DE7536921U - Sonnenkessel - Google Patents
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Description
PATENTANWÄLTE
AQy
Dr.-lng. Wolff
H. fiartals
Dipl.-Chem. Ur. Brandos Dr.-lng. Held
Dipl.-Phys. Wolff
H. fiartals
Dipl.-Chem. Ur. Brandos Dr.-lng. Held
Dipl.-Phys. Wolff
D - 7 Stuttgart 1, !.ana* Straße Gl
Tal. (07 11) 29 63 10 u. 20 72 95
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Bürozeit:
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Unsere Ref.: 84 09acf
Unsere Ref.: 84 09acf
Prof. Giovanni FRANCIA, Genua - Italien
Sonnenkassel
Telefonische Auskünfte und Aufträge sind nur nach schriftlicher
__,..,_ Bestätigung verbindlich
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Die Möglichkeit, die Sonnenenergie zur großtechnischen Herstellung
von hochwertigen Energieträgern wie z.B. Elektrizität oder Viasserstoff auszunutzen, die imstande sein aollen, den modernen
technologischen Erfordernissen gerecht zu werden, hängt von der Entwicklung der direkten bzw. photoelektrischen und photochemischen
Konversionsverfahren oder von der Umwandlung der Sonnenenergie in Wärmeenergie mit den hochgradigen, heutzutage von den
modernen thermoelektrischen Anlagen und von den V/asserdissoaiationsverfahren
geforderten Temperaturen ab.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Sonnenkessel, der die einfallenden Sonnenstrahlen, d.h. die einfallende Sonnenenergie,
in Wärmeenergie umwandeln kann, die eine geeignete Flüssigkeit bis auf die für die oben erwähnten Anlagen und Verfahren benötigten
Temperaturen erhitzt.
Bekanntlich ist die Betriebstemperatur eines Sonnenenergie-Sammlers
diejenige, bei v/elcher die Summe der durch Ausstrahlung, Wärmeleitung und Konvektion verlorengegangenen Energie der Differenz
zwischen der vom Sammler absorbierten, einfallenden j lergie; und der
verbrauchten Energie gleich ist, da die Summe der Ve:laste eine
zunehmende Funktion der Temperatur ist. Es gibt demzufolge drei
Möglichkeiten, die Betriebstemperatur eines Sonnfinenergiesammlers
bei gleichem Wirkungsgrad zu steigern:
1. durch Steic/erung der einfallenden Sonnenenergiemenge;
2. durch Steigerung des Absorptionskoeffizienten dieser einfallenden
Sonnenenergie durch den Sammler;
3. durch Verminderung der sich bildenden Verluste.
Die auf den Sammler einfallende Sonnenenergie kann dadurch gesteigert
werden, daß auf der Oberfläche des Sammlers die einfallende Energie mittels Spiegeln oder Linsen auf einer größeren Oberfläche
konzentriert wird. Doch bleibt der Einsatz von Linsen auf Anlagen kleineren Ausmaßes und geringerer Leistung beschränkt, während
bei ein bestimmtes Ausmaß und eine bestimmte Leistung übersteigenden Anlagen ausschließlich von Spiegeln gebildete Konzentrationssysteme angewendet werden.
Der Kessel, Gegenstand der vorliegenden Erfindung,kann einem beliebigen
der bisher bekannten Konzentrationssysteme angeschlossen
werden, v/ie ξ.B. einem aus einer Mehrzahl bewegbarer Spiegel gebildeten
System, bei dem jeder einzelne Spiegel so bewegt wird, daß in jedem Augenblick die auf den jeweiligen Spiegel einfallenden
Sonnenstrahlen in Richtung auf den im Raum feststehenden
Kessel reflektiert werden.
Ein Konzentrationssystem dieser Art ist in der IT-PS 756 844 und der IT-ZPS 833 428 vorgeschlagen worden.
Die einfallende Sonnenenergiedichte kann folglich durch eine
Struktur (durch ein Konzentrationssystem) erhöht werden, die außerhalb des eigentlichen Sonnenkessels steht. Eine Zunahme
des Absorptionskoeffizienten und eine Verminderung der Verluste
können dagegen nur dann erreich_· v/erden, wenn man auf d|e Eigenschaften
des Kassels und der für dessen Bau verwendeten Materialien einwirkt.
Was einen Sonnenkessel kennzeichnet und von einem herkömmlichen
Kessel unterscheidet, ist dessen verschiedenes Verhalten gegenüber
der Strahlungsenergie. Bei einem Kessel herkömmlicher Art befindet sich die Wärmeenergiequelle (die Flamme) in dem Kessel
selbst, der in einem gegen die Strahlung abgeschirmten Mantel enthalten sein kann. Unter diesen Voraussetzungen kann die
von der Flamme, dem Rohrbündel und dem Mantel ausgestrahlte Energie vollständig absorbiert werden.
Im Sonnenkessel aber befindet sich die aus der Sonne und gegebenenfalls
aus dem Konzentrationssystem gebildete Energiequelle außerhalb des Kessels, dessen Mantel folglich eine Öffnung aufweisen
muß. Unter solchen Umständen ist die von dem Rohrbündel, der Flamme und dem Mantel ausgestrahlte Strahlungsenergie und
auch die von den Rohren und dem Mantel gestreute bzw, reflektier te Sonnenenergie nicht in einem geschlossenen Raum, weshalb ein
Teil davon, und zwar der innerhalb des festen Winkels, unter dem von jedem Punkt aus die Mantelöffnung gesehen wird, ausgestrahlte, gestreute bzw. reflektierte Teil, verlören geht.
Ein solcher Strahlungsenergieverlust stellt vielleicht die negativste Seite der Sonnenanergiesammler dar, weshalb sich
Wissenschaftler und Techniker seit geraumer Zeit eifrig mit der
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Frage befassen, wie dieser Nachteil behoben v/erden kann. Tatsächlich
bilden solche Verluste einen bedeutenden Teil der Gasamtverluste
und wurden desto bedeutender, je höher die Betriebstemperatur ist. Verschiedene Methoden zur Verminderung dieser
Verluste sind bereits bekannt. Als die erste und älteste ist diejenige anzusehen, die einap aus einem Material wie Glas gebildeten
Schirm vorsieht, d.h. einen Stoff, welcher für die von der Sonne ausgestrahlte Energie durchlässig ist und im Infrarot die
von Körpern mit niedrigerer Temperatur erzeugte Strahlungsenergie absorbiert. Es ist bereits 1961 in Rom anläßlich der unter
der Aegyda der UNO organisierten Tagung über neue Energiequellen eine zweite Methode vorgeschlagen worden, die wabenartige Zellenstrukturen
aus zweckmäßige optische Eigenschaften aufweisenden Materialien vorsieht.
Bei einer dritten bekannten Methode werden für den Bau des Sammlers
Materialien verwendet, die einen hohen Absorptionskoaffizienten
gegenüber Sonnenenergie und ein niedriges Ausstrahlungsvermögen für die Strahlungsenergie größerer Wellenlänge aufweisen,
die nach dem bekannten Wien'sehen Gesetz der vorgesehenen
Betriebstemperatur entspricht.
Allen diesen Methoden ist jedoch ein Wachteil gemeinsam: Die durch
Rückstrahlung oder Streuungen des einfallenden Lichtes an der Sammlaroberflache zustandegekonunenen Verluste werden auf keine
Waise beeinflußt. Bisher ist dieser Umstand allgemein vernachlässigt worden; man beschränkte sich lediglich darauf, "schwarze"
Materialien mit einem guten Absorptionskoeffizienten für das einfallende
Licht zu verwenden. Zweifelsohne genügt diese Maßnahme, wenn es sich um Sammler mit niedriger Temperatur von 60 C bis
90°C handelt, wie es bei den bekannten Sonnentafeln für die Erzeugung
von Warmwasser der Fall ist. Keinesfalls reicht aber diese Maßnahme aus, wenn es darum geht, Temperaturen im Bereich von
400°C bis 600°C zu erzeugen, bei welchen keiner der wie üblich verwendeten Anstriche standhält, was dadurch bewiesen wird, daß
alle Materialien ihre optischen Eigenschaften und ihre "Farbe" ändern.
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Der Sonnenk ssel, Gegenstand der vorliegenden Erfindung, hat einen
Absorptionskoeffizisntan der auf die Mantelüffnung einfallenden
Sonnenenergie, der noch viel größer ist als jener, den die für seinen Aufbau benutzten Stoffe haben. Dias wird durch zweckmäßige
Konstruktion und richtige Berechnung der Dimensionen der einzelnen,
den Kessel, den Mantel und die zu wärmende Flüssigkeit enthaltenden
Rohre sowie ihre Stützen bildenden Teile erreicht. Sin solches Vorgehen ermöglicht den Bau eines Sonnenkessels mit
hohem Absorptionskoeffizienten der Sonnenenergie unter Verwendung
von normalen Baustoffen, ohne deren "optischen" Eigenschaften Rechnung tragen zu müssen.
Zur Erreichung dieses Resultats werden zunächst erfindungsgemäß
alle Bahnen des einfallenden Lichtes kontrolliert, damit diese erst dann wieder durch die Mantelöffnung austreten können, wenn
sie die größtmögliche Zahl von Reflexionen an dan den Kessel bilden
dendan Teilen, und zwar/Rohren, Rohrstützen und Mantelwänden,
dendan Teilen, und zwar/Rohren, Rohrstützen und Mantelwänden,
ausgeführt haben.
Diese Voraussetzung erfordert abar die Durchführung von zwei Maßnahmen:
Als erstes müssen die Flächen der vom einfallenden Licht getroffenen Teile zweckmäßig behandelt werden, damit die Menge
des diffusen Lichtes, auf die offensichtlich koine Kontrolle ausgeübt
werden kann, auf ein Mindestmaß reduziert wird, was durch Blankpolieren der Oberflächen erreicht werden kann. Zweitens müssen
die Oberflächen eine bestimmte Form erhalten und so orientiert werden, daß die von ihnen reflektierten Strahlen andere
Teile des Kessais treffen. Durch dieses Verfahren und durch Einsatz
von Materialien mit einem niedrigen Absorptionskoeffisienten
von z.B. 0,5 in einem Kassel, dessen Bauart derart ist, daß ein Lichtstrahl, bevor er vom Kessel hinausreflektiert wird, im
Durchschnitt eine vierfache Reflexion erfährt, ist es möglich, einen Kessel mit einem totalen absorptionskoeffizienten von
4
1-0,5 - 0,9 375 zu erhalten.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Mittel zur Erhöhung des Absorptionskoeffizienten der Sonnenenergie sieht vor, im Kesselinneren Platten so anzuordnen, daß sie wenigstens teilweise vom einfallenden
Licht getroffen werden und so orientiert sind, daß das von ihnen
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reflektierte Licht auf andere Kosseltelle fällt; Gin TgII ihrer
Oberfläche v/ird außerdem so behandelt, daß «in niedriges Emisaionavermögen
im Infrarotbereich erreicht wird, wodurch die ganze von ihnen cibsorbiorte Energie nur vom übrigbleibenden Teil ihrer
Oberfläche wieder ausgestrahlt wird.
Es liegt auf der Hand, daß es durch eine zweckmäßige Wahl der Form,
Größe und Lage dieser Strahlerplatten und durch richtige Wahl ihrer wie oben beschrieben zu behandelnden Oberfläche möglich ist,
die Verteilung der Strahlungsenergie im Kessel zu beeinflussen,
indem die Platten die einfallende Sonnenenergie in einem bestimmten Raumwinkel absorbieren und ihre Strahlungsenergie in einem verschiedenen
Raumwinkel wieder ausstrahlen, beispielsweise in der Art, daß das meiste dieser wiederausgestrahlten Energie auf die
Rohre und auf andere Kesselteile trifft. Verschiedene Oberflächenbehandlungsarten
zur Herabsetzung des Emissionsvermögens im Infrarotgebiet sind bereits bekannt veworden; eine dieser bekannten
Methoden besteht darin, die betroffene Oberfläche mit einem dünnen Film aus Gold oder mit anderen im Infrarotgebiet reflektierenden
Metallen oder Oxiden zu überziehen.
Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Sonnenkessels besteht
darin, daß er einen Strahlungsenergieemissionskoeffizienten hat,
der sogar viel niedriger ist als jener, der sich bei den verschiedenen Temperaturen aus den Emissionsspektren der Mi "-orialisn ergibt;
mit welchen die einzelnen Kesselteile gebaut worden sind.
Zur Erreichung eines solchen Resultats sind besondere Kunstgriffe bei der Planung und beim Bau erforderlich, was erfindungsgemäß
dadurch gelöst wird, daß die Rohre im Kessel eine geometrische Anordnung erhalten, wodurch man allmählich der zu erwärmenden
Flüssigkeitsströmung folgend von kalten zu v/armen Stellen gelangt und der Raumwinkel, unter welchem die Mantelöffnung hindernislos
vorn Rohr bzw. von den Rohren sichtoar ist, abnimmt. Folglich
ist es möglich, einen Kessel mit niedrigem Strahlungsenergieverlust mit normalen Materialien zu bauen, und zwar ohne Einsatz von
I'aterialien mit selektiven "optischen" Eigenschaften, wie hohes
Absorptionsvermögen im Sichtbaren und niedrit/era Emissionsvermögen
im Infrarotgebiet, die schwer beschaffbar un^ auperdera für Be-
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triebstemperaturen von 4OO°C bis 600 C und mehr zu teuer sind.
Eine Methode zur konkreten Realisierung einer solchen geometrischen Anordnung der Rohre im Kesselinneren besteht darin,
die Rohre auf parallelen Flächen anzuordnen, deren Form der Öffnungsform ähnlich ist, und die in nach und nach zunehmendem
Abstand von der öffnung anzuordnen sind.
Bei einer solchen Ausführung ist die Verkleinerung das Raumwinkels,
unter dem das Rohr hindernislos die Kesselöriaung sieht, teilweise
der größeren Entfernung von der öffnung selbst, aber insbesondere der abschirmenden Wirkung zuzuschreiben, die die Rohrteile ausüben,
die sich auf den der Öffnung am nächsten liegenden Flächen befinden.
Die beschriebene Anordnung der Rohre auf zur Kesselöffnung parallel liegenden Flächen ermöglicht eine interessante Ausnutzung
der für Sonnenenergie durchlässigen oder wenigstens teilweise infrarotabsorbierenden Medien. Solche Medien, die beispielsweise
aus Quarz- bzw. Pyrexrohrbündeln mit zu den erwähnten Flächen senkrechter Achse gebildet sein können, können erfindungsgemäß
in den Räumen zwischen zwei Flächen oder zwischen einer Fläche und der Kesselöffnung angeordnet v/erden. Man erhält dadurch
nicht nur eine weitere Verminderung der wegen der Ausstrahlung verlorengegangenen Energie, sondern auch eine bessere Kontrolle der
Energieverteilung in den verschiedenen Rohrteilen, was eine leichtere und präzisere Dimensionierung des Kessels zur Folge hat.
Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Kessels besteht darin, daß die Intensität des Sonnenenergiestromes, der auf
ein Rohr einfällt, abnimmt, wenn man sich längs diesem Rohr, der Strömungsrichtung der zu erwärmenden Flüssigkeit folgend, fortbewegt,
d.h.,wenn man von den kalten zu den warmen Stellen des
Rohres fortschreitet. Auch dieses Merkmal kann durch einfache Planungs- und Konstruktionsmaßnahmen erzielt werden, nämlich durch
eine zweckmäßig durchdachte geometrische Anordnung der Rohre im Kessel, und zwar auch in Bezug auf die räumliche und zeitliche
Verteilung der vom verwendeten Konzentrationssystem ausgehenden Energieströmung. Besonders interessant int dabei, daß eine solche
geometrische Anordnung der Rohre im Kessel nicht in Widerspruch
zu derjenigen steht, die es erlaubt, dem Gesetz gerecht zu werden,
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welches einen Raumwinkel fordert, unter welchem von jeder Stelle
aus die Keaselöffnung gesehen werden kann - ja, daß nie mit
dieser Forderung sogar übereinstimmt. Ein weiteres kennzeichnendes
Merkmal des erfindungsgemäßen Kessels besteht darin, daß mindestens ein Rohrabschnitt, nämlich der erste, durch den die
zu erwärmende Flüssigkeit fließt, auf der Mantelaußenseite der öffnung nahe liegt. Dieser Rohrabschnitt dient dazu, die Flüssigkeit
vorzuwärmen, wozu sowohl die vom Konzentrationssystem kommende Energie, die irrtümlich nicht auf die öffnung einfällt,
als auch ein Teil der von den Mantelwänden absorbierten Energie verwendet wird. Gegen Ausstrahlungsverluste kann dieser Rohrab-■
schnitt durch einen zweckmäßigen, beispielsweise aus normalem Glas oder aus Pyrex hergestellten, Schirm geschützt werden. Andere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung und der beiliegenden Zeichung näher erläutert,
wobei
Fig. 1 eine schematische, perspektivische Ansicht eines
erfindungsgemäßen Sonnenkessels und eines spiegelartigen Koncentrations sys terns ist,
Fig. 2A ein Schnitt nach einer durch die Symmetrieachse
eines Sonnenkessels verlaufenden Ebene ist, Fig. 2B ein vergrößertes Detail der Fig. 2A zeigt,
Fig. 3A bis F schematische Ansichten von verschiedenen
. Rohrabschnitten für einen erfindungsgemäßen Sonnen
kessel sind,
Fig. 3G ein Schema zur Darstellung der geforderten geometrischen Eigenschaften der in den zuvor genannten Figuren
dargestellten Rohrabschnitte ist, und
Fig. 4A bis D schematische Ansichten der verschiedenen möglichen Querschnitte und Formen der Mantelwände und dar
Rohrstützen in einem erfindungsgemäßen Sormenkessel
sind.
Aus Fig. 1 ist ein mittels einer Stütze 2 über einem durch eine
Vielzahl von Spiegeln 3 gebildeter Konzentrationssystem aufgehängter Sonnenkosöel 1 ersichtlich.
Jeder einzelne der Spiegel 3 wird derart bewegt, daß in jedem
Jeder einzelne der Spiegel 3 wird derart bewegt, daß in jedem
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//■
Augenblick die einfallenden Strahlen 4 in Rich hung 5 des Kessels reflektiert werden.
Der Steuermechanismus zur Bewegung der Spiegel 3 kann von joder
beliebigen Art sein und ist in dar Zeichnung nicht dargestellt. Fig. 2A zeigt den Schnitt in einer durch die Symmetrieachse 6
(Fig. 2B) gehenden Ebene durch eine der möglichen Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Sonnenkessels.
Mit 7A bis F sind die verschiedenen, den Kessel bildenden Rohre bzw. Rohrabschnitte bezeichnet.
Diese Rohre sind für den Durchfluß einer Flüssigkeit - im vorliegenden
Fall Wasser - die es zu erwärmen gilt, vorgesehen. Durch zweckmäßige Elements, z.B. durch eine normale Pumpe, wird aus
einem Wasserreservoir kaltes Wasser durch ein Zuflußrohr 8 mit dem
erwünschten Druck, der erwünschten Temperatur und Durchflußmenge
entnommen, um damit den Kessel zu speisen. Das Viasserreservoir und
die Umlaufpumpe sind, weil nicht erfindungswesentlich, in der
Zeichnung nicht dargestellt.
Das im Rohr 8 zufließende Kaltwasser wird durch einen Sammler 9
und Rohre 10 auf die parallel angeordneten Äste verteilt, in welche der Rohrabschnitt 7Λ unterteilt werden kann: Im dargestellten Ausfhrungsbeispiel
sind es zwei Äste, aber das zweite Rohr 10 ist einfachheitshalber
in der Zeichnung nicht dargestellt. Die zwei Rohräste 7Λ sind in kegelförmigen Wendeln außerhalb des kegelförmigen
Teiles 11 der Gehäusewand angeordnet und auf der Außenseite mittels einer ebenfalls kegelstumpfförmigen Scheibe 12 aus normalem Glas
oder Pyrex geschützt.
Die untere Fläche eines Vorsprungs 13 ist spiegelnd. Die Rohre 7A
ermöglichen in Verbindung mit den Teilen 11 und 13 die Ausnutzung der von dan einfallenden Strahlen 14 bis 16 erzeugten Energie. Die
Glasscheibe 12 dient dazu, die von dsn Rohren 7A und dem Wandteil 11 verursachten StrahlungsVerluste zu verringern.
Jeder Rohrabschnitt 7D bis F ist ebenso in mehrere parallel angeordnete
liste unterteilt, deren Zahl gleich der Anzahl der Äste
dor, Rohrabschnitt;:; 7Λ is!-: Im dargas hellten Ausführungsbeispiel
sind es z.ei. Hin joder d.i öse Roii.rnbschn.itte 7B bis F liegt auf
einer krei:;; L"" —niqen, der Kn.-jsü.lör iTnung 17 ähnlichen, ebenen Fläche,
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während jeder der zwei parallel angeordneten, einen Rohrabschnitt
bildenden Äste die Form einer ebenen Spirale hat. Jeder der zwei den Rohrabschnitt 7Λ bildenden Äste liegt in I'eihe mit einem der
zwei Äste des RohrabSchnitts 7C und so weiter für die Rohrabschnitts
IC1 7E und 7F. Der Einfachheit halber sind die Verbindungsstücke
zwischen dem einen und dem darauffolgenden Ast in der
Zeichnung nicht dargestellt.
Schließlich sind die parallel angeschlossenen Äste des P.ohrabschnitts
7F mittels Verbindungsstücken 18 an einem Sammler 19 und
eirem Ablaufrohr 20 angeschlossen, durch welches der im Kessel erzeugte
Dampf zu seiner Verwendung hinausbefördert wird. Jeder einzelne Rohrabschnitt 7B bis F wird im Kessel du-~ch Elemente
21 gestützt, von denen, immer einfachheitshalber, nur die Stütze des letzten Rohrabschnitts 7F in der Zeichnung dargestellt ist.
Alle Stützelemente der Rohre sind an dem Kesselmantel befestigt, der aus zwei einen mit wärmeisolierendem Material 24 gefüllten
2wischenraum bildenden Wänden 22 und 23 besteht. Der Kessel kann
mittels eines Flansches 25, der durch ein Rohrstück 26 und
einen zweiten Flansch 27 mit dem Mantel mech: als -:u verbunden ist,
in der zweckmäßigsten Lage gehalten werden.
Im Kessel sind Strahlerplatten 2 8 vorgesenen. Aus Fig. 2B sind die Innenwand 22 des Mantels, dessen Außenwand 23, das darin enthaltene
Isoliermaterial 24 und eine der erwähnten Strahlerplatten 28 ersichtlich.
Die Platte 28 wird von Haltern 29 in einer der Wand 22 benachbarten
Position gehalten und die Plattenseite 28A ist zur Wand 22 gerichtet, die mit einer dünnen Goldschicht überzogen ist.
Die auf die Platte 20 einfallenden Tonnenstrahlan 30 werden v.Qn
dieser entsprechend den* Absorptionskoeffizienten des die Platte
bildenden Materials absorbiert. Die Platte 28 wird dabei warm und strahlt Strahlungsenergie ab; aber, da die Seite 28A wie bereits
beschrieben behandelt worden ist, erfolgt die ganze Ausstrahlung von der entgegengesetzten Seite aus in die Richtungen 31 .
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V7ie in Fig. 2A dargestellt, haben die Rohre im Kessel und auch die Rohrabschnitte 7B bis F einen zweckmäßig geformten und derart
orientierton Querschnitt, daß die einfallenden Sonnenstrahlen in jene Richtungen reflektiert werden, in welchen sie andere Rohre
die
oder Kesselteile treffen. Auch die/Rohre stützenden Teile wie die Elemente 21 sind zweckmäßig geformt, um die gleiche Wirkung zu erzielen.
oder Kesselteile treffen. Auch die/Rohre stützenden Teile wie die Elemente 21 sind zweckmäßig geformt, um die gleiche Wirkung zu erzielen.
Zwischen den Rohrabschnitten 7B bzw. 7F und der Öffnung 17 und
auch zwischen den Rohrabschnitten 7C bzw. 7B sind Rohre 32 aus Glas, Pyrex oder Quarz angeordnet, deren Achsen senkrecht zu den
von diesen Rohrabschnitten bestimmten Flächen liegen und welche
die Aufgabe haben, in diesen Zonen die übertragung von Stahlungsenergie
im Infrarotgebiet zu reduzieren. Ähnliche Rohre könnten wenn gewünscht - auch in den zwischen den anderen Rohrabschnitten
eingeschlossenen Räumen vorgesehen werden.
Die Fig. 3A bis F zeigen einige der möglichen Rohrformen und -querschnitte für den Einsatz in einem Sonnenkessel und mit
der Eigenschaft, bei zweckmäßiger Anordnung und Orientierung die einfallenden Sonnenstrahlen in eine solche Richtung zu reflektieren,
daß sie auf andere Rohre oder Kesselteile treffen. Fig. 3A zeigt ein Rohr 33 mit kreisförmigem Querschnitt
und mit einer einen dreieckförmigen Querschnitt aufweisenden Längsrippe 34A. Das in Fig. 3B dargestellte Rohr 33 mit
kreisförmigem Querschnitt weist dagegen mehrere Längsrippen 34B mit Dreieckquerschnitt auf. In Fig. 3C hat das kreisförmige <
Rohr 33 Querrippen 34C mit Dreieckquerschnitt, die in zur Rohrachse
orthogonalen Ebenen angeordnet sind. Fig. 3D zeigt ein Rohr 33 mit kreisförmigem Querschnitt, dessen dreieckförmige
Querrippen 34D eine zylindrische Wendel bilden. Das in Fig. 3E dargestellte Rohr 33 mit kreisförmigem Querschnitt hat eine
Längsrippe 34 mit dreieckförmigem Querschnitt, die auf ihrer Außenfläche Furchen 35 mit dreieckförmigem Querschnitt aufweist,
wobei die Richtung der Furchen 35 senkrecht zur Rippenkante verläuft.
Fig. 3F zeigt ein Rohr 33 mit kreisförmigem Querschnitt, dessen Außenfläche ein Gewinde 36 mit Windungen von dreieckförmigem
Querschnitt aufweist.
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Durch Fig. 3G sollen die für die in den Fig. 3Λ bis F dargestellten
Rohre erforderlichen geometrischen Eigenschaften und insbesondere
die sich auf die Größe der von den Rippenkanten gebildeten VJinkel und der Windung mit dreieckigem Querschnitt an den
Rohren beziehenen Voraussetzungen gezeigt werden. Fig. 3G zeigt das gleiche Rohr wie Fig. 3Λ, aber die Resultate
können leicht auf einen allgemeinen Fall übertragen werden. Hieraus sind ein kreisförmiges Rohr 33 mit Längsrippe 34A - mit dreieckigem
Querschnitt - und zwei Spiegel 3A und B des verwendeten Konzentrationssysteins ersichtlich, wobei die zwei Spiegel 3Λ und B
so ausgewählt sind, daß der von den beiden gegen das betroffene Rohr reflektierten Strahlen 5a bzw. 5B gebildete Winkel« dar größtmögliche
unter allen von ähnlichen, von irgendeinem Spiegelpaar reflektierten Strahlen 5 gebildeten Winkeln ist; 37Λ und B sind
die durch die Reflexion der Strahlen 5A vind B an die Außenflächen
der Rippen 34Λ erzeugten Strahlen. 38A und B kennzeichnen die Winkelhalbierenden,
39 die Richtung, in welcher sich dar maximale Viert der Intensität der auf das Rohr einfallenden Sonnenenergie-Strömung
ergibt;/ den Winkel an der Kante der dreieckförroigen
Rippe 34A. Die Richtung 39 wird aus Symimetriegründen nahe der Halbierenden
des WinkelsOiliegen und erfindungsgemäß mit der Halbierenden
des Winkelsyzusammenfallen.
Die gesuchte Voraussetzung, d.h. daß die Richtung der reflektierten
Strahlen 37A und B derart sei, daß andere Rohre bzw. Kesselteile, ausgenommen die Mantelöffnung, von den Strahlen getroffen
werden, kann dadurch verwirklicht werden, daß die reflektierten Strahlen mit der Richtung 39 einen Winkel bilden, der bedeutend
kleiner ist als ein rechter Winkel; er soll z.B. 2/3 eines rechten Winkels nicht übersteigen.
Unter Berücksichtigung der bekannten Reflexionsgesetze lautet eine
solche Voraussetzung wie folgt:
2 tf+0C<2/3 Tt
2 tf+0C<2/3 Tt
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- 12
CIe Fig. 4a bis D zeigen einige dar möglichen Formeη und Querschnitte
der Mantelvände und der Rohrstutzen in dem Kessel,, wie sie beim
Aufbau eines erfiiidungsgemäßen Kessels eingesetzt werden. Sie dienen
dem Zweck, zu vermeiden, daß das einfallend='-; Licht in eine
Richtung reflektiert wird, in welcher es verloren gehen würde. In Fig. 4A ist ein Blech 40 mit säge zahnform gem Querschnitt dargestellt,
das sowohl für die Innenwände des Mantels als auch für
die Rohrstützen verwendet werden kann. Fig. 43 zeigt ein Profileisen
41 mit mssserklingenförmigem Querschnitt, während Fig. 4C
ein Profileisen 41 auch mit messerklingenförmigam Querschnitt,
aber mit einer Reihe von draieckförmigen Zähnen 42 längs seiner Kante zeigt; Pig, 4D zeigt wiederum ein messerklingenförmit^es
Profileisen 41 mit einer seiner Kante entlang angeordneten Reihe von Profilen 43, die jeweils eine Auszackung ähnlichen Querschnitts
bilden, wobei diese Profileisen in zur Kante senkrechter Richtung angeordnet sind.
Die in den Fig. 4B bis D dargestellten Profileisen 41 sind als RohrstützelsK'.enhe besonders geeignet.
- 13 -
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Claims (24)
1) Sonnenkessel mit einem oder mehreren für den Durchfluß einer zu erwärmenden Flüssigkeit in einer bestimmten Richtung geeigneten
Rohren, die im Inneren eines Kesselmantelsi angeordnet
und gestützt sind, welcher eine öffnung auf v/eist, die derart in einer bestimmten Richtung orientiert ist, daß
die durch ein aus bewegbaren Spiegeln gebildetes System reflektierte Sonnenstrahlung in die Öffnung eindringt, und
im übrigen geschlossen und thermisch isoliert ist, dadurch
gekennzeichnet, daß besondere Elemente und bauliche Maßnahmen
den Absorptionskoeffizienten des Materials, aus welchem
die Rohre hergestellt sind, steigern und gleichzeitig
Elemente und bauliche Maßnahmen die Emission von Strahlungsenergie
aus der Mantelöffnung im Vergleich zu der Emission
vermindern, die sich aus den Emissionsspektren bei den verergeben
schiedenen Betriebstemperaturen der Materialien/, aus welchen
die Rohre, der Mantel und die die Rohre stützende Struktur gefertigt sind.
2) Sonnenkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bauliche Maßnahme, die den Absorptionskoeffizienten der auf
die Mantelöffnung einfallenden Sonnenenergie im Vergleich zu
jenem steigern, der sich aus dem Absorptionsspektrum des Materials ergibt, aus welchem die Rohre hergestellt sind, in
der Verwendung von Rohren mit einem Querschnitt und mit einer Orientierung gegenüber der Richtung der einfallenden Sonnenenergie
bestehen, die derart sind, daß jener Teil dieser einfallenden Sonnenenergie, welcher von der Rohroberfläche
weder absorbiert noch gestreut wird, in eine Richtung reflektiert wird, in der er wieder auf andere Rohre, Mantelteile
oder Rohrstützen trifft.
3) Sonnenkessel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der derart eutsgebildete und gegenüber den Richtungen der
einfallenden Sonnenenergie derart orientierte Rohrquerschnitt, daß der von der Rohroberflächa weder absorbierte noch gestreute
Teil dieser einfallenden Sonnenenergie in eine solche Richtung reflektiert wird, daß er andere Rohre und Teile dos Man-
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- 14 -
tels und der Stützstruktur der Rohre trifft, durch Rohre
mit kreisförmiger»-. Querschnitt und mit einer oder mehreren,
einen dreieckigen Querschnitt aufweisenden Längsrippen gebildet 1st, wobei diese Rippen mit dem erwähnten Rohr längs
einer Seite des dreieckigen Querschnitts verbunden und in thermischem Kontakt sind und außerdem an jeder Stelle so angeordnet
und orientiert sind, daß sie von der einfallenden Sonnenstrahlung getroffen werden und die Orientierung dabei
von der Halbierenden des Winkels bestimmt ist, der von den anderen zwei Seiten des erwähnten dreieckigen Querschnitts
gebildet ist, der mit jenem der höchsten Strömungsintensität der einfallenden Sonnenenergie zusammenfällt.
4) Sonnenkessel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der derart ausgebildete und gegenüber den Richtungen der
einfallenden Sonnenenergie derart orientierte Rohrquerschnitt, daß jener Teil der einfallenden Sonnenenergie, der von der
Rohroberfläche weder absorbiert noch gestreut wird, in eine
solche Richtung reflektiert v/ird, daß er auf andere Rohre oder Teile des Mantels oder der Stützstruktur der Rohre
trifft, durch Rohre mit kreisförmigem Querschnitt und mit einer
Vielzahl von Querrippen mit dreieckförmigem Querschnitt gebildet ist, wobei jede einzelne dieser Rippen auf eine zur
Rohrachse orthogonale Ebene ausgerichtet ist sowie längs einer Seite des dreieckigen Querschnitts mit dem Rohr verbunden
und i ι thermischem Kontakt mit diesem gehalten ist.
5) Sor.nenkessel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der derart ausgebildete und gegenüber den Richtungen der einfallenden
Sonnenenergie derart orientierte Rohrquerschnxtt, daß jener Teil der einfallenden Sonnenenergie, der von der
Rohroberfläche weder absorbiert noch gestreut wird, in eine solche Richtung reflektiert wird, daß er auf andere Rohre
oder Teile des j.ianteis oder der Stützstruktur trifft, durch
Rohre rai : kreisförmigem Quer: c'nnxtt gebildet iat, die eine
oder m-ahrer.- Querrippen tragen, v/ob ei jede Rippe als das Rohr
umgehende zylindrische Wendel oder Schraube ausgebildet
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- 15 -
und mit dem Rohr längs einer Seite dieses clreieckför:-iicjen
< Querschnitts verbunden und in thermischem Kontakt ist.
6) Sonnenkessel nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rippe bzw. Rippen auf ihrer Außenseite Furchen mit dreieckigem Querschnitt aufweisen, deren Richtung
senkrecht zur Außenkante der Rippe(n) verläuft.
7) Sonnenksssel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der derart ausgebildete und den Richtungen der einfallenden Sonnenenergie
gegenüber derart orientierte Rohrquerschnitt, daß jener Teil der einfallenden Sonnenenergie, der von der Rohroberfläche
weder absorbiert noch gestreut wird, in eine Richtung reflektiert wird, in der er auf andere Rohre, Teile des Mantels oder
der Stützstruktur der Rohre trifft, durch Rohre mit kreisförmigem Querschnitt gebildet ist, deren Außenseite ein Gewinde mit
Windungen aufweist, deren Querschnitt dreieckförmig ist.
8) Sonnenkessel nach einem der Ansprüche 3 bis 1, da· r: ch gekennzeichnet,
daß die Rippen rait dreieckigem Querschnitt bzw. das
einen dreieckigen Querschnitt aufweisende G· wi* Ie an der Außenkante
einen solchen Winkel bilden, daß die r.jume des Doppelten
dieses Winkels und des größten unter allen Winkeln, unter dem eine Stelle des Kessels zwei beliebige Spiegel sieht, dia die
Lichtstrahlung auf den Kessel reflektieren, einen Bruchteil,
und
der viel kleiner als 1 ist / vorzugsweise 2/3 beträgt, eines gestreckten Winkels ausmacht.
der viel kleiner als 1 ist / vorzugsweise 2/3 beträgt, eines gestreckten Winkels ausmacht.
9) Sonnenkessel nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Außenfläche der Rohre eine Behandlung/ vorzugsweise eine Blankpolierung erfahren hat, weshalb der Anteil
der von dieser Oberfläche gestreuten eingefallenen Sonnenenergie
vernachlässigbar klein ist.
10} Sonnenkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die baulichen Maßnahmen zur Erhöhung des Absorptionskoeffizienten
der auf die Mantelöffnung einfallenden Sonnenenergie
gegenüber jenem, der sich aus dem Absorptionsspektrum des Materials ergibt, aus v/elchern die Rohre hergestellt sind,
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in einer besonderen Formgebung der ManteltoiIe und der Stützstruktur
der Rohre bestehen, die von der einfallenden Sonnenenergie
getroffen werden, wodurch jener Teil der einfallenden Sonnenenergie, der von der Oberfläche der obenerwähnten Teile
des Mantels und der Stützstruktur der Rohre weder absorbiert noch gestreut wird, in eine Richtung reflektiert wird, in der
er auf andere Rohre oder Teile des Mantels oder der Stützstruktur der Rohre trifft.
11) Sonnenkessel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
Formgebung der Teile des Mantels und der Stützstruktur der Rohre durch, auch gleichzeitig 'Einsatz von Profileisen oder Platten
mit sägezahnförmigem Queiöchnitt, Profileisen mit einem
messerklingendünnen Querschnitt, Profileisen mit Dreieckquerschnitt,
Profileisen mit ausgezacktem Messerklingenquerschnitt und messerklingenartigen Profileisen mit Querverzahnung ausgeführt
ist.
12) Sonnenkessel nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die von der einfallenden Sonnenenergie getroffene Oberfläche der Mantelteile und der Stützstruktur der Rohre
behandelt, vorzugsweise blankpolierb, ist, wodurch der Anteil
der von dieser Oberfläche ausgestrahlten eingefallenen Sonnenenergie
vernachlässigbar klein geworden ist.
13) Sonnenkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 12,dadurch gekennzeichnet,
daß die Elemente, die den Absorptionskoeffizienten der auf die Mantelöffnung einfallenden Sonnenenergie gegenüber
demjenigen erhöhen, der sich aus dem Absorptionsspektrum des Materials ergibt, aus welchem die Rohre gefertigt wurden, aus
einer Vielzahl von in dem Mantel mittig und parallel zur Manteloberfläche
angeordneten Strahlerplatten bestehen, die von der inneren Oberfläche durch einen schmalen Zwischenraum getrennt
sind, und daß die diesen Zwischenraum begrenzenden Plattenseiten eine Oberflächenbehandlung erfahren haben, wodurch
5le Emission von Strahlungsenergie im ganzen Bereich
der während des normalen Betriebes des Kessels erreichbaren Temperaturen vernachlässigbar klein geworden ist.
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- 16a -
14) Sonnenkessel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die den Strahlerplatten zugewandte Mantelinnenflache
eine Behandlung erfahren hat, wodurch die Emission von
Strahlungsenergie im ganzen Bereich der während des normalen Betriebes des Kessels erreichbaren Temperaturen
vernachlassigbar klein geworden ist.
- 17 -
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- 17 -
15) Sonnenkessel nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberflächenbehandlung, die die Emission von Strahlungsenergie
im ganzen Bereich der während des normalen Betriebes das Kessels erreichbaren Temperaturen unterdrückt, durch Aufbringung
eines dünnen Metallfilms, z.B. aus Gold oder Metalloxiden,
ausgeführt ist, 'v/elcher die Eigenschaft hat, im Infrarotgebiet zu reflektieren.
16) Sonnenkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
daß die baulichen Maßnahmen, wodurch die Emission von Strahlungsenergie aus der Mantelöffnung gegenüber
der, die sich aus den Emissionsspektren bei den verschiedenen Betriebstemperaturen der Materialien ergibt, aus welchen
die Rohre, der Mantel und die Stützstrukturen der Rohre hergestellt sind, vermindert wird, in einer geometrischen Anordnung
des Rohres bzw. der Rohre im Mantelinneren in der Art
bestehen, daß für jedes Rohr der Raumwinkel, unter dem die Manteloffriung von einer Stelle eines orthogonalen Querschnittes
dieses Rohres aus gesehen werden kann, kleiner wird, wenn sich dieser orthogonale Querschnitt längs des Rohres von
einem zum anderen Ende verschiebt, wobei das Ende des Rohres, das den größten Viert dieses Raumwinkels ergibt, die Eintrittsöffnung für die zu erwärmende Flüssigkeit darstellt, während
das Ende, das den kleinsten Wart des Raumwinkels ergibt, die Austrittsöffnung für die erhitzte Flüssigkeit bildet, und <Ήβ
Verkleinerung des Raumwinkels teilweise dem gx'ößeren Abstand des Rohres von der Mantelöffnung und teilweise der Tatsache
zuzuschreiben ist, daß ein immer größer werdender Teil dieses Raumwinkels von anderen Rohrteilen erfaßt wird.
17) Sonnenkessel nach Anspruch I6f dadurch gekennzeichnet, daß
die geometrische Anordnung der Rohre innerhalb des Mantels derart ist, daß für jedes Rohr die Verkleinerung des Raumwinkels
r unter dem die Mantelöffnung von einer Stelle eines
orthogonalen Querschnitts des Rohres aus dann gesehen wird. wenn sich der orthogonale Querschnitt dem Rohr entlang von
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- 18 -
dem einen zum anderen Ende verschiebt, nicht kontinuierlich für alle Kohrquerschnltte, sondern nur im Mittel für diejenigen
Werte des Raumwinkels verifiziert ist, die aufeinander folgende Rohrabschnitto betreffen.
18) Sonnenkessel nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verkleinerung der Mittelwerte des Raumwinkels für aufein anderfolgende Rohrabschnitte dadurch erzielt ist, daß jeder
Rohrabschnitt auf einer zur Mantelöffnung parallelen und eine der Mantelöffnung ähnliche Form aufweisenden Fläche angeordnet
ist, wobei diese Rohrabschnitte in Reihenanordnung miteinander verbunden sind und die sie enthaltenden Flächen
in zunehmendem Abstand von der Mantelöffnung liegen, daß die Flächen aufeinander und in Bezug auf die Mantelöffnung in
der Richtung der höchsten Strömungsintensität der auf die
öffnung einfallenden Sonnenenergie ausgerichtet sind, wobei der Raumwinkel, unter welchen die Mantelöffnung von dem auf
einer der erwähnten Flächen liegenden Rohrabschnitt aus gesehen wird, teilweise von den Rohrabschnitten eingenommen
ist, die auf den Flächen liegen, welche weniger entfernt von der öffnung sind, und daß die öffnung vorzugsweise
kreisförmig ist und die Rohre in jeder Ebene spiralförmig angeordnet sind.
19) Sonnenkessel nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der zwischen zwei Flächen, auf welchen die
Rohrabschnitte angeordnet sind, eingeschlossenen Räume
oder der zwischen einer dieser Flächen uud der Mantelöffnung
gelegene Raum sonnenlichtdurchlässige Elemente enthält, die mindestens teilweise Strahlungsenergie größerer Wellenlänge
absorbieren, die von den Rohren, dem Mantel und den Rohrstützen
bei den normalen Betriebstemperaturen ausgestrahlt wird.
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Λ Ο
20) Sonnenkessel nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß
diese für die Sonnenenergie durchlässigen Elemente, die mindestens
teilweise die Strahlungsenergie größerer Wellenlänge absorbieren, die Rohre, die Mantelöffnuny und die Rohrstützen
ausstrahlen, aus Glas, Quarz oder Pyrex hergestellt sind, d.h. aus Stoffen, die für Sonnenenergie durchlässig sind und
Strahlungsenergie größerer Wellenlänge absorbieren, und ihre Achse jeweils senkrecht zu den Flächen verläuft, auf
welchen die den eigentlichen Kessel bildenden Rohre liegen.
21) Sonnenkessel nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet,
daß die geometrische Anordnung der Rohre im Kesselrnantel so getroffen ist, daß die Strömungsintensität
der auf jedes Rohr einfallenden Sonnenenergie bei dem Durchfluß von dem einen zum anderen Ende kleiner wird, wobei das
Rohrende, das dem größten Wert dieser Strömungsintensität der einfallenden Sonnenenergie zugeordnet ist, die Eintrittsöffnung für die zu erhitzende Flüssigkeit bildet, während das
dem kleinsten Wert der Strömungsintensität zugeordnete Rohrende die Austrittsöffnung für die erhitzte Flüssigkeit darstellt,
und daß die Abnahme der Strömungsintensität der einfallenden Sonnenenergie teilweise der geometrischen Lage des
Rohres gegenüber der Mantelöffnung und der Verteilung der von den Spiegeln reflektierten Sonnenenergie im Raum und außerdem
teilweise auch dem Abschirmaffekt anderer Rohrteile zuzuschreiben
ist.
22) Sonnenkessel nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die
Abnahme der Strömungsintensität der auf jedes Rohr einfallenden
Sonnenenergie nicht kontinuierlich für alle Stellen des Rohres, sondern nur für die Mittelwerte dieser Intensität in
Bezug auf die aufeinanderfolgenden Rohrabschnitte verifiziert ist.
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-2o-
23) Sonnenkessel nach einein der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet,
daß jedes den eigentlichen Kessel bildende Rohr einen Abschnitt aufweist, dor auf der Außenseite des Mantels
in der Nähe seiner Öffnung angeordnet ist und in thermischem Kontakt mit dem Mantel steht sowie mit dem anderen, im Mantel
angeordneten Rohrteil verbunden ist, so daß die zu erhitzende
Flüssigkeit zunächst durch den auf der Mantelaußenseite liegen den Abschnitt und dann durchjden bzw. durch die im Mantel angeordneten
Rohrabschnitts fließt.
24) Sonnenkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet,
daß der Außenteil des Mantels, der diesen bzw. diese Rohrabschnitte trägt, durch Elemente geschützt ist,
die für Sonnenlicht durchlässig sind und mindestens teilweise die Strahlungsenergie größerer Wellenlänge absorbieren,
die von den Rohren und von den Außenteilen des Mantels bei nor malen Betriebstemperaturen ausgestrahlt wird.
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