35) geregelt wird,
daß durch eine Düse (5, 31) ein Hilfsgas mitgerissen wird, daß das Gemisch durch ein Steigrohr aufsteigt, das am seit lichen Rand des Kollektors, z. B. direkt unterhalb der Deck scheibe angebracht sein kann,
daß vom Steigrohr aus die Wärmeträgerflüssigkeit aus dem auf steigenden Gemisch abfließt und in durch Stege (1, 4; 3, 23; 4, 29) abgeteilte Hohlräume (1, 4) zwischen der Deckscheibe und den wärmeisolierenden Elementen fließt,
daß am oberen Ende des Steigrohrs das übriggebliebene Hilfsgas durch eine Rohrleitung (5, 33) der Düse (5, 31) wieder zugeleitet wird,
daß in die Rohrleitung (5, 33) ein Regulierventil (5, 36) das umströmende Hilfsgas reguliert,
daß das Hilfsgas in den Rohrleitungen (5, 32) und (5, 33) durch eine verbindende Rohrleitung (5, 37) mit dem Sammelgefäß (1, 7) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf der Wärmeträgerflüssigkeit nicht in einem kon tinuierlichen Prozeß sondern diskontinuierlich erfolgt, daß dazu die getrennten Bestandteile der Wärmeträger flüssigkeit nach ihrer Wärmeabgabe im unteren Teil des Kollek tors durch je ein Rückschlagventil (6, 38) und (6, 39) in eine gemeinsame Rohrleitung (6, 40) einströmen,
daß das Rückschlagventil (6, 39) für die gasförmigen Bestand teile der Wärmeträgerflüssigkeit erst nach Überwindung eines gewissen Druckes öffnet, so daß bei dem durch die Resorption der gasförmigen Anteile der Wärmeträgerflüssigkeit in der Rohrleitung (6, 40) entstehenden Unterdruck die flüssigen Anteile der Wärmeträgerflüssigkeit durch die Rohrleitung (6, 38) und das Rückschlagventil (6, 38) angesaugt werden, bis das Schwim merventil (6, 42) die Rohrleitung (6, 38) verschließt,
daß die flüssigen und gasförmigen Anteile der Wärmeträgerflüs sigkeit durch ein weiteres Rückschlagventil (6, 43) und eine Rohrleitung (6, 44) zum unteren Ende des Kollektors und in be kannter Weise in die Steigleitung (5, 32) strömen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaufnahme des Kollektors z.Teil auch außerhalb des Kollektors in einem eigenen Wärmetauscher erfolgen kann.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträgerflüssigkeit Gemische wie z. B. Ammoniak-Wasser, LiBr-Wasser, Alkohol-Wasser, Glykol-Wasser, Glyzerin-Wasser, Mischungen verschiedener Alkohole oder ähnliche Gemische ver wendet werden.