NO761234L - - Google Patents

Description

Tapsfattige solvarmekollektorer.

Oppfinnelsen vedrører forbedring av konstruksjonen av solarkollektorer, som skal omdanne den derpå fallende solstråle med høyest mulig virkningsgrad i nyttevarme for værelses-oppvarming eller -avkjøling samt varmtvannstilberedning; også matingen av.varmekraftmaskiner og elektriske generatorer er fore-skrevet. Konstruksjonen av disse'i dag i alle verdensområder anvendte solarkollektorer er prinsippielt forblitt den samme, slik den fremkom for flere . årtider siden, for første gang i Florida bg er vist skjematisk på tegningens figur 1. Den vik-tigste del er ett fra solen mest mulig loddrett bestrålet blikk, hvis solside etter forskjellige mulige metoder er svertet således at det oppnås en høyest mulig absorbsjonsevne a s for synlig lys og følgelig oppvarmer seg. Dette takket være sitt metalliske material godt varmeledende blikk 1 fører den følbare solvarme til. de med blikket forbundne metallrør 2 ,■ som gjennom-strømmes av en varmeoverføringsvæske 3, fortrinnsvis foredlet vann, som deretter eventuelt under mellomkopling av varmeutvekslere avgir sin varme for værelsesoppvarmning, varmtvanntilberedning, drift av absorbsjonskuldemaskiner for husholdnings- og værelses-avkjøling, temperering av svømmebad og endelig til matning i godt varmeisolerte forrådsbeholdere.

Den ved gitt solinnstråling oppnådde maksimaltemperatur T„ av absorbereren 1 antar en likevektsverdi når den pr. tidsenhet adsorberte solenergi blir lik de ved varmeledning, konveksjon, varmestråling og uttak avgitte varmestrømmer. For å gjøre de nevnte tap minst mulige inneslutter man derfor vanligvis absorbereren 1,2 i en kasse 4, som med tilstrekkelig tykke mellom-sjikt av varmeisolatorer som stenull, porøs plast eller keramikk 5 nedsetter varmetapsstrømningen fra absorbereren 1 og varmtvann-rørene 2 til omgivelsene. Mindre enkelt, er det å unngå disse varmetap på solsiden, fordi de nevnte varmeisolatorer på grunn av deres lysugjennomtrengelignet faller ut. Her benytter man til avdekning av solsiden av kassen, enten en eller flere glassplater eller plastikkfolier 6, som dessverre på grunn av deres refleksjonsevne og absorbsjon av synlig lys svekker denne del av spektret, derfor imidlertid ved deres infrarøde absorbsjon kan nedsette tap ved varmestråling. Absorbererens varmestråling utgjør ifølge den kjente Stefan-Boltzman-ligning E = 6.Ta „ med et energimaksimum ved bølgelengden X ma. k s. ='2 900/T.a"< ifølge den Wienske forskyvnings lov i det konkrete eksempel-T cl= ^00 K, altså ^maks =7>2^um i det nære infrarøde. Dekningen av solsiden med glassplater eller med plastfolier kan allerede på grunn av deres lille tykkelse bare utilfredsstillende oppfylle den nødvendige oppbremsning av varmetap ved ledning og konveksjon. Svekkelser av den absorberte solstråle ved hjelp.av skrog på absorbererplanet 1 kan man riktignok oppnå ved perma-nent etterføring etter den eventuelle solstand, imidlertid er dette i praksis for komplisert og dyrt. Man-monterer derfor den plane absorberer fast i en slik orientering at det etter den kjente lære i trigonometri gir en høyest mulig middelverdi av stråleabsorbsjon mellom soloppgang og -nedgang, utregningen gir at absorberplaten hertil skal være hellet i en vinkel av geo-grafisk bredde -pluss ca. 10° mot syd, hvilket ' foregår ved hjelp av støtten 7-

Det er sannsynlig og også av varmebalansen kvanti-tativt beregnbart at den av solarkollektoren oppnådde maksimaltemperatur T ■ aog nyttevarmeytelse er proporsjonal til forholdet mellom solytelse-opptak og varmeavgivelse; ved absorbertempera-turer på T& = 393 K (=120°C) blir varmetilbakestrålingen med

konstant o=5,73 • IO<-11>(kW/m<2.>!^) idealverdi 1,35 kW/m<2>av solarkonstanten og bør ikke være tilbake mot de til- temperatur-differensen Ta"Tu(T = absolutt .omgivelsestemperatur) propor-sjonale varmetap ved konveksjon og ledelse.. Por å gi et kvanti-tativt talleksempel så fører en perfeksjonert va.rmeisolas j on av en solkollektor av Floridatypen ifølge figur 1 til et målt

- 2

midlere varmeovergangstall a = 2,2 kcal/m .h.grad og derved ved en solvarmeabsorbsjon på 750 kcal/m<2.>h og en varmeavgivende overflate F = 2,5 m<2>til en maksimaltemperatur på 750/2,2.2,5=130°C. Betenker man at man ifølge litteraturangivelse for oppnåelse av slik AT må velge varmeisolasjonen inntil 15 cm tykk, så ser man at på denne måte er det, ikke mulig med den teknisk-økonomisk

ønskelige ytterligere økning av samlérvirkningsgraden.

For allikevel videre å nedsette varmeoverførings-verdien F.a.(T -T ) omhylles, ifølge oppfinnelsen solkollektoren ved en bare mot solsiden åpen godt varmeisolerende blikkasse, som ved hjelp av det for solvarmeopptak tilførte kalde vann holdes med den fra omgivelsestemperaturen Tu iitt forskjellige

temperatur T, . således at varmetapet istedenfor til (T-T,,)

ljKl\ au

resp. (T -T ) dessuten bare er proporsjonal til (T,-T,,) resp.

i, a. U'KU.

(Tv -T,, altså minst nedsettes i forholdet (T,-T )/(T -T,,).

k u k u a u Ifølge oppfinnelsen forbinder hertil den adiabatiserende metall-mantel termisk med vannforløpet således at det danner en,isoterm flate av T^. Den fra de varmere kollektordelene bortstrcSmmende tapsvarme utnyttes for å foroppvarme det med Tu inntredende for-løpsvann ved temperaturfallet T "T^.- Den praktiske gjennomføring av oppfinnelsen skal forklares nærmere ved hjelp av to eksempler.

Eksempel 1.

Denne utførelsesform erkarakterisert vedat det anvendes bygningselementer som fremstilles standardisert billig, i andre industrigrener, her oppvarmes teknikken, allerede i store mengder-og derfor på annen måte enn utførelsen på figur 1 sammensettes under unngåelse av omstendelige og dyre épesial-fremstillinger.'av standard-stål-plate-varmelegemer med normede forbindelsesstykker. Figur 2a viser konstruksjonen i oppriss, og figur 2b i sideriss, idet nummereringene fra 1 til 7 er den samme som ved de analoge deler av den vanlige "Florida"-typen.

1 er det av 2 på-hverandre-sveisede s.tålblikk bestående plate-varmelegemer, hvori det ved pregning eller innsenkningér er innarbeidet et nedre horisontalt rør med inngangene 3a for. fordeling av tilstrømmende kaldtvann, et øvre horisontalt rør med utgangene

3b til samling av oppvarmet resp. fordampet vann og mellom disse vertikale oppvarmnings- resp. fordamperrør 2 - på tegningen 13

stykker . Den til solen motvendte varmelegemeside sverter for maksimal absorbsjon etter .i og for seg kjente fremgangsmåter. Skyggesiden holdes blank eller males hvit for å oppnå minimal emissivitet for varmetilbakestråling.. Ifølge oppfinnelsen inn-føres nå det med temperaturen T^tilløpende kaldtvann ikke direkte i 3a, men i røret 8, som gaffeldeler seg over et T-stykke, således at kaldtvannet utenifra strømmer rundt gjennom rør 9 langs varmtvannssamlerrør 3b og langs de loddrette kanter av plate-legemet før det trer inn i de overnevnte åpninger 3a av de nedre horisontale kaldtvannsfordelingsrør. Som sideopprisset

på figur 2 viser er de to loddrette deler av røret 9 nedentil noe bøyet for at de øvrige partier forløper i en avstand på noen cm over platevarmelegemet 1, som benyttes som bærer for dekket 6 av glass eller folie. Man ser videre de adiabatiserende blikkasser 10v som termisk står i kontakt med de til T^. tempererte, rammer, som oventil og på sidene består av rørene 9, nedentil av kaldtvannfordelerrøret 3a. Når forløptempera-turen T^om sommeren ligger høyere enn omgivelsestemperaturen Tu, behøver disse kasser overhodet ikke være termisk isolert utad;for drift i kalde årstider, når T, rC er større enn Tu kan man bekle den ytre siden av kassen med en tynn isole.ringsf olie.. Denne adiabatiske blikkskjerm er ikke bare billigere enn de tid-ligere vanlige trerammer med inntil 15 cm tykt isolatorsjikt,

men unngår dessuten en praktisk vanskelighet som hittil sto imot optimeringen av slike kolle.ktorer og tilsvarende rfkning av T 3. over 100°C: de moderne'' lett varmeoppdemningsstof f er kan takke sitt lave varmeledningstall (f.eks. x = 0,03) deres porøse, struktur med lukkede'luftfy1te porer. Ved høyere permanent-temperaturer begynner disse kunststoffer, som f.eks. ekstrudert polystyren å renne, porene lukker seg og varmeoppdemningen blir utilstrekkelig".. Ifølge foreliggende oppfinnelse unngås denne praktiske vanskelighet, idet den holder isoleringsplatene 14 i kontakt med kaldtvanntilstrømning 8 resp. 3a. Faktisk kan man med denne konstruksjon oppnå temperaturer over 130°C og følgelig frembringe varmdamp for drift av varmekraftmaskiner; for adskil-lelse av flytende og dampformet vann er denne type, kollektor med vertikale fordamperrør som kjent spesielt egnet.

Eksempel 2.

Ser man bort fra så høye temperaturer og dampfrem-bringelse for frembringelse av elektrisk strøm og begrenser seg til de middels høye temperaturer og,damptrykk for værelsesopp--varmning, varmtvanntilberedning osv., så krever man ikke verti-, kale fordamperrørrekker 2 ifølge figur 2a, men kan benytte ønskelige geometriske mønstre. Som eksempler for en' slik an-ordning ser man på figur 3 en konstruksjon ifølge 6'ppfinnelsen, hvor et eneste (eller også flere para,llellkoplede). rør 2 er innarbeidet spirallignende i absorbererblikket 1, således at det kalde forløpsvann trer inn ved 3a i første rekke i de ytterste vindinger av spiralen, blir varmere fra vinding til vinding og endelig trer ut i midtpunktet•med TC_L, ett eller annet sted lodd- •rett til det mot solsiden svertede og på'skyggesiden reflek-terende absorberblikk. Man ser også her realisering av opp-finne lsestanken , at den inntredende kaldtvannsstrøm med temperatur T k er mindre forskjellig fra omgivelsestemperaturen 'Tu og derfor knapt utveksler varme. De fra de varmere vindinger -inntil T cl' bortstrømmende varmetap-strømmer flyter omtrent radi-alt og rekuperieres av deres første kaldtvannssvingning til deres foroppvarmning. Disse anordninger er enklere og billigere, med prisen for begrensning for måtelige høye temperaturer.

Når man ifølge oppfinnelsen oppbygger solarkollektorer av handelsvanlige bygningselementer, som spesielt sentral-varmingslegemer, så er en utvelgelsesregel viktig, men ikke nær-liggende. Det er nemlig funnet at varmelegemer med geometri som avviker betraktelig fra plane overflater som f.eks. bølgeblikk-lignende eller ribbede konstruksjoner oppnår dårligere samlevirk-ningsgrad enn slike former som bare tillater den for dannelse av vannoppvarmningskanaler 2 nødvendige dimensjoner av planet, spesielt fordelaktig er det å holde en side av absorbereren planest mulig 6g å benytte som solside, mens siden de til dannelse av vannkanaler nødvendige ujevnheter.er å velge som skygge-side. Denne forklaring ligger deri at for absorbsjonen av det rettede sollys, er bare den dertil loddrette flatedel virksom, men varmetilbakestråling går ut fra den samlede overflate. Ifølge oppfinnelsen er det ugunstig, når den varmetilbakestrålende flate er over 20% størré enn den absorberende.

Når den ovenstående beskrivelse og tegningens figurer bare beskjeftiger seg med en plan solarkollektor, så er oppfinnelsens gjenstand ikke så god, ofte i høyere grad fordelaktig for konstruksjon av solkollektorer, hvor solstrålen kon-sentreres med optiske midler som paraboloidiske, lineært-paraboliske eller kjegleformede blikkspeil på en svertet varme-kollektor'for å oppnå tilsvarende høyere temperaturer T . Det

a sees klart at man vil tilføre varmeoverføringsvæsken som.skal oppvarmes som spesielt vann til varmemottageren likeledes etter skjema på figur 2 og spesielt figur 3, foråt ved det ennu.større temperaturfall Ta~Tuoppfanger den økede tapsvarme og utnyttes til foroppvarming av vannet.

Det ligger innen oppfinnelsens ramme å utelate kaldt-vanntilløp 8,9 og å anordne tilløpet dertil ved 3a, idet det .kasse-eller karlignende rehuperatorskilt da bare står i termisk kontakt med den nedre horisontale kaldtvannfordeler.

Claims (11)

1. Solvarmekollektor til omdannelse av solstråle i nyttevarme, karakterisert ved . at et varme-skilt, f.eks. bestående av en på en side åpen blikkasse eller kar (10), en i' blikkassen (lo) parallelt til den åpne side anordnet absorberer (1, 2), som gjennomstrømmes av et varmeover-føringsmiddel, en tilførsel (8,9) for det kalde varmeoverførings-middel til absorberer (1,2), som står i termisk kontakt med blikkassen og er utformet som forvarmeutveksler og et lokk (6) av blikkassen (10) av glass eller folie.

2. Solvarmekollektor ifølge krav 1, karakterisert ved - at den mot åpningen av blikkassen (10) rettede forside av absorberer (1,2) er plan og i baksiden.er innarbeidet kanaler (2) for varmeoverføringsmediet.

3. Solvarmekollektor ifølge krav 2, karakterisert ved at kanalene (2) forløper nedenifra og oppad og nederst har en felles tilstrømning (3a) og oventil felles bortstrømning (3b). H.

Solvarmekollektor ifølge krav 2, karakterisert ved at det er- anordnet en eller flere kanaler (2) spiralformet i absorbereren (1,2), idet tilløpet. (3a) foregår i den ytterste og tilbakeløpet fra den innerste vinding.

5- Solvarmekollektor ifølge et av kravene.1 - 4, karakterisert ved at tilførsel (8,9) for det kalde varmeoverføringsmiddel er utformet omrammende absorbereren (1,2) og er anordnet i liten avstand fra denne.

6. Solvarmekollektor ifølge krav 5> karakter i-, sert ved at tilførselen (8,9) tjener som underlag for dekket (6) av en eller flere glasskiver eller- plastfolier resp. plastskiver,.

7» Solvarmekollektor ifølge et av kravene 1-6, karakterisert ved at den plane overside av absorbereren (1,2) er. svertet og undersiden er metallisk blank eller hvit.

8. Solvarmekollektor ifølge et av kravene 1 '- 7, karakterisert ved at overflaten av undersiden av absorbereren (1,2) er maksimalt 20% større enn overflaten av oversiden.

9» Solvarmekollektor ifølge, et av kravene 1-8, karakterisert ved at varmeskiltet (10).består av et godt varmeledende material og står.i termisk forbindelse med absorbererens kalde del.

10. Solvarmekollektor ifølge krav 9, karakterisert ved at elementet som bærer varmeskiltet (10) er for kollektordelene..

11. Solvarmekollektor ifølge et av kravene 1 - 9, karakterisert ved at blikkassen (10) utvendig er dekket med en isoleringsfolie (11) eller isoleringsplate.