NL8000470A - Zonnecollector met een vloeistof opnemende laag. - Google Patents

Description

* i

Zonnecollector met een vloeistof opnemende laag.

De uitvinding betreft een zonnecollector, omvattende een gesloten omhulling waaruit de niet-condenseerbare gassen tenminste in hoofdzaak zijn verwijderd, een met de omhulling thermisch verbonden collector 5 voor het omzetten van zonnestralen in warmte, een werkmedium in de omhulling, dat zich tijdens bedrijf deels in vloeibare, deels in dampvor-mige toestand bevindt, een verdampingsruimte in de omhulling, in welke ruimte het vloeibare werkmedium kan verdampen onder invloed van de door de collector afgegeven warmte, een condensatieruimte in de omhulling, 10 waarin het dampvormige werkmedium kan condenseren, een in de omhulling gelegen verbinding tussen de verdampingsruimte en de condensatieruimte voor de inwendige terugvoer van gecondenseerd werkmedium naar de verdampingsruimte, en een warmtewisselaar welke in thermisch contact staat met de condensatieruimte, voor het afvoeren van de condensatiewarmte.

15 Met de passage "waaruit de niet-condenseerbare gassen tenminste in hoofdzaak zijn verwijderd", wordt bedoeld dat al die gassen uit de omhulling zijn verwijderd, welke geen positieve bijdrage aan het functioneren van de zonnecollector kunnen leveren. Als regel zal het hier gaan om lucht.

20 Een zonnecollector van deze soort is bekend uit het Amerikaanse octrooi-schrift No. 4 038 966. De daarin beschreven zonnecollector bestaat uit een platte, geëvacueerde tank waarvan de naar de zon gerichte wand als collector dienst doet. In bedrijfstoestand is de tank schuin opgesteld teneinde zoveel mogelijk zonnestraling op te vangen. Aan de onderzijde 25 bevindt zich in de tank een hoeveelheid werkvloeistof die bij invallend zonlicht verdampt. De werkdamp stijgt op in de tank en geeft zijn opgenomen warmte door condensatie aan de koelere bovenzijde van de tank af, waar deze in thermisch contact staat met een uitwendig gelegen condenser waardoor een warmtetransportmedium stroomt. Het gecondenseerde 30 werkmedium stroomt nu onder invloed van de zwaartekracht terug langs de tegenover de collectorwand gelegen achterwand van de tank. Deze achterwand is voorzien van verschillende uitstulpingen waarin het condensaat stroomt. Deze uitstulpingen hebben tot doel het condensaat zo goed mogelijk over de achterwand te verdelen zodat het weer zo snel mogelijk 33 kan verdampen.

Behalve dat het aanbrengen van de uitstulpingen een aparte mechanische bewerking vereist, kan op deze wijze slechts bij grove benadering een 8000470 ff * - 2 - gelijkmatige verdeling van de werkvloeistof over de tankwand worden bereikt.

Er zijn verschillende methoden bekend om de werkvloeistof met een zo groot mogelijk verwarmend oppervlak in aanraking te brengen. Bij de 5 zonnecollector volgens de Nederlandse octrooiaanvrage 7 600 533 bevindt zich de werkvloeistof in een aantal buizen die thermisch contact maken met een collector. De werkvloeistof vult de buizen geheel over een groot deel van hun lengte. Bij de platte, doosvormige zonnecollector volgens de Nederlandse octrooiaanvrage 7 707 586 vult de werkvloeistof 10 vrijwel de gehele verdampingsruimte. Bij beide bekende zonnecollectoren moet in verhouding tot het collectoroppervlak een relatief grote hoeveelheid werkvloeistof worden verwarmd.

Het is ook bekend de werkvloeistof met behulp van een wiek over het collectorvlak te verspreiden. Onder wiek is hierbij te verstaan een 15 laag absorberend materiaal, dat de werkvloeistof tenminste deels door capillair transport over de laag uitspreidt. Een zonnecollector van deze soort is bijv. bekend uit het artikel "The heat pipe fin, a novel design of a planar collector", 1975 International Solar Energy Congress and Exposition, July 28 - August 1, 1975, Los Angeles, Calif., U.S.A.

20 Voor de wiek zijn verschillende uitvoeringen mogelijk, zoals een fijn draadgaas, een gesinterde laag, een opgedampte laag, een laag met fijne groeven, een laag met metalen of keramische vezels, en een laag uit metaalschuim (zie Dunn en Reay, Heat Pipes, 1976, pag. 142 e.v.).

Een wiek heeft het vermogen om de werkvloeistof ook tegen de zwaarte-25 kracht in te verspreiden vanwege de capillaire opstijging in fijne kanaaltjes. Bij een vezelwiek kunnen de capillaire kanaaltjes door het inwendige van de vezeltjes zijn gevormd als deze hol zijn, ofwel door de ruimte tussen de vezeltjes. Opdat een wiek kan bijdragen tot verdamping over een groot oppervlak, zal er transport van werkvloeistof in 30 dikterichting van de wiek moeten kunnen optreden, opdat de vloeistof de oppervlakte van de wiek kan bereiken. Deze eis beperkt de haalbare lengte van de capillaire kanaaltjes en daarmee de opvoerhoogte van de wiek.

In situaties zoals bij warmtepijpen, waarbij de warmtetoevoer meestal 35 beperkt is tot een rlatief kort deel van de warmtepijp, is een geringe opvoerhoogte geen bezwaar. Wanneer echter de warmtetoevoer over een relatief groot oppervlak moet kunnen plaatsvinden, zoals bij een zonnecollector, dan is de beperkte opvoerhoogte van de wiek een bezwaar. Na 8000470 f 1 - 3 - een langere periode zonder zonneschijn zal de wiek dan nl. slechts over een met de opvoerhoogte overeenkomend deel zijn bevochtigd. Hierdoor moet bij· hervatting van de zonneschijn de wiek eerst weer geheel worden bevochtigd, waarmee geruime tijd gemoeid kan zijn. Gedurende deze tijd 5 treedt extra verlies aan warmte op daar zich het niet bevochtigde deel van de wiek op een hogere temperatuur bevindt en zo tot grotere stralings-, convectie- en geleidingsverliezen, en derhalve tot een verlaagd thermisch rendement aanleiding geeft.

Voor een optimaal rendement van de zonnecollector is het van belang, 10 dat de verdamping bij een zo laag mogelijk temperatuurverschil tussen omhulling en werkvloeistof kan plaatsvinden. In aanmerking nemend dat met toeneming van dit temperatuurverschil eerst oppervlakteverdamping (surface evaporation), dan koken (nuclear boiling) en tenslotte film-koken (film boiling) optreedt, moet naar oppervlakteverdamping worden 15 gestreefd. Onder "oppervlakteverdamping" is te verstaan de verdamping van de vloeistof aan de vloeistofspiegel; met "koken" is bedoeld verdamping onder vorming van dampbellen in de werkvloeistof, die naar de vloeistofspiegel stijgen; onder "filmkoken" is te verstaan een verdamping waarbij de dampbellen een dampfilm tegen de binnenwand van de om-20 hulling vormen.

Bij de hierboven besproken bekende zonnecollectoren waarbij de werkvloeistof de verdampingsruimte nagenoeg geheel opvult en de werkvloei-stofspiegel een betrekkelijk gering oppervlak heeft in verhouding tot het werkvloeistofvolume, 25 zal de verdamping grotendeels door koken plaatsvinden.

De zonnecollector volgens de uitvinding werkt in het gebied van de oppervlakteverdamping. Hij heeft als kenmerk, dat ever tenminste een deel van de verdampingsruimte het inwendige van de omhulling een laag bezit, die is voorzien van over deze laag verdeelde, in hoofdzaak 30 onderling van elkaar gescheiden, het gecondenseerde werkmedium opnemende holtes. Deze laag kan zeer dun zijn. Bij een collectoroppervlak van 2 bijv. 1 m , en voldoende vloeistofopnemende holtes, is een laagdikte van enkele honderden micrometers voldoende voor een goed functioneren van de zonnecollector. In tegenstelling tot de bekende wieken treedt 35 bij deze laag geen of slechts een ondergeschikt capillair transport van de werkvloeistof door de laag op. Globaal genomen kan worden gesteld dat werkvloeistof die in een bepaalde holte stroomt, resp. in die holte 8000470 . - 4 - door condensatie ontstaat, ook in deze holte blijft opgeslagen totdat ze weer· verdampt. Bij perioden zonder zonneschijn is de bevochtiging hierdoor niet beperkt tot een met de opvoerhoogte overeenkomend deel, maar fungeeert het gehele oppervlak van de laag als opslag voor de 5 werkvloeistof. Dit bevordert een snelle start van de zonnecollector, d.w.z. dat deze binnen korte tijd zijn maximale rendement heeft bereikt. Een verder voordeel is dat de hoogteafmeting van de laag, en daarmee van de zonnecollector, niet aan beperkingen onderhevig is die met de werking daarvan samenhangen.

10 üe laag kan bijv. glaspoeder bevatten, maar de voorkeur verdient een laag uit thermisch goed geleidend materiaal, bijv. koolstofpoeder, micapoeder of metaalpoeder. Zeer geschikt is een laag die een metallisch poeder en een bindmiddel bevat. Voor het metaalpoeder valt te denken aan poeder uit één of meerdere metalen of legeringen. Aluminium-15 en ijzerpoeder zijn geschikte materialen voor de laag.

Als bindmiddel leent epoxyhars zich goed. Echter valt ook te denken aan polyimide- en polyesterharsen en aan metaallijmen zoals die op acry-laatbasis.

Bij de keuze van de grondstoffen en van de werkwijze voor het verkrij-20 gen van de laag, dient er steeds op te worden gelet dat in de laag holtes worden verkregen waarvan althans een voldoend groot aantal met de verdampingsruimte communiceren en die ook qua afmetingen, resp. qua stand geschikt zijn om de gekozen werkvloeistof in zich op te nemen en vast te houden tegen de zwaartekracht in. Hoewel de holtes onderling in 25 zekere mate met elkaar in verbinding mogen staan, zodanig dat- enig transport van werkvloeistof tussen de holtes mogelijk is, dient er op te worden gelet dat de laag niet grotendeels als wiek gaat fungeren. Het beste resultaat bereikt men met een laag welke de werkvloeistof althans in hoofdzaak alleen op die plaats in zich opneemt waar ze wordt 30 toegediend ("locaalopname"). Een verspreiding van de werkvloeistof door de laag heen, in een mate zoals het geval is bij een wiek, is minder gewenst, daar de laag dan minder gunstig afsteekt t.o.v. een wiek. Verloopt een dergelijke verspreiding echter veel langzamer dan bij een wiek, dan behoudt de laag op dit punt haar voordeel. Voor de holtevor-35 ming kan het onder omstandigheden gewenst zijn aan het bindmiddel een blaasmiddel toe te voegen. Na het aanbrengen van de laag op de ondergrond ontwijkt het blaasmiddel in gasvorm waardoor een geschuimde laag 8000470 i « .. - 5 - met holtes ontstaat. Hoewel zich in dit geval de holtes van binnenuit de laag-vormen, is het ook mogelijk ze van buitenaf te laten ontstaan.

In dit geval kan worden gedacht aan het leiden van een gas door de pas opgebrachte laag. Voorts aan het gebruik van een gemalen schuim dat in 5 de bindmiddel/metaalpoederlaag wordt gedrukt. De holtes in de laag worden dan gevormd door de reeds bestaande holtes in de schuimdeeltjes.

In een verdere uitvoeringsvorm van de zonnecollector volgens de uitvinding bezit de laag langs mechanische weg gevormde holtes. Hierbij valt te denken aan holtes die zijn aangebracht door plaatselijk op de laag 10 uitgeoefende druk, bijv. met behulp van gas- of vloeistofstralen, of door stralen met vaste deeltjes. De richting waarin de druk wordt uitgeoefend kan zodanig zijn dat ook bij een schuine stand van de laag de zwaartekracht meewerkt het condensaat in de holtes te houden.

Een zeer geschikte uitvoeringsvorm is die waarbij de laag door naald-15 prikken gevormde holtes bezit.

Volgens een andere werkwijze wordt de laag door vlamspuiten opgebracht.

Het is voorts gunstig, dat de laag gezien in terugstroomrichting van het gecondenseerde werkmedium, in dikte toeneemt, hetzij trapsgewijs, hetzij geleidelijk. Hierdoor kan aan de onderzijde van de laag wat meer 20 werkvloeistof worden opgeslagen dan aan hoger gelegen delen. Dit bevordert de snelle inwerkingtreding van de zonnecollector na een periode zonder zonneschijn.

Het kan voorts aanbeveling verdienen dat de laag bestaat uit een aantal zich dwars op de terugstroomrichting van het gecondenseerde werkmedium 25 uitstrekkende stroken. Zo nodig kunnen deze .stroken aan hun laagst gelegen uiteinde zijn voorzien van een rand tegen het wegstromen van gecondenseerd werkmedium naar lager gelegen stroken.

In bepaalde gevallen kan het gewenst zijn dat de laag geprofileerd is.

Er zullen nu een aantal voorbeelden worden gegeven van werkwijzen met 50 behulp waarvan de "poreuze" laag kan worden verkregen:

Voorbeeld I

Aan aluminiumpoeder van de firma Hoechst, type LNR 101, voor 50 gew.% bestaande uit deeltjes van 0-50 Um en voor 50 gew.% uit deeltjes van 50-100 Urn, werd water toegevoegd totdat een met een kwast goed smeer-35 bare pasta was verkregen. Aan deze pasta werd onder heftig roeren een 8000470 • - 6 - epoxyhars (type Araldit AW 139) met een harder (type HV 998) toegevoegd, beide afkomstig van Ciba-Geigy. De laag werd vervolgens met een rakel gelijkmatig over een drager van plaatstaal uitgestreken. Daarna werd de aldus behandelde drager gedurende 1 uur gedroogd bij een temperatuur 5 van 50°C, en tenslotte op een temperatuur van 90°C gebracht om de epoxy te laten uitharden.

De verkregen poreuze laag vertoonde over de laag verdeelde holtes die met de omgeving in open verbinding staan, maar geen of weinig onderlinge uitwisseling van werkvloeistof, i.c. hexaan toelaten. Bij een 10 dikte van ca. 800 micrometer bedroeg het opnemend vermogen van deze 2 laag ongeveer 300 gram hexaan per m .

Voorbeeld II

Volgens dit voorbeeld werd in plaats van aluminiumpoeder glaspoeder van ca. 40 micrometer gemiddelde deeltjesgrootte genomen. De werkwijze kwam 15 verder overeen met die van het voorgaande voorbeeld.

Ook in dit geval ontstond er een laag met de werkvloeistof opnemende holtes, die onderling in hoofdzaak van elkaar zijn gescheiden. Zoals te verwachten bezit de laag een minder goede thermische geleidbaarheid dan die volgens voorbeeld I, zodat zij uit dat oogpunt bezien minder ge- 20 schikt is voor toepassing in zonnecollectoren.

Het opnemend vermogen van de laag bedroeg ongeveer 180 gram hexaan per 2 m bij een laagdikte van ca. 600 micrometer.

Voorbeeld III

Bij de werkwijze volgens dit voorbeeld werd de poreuze laag door vlam-25 spuiten opgebracht. De laag werd aangebracht aan een zijde van een staalplaat. Eerst werdt de plaat met grof electrokorund (Abrasief M) gestraald om haar op te ruwen. Vervolgens werd door vlamspuiten een onderlaag van nikkel-aluminide (Metco 405 van de firma Metco) aangebracht en daarop, eveneens door vlamspuiten een eindlaag van een staal-30 legering (Metco No.2). Zowel de onderlaag, die als hechtlaag diende, als de eindlaag werden verkregen door het verstuiven van een draad van het desbetreffende materiaal in een zuurstof-acetyleenvlam. Met behulp van perslucht werd het materiaal tegen de plaat geblazen.

De aldus verkregen eindlaag had een dikte van ca. 350 micrometer en 35 haar opnemend vermogen bedroeg 35 tot 40 gram hexaan per m^.

8000470 0 · - 7 ~

Voorbeeld IV

100 dln epoxyhars (Araldit 134B), 40 dln harder (H 4994), beide afkomstig van Ciba-Geigy, en 140 dln aluminiumpoeder van hetzelfde type als gebruikt in voorbeeld I werden goed gemengd. Aan dit mengsel werden 5 vervolgens 14 dln fijn gepoederd (NH^^CO^ als blaasmiddel toege voegd waarna het mengsel door goed roeren tot een homogene pasta werd gevormd. De pasta werd vervolgens gelijkmatig over een drager van plaatstaal uitgestreken. De aldus behandelde drager werd 10 min. bij 80°C en daarna 60 minuten bij 100°C verwarmd. De verkregen geschuimde 10 poreuze laag hecht goed aan het plaatstaal en vertoont over de laag verdeelde holten die in verbinding staan met de omgeving. Bij een dikte 2 van ca. 0,5 mm neemt de laag 25-50 gram octaan per m op.

De Fig. 1 en 2 geven de laag in zeer schematische vorm weer. Fig. 1 toont de laag in een doorsnede loodrecht op de laag, Fig. 2 in een 15 doorsnede volgens een vlak evenwijdig aan de laag. De laag, die is aan geduid met het verwijzingscijfer 9, is op de staalplaat 2 aangebracht overeenkomstig de werkwijze volgens voorbeeld I. Holtes welke de werk-vloeistof opnemen zijn daarin aangeduid met de verwijzingscijfers 80 en 81. Holtes zoals 80 staan direkt met de oppervlakte van de laag 9 in 20 verbinding. Andere holtes, zoals 81, communiceren via een of meerdere andere holtes 82 met de oppervlakte van laag 9. Hoewel onderlinge verbindingen tussen de holtes dus wel aanwezig zijn, vormen een aantal met elkaar verbonden holtes eerder een grotere holte, dan dat er sprake is van een geheel netwerk van onderling communicerende holtes. Wordt dan 25 ook bij horizontale stand van de laag op een punt A van de laag werk- vloeistof toegevoerd, dan zal deze zich niet naar punten als B uitspreiden, waarvan de afstand tot A vele malen groter is dan de gemiddelde afmetingen van de holtes.

Het kan onder omstandigheden de voorkeur verdienen het oppervlak van de 30 laag 9 door profilering te vergroten. Dit kan er enerzijds toe bijdragen dat meerdere holtes direct met de verdampingsruimte in contact komen en anderzijds bewerkstelligen, dat de weg die de in de holtes ontstane damp moet afleggen om in de verdampingsruimte te komen, wordt verkort, waardoor de temperatuurgradiënt dwars op de laag kleiner kan 35 zijn. De bedoelde profilering is bij wijze van voorbeeld in de Fig. la t/m le in een aantal varianten schematisch weergegeven. De profilering is bij voorkeur zodanig, dat de groeven 85 zich dwars op de stromings-richting van het condensaat uistrekken.

8n η n k 7 n - 8 -

De besproken voorbeelden geven slechts enkele mogelijke werkwijzen weer om tot een laag met de gewenste eigenschappen te komen. Niet alleen kan de laag andere metalen en bindmiddelen bevatten dan in de voorbeelden is aangegeven, maar ook is het mogelijk door speciale maatregelen het 5 ontstaan van onderling niet of slechts weinig met elkaar in verbinding staande, maar de toegepaste werkvloeistof wel opnemende holtes verder te bevorderen. In dit verband zij bijv. gewezen op het toepassen van schuimmiddelen bij werkwijzen van het type als beschreven in de voorbeelden I en II. Van belang is daarbij dat zich zolang schuim ontwik-10 kelt als voor de holtevorming nodig is.

In de tekening is een zonnecollector weergegeven waarop de laag volgens de uitvinding met zeer gunstig resultaat bleek te kunnen worden toegepast. Hierin tonen

Fig. 3 een zonnecollector volgens de uitvinding in schematische uitvoe-15 ring;

Fig. 4 en 5 doorsneden volgens de lijnen IV-IV resp. V-V in Fig. 3;

Fig. 6 de condensatieruimte van een zonnecollector volgens de uitvinding in een met Fig. 5 overeenkomstige doorsnede;

Fig. 7 een doorsnede volgens de lijn VII-VII in Fig. 3; 20 Fig. 8 een doorsnede volgens de lijn VIII-VIII in Fig. 3; ’

Fig. 9 toont een detail van een andere uitvoering van de zonnecollector volgens de Fig. 6, 7 en 8, en

Fig. 10 t/m 19 de in de uitvoering volgens de Fig. 6, 7 en 8 gebruikte condensor van een zonnecollector volgens de uitvinding; 25 Fig. 20 een doorsnede van een zonnecollector met gemonteerde condensor.

Fig. 21 t/m 24 hebben betrekking op een meetopstelling ter beproeving van een zonnecollector volgens de uitvinding.

In de Fig. 3, 4 en 5 is de zonnecollector volgens de uitvinding schematisch weergegeven. Fig. 3 toont de zonnecollector in bovenaanzicht, 30 Fig. 4 in doorsnede volgens de lijn IV-IV, en Fig. 5 in doorsnede volgens de lijn V-V in Fig. 3.

De zonnecollector bezit een uit twee staalplaten 1, 2 gevormde omhulling van in hoofdzaak rechthoekige doorsnede. Zoals Fig. 4 toont zijn beide platen zodanig geprofileerd, dat ze zeshoekige kanalen 3 inslui-35 ten. De kanalen 3 vormen een verdampingsruimte, welke laatste uitmondt in een condensatieruimte 4. Vanzelfsprekend kunnen deze kanalen ook een 8000470 < ♦ - 9 - andere doorsneevorm hebben. Zo valt te denken aan een ronde vorm, die uit een oogpunt van drukbestendigheid van voordeel is.

Zoals in Fig. 5 zichtbaar is liggen de beide platen 1, 2 aan hun bovenzijde iets verder uit elkaar waardoor de condensatieruimte 4 plaats 5 biedt aan een warmtewisselaar 5 voorzien van een koelspiraal 6 met koelplaat 7.

De platen 1, 2 zijn met hun randen b.v. door rollassen, aan elkaar bevestigd, zodat een afgedichte omhulling ontstaat waarin een at'osfeer van lagere of hogere druk dan de omgevingsdruk kan worden gehandhaafd.

10 Teneinde de omhulling voldoende sterkte te verlenen zijn de platen 1, 2 voorts nog op verschillende punten 8 aan elkaar gelast. Deze lasver-bindingen dragen voorts bij tot een goed thermisch contact tussen beide platen.

Zoals Fig. 5 toont is zowel de voorplaat 1 als de achterplaat 2 voor-15 zien van een laag 9, resp. 84 volgens de uitvinding.

In de door de platen 1, 2 gevormde omhulling bevindt zich een geschikt werkmedium dat bij verwarming verdampt en de daarbij opgenomen warmte bij afkoeling weer in de vorm van condensatiewarmte afstaat. Teneinde de verdamping te bevorderen zijn uit het inwendige van de omhulling 20 niet-condenseerbare gassen verwijderd. De zonnecollector is daartoe voorzien van een evacuatienippel 10. Deze wordt tevens gebruikt voor het vullen van de zonnecollector met werkvloeistof.

De zonnecollector werkt als volgt. We nemen aan dat deze is opgesteld in zodanige stand, dat de zonnestralen ongeveer loodrecht invallen, 25 zoals weergegeven in Fig. 5 met de pijlen 11. De zonnestralen verwarmen de als collector fungerende voorplaat 1 zodat deze in temperatuur stijgt. Met voorplaat 1 stijgt ook de daarmee thermisch goed geleidend verbonden achterplaat 2 in temperatuur. De zich tegen de wand van de kanalen 3 in de laag 9 bevindende werkvloeistof zal nu gaan verdampen 30 en opstijgen tot in de condensatieruimte 4. Hier condenseert de werk-damp op de koelplaat 7 welke de vrijkomende condensatiewarmte afgeeft aan een in de koelspiraal 6 stromend warmte transportmedium. Dit medium wordt via de zich aan de zonnecollector bevindende aansluitingen 12, 13 door de koelspiraal geleid.

35 Het gecondenseerde werkmedium (de werkvloeistof) stroomt onder invloed van de zwaartekracht terug in de kanalen 3 en vult daarbij successievelijk, gaande van boven naar beneden, de holtes in de laag 9. De achter- 8000470 - 10 - plaat 2, die nagenoeg dezelfde temperatuur heeft als de voorplaat 1, doet de. werkvloeistof weer verdampen zodat zich de hierboven beschreven cyclus herhaalt.

Bij afwezigheid van zonneschijn koelt de zonnecollector af. Daarbij kan 5 de temperatuur van de voorplaat 1 tot een iets lagere waarde dalen dan die van de achterplaat 2 en de condensatieruimte 4. Als gevolg daarvan verplaatst zich de condensatie van het gasvormige medium naar de laag 84. Indien de holtes die in openverbinding staan met de verdampings-ruimte voldoende capillaire werking hebben, zal het in de holtes ont-10 stane condensaat, ook tegen de zwaartekracht in, worden vastgehouden. Het aan de oppervlakte van de laag gevormde condensaat zal in zo'n geval door de capillaire werking in de holtes binnenstromen.

Zonder deze capillaire werking zal de laag 84 het condensaat toch kunnen vasthouden, indien het wordt gevormd in holtes die een zodanige 15 stand innemen dat het uitstromen wordt belet.

Bij hervatting van de zonneschijn stijgt allereerst de voorplaat 1 in temperatuur, waardoor de zich inde laag 84 bevindende werkvloeistof verdampt. De werkdamp stijgt op en slaat neer op de warmtewisselaar 5. Het condensaat verspreidt zich dan weer over de laag 9 op de achter-20 plaat 2 zoals hierboven reeds beschreven is.

De laag 84 op de voorplaat 1 vervult een belangrijke functie. Is ze afwezig, dan zou het condensaat bij overgang naar een periode zonder zonneschijn langs de iets koelere voorplaat omlaag stromen en zich op de bodem van de zonnecollector verzamelen. In dat geval duurt het aan-25 merkelijk langer voordat na hervatting van de zonneschijn de zonnecollector weer met zijn maximale rendement functioneert. Dit is een gevolg van het feit, dat verdamping van het zich onderin de zonnecollector bevindende condensaat langere tijd in beslag neemt dan verdamping van gelijkmatig over de voorplaat 1 verdeeld condensaat.

30 Hoewel zich bij de zo juist besproken zonnecollector de condensatieruimte boven en in het verlengde van de verdarnpingsruimte bevindt, hetgeen constructieve voordelen biedt, is zo'n opstelling niet de enig mogelijke. Ook kan de condensatieruimte zijdelings boven de verdampings-ruimte liggen, overeenkomstig de uitvoering zoals beschreven in de ter 35 inzage gelegde Nederlandse octrooiaanvrage No. 7 802 076. Hoewel bij een dergelijke opstelling van de condensatieruimte een zonnecollector resulteert, die loodrecht op het vlak van de collector een grotere 8000470 - 11 - afmeting bezit dan in het geval van een condensatieruimte in het verlengde van de verdampingsruimte, biedt zo'n opstelling toch thermische voordelen. In zodanig geval is het nl. mogelijk de condensor beter tegen warmteverliezen te isoleren.

5 Ook behoeft het laagste deel van de condensor niet noodzakelijkerwijze hoger dan de verdampingsruimte te zijn gelegen, hoewel dit constructief van voordeel is. Het is ook denkbaar met een zijdelings van de verdampingsruimte gelegen condensatieruimte te werken waarin zich het condensaat in het laagste punt verzamelt om van daaruit naar een hoger gele-10 gen punt in de verdampingsruimte te worden getransporteerd. Bij een niet al te groot hoogteverschil kan dit condensaattransport zonder pomp, met behulp van een wiek plaatsvinden. Deze wiek heeft dan uitsluitend ten doel het condensaat van de condensatieruimte naar de verdampings ruimte te brengen.

15 De Fig. 6, 7 en 8 tonen nadere details van de uitvoering van de condensatieruimte 4. Fig. 6 toont de condensatieruimte 4 in een met Fig. 5 overeenkomstige doorsnede; Fig. 7 een doorsnede volgens de lijn VII-VII in Fig. 3 en Fig. 8 een doorsnede volgens de lijn VIII-VIII in Fig. 3.

De platen 1, 2 zijn ter plaatse van de condensatieruimte 4 voorzien van 20 een golfvormige profilering 14, Deze dient ter versteviging daar de platen 1, 2 ter plaatse van de condensatieruimte niet tegen elkaar gelast kunnen worden.

Zoals uit de Fig. 6, 7 en 8 blijkt is de koelspiraal 6 tussen twee koelplaten 15, 16 ingesloten, die evenals de platen 1, 2 van staal zijn. De koelplaten 15, 16 zijn zodanig aan elkaar en aan de omhulling gelast, dat hun tussenruimte niet in verbinding staat met het inwendige van de zonnecollector. De Fig. 7 en 8 tonen hoe deze tussenruimte ten opzichte van het inwendige van de omhulling is afgedicht ter plaatse van de doorvoeropeningen voor de koelspiraal. De achterplaat 2 bezit 50 voor elk uiteinde van de koelspiraal 6 een ronde doorvoeropening. Zo is de doorvoeropening voor het uiteinde 13 met het verwijzingscijfer 18 aangegeven. Om dit uiteinde 13 is een steunring 19 aangebracht waarvan • het vernauwde gedeelte 20 door de doorvoeropening 18 steekt. Eén kop-vlak van de steunring 19 rust tegen de koelplaat 15, terwijl de borst 55 21 van de steunring tegen de koelplaat 16 rust.

Het samenstel van koelspiraal 6 met koelplaten 15, 16 en steunringen 17, 19 wordt eerst op de achterplaat 2 gelegd met de beide steunringen door 8000470 - 12 - de doorvoeropeningen stekend. Dan wordt, onder uitoefening van druk op de koelplaat 15 ter plaatse van de steunringen, de koelplaat 16 met behulp van een ringvormige projectielas rond de doorvoeropeningen aan de achterplaat 2 gelast. Aangezien zowel koelplaat 16 als achterplaat 2 5 van hetzelfde materiaal (staal) zijn, doen zich niet de afdichtings-problemen voor, die kunnen optreden bij bekende zonnecollectoren met inwendige koelspiraal als laatstgenoemde van koper en de zonnecollector verder van staal is.

Het geringe, directe thermische contact tussen condensor 15, 6, 16 en omhulling 2, 3 draagt ertoe bij dat bij perioden zonder zonneschijn de zonnecollectorinstallatie weinig warmte aan de buitenlucht afstaat. De zonnecollector fungeert dus als thermische diode, hetgeen in het bijzonder van belang is bij zonneschijnloze perioden die gepaard gaan met een lage buitentemperatuur.

15 De diodewerking kan nog worden verbeterd op de wijze zoals aangegeven in Fig. 9. Deze toont in detail een iets andere verbinding van de condensor aan de achterplaat 2. Hierbij is de achterplaat 2 ter plaatse van zijn doorvoer voor de koelspiraal van een verdiept gedeelte 69 voorzien. Tussen de bodem van dit gedeelte en de koelplaat 16 bevindt 90 zich een metalen bus 70. Deze laatste is op de hierboven reeds besproken wijze door projectielassen tegen de achterplaat 2 en de koelplaat 16 gelast. De lassen zijn met de verwijzingscijfers 71, 72 aangeduid. Door i.p.v. een stalen bus 70 een bus uit roestvrij staal te nemen kan . de warmteovergangsweerstand tussen koelplaat 16 en achterplaat 2 nog 75 verder worden vergroot.

De Fig. 10 t/m 18 tonen de condensor 6, 15, 16 van de uitvoering volgens de Fig. 6, 7 en 8 in detail. In de Fig. 10 t/m 13 is de koelplaat 15 en in de Fig. 14 t/m 17 is de koelplaat 16 weergegeven. Fig. 10 toont de koelplaat 15 in buitenaanzicht, d.w.z. in gemonteerde toestand 30 van de condensor gezien van buiten. Zoals de verschillende doorsneden in de Fig. 11, 12 en 13 laten zien, is in de koelplaat 15 een bepaald profiel geperst dat er enerzijds toe dient tussen beide koelplaten van de condensor ruimte voor de koelspiraal te verschaffen, en anderzijds een goede warmteovergang tussen koelplaten en koelspiraal te verkrijgen. 35 Voor dit laatste doel zijn in de koelplaat 15 gootvormige uitsparingen 22 geperst die de koelspiraal nauwpassend omgeven. Aan de onderzijde is de koelplaat voorzien van tandvormige uitsteeksels 23. In gemonteerde 8000470 - 13 - toestand van de zonnecollector ligt elk van deze boven een kanaal 3 van de verdampingsruimte. De uitsteeksels 23 hebben tot doel het gecondenseerde werkmedium tot in de kanalen 3 te geleiden, ook al zouden het linker- en rechteruiteinde van de condensor niet geheel op dezelfde 5 hoogte liggen.

Fig. 14 toont de andere koelplaat 16 in buitenaanzicht. Evenals de koelplaat 15 is deze van gootvormige uitsparingen 24 en tandvormige uitsteeks'ls 25 voorzien. Koelplaat 16 bezit echter voorts nog door-voeropeningen 26, 27 voor de doorvoer van de uiteinden van de koelspi-10 raai. Deze doorvoeropeningen corresponderen met de doorvoeropeningen in de achterplaat 2.

In Fig. 18 is de koelplaat 15 van Fig. 10 in binnenaanzicht getekend, met ingelegde koelspiraal 6. Fig. 18 toont eveneens de om de uiteinden 12, 13 van de koelspiraal 6 gelegde steunringen 17, 19 met hun ver-15 nauwde gedeeltes 28 resp. 20. Ligt de koelplaat 16 volgens Fig. 14 tegen de koelplaat 15 volgens Fig. 18, dan steken de uiteinden 13, 12 van de koelspiraal 6 door de doorvoeropeningen 26 resp. 27 van de koelplaat 16.

Fig. 18 toont ook dat de koelplaat 15 is voorzien van ribben 73. Deze 20 verhinderen een ongelijkmatige verdeling van het condensaat over de verdampingskanalen 3. Het tussen twee naburige ribben gevormde condensaat wordt nu gedwongen af te vloeien via de midden tussen deze ribben 'gelegen tand 23.

„ Fig. 19 toont de condensor in deze samengestelde toestand volgens de 25 doorsnede XIX-XIX in Fig. 18. Fig. 18 is zelf een doorsnede volgens lijn XVIII-XVIII in Fig. 19.

Teneinde het condensaat af te voeren dat zich verzamelt tegen de buitenzijde van de gootvormige uitsparingen 22, 24 van de koelplaten 15 resp. 16, kunnen de koelplaten ter plaatse zijn doorboord. Dit is in Fig. 18 30 schematisch aangegeven door de gestippeld getekende gaten 83. Om te verhinderen, dat het inwendige van de zonnecollector via deze gaten met de buitenomgeving in verbinding komt te staan, zijn de randen van elk paar tegenover elkaar liggende gaten 83 door projectielassen met elkaar verbonden.

35 Fig. 20 is een doorsnede van de zonnecollector met gemonteerde condensor. Het vlak waarover deze doorsnede is genomen verloopt door de con-densatieruimte, boven de condensor. De voor- en achterplaat 1, 2 zijn eenvoudigheidshalve zonder profilering getekend.

8000470 f « - 14 -

Het spreekt vanzelf dat bij de zonnecollector volgens de uitvinding verder al die op zich bekende maatregelen kunnen worden getroffen welke een zo groot mogelijke werkingsgraad waarborgen. Zo kan de zonnecollector worden ondergebracht in een kast die aan de tegenover de collector 5 gelegen zijde is voorzien van een voor zonlicht doorlaatbare, enkel- of meervoudige, lichtdoorlaatbare afdekking, bijv. van glas of kunststof, en verder isolatiemateriaal bevat om warmteverlies tegen te gaan.

ij voorkeur bezit de collector een spectraalselectieve laag welke een hoge absorptiefactor α voor zichtbaar licht aan een lage emissiefactor 10 ε voor het infraroodgebied paart.

De gunstige werking van de poreuze laag kon experimenteel worden aangetoond bij een zonnecollector zoals weergegeven in de Fig. 6 t/m 20. Deze werd geplaatst in een isolerende kast die was afgedicht door een glasplaat. De voorplaat 1 van de zonnecollector was gericht naar de 15 glasplaat. De kast met de zonnecollector werd op een proefbank geplaatst met de glasplaat gericht naar een kunstzon bestaande uit een aantal bodemspiegellampen. In de verdampingsruimte was 300 cc hexaan aangebracht nadat het inwendige van de zonnecollector op minder dan 1 millibar vacuum gezogen was. Zowel voor- als achterplaat 1, 2 was 20 voorzien van een poreuze laag, aangebracht volgens de werkwijze van voorbeeld I.

Tegen de buitenwand van de achterplaat waren 9 thermokoppels aangebracht om de temperatuur ter plaatse te meten, alle aangesloten op een recorder.

2^ De opstelling v.d. proefbank en de plaatsing van de thermokoppels zijn schematisch weergegeven in de Fig. 21 en 22. In Fig. 21 duidt 53 een gestel aan waarop de isolerende kast 54 is bevestigd waarin zich de met streeplijnen aangeduide zonnecollector 55 bevindt. De kast 54 is afgedekt door een glasplaat 56. Op enige afstand van de glasplaat 56 zijn 50 verwarmingslampen 57 aangebracht, goed voor een instralend vermogen tot 2 800 Watt per m . Een met getekende ventilator zorgt voor een volgens de pijl 58 gerichte luchtstroom van 3 m/sec tussen lampen 57 en kast 54. In de luchtstroom, maar buiten de straling van de lampen 57, is ter plaatse van het punt 50 een thermokoppel aangebracht voor het bepalen 55 van de omgevingstemperatuur. Aan de zonnecollector wordt via de aansluiting 12 van de koelspiraal water van constante temperatuur toege- 8000470 . - 15 - voerd met een debiet van 1 liter per minuut. Ter plaatse van de aansluitingen 12, 13 zijn thermokoppels geplaatst voor het bepalen van de temperatuur van het in- en uitgaande water.

Tegen de achterplaat 2 van de zonnecollector zijn op verschillende 5 plaatsen eveneens thermokoppels bevestigd zoals nader blijkt uit Fig.

22. Deze laatste toont schematisch een achteraanzicht van de zonnecollector met de achterplaat 2. Tegen het midden van achterplaat 2 is een rij van 7 thermokoppels 41 t/m 47 aangebracht op onderlinge afstanden van ongeveer 10 cm. Deze bepalen de temperatuur op verschillende 10 hoogten van de achterplaat 2. Ter weerszijden van, en op gelijke hoogte met, thermokoppel 41 zijn nabij de zijkanten van de verdampingsruimte twee thermokoppels 48, 49 bevestigd.

Eerst werd met uitgeschakelde kunstzon gedurende enige tijd water door de koelspiraal geleid. Daarna werden de lampen 57 ingeschakeld. Van 15 begin af aan werden de door de thermokoppels gemeten temperaturen met een recorder geregistreerd. Fig. 23 toont de ontstane grafieken. Langs de abscis is de temperatuur uitgezet, langs de ordinaat de tijd. De verticale lijn 59 geeft de gedurende de proef gelijkgebleven temperatuur van het instromende water weer. Op het tijdstip t^ zijn de 20 lampen 57 ingeschakeld, hetgeen blijkt uit de temperatuurlijn 60 die het verloop van de temperatuur van het uitstromende water aangeeft.

De temperatuurlijnen voor de thermokoppels 41 t/m 47 vallen nagenoeg samen, zoals in Fig. 23 met de enkele lijn 61 is weergegeven. De temperaturen bereiken eerst vrij snel een maximum en lopen na korte tijd 25 terug tot een eindwaarde die 1 δ 2° C hoger is dan de temperatuur van het uitstromende water. Het temperatuurverschil Δ T (zie Fig. 231 tussen het in- en uitstromende water is een maat voor het aan het water afgegeven vermogen.

Wanneer de proef onder dezelfde omstandigheden wordt herhaald met een 30 zonnecollector die zich slechts onderscheidt van de voorgaande doordat deze geen poreuze laag bezit, ontstaat het in Fig. 24 weergegeven temperatuurbeeld. Er zijn nu 7 verschillende temperatuurgrafieken te onderscheiden, aangeduid met 62 t/m 68, die corresponderen met >de door de thermokoppels 41 t/m 47 gemeten temperaturen. Pas na geruime tijd 33 stelt zich een evenwichtstoestand in. Dit lange tijdsverloop is ongunstig omdat gedurende die periode de zonnecollector niet met maximaal 8000470 - 16 - rendement werkt. Door de hogere temperaturen die tijdens dit aanloop-verschijnsel optreden gaat nl. ook weer meer warmte verloren als gevolg van sterkere uitstraling, geleiding en convectie. Dit ongunstige dynamische gedrag werkt zich in het bijzonder nadelig uit in klimaten waar-5 bij de zonneschijn dagelijks sterk wisselt. Indien deze wisselingen zich herhalen met periodes die korter zijn dan de aanloopduur van de zonnecollector, blijft deze met verlaagd rendement functioneren. De kans daarop is natuurlijk des te groter naarmate de aanlooptijd van de zonnecollector langer is.

8000470

Claims (25)

1. Zonnecollector omvattende " - een gesloten omhulling waaruit de niet-condenseerbare gassen tenminste in hoofdzaak zijn verwijderd, - een met de omhulling thermisch verbonden collector voor het 5 omzetten van zonnestralen in warmte, een werkmedium in de omhulling, dat zich tijdens bedrijf deels in vloeibare, deels in dampvormige toestand bevindt, een verdampingsruimte in de omhulling, in welke ruimte het vloeibare werkmedium kan verdampen onder invloed van de door 10 de collector afgegeven warmte, een condensatieruimte in de omhulling, waarin het dampvormige werkmedium kan condenseren, - een in de omhulling gelegen verbinding tussen de verdampings-ruimte en de condensatieruimte voor de inwendige terugvoer van 15 gecondenseerd werkmedium naar de verdampingsruimte, en een warmtewisselaar welke in thermisch contact staat met de condensatieruimte, voor het afvoeren van de condensatiewarmte, met het kenmerk, dat over tenminste een deel van de verdampingsruimte het inwendige van de omhulling een laag bezit, die is voor-20 zien van over deze laag verdeelde, in hoofdzaak onderling van elkaar gescheiden, het gecondenseerde werkmedium opnemende holtes.

2. Zonnecollector volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de laag thermisch goed geleidend is.

3. Zonnecollector volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de laag een metallisch poeder en een bindmiddel bevat.

4. Zonnecollector volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het metallisch poeder aluminium bevat.

5. Zonnecollector volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het metal- 30 lisch poeder ijzer bevat.

6. Zonnecollector volgens conclusie 3, 4 of 5 met het kenmerk, dat het bindmiddel een epoxyhars bevat. 8000470 - 18 -

7. Zonnecollector volgens conclusie 3, 4, 5 of 6, met het kenmerk dat het bindmiddel een geschuimde laag vormt.

8. Zonnecollector volgens conclusie 3, 4, 5 of 6, met het kenmerk, dat het bindmiddel een schuim bevat.

9. Zonnecollector volgens conclusie 3, 4, 5 of 6, met het kenmerk dat de laag langs mechanische weg gevormde holtes bezit.

10. Zonnecollector volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de laag door naaldprikken gevormde holtes bezit.

11. Zonnecollector volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het inwen- 10 dige van de omhulling een vlamgespoten metaallaag bezit.

12. Zonnecollector volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de laag, gezien in de terugstroomrichting van het gecondenseerde werkmedium, in dikte toeneemt.

13. Zonnecollector volgens een van de voorgaande conclusies, met het 15 kenmerk, dat de laag bestaat uit een aantal zich dwars op de terug stroomrichting van het gecondenseerde werkmedium uitstrekkende stroken.

14. Zonnecollector conclusies 13, met het kenmerk, dat de stroken aan hun laagst gelegen uiteinde zijn voorzien van een rand tegen het 20 wegstromen van gecondenseerd werkmedium naar lager gelegen stroken.

15. Zonnecollector volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de laag geprofileerd is.

16. Zonnecollector volgens een van de voorgaande conclusies, voorzien van een gesloten omhulling van in hoofdzaak rechthoekige doorsnede, 25 met het kenmerk, dat de condensatieruimte een naar binnen de omhul ling geplooide wand bezit die deels een van de omgeving afgesloten ruimte vormt, welke ruimte is gelegen binnen de buitenste begrenzing van de omhulling maar buiten het inwendige van de omhulling, 8000470 .-19- en dat de warmtewisselaar is aangebracht in deze ruimte en thermisch contact maakt met genoemde wand.

17. Zonnecollector volgens conclusie 16, met het kenmerk, dat de wand wordt gevormd· door een gasdicht aan de omhulling bevestigde plaat 5 en dat de warmtewisselaar een koelspiraal bezit welke met de buiten zijde van de plaat thermisch contact maakt.

18. Zonnecollector volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de wand wordt gevormd door een gasdicht aan de omhulling bevestigd samenstel van twee koelplaten welke een ruimte voor een warmteopnemend 10 medium insluiten.

19. Zonnecollector volgens conclusie 16, met het kenmerk, dat de wand wordt gevormd door een gasdicht aan de omhulling bevestigd samenstel van twee koelplaten en dat de warmtewisselaar een tussen de koelplaten ingesloten koelspiraal bezit.

20. Zonnecollector volgens conclusie 17 of 19, met het kenmerk, dat de uiteinden van de koelspiraal, via doorvoeropeningen in de omhulling, dwars door deze laatste steken en dat de omhulling ter plaatse van deze doorvoeropeningen van de omgeving is afgedicht.

21. Zonnecollector volgens conclusie 20, met het kenmerk, dat de door- 20 voeropeningen zijn afgedicht door het samenstel van koelplaten.

22. Zonnecollector volgens conclusie 21, met het kenmerk, dat tussen de koelplaten, om de uiteinden van de koelspiraal, steunringen zijn aangebracht welke met een vernauwd gedeelte door de doorvoeropeningen steken en waarvan één kopvlak tegen de binnenzijde van een 25 van de koelplaten en het andere, aan het vernauwde gedeelte grenzende kopvlak, tegen de andere koelplaat rust.

23. Zonnecollector volgens conclusie 22, met het kenmerk, dat om het vernauwde gedeelte van elke steunring, en tussen de desbetreffende koelplaat en het inwendige van de omhulling, een metalen bus is 30 aangebracht, die met zijn uiteinden aan de koelplaat en de omhul ling is gelast. ft fl η n l η Λ - 20 -

24. Zonnecollector volgens een van de conclusies 19 t/m 23, waarvan de omhulling is gevormd door twee platen met zodanige profilering dat de verdampingsruimte is verdeeld in tenminste twee, zich evenwijdig aan elkaar uitstrekkende kanalen voor transport van het werkmedium 5 in dampvormige- en vloeibare toestand, met het kenmerk, dat de koelplaten zijn voorzien van boven de kanalen gelegen uitsteeksels.

25. Zonnecollector volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de collector wordt gevormd door een naar de zon gericht deel van de omhulling. 8000470