NL7905057A

NL7905057A - SOLAR COLLECTOR AND HEAT PIPE, ESPECIALLY SUITABLE FOR APPLICATION THEREIN.

Info

Publication number: NL7905057A
Application number: NL7905057A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1979-06-29
Filing date: 1979-06-29
Publication date: 1980-12-31
Also published as: GB2053453A; FR2460456A1; CA1173318A; SE8004720L; IT1132137B; DE3024129A1; IT8023068A0; FR2460456B1; AU538910B2; JPS5610656A; AU5959080A; GB2053453B

Description

* * N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven PHN 9516 "Zonnecollector en warmtepijp, in het bijzonder geschikt voor toepassing daarin".* * N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken in Eindhoven PHN 9516 "Solar collector and heat pipe, particularly suitable for application therein".

De uitvinding betreft een zonnecollector met absorber voor het opvangen van zonnestraling, welke warmte-geleidend is verbonden met een verdamperdeel van een als warmtepijp uitgevoerd warmtetransportsysteem, dat met een 5 condensordeel in warmteuitwisseling kan worden gebracht met een verder warmtetransportsysteem, waarbij zich in de warmtepijp een werkmedium bevindt met een kritische temperatuur welke lager is dan de toelaatbare maximale temperatuur in het verdere warmtetransportsysteem.The invention relates to a solar collector with an absorber for collecting solar radiation, which is heat-conductively connected to an evaporator part of a heat transport system designed as a heat pipe, which can be heat exchanged with a condenser part with a further heat transport system, in which a heat pipe is working medium is at a critical temperature which is lower than the permissible maximum temperature in the further heat transport system.

10 Een zonnecollector van de hiervoor aangeduide soort is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 3 390 672.A solar collector of the type indicated above is known from US patent 3 390 672.

Bij dit soort zonnecollectoren verzamelt zich in koude toestand het dan gecondenseerde werkmedium in het 15 verdamperdeel van de warmtepijp. Bij toevoer van warmte vanaf de absorber gaat het werkmedium verdampen. De damp stroomt naar het condensordeel, waar het zijn warmte afstaat aan het medium in het verdere warmtetransportsysteem.In this type of solar collectors, the cold condensed working medium collects in the evaporator part of the heat pipe when it is cold. When heat is supplied from the absorber, the working medium evaporates. The vapor flows to the condenser section, where it gives off its heat to the medium in the further heat transfer system.

Het condensaat loopt daarna weer terug naar het verdamper-20 deel.The condensate then returns to the evaporator-20 part.

Het transport van warmte van verdamper naar condensor gaat door zolang er fase-overgang van het werkmedium kan plaatsvinden. Stijgt bijvoorbeeld de temperatuur van de warmtepijp boven de kritische temperatuur van het werkmedium, dan valt het vermogen om warmte over te dragen 790 5 0 57 s' 1 PHN 9516 /- 2 practisch weg. Dit biedt dus de mogelijkheid om door de keuze van het werkmedium de maximale temperatuur, waarbij de warmteoverdracht stopt, te bepalen. Dit is van groot belang, omdat het verdere warmtetransportsysteem waaraan 5 de warmte wordt toegevoerd meestal een bepaalde temperatuur niet mag overschrijden.The transport of heat from evaporator to condenser continues as long as phase transition of the working medium can take place. For example, if the temperature of the heat pipe rises above the critical temperature of the working medium, the ability to transfer heat is practically lost 790 5 0 57 s' 1 PHN 9516 / - 2. This therefore offers the possibility of determining the maximum temperature at which the heat transfer stops by selecting the working medium. This is of great importance, because the further heat transport system to which the heat is supplied must usually not exceed a certain temperature.

Uit het genoemde Amerikaanse ,octrooi.schrift temperatuurgebieden 3 390 672 zijn voor een aantal/werkmedia bekend zoals,From said American patent temperature ranges 3 390 672, a number of working media are known, such as,

Ethyl Alcohol, Ethyl Ether, Freon 11, Freon 113· Ook uit 10 andere literatuur zijn werkmedia voor warmtepijp toepassing bekend zoals Ammonia, propaan en een aantal andere Freonen. Opgemerkt zij dat Freon een geregistreerd merk is. Een nadeel van al deze bekende werkmedia is dat deze na enige tijd uit elkaar gaan vallen, waarbij restgassen ontstaan, 15 die niet meer aan het verdampings-condensatieproces deelnemen en zich in het hoogste deel van de condensor verzamelen. Hierdoor wordt een deel en na langere tijd mogelijk zelfs de gehele condensor en daarmee dus de warmtepijp onwerkzaam.Ethyl Alcohol, Ethyl Ether, Freon 11, Freon 113 · Working media for heat pipe applications are also known from 10 other literature, such as Ammonia, propane and a number of other Freons. It should be noted that Freon is a registered trademark. A drawback of all these known working media is that they will disintegrate after some time, producing residual gases, which no longer participate in the evaporative condensation process and collect in the highest part of the condenser. As a result, a part and after a longer period of time possibly even the entire condenser and thus the heat pipe becomes inoperative.

20 De uitvinding beoogt een zonnecollector van de hiervoor beschreven soort te verschaffen, waarbij als werkmedium in de warmtepijp een medium wordt toegepast, dat niet na verloop van tijd uit elkaar valt en dat een vrij steil met de temperatuur verlopend warmteoverdrachtsvermo-25 gen bezit, zodat bij de normale werktemperatuur nog een groot warmteoverdrachtsvermogen aanwezig is, dat daarna zeer snel afneemt tot de waarde nul bij de kritische temperatuur. Verder warmtetransport geschiedt dan alleen nog door warmtegeleiding en convectie.The object of the invention is to provide a solar collector of the type described above, in which a medium is used as working medium in the heat pipe, which does not disintegrate over time and which has a heat transfer capacity that runs fairly steeply with the temperature, so that a large heat transfer capacity is still present at the normal operating temperature, which then decreases very rapidly to zero at the critical temperature. Further heat transport then only takes place through heat conduction and convection.

30 De zonnecollector volgens de uitvinding vertoont het kenmerk, dat het werkmedium isobutaan is.The solar collector according to the invention has the feature that the working medium is isobutane.

Isobutaan heeft als groot voordeel dat het-ook bij hogere temperatuur een zeer stabiele verbinding is, die niet uit elkaar valt.Isobutane has the great advantage that it is a very stable compound, even at higher temperatures, which does not fall apart.

35 Verder heeft isobutaan een kritische temperatuur van 135°C wat voor het verdere warmtetransportsysteem een acceptabele maximum temperatuur is.Furthermore, isobutane has a critical temperature of 135 ° C, which is an acceptable maximum temperature for the further heat transport system.

Het warmteoverdrachtsvermogen van isobutaan ver- 790 5 0 57 s, PHN 9516 3 è loopt vrij steil met de temperatuur. Dit betekent dat terwijl het warmteoverdraehtsvermogen bij de kritische temperatuur nul is, dit bij de gewenste bedrijfstemperatuur van + 90°C reeds een aanzienlijke waarde bezit. Een groot 5 warmteoverdraehtsvermogen bij bedrijfsomstandigheden is van belang, omdat het oppervlak van de condensor kleiner kan zijn, naarmate het warmteoverdraehtsvermogen groter is.The heat transfer capacity of isobutane 790 5 0 57 s, PHN 9516 3 è is quite steep with temperature. This means that while the heat transfer capacity at the critical temperature is zero, it already has a considerable value at the desired operating temperature of + 90 ° C. A high heat transfer power at operating conditions is important because the surface of the condenser may be smaller the greater the heat transfer power.

De uitvinding betreft verder een warmtepijp, welke in het bijzonder geschikt is voor toepassing in een 10 zonnecollector en gekenmerkt is, doordat daarin als werk-medium isobutaan aanwezig is.The invention further relates to a heat pipe, which is particularly suitable for use in a solar collector and is characterized in that isobutane is present as working medium therein.

Aan de hand van de tekening, waarin bij wijze van voorbeeld schematisch een zonnecollector is weergegeven, zal de uitvinding nader worden toegelieht.The invention will be explained in more detail with reference to the drawing, which schematically shows a solar collector by way of example.

15 De weergegeven zonnecollector omvat een plaat vormige absorber 1, die warmtegeleidend is verbonden met het verdamperdeel 2 van een buisvormige warmtepijp 3· De absorber 1 is aan zijn bovenzijde voorzien van een, de zonnewarmte, absorberende laag.The solar collector shown comprises a plate-shaped absorber 1, which is heat-conductively connected to the evaporator part 2 of a tubular heat pipe 3 · The absorber 1 is provided on its top with an absorbing layer, the heat of the sun.

20 ' De warmtepijp 2 is verder voorzien van een conden— sordeel k, dat in warmteuitwisseling is met een vloeistof in een, slechts gedeeltelijk weergegeven, verder warmte-transportsysteem 5· De absorberplaat 1 en het verdamperdeel 3 van de warmtepijp zijn ondergebracht in een glazen om-25 hulling 6 met een ronde doorsnede. Deze omhulling 6 is aan de onderzijde 7 afgesloten. Aan de bovenzijde is de omhulling afgesloten door een deel 8 eveneens van glas, dat gesmolten is aan een dunwandige bus 9 van een geschikt metaal, bijvoorbeeld chroom-ijzer, die vacuumdicht aan de warmte-30 pijp 2 is gesoldeerd of gelast.20 'The heat pipe 2 is furthermore provided with a condenser part k, which is in heat exchange with a liquid in a further heat transport system 5, which is only partly shown. The absorber plate 1 and the evaporator part 3 of the heat pipe are housed in a glass enclosure 6 with a round cross-section. This envelope 6 is closed at the bottom side 7. At the top, the casing is closed by a part 8, also made of glass, which is melted on a thin-walled sleeve 9 of a suitable metal, for example chromium iron, which is soldered or welded in a vacuum-tight manner to the heat pipe 2.

Door deze constructie worden warmtespanningen tussen warmtepijp en glazen omhulling grotendeels vermeden.Due to this construction, heat stresses between the heat pipe and the glass envelope are largely avoided.

In de glazen omhulling heerst een onderdruk.There is an underpressure in the glass envelope.

Aan de einden van de plaatvormige absorber 1 35 zijn steunplaten 11 en 12 aangebracht. De plaat 12 dient tegelijkertijd ter centrering van de warmtepijp.Support plates 11 and 12 are arranged at the ends of the plate-shaped absorber 1. The plate 12 simultaneously serves to center the heat pipe.

Door het aanbrengen van absorber 1 en verdamperdeel 3 een vacuumomhulling worden de warmteverliezen 790 50 57 1 PHN 9516 0 k klein gehouden. Een verdere verbetering in dit opzicht kan worden verkregen door de binnenzijde van de glazen omhulling geheel of gedeeltelijk te voorzien van een selectieve warm-tereflecterende laag bijvoorbeeld van met zink gedoteerd 5 indiumoxide.The heat losses 790 50 57 1 PHN 9516 0 k are kept small by applying absorber 1 and evaporator part 3 to a vacuum envelope. A further improvement in this respect can be obtained by providing the inside of the glass envelope in whole or in part with a selective heat-reflecting layer, for example, of zinc-doped indium oxide.

In de warmtepijp 2 bevindt zich als werkmedium isobutaan, dat ten gevolge van de door de absorberplaat 1 aan het verdamperdeel 3 afgestane warmte, verdampt. De damp stroomt naar de condensor en condenseert daar onder afgifte 10 van zijn verdampingswarmte, welke via de condensorwand aan de vloeistof in het systeem 5 wordt afgestaan.In the heat pipe 2, the working medium is isobutane, which evaporates as a result of the heat supplied by the absorber plate 1 to the evaporator part 3. The vapor flows to the condenser and condenses there, giving off its heat of evaporation, which is transferred to the liquid in the system 5 via the condenser wall.

De werktemperatuur van de zonnecollector wordt bij voorkeur beperkt tot omstreeks 90°, waarbij het isobutaan nog een goed warmteoverdrachtsvermogen bezit.The operating temperature of the solar collector is preferably limited to about 90 °, the isobutane still having a good heat transfer capacity.

15 Wanneer om welke reden dan ook de temperatuur van de collector oploopt, bijvoorbeeld doordat het systeem 5 te weinig warmte onttrekt, dan kunnen onder omstandigheden de temperaturen zeer hoog oplopen tot zelfs boven 300°C en gebleken is, dat isobutaan daarbij niet uiteenvalt. Het 20 warmteoverdragend vermogen door de verdampingscondensatie cyclus neemt daarbij snel af, tot het bij + 135°C, de kritische temperatuur van isobutaan, nul is geworden. Er wordt dan nog alleen door geleiding en convectie warmte naar systeem 5 getransporteerd, zodat de temperatuur van dit 25 systeem niet te hoog zal oplopen.If, for whatever reason, the temperature of the collector rises, for instance because the system 5 extracts too little heat, under certain conditions the temperatures can rise very high to even above 300 ° C and it has been found that isobutane does not decompose. The heat transfer capacity through the evaporation condensation cycle decreases rapidly until it becomes zero at + 135 ° C, the critical temperature of isobutane. Heat is then only transported to system 5 by conduction and convection, so that the temperature of this system will not rise too high.

Isobutaan heeft ten opzichte van alle andere bekende werkmedia in systemen, die bij relatief lage maxi--maal toelaatbare temperatuur werken het voordeel dat het een thermisch zeer stabiele verbinding is, hetgeen wil zeg-30 gen dat zich geen gasvormige delen afscheiden, die de ver-, king van de warmtepijp zouden verstoren.Isobutane has the advantage over all other known working media in systems operating at a relatively low maximum permissible temperature that it is a thermally very stable compound, which means that no gaseous parts that separate the far - would disrupt the heat pipe.

Naast deze grote stabiliteit heeft isobutaan bij de normale bedrijfstemperatuur tevens een hoog warmteoverdrachtsvermogen, hetgeen betekent dat het oppervlak van 35 het condensordeel k relatief klein kan zijn.In addition to this great stability, isobutane also has a high heat transfer capacity at the normal operating temperature, which means that the area of the condenser part k can be relatively small.

790 5 0 57790 5 0 57

Claims

A solar collector with a plate-shaped absorber for collecting solar radiation, which is heat-conductively connected to an evaporator part of a heat transport system constructed as a heat pipe, which can be heat exchanged with a condenser part 5 with a further heat transport system, wherein a working medium is located in the heat pipe a critical temperature which is lower than the permissible maximum temperature in the further heat transport system, characterized in that the working medium is isobutane,

Heat pipe, in particular suitable for use in the solar collector according to claim 1, characterized in that it contains isobutane as the working medium. 15 7905057 20