WO2012059182A1 - Verfahren zum entgasen einer wärmeträgerflüssigkeit sowie vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum entgasen einer wärmeträgerflüssigkeit sowie vorrichtung zur durchführung des verfahrens Download PDF

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WO2012059182A1
WO2012059182A1 PCT/EP2011/005267 EP2011005267W WO2012059182A1 WO 2012059182 A1 WO2012059182 A1 WO 2012059182A1 EP 2011005267 W EP2011005267 W EP 2011005267W WO 2012059182 A1 WO2012059182 A1 WO 2012059182A1
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flow
line
transfer fluid
heat transfer
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Ralph Eismann
Horst-Michael Prasser
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Eth Zurich
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S40/00—Safety or protection arrangements of solar heat collectors; Preventing malfunction of solar heat collectors
    • F24S40/40—Preventing corrosion; Protecting against dirt or contamination
    • F24S40/48—Deaerating or degassing the working fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S40/00—Safety or protection arrangements of solar heat collectors; Preventing malfunction of solar heat collectors
    • F24S40/40—Preventing corrosion; Protecting against dirt or contamination
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers

Definitions

  • the present invention relates to the field of heat engineering. It relates to a method for degassing a heat transfer fluid according to the preamble of claim 1. It further relates to a device for carrying out the method.
  • the primary circuit of solar systems contains after filling with a heat transfer fluid (hereinafter referred to as liquid) usually still free air in the form of bubbles and air pockets, which adhere to the pipe wall.
  • a heat transfer fluid hereinafter referred to as liquid
  • the liquid in the filling state which is characterized by filling pressure and filling temperature, is loaded with atmospheric gases up to the saturation concentration. This can be concluded from the fact that at the high points even after days and weeks can still be vented.
  • Another cause is the desorption of gases when the liquid is heated from the filling temperature of, for example, 20 ° C to the operating temperature.
  • the resulting gas bubbles and air pockets are saturated with the vapor of the liquid. If the operating temperature is only slightly below the boiling point, gas bubbles of considerable volume can be produced.
  • the solubility of the gases in the liquid phase decreases with increasing temperature. At operating temperatures that are generally well above the filling temperature, therefore, gases escape from the solution. The solubility of the gases also decreases in proportion to their partial pressure. Because the Gas bubbles are saturated with the vapor of the liquid, the partial pressure of the gases is reduced by the vapor pressure of the liquid. During operation, gases can therefore escape from the solution until the saturation concentration is reached, which corresponds to their partial pressure and the operating temperature.
  • liquid is pumped from the degassing vessel into the main circuit, so that a vacuum is created in the degassing vessel.
  • the partial pressure of the gases to be removed is then naturally low.
  • liquid from the main circuit is sprayed into the resulting vacuum.
  • the gases escape from the solution.
  • the liquid is allowed to flow back into the vessel.
  • the desorbed gases are thereby compressed to atmospheric pressure and ejected via a vent valve.
  • the vacuum degassing can be used very efficiently even at low temperatures. As a result, the loss of fluid during ejection of the vapor-saturated gases remains low. Vacuum degassing is used when commissioning large solar systems.
  • the liquid to be degassed is brought to almost boiling temperature and trickled over a bottom or packed column. From below, saturated steam obtained from already degassed liquid is allowed to flow in. Its temperature is slightly above the boiling point of the liquid to be degassed. The partial pressure of the gases in the saturated steam is almost zero. This releases the gases dissolved in the liquid to a very wrestling out concentration. Part of the vapor already condenses in the column, the remaining part in the vapor condenser. The separated gases are released to the environment.
  • Thermal degassing works continuously and is widely used in power plant technology because of its performance. In most cases, the degassing is carried out under reduced pressure relative to the atmosphere and correspondingly low working temperatures. Therefore, the gases must be removed by a vacuum pump. The advantages are the lower reduction of the efficiency during the degassing phases and the low liquid loss.
  • a disadvantage of the two degassing are the high investment costs and the greater complexity of the system, which leads to correspondingly higher operating and maintenance costs.
  • the operation of both degassing requires additional energy. This reduces the overall efficiency of the system.
  • the thermal degassing process is apparently not used in solar thermal systems. Due to the large amount of work involved, from delivery, installation and commissioning to the control of degassing and disassembly, vacuum degassing using mobile equipment is also expensive.
  • the invention relates to a method for removing gases which are dissolved in a heat transfer fluid which circulates in a thermal circuit comprising a return line and a flow line and at least one connected between the return line and flow line main heat exchanger, which flows through the heat transfer fluid and the heat transfer fluid is heated to a flow temperature.
  • the lower specific throughput of the degasser heat exchanger is achieved by reducing the flow cross section in or to the degasifier heat exchanger.
  • Another embodiment of the invention is characterized in that the sent through the degassing heat exchanger heat transfer fluid is sent to cool through a radiator.
  • the radiator comprises a primary chamber and a secondary chamber separated therefrom, and as coolant medium, heat transfer fluid from the return line or flow line is used in the radiator.
  • the cooling medium is returned after leaving the cooler via the flow line in the circulation.
  • the cooling medium from the return line or flow line in the flow direction in front of a throttle taken after leaving the radiator behind the throttle point back into the return line or flow line.
  • Another embodiment of the method according to the invention is characterized in that the radiator dissipates heat by convection to the environment.
  • Yet another embodiment of the invention is characterized in that the heat transfer fluid sent through the degasifier heat exchanger is mixed for cooling in a mixing container with heat transfer fluid from the return line or flow line. According to another embodiment of the invention, the sent through the degassing heat exchanger heat transfer fluid is sent to cool the heat exchanging countercurrent through the degasser heat exchanger.
  • the inventive device for carrying out the method comprises a thermal circuit with a return line and a flow line and at least one switched between the return line and flow line main heat exchanger, which is flowed through by the heat transfer fluid and thereby heats the heat transfer fluid to a flow temperature. It is characterized in that at least one degasifier heat exchanger is connected between the return line and the supply line, which is thus connected is dimensioned so that it heats the heat transfer fluid flowing through it to a temperature which is higher than the flow temperature, and that first means for cooling the exiting from the degasifier heat transfer fluid and second means for separating gases from the cooled heat transfer fluid are provided.
  • An embodiment of the device according to the invention is characterized in that degasser-heat exchanger and main heat exchanger in construction and function are the same, and that the larger temperature stroke is achieved in that the deaerator heat exchanger is flowed through by the heat transfer fluid with a lower specific throughput ,
  • the flow through the degasifier heat exchanger is throttled with respect to the main heat exchanger to achieve the greater temperature.
  • flow throttles are provided for throttling the flow.
  • Another embodiment of the device according to the invention is characterized in that the main heat exchanger has main heat exchanger channels, that the degasifier heat exchanger has degasifier channels, and that for throttling the flow, the flow cross-section cut of Entgaserkanäle is reduced compared to the main heat exchanger channels.
  • a further embodiment of the device according to the invention is characterized in that the main heat exchanger has main heat exchanger channels, that the degasifier heat exchanger Entga ⁇ serkanäle has, and that for throttling the flow, the length of the degasser is enlarged compared to the main heat exchanger channels.
  • Yet another embodiment of the device according to the invention is characterized in that the heat-absorbing surface of the degasser heat exchanger is enlarged relative to that of the main heat exchanger.
  • the first means comprise a cooler, which is flowed through by the heat transfer fluid emerging from the degasifier heat exchanger.
  • the cooler can be designed for the convective discharge of heat to the environment, and in particular have outside arranged cooling fins.
  • the cooler has a primary chamber for the heat transfer fluid to be cooled and a secondary chamber for the cooling medium, wherein the input of the primary chamber with the output of Entgaser heat exchanger is connected, and the output of the primary chamber is in communication with the flow line.
  • an air separator is arranged between the outlet of the primary chamber and the feed line.
  • ge ⁇ indicates that the radiator comprises two separate cooler, and that an air separator is disposed between the two coolers.
  • Another embodiment is characterized in that the input of Se ⁇ kundärsch are connected to the return line and the output to the flow line.
  • a further embodiment is characterized in that in the return line or flow line, a throttle is arranged, and that the input of the secondary chamber upstream of the throttle and the output downstream of the throttle are connected to the return line or flow line.
  • the inlet and the outlet of the secondary chamber are connected at different points to the return line or feed line, such that the pressure loss in the respective line drives the flow through the secondary chamber of the cooler).
  • the first means comprise a mixing container, in which the sent through the degassing heat exchanger heat transfer fluid for cooling with heat transfer fluid from the return line or flow line is mixed.
  • an air separator is disposed between the output of the mixing vessel and the Vorlauflei ⁇ processing.
  • the first means comprise a suction pipe recirculated within the degasser tube of the degasser heat exchanger.
  • the main heat exchanger is a solar collector of a solar system.
  • Fig. 1 in a highly simplified representation of the structure of an exemplary solar thermal system in which the invention may find application; a first embodiment of a degasser-collector according to the invention with a connected between the supply and return line cooler for use in a system according to Figure 1 the section through the degasser-collector of Fig. La; in a comparable to Fig la representation, a second embodiment of a degasser-collector according to the invention with a cooler connected exclusively to the return line; the arrangement of the degasser-collector of Figure la in a collector field.
  • 7 shows a fifth embodiment of a degasser-collector according to the invention with a special embodiment of the mixing device according to FIG. 5;
  • Fig. 8 shows a sixth embodiment of a degassing collector according to the
  • FIG. 9 shows a seventh embodiment of a degasser-collector according to the
  • FIG. 10 shows an eighth embodiment of a degasser-collector according to the
  • Fig. 11 shows a ninth embodiment of a degasser-collector according to the
  • FIG. 13 shows a modified version of the variant of the degassing collector shown in FIG. 12;
  • Fig. 14 shows a variant of the degasser-collector according to the invention, in which the degasifier tube and the cooler form a unit;
  • FIG. 15 shows a variant of FIG. 14.
  • the invention relates to a method and a device for degassing of heat-transporting liquids in heat engineering plants, in which the liquid is heated in one or more parallel heat exchangers to temperatures below the boiling point.
  • the inventive solution will be described below with reference to the application in the primary circuit of solar thermal systems.
  • the solar collectors form the main heat exchangers.
  • Solar thermal systems are referred to below as solar systems.
  • the simplified scheme of such a solar system is shown in Fig. 1.
  • the solar system 10 of FIG. 1 comprises a plurality of solar collectors 11.1 to 11.n, which are connected in parallel between a return line 12 and a flow line 13 of a closed primary circuit 16.
  • a heat transfer fluid eg a water-glycol mixture
  • the heat transfer fluid takes in the solar collectors or main heat exchangers 11.1 to ll.n heat and this is later from a consumer 15, which may be in particular connected to a secondary circuit heat exchanger.
  • the liquid in one or more additional heat exchangers is now heated to a higher temperature than in the main heat exchangers.
  • additional heat exchangers are referred to below as degasifier heat exchangers.
  • the degasifier heat exchangers can be operated on the one hand so that their outlet temperature reaches the boiling point and the liquid partially or completely evaporated. As a result, dissolved gases pass almost completely into the vapor phase.
  • the vapor is deposited in a condenser arranged downstream, wherein a portion of the non-condensable gases are conveyed as bubbles in the flow and deposited in a subsequently arranged deaerator or air separator.
  • the degasifier heat exchangers can also be operated in such a way that, although their outlet temperature is substantially higher than that of the main heat exchanger, it does not reach the boiling point.
  • the dissolved gases in the degasifier heat exchanger emerge to a greater extent from the solution than in the main heat exchangers.
  • the resulting gas bubbles are conveyed in the flow and deposited in the subsequently arranged breather or air separator.
  • the radiator may deliver the heat to the return line to the main heat exchangers or to the environment by convection and radiation.
  • the deaerator heat exchangers in collector-equipped solar thermal systems are named according to degasser collectors.
  • degasser collectors In solar systems, one or more degassing collectors are used alone or together with other solar collectors as main heat exchangers.
  • the degasser collectors and the solar collectors together form the collector field.
  • the solar collectors can be connected to one another in parallel or in series or in a combination of parallel and series connection.
  • the degasifier collector is preferably connected in parallel with the other solar collectors. It is also possible to use the degasser collector as the last collector in one to arrange serial circuit with one or more solar collectors.
  • the liquid is circulated by means of a pump (see also 14 in FIG. 1).
  • the degasser-collector or degasser-heat exchanger preferably consists of the same parts as a conventional solar collector or main heat exchanger.
  • a flat collector it consists of a housing with a transparent cover and an absorber arranged therein, which converts the solar radiation into heat.
  • a vacuum tube collector it has a single- or double-walled vacuum tube, inside which the absorber is arranged.
  • the absorber consists of one or more absorber sheet (s), which is (are) thermally conductively connected to a meandering, liquid-carrying channel.
  • the liquid-conducting channel may be formed as a tube. The tube is then called Absorberrohr.
  • the absorber tube is connected to the absorber plate, for example by laser welding, ultrasonic welding, clamping or soldering.
  • the degasser collector also has a cooler and an air separator. One end of the liquid-conducting channel is connected to the feed line of the collector field, the cool return line. The other end is connected via a cooler and a subsequent air separator with the derivative of the collector field, the hot flow line.
  • the degasser collector is designed so that its outlet temperature is higher than that of the other solar collectors. This can be achieved by throttling the specific, related to the collector surface flow of the degasser collector over the other solar panels, for example by incorporation of flow restrictors, by reducing the flow cross-section or by extending the absorber tubes. Another possibility is to increase the performance of the degasser-collector over the solar collector, for example by better thermal insulation, increase the heated tube length on the absorber or reduce the tube spacing of the absorber tubes.
  • the degasser heat exchanger or degasser collector is characterized by its simplicity and only minor additional costs compared to a conventional heat exchanger or solar collectors.
  • a degasser collector can be designed to be the same in construction, appearance and format as the rest of the solar collectors. Only by its specific connections and additional elements it differs from these.
  • the degasser collector has no moving parts and can therefore be designed to be very low maintenance.
  • a fluid circuit has dozens to thousands of seal sites that have some, albeit small, leak rate and gas permeability.
  • the degasser heat exchanger or degasser collector continuously discharges diffusing gases.
  • the degasser heat exchanger according to the invention can be used as a degasser collector in thermal solar systems with liquid heat carriers, for example water and water-glycol mixtures.
  • the degasser heat exchanger can also be used in other heat engineering systems in which a heat transfer fluid circulates in a closed or open circuit, for example in power plants, heat distribution networks, industrial process heat plants and turf heaters.
  • the liquid enters from the supply line of the collector field, the cool return line of the solar circuit, in the absorber of the degasser collector and is heated in this.
  • the degasser collector can work in two modes. These are described below.
  • the degasifier collector IIa shown there consists essentially of a collector housing 17 with an absorber 18, a cooler 22 and an air separator 27 installed therein.
  • the absorber 18 is preferably made of a metal which is provided with an absorber layer.
  • the absorber layer serves to absorb the solar radiation. It preferably has selective properties in that it almost completely absorbs the short-wavelength, visible portion of solar radiation and acts as a mirror in the long-wavelength range. This effectively reduces radiation losses at high temperatures.
  • the absorber 18 is thermally conductively connected to one or more liquid-conducting channels 19.
  • the channels 19 may be made by a roll bonding method or by thermal welding of two sheets or by tubes that are connected to the absorber sheet, for example by laser welding, ultrasonic welding, soldering or gluing, are connected. All these technologies are known and are currently in use.
  • the embodiment illustrated in FIGS. 1a to 13 is advantageous, in which the absorber 18 consists of a metal sheet and the liquid-carrying channel 19 consists of a single, meander-shaped bent absorber tube.
  • the absorber tube of a solar collector main heat transfer channel (45 in Fig. 4) is called, the absorber tube of the degasifier collector IIa degasser channel 19.
  • the absorber 18 is shown in FIG installed in a collector housing 17. This has a transparent cover 29, preferably made of low-iron glass on. Between the absorber 18 and the rear wall of the collector housing 17, a thermal insulation 30 may be arranged.
  • the distance between cover 29 and absorber 18 is designed so that the heat losses through convection and conduction are minimal.
  • the heat losses are reduced and the absorber 18 protected from the weather.
  • One end of the degasser channel 19 is connected to the supply line of the collector field, the cool return line 12 of the solar circuit.
  • the other, hot end of Entgaserkanals 19 is connected via a connecting line 21, the radiator 22 and an adjoining air separator 27 with the derivative of the collector field, the flow line 13, respectively.
  • the cooler 22 and the air separator 27 are preferably arranged outside the collector housing 17.
  • the cooler 22 itself consists of one or more primary chambers 25, which are separated by heat-conducting walls of one or more secondary chambers 26.
  • the two chambers 25, 26 are formed by concentrically arranged tubes.
  • the primary chamber 25 is flowed through by the liquid to be degassed.
  • the secondary chamber 26 is traversed by a suitable cooling medium.
  • the cooler 22 may be formed as a plate heat exchanger.
  • cooling medium can be diverted from the supply line of the collector array or return line 12 via a connecting line 24, a partial flow.
  • a separate from the solar circuit cooling ⁇ circulation is used.
  • the chamber flowed through by the medium to be degassed is cooled by the surroundings, ⁇ example, by radiation and / or convection (see Fig. 6).
  • the primary chamber 25 through which the gas to be degassed is designed so that the entrained gas bubbles can not settle anywhere. In practice this can be solved in different ways:
  • the flow exerts a force in the direction of flow on gas bubbles which are seated on the pipe wall. This force is greater than the forces caused by the interfacial tension, which counteract the direction of flow. This is achieved by a sufficiently high flow rate, the so-called self-venting speed.
  • the surface consists of a hydrophobic material, such as Teflon, so that the forces caused by the interfacial tension are small and the gas bubbles can be promoted by the low forces at low flow rates.
  • the channel of the chamber is oriented so that the liquid laden with gas bubbles flows through it from bottom to top. In this case, the buoyancy force contributes to the promotion of the gas bubbles.
  • the chamber is filled with a porous and hydrophobic medium, for example Teflon. This promotes the coalescence of small bubbles into large bubbles, which can then be more easily flushed away in the flow.
  • a porous and hydrophobic medium for example Teflon. This promotes the coalescence of small bubbles into large bubbles, which can then be more easily flushed away in the flow.
  • the air separator 27 After the liquid has passed through the cooler 22, it flows into the air separator (deaerator) 27, which collects the gas bubbles and (indicated by the arrow) to the environment.
  • the air separator 27 has a larger flow cross-section than the chamber of the cooler 22 through which the liquid flows. As a result, the flow velocity is reduced. The residence time of the gas bubbles is then large enough for them to ascend through their buoyancy in the air separator 27.
  • the enlarged cross-section of the air separator 27 may also be filled with a porous, hydrophobic medium. This delays the bubbles and promotes their growing together. The bubbles then rise more rapidly in the air separator 27 where they are separated.
  • the degassed liquid is finally fed via a return line 28 of the discharge or feed line 13 of the collector array.
  • the branched off for cooling liquid is also supplied via a connecting line 23 of the discharge or supply line 13 of the collector array.
  • the degasifier collector IIa based on the collector surface, flows through with a lower specific throughput than the other solar collectors. As a result, a larger temperature swing is achieved. This is sufficient to lower the solubility sufficiently and / or to vaporize some of the liquid.
  • the sufficiently low specific throughput can be achieved by several measures alone or in combination:
  • FIG. 3 shows the second preferred embodiment of the degasifier collector IIb.
  • the outlet of the radiator 22 is not guided into the discharge or supply line 13 but via a connecting line 31 in the supply line or return line 12.
  • the required throughput through the radiator 22 is achieved in that in the return line 12 between the front and Return side radiator connection, a throttle 32 is arranged.
  • Another possibility is to design the line cross sections of the cooling channel (secondary ⁇ chamber 26) and the leads so that the pressure loss in the supply line or return line 12 of the collector array between the forward and return side radiator connection alone sufficient to the flow through the secondary chamber 26 of the radiator 22 to drive.
  • a collector field usually consists of several solar collectors, which are connected in parallel via distribution and collection lines. Solar collectors can also be arranged as series circuits or in a combination of series and parallel connection. A solar collector (or more) are designed as degassing collector. These are preferably connected in parallel to the other solar collectors.
  • Fig. 4 shows the degasifier-collector IIa of Fig. La, which is connected in parallel via a common supply line or return line 12 and a common discharge or supply line 13 with a solar collector LL.
  • Fig. 4 shows the degasifier collector IIa with a view perpendicular to the absorber, which is located next to a solar collector ll.n and connected in parallel via a common supply line or return line 12 and discharge or feed line 13.
  • the cooler 22 is well below the range that is permanently reached by stagnation of steam.
  • Fig. 5 shows a third preferred embodiment of the degasser-collector 11c.
  • the cooler consists of a single chamber, the mixing vessel 33.
  • the mixing vessel 33 is connected via bypass lines or connecting lines 24 and 31 with the supply line or return line 12 of the collector array. Due to the pressure drop in the supply line between the connection points of the bypass lines 24, 31, a sufficient flow through the mixing chamber 33 is achieved.
  • the direction of flow in the supply line is preferably selected (see arrows in FIG. 5) such that a flow direction in the direction of the air separator 27 is established in the mixing chamber 33.
  • the pressure losses in the lines 21, 24, 28 and 31 or their dimensions are designed so that the temperature of the liquid is below the saturation temperature.
  • Fig. 6 shows a fourth preferred embodiment of the degassing collector lld.
  • the cooler 22 from the heat over its surface to the surrounding environment ⁇ .
  • the surface may be provided with cooling fins 34.
  • Fig. 6a illustrates a way to operate the degasser collector as a solar collector at the corresponding flow.
  • the hot end of the degasser channel (connecting line 21) is connected via a short bypass line 35 to the discharge line or feed line 13 of the collector field.
  • the bypass line 35 can be blocked by a shut-off device 36.
  • the collector works as a degasifier collector opened shut-off device 36, the collector operates as a solar collector.
  • the bypass line 35 produces a much smaller pressure loss than the lines 21 and 28, so that the flow through these lines can be neglected. It is also conceivable to use a three-way stopcock at the junction of the lines 21 and 35 and to install a second obturator in the connecting line 21 to the radiator for complete switching from operation as a degasser collector to the solar collector.
  • Fig. 7 shows a variant of Fig. 5.
  • the mixing container 33 ' is inclined in the flow direction upwards to assist the promotion of gas bubbles. It is also conceivable vertical arrangement of the mixing vessel, so that the flow is from bottom to top.
  • the lower end of the mixing container 33 ' is connected via a connecting line 37 to the supply line or return line 12 and via a connecting line 21 to the hot end of the degasser channel 19.
  • the vapor condenses in the liquid of the mixing chamber 33 '.
  • the non-condensable gases rise to the upper end of the mixing chamber 33 'and are discharged from the adjoining air separator 27 to the environment.
  • the resulting from the contributions of the lines 21 and 37 liquid mixture is then fed via the return line 28 of the discharge or return line 13.
  • Fig. 8 shows a fifth preferred embodiment of the degasifier collector IIf.
  • the cooler 22 is inserted at a suitable location in the return line 12.
  • the secondary chamber 26 ' can be formed by a pipe section of the feed line or return line 12 or have a larger cross-section than the feed line to reduce the pressure loss 8 shows by way of example the arrangement of the air separator 27 above the supply line or return line 12.
  • the air separator 27 is therefore provided with a shut-off device (not shown) between the circuit and the deaerating valve The shut-off device closes above a limit temperature which is below the saturation temperature
  • Such air separators are available, eg under the designation g "Spirovent Autoclo- se" from Spirotech.
  • FIG. 9 shows a variant of FIG. 3 with a throttle 32.
  • this degassing collector 11g there are coolers 22a and 22b on both sides of the air separator 27. This can be advantageous if the steam entering via line 28 during stagnation not completely condense in the same by heat losses to the environment.
  • the conduit 28 may also be cooled by the ambient air, for example by eliminating the thermal insulation or by adding additional cooling fins are attached.
  • Fig. 10 shows another preferred embodiment.
  • the degasifier collector 11h is arranged as the last element of a collector row (collectors ll.n).
  • the inlet of the primary side or primary chamber 25 of the cooler 22 is arranged directly at the outlet of the degasser channel 19.
  • the outlet of the primary side 25 is connected via a short connecting line or directly to the air separator 27.
  • the return line 28 leads the degassed fluid from the outlet of the air separator 27 to the discharge or supply line 13 of the collector array.
  • the connection line 24 carries the liquid from the cooler supply line or return line 12 of the collector field for entry into the secondary side or secondary chamber 26 of the radiator 22.
  • the outlet of the secondary side of the radiator 22 is via the connection line 23 with the derivative or flow line 13 of the Collector field connected.
  • Fig. 11 shows a variant of Fig. 10.
  • the entrance of the secondary side or secondary chamber 26 of the radiator is connected directly to the supply line or return line 12 of the collector field in this degasser-collector Iii.
  • the radiator has the same inclination as the degasifier collector Iii. It can also be arranged vertically.
  • FIG. 12 shows a further variant of the degasifier collector 11k as an element of a collector row.
  • a mixing vessel here serves the derivative or flow line 13 of the collector array.
  • the exit from the hot end of the Entgaserkanals 19 ⁇ de vapor condenses in the strö ⁇ determined run through the lead or lead line 13 fluid.
  • the remaining non-condensable gases are flushed by the flow to the air separator 27, which is installed directly in the discharge or feed line 13.
  • the air separator 27 must be provided with a, as in the Erläu ⁇ esterification of the Fig. 8 described shut-off device.
  • FIG. 13 shows a modified version of the variant of the degasser-collector III shown in FIG. 12.
  • a mixing container here serves a pipe section 39 of the derivative or flow line 13 of the collector array.
  • the steam passing out of the hot end of the degasifier duct 19 is first directed into a thin inner tube 38, which is located in the interior of the pipe section 39.
  • the pipe section 39 can be formed by the derivative or flow line 13 itself or have a larger cross-section compared to this. The remaining from the deaerator 19 vapor condenses in the pipe section 39.
  • the remaining non-condensable gases are conveyed as bubbles through the flow in the discharge or supply line 13 and rinsed from there to the air separator 27, which is installed directly in the discharge or feed line 13 ,
  • the air separator In order to prevent the blowing off of steam in the case of stagnation, the air separator must be provided with a shut-off device as described in FIG. 8.
  • the advantage over the variant shown in Fig. 12 consists in the gradual condensation of the steam in the pipe section 39. This condensation can be avoided.
  • the degassing collector lim shows a variant of the degassing collector lim, in which the degassing duct or the degasifier pipe 41 and the cooler form a unit.
  • the primary chamber of the cooler is formed by a suction tube 40, which is located in the interior of the degasser tube 41.
  • the degasser tube 41 thus simultaneously forms the secondary chamber of the radiator.
  • the dimensions of the degasser tube 41 and the suction tube 40 are dimensioned so that the desired outlet temperature at the hot end of the degasser tube 41 is reached.
  • the mixture of liquid, vapor and non-condensable gases passing from the deaerator tube 41 enters the discharge line or feed line 13 of the collector field at the entry point 42.
  • the discharge or supply line 13 may have a dome 43, in which steam and gas collect.
  • the suction pipe 40 protrudes to the high point of the discharge or to the high point of the dome 43.
  • the mixture of steam and non-condensable gases in countercurrent to the degasser 41 in the direction of supply line or return line 12 promoted. Due to the heat transfer from the suction tube 40 to the liquid in the degas tube 41, the vapor condenses, while the non-condensable gases are conveyed on as bubbles.
  • the suction pipe 40 is led out.
  • the suction tube 40 is extended via an extension line 44 and at a Point connected to the solar circuit, which has a sufficiently low pressure, such as the suction side of the pump.
  • FIG. 15 shows a variant of FIG. 14.
  • the dome 43 is formed by an extension of the degasser tube 41. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen von Gasen, die in einer Wärmeträgerflüssigkeit gelöst sind, welche in einem thermischen Kreislauf zirkuliert, der eine Rücklaufleitung (12) und eine Vorlaufleitung (13) sowie wenigstens einen zwischen Rücklaufleitung (12) und Vorlaufleitung (13) geschalteten Haupt-Wärmeübertrager umfasst, der von der Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt wird und die Wärmeträgerflüssigkeit dabei auf eine Vorlauftemperatur erwärmt. Eine einfache und funktionssichere selbsttätige Entgasung wird dadurch erreicht, dass ein Teil der zirkulierenden Wärmeträgerflüssigkeit an der Rücklaufleitung (12) entnommen und zum Austreiben der gelösten Gase mittels wenigstens eines Entgaser-Wärmeübertragers (11a) auf eine Temperatur erwärmt wird, die über der Vorlauftemperatur liegt, danach abgekühlt wird, anschliessend von den ausgetriebenen Gasen, vorzugsweise mittels eines Luftabscheiders (27), befreit wird und schliesslich, insbesondere über die Vorlaufleitung (13), in den Kreislauf (16) zurückgeführt wird.

Description

Verfahren zum Entgasen einer Wärmeträgerflüssigkeit sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Wärmetechnik. Sie betrifft ein Verfahren zum Entgasen einer Wärmeträgerflüssigkeit gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
STAND DER TECHNIK
Bei thermischen Solaranlagen, in denen eine Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert, bewirken freie Gase Durchflussstörungen, die zu partieller Stagnation einzelner Bereiche oder zur Blockade des ganzen Solarkreises führen können. Dies hat im günstigsten Fall eine verminderte Leistung zur Folge, in schlimmeren Fällen aber eine verringerte Lebensdauer der Komponenten und die Degradation der Flüssigkeit durch ständige Überhitzung, bis hin zu Lecks infolge von Druckschlägen.
Bei kleineren Solaranlagen lassen sich derartige Probleme durch günstige hydraulische Gestaltung und fachgerechte Inbetriebnahme vermeiden. Insbesondere müssen die Hochpunkte mehrmals im Abstand von einigen Tagen sorgfältig entlüftet werden. Bei grossen Solaranlagen ab 100m2 Kollektorfläche und bei Prozesswärmeanlagen, bei denen die Betriebstemperatur nahe der Siedetemperatur liegt, reicht die Entlüftung oft nicht aus. In diesen Fällen bleibt nur die Ent-
BESTÄTIGUNGSKOPIE gasung der Flüssigkeit. Durch die Entgasung lässt sich die Flüssigkeit derart un¬ tersättigen, dass selbst bei maximaler Betriebstemperatur keine freien Gase auftreten.
Der Primärkreislauf von Solaranlagen enthält nach der Befüllung mit einer Wärmeträgerflüssigkeit (nachfolgend Flüssigkeit genannt) in der Regel noch freie Luft in Form von Blasen und Lufttaschen, die an der Rohrwand haften. Gerade bei weitverzweigten Rohrleitungsnetzen grosser Solaranlagen ist es nicht möglich, diese Lufttaschen durch Spülen aus dem Kreislauf zu entfernen. Erfah- rungsgemäss ist die Flüssigkeit im Füllzustand, der durch Fülldruck und Fülltemperatur charakterisiert ist, bis zur Sättigungskonzentration mit Atmosphärengasen beladen. Dies kann man aus der Tatsache schliessen, dass an den Hochpunkten auch nach Tagen und Wochen noch entlüftet werden kann.
Eine weitere Ursache ist die Desorption von Gasen, wenn die Flüssigkeit von der Fülltemperatur von beispielsweise 20°C auf die Betriebstemperatur erwärmt wird. Die dabei entstehenden Gasblasen und Lufttaschen sind mit dem Dampf der Flüssigkeit gesättigt. Liegt die Betriebstemperatur nur wenig unter dem Siedepunkt, können Gasblasen mit beträchtlichem Volumen entstehen.
Im interessierenden Temperaturbereich nimmt die Löslichkeit der Gase in der Flüssigphase mit steigender Temperatur ab. Bei Betriebstemperaturen, die in der Regel weit über der Fülltemperatur liegen, treten daher Gase aus der Lösung. Die Löslichkeit der Gase sinkt zudem proportional zu ihrem Partialdruck. Da die Gasblasen mit dem Dampf der Flüssigkeit gesättigt sind, ist der Partialdruck der Gase um den Dampfdruck der Flüssigkeit vermindert. Im Betrieb können daher so lange Gase aus der Lösung treten, bis die Sättigungskonzentration erreicht ist, die ihrem Partialdruck und der Betriebstemperatur entspricht.
Eine naheliegende Möglichkeit besteht darin, den Betriebsdruck zu erhöhen und damit den Abstand zwischen Betriebs- und Siedetemperatur zu vergrössern. Das Volumen der dampfgesättigten Blasen könnte so reduziert werden. Dabei muss man aber bedenken, dass im Füllzustand entsprechend mehr Gas in Lösung geht, was den gewünschten Effekt abschwächt. Die Rohrverbindungen, die Deh- nungs-Kompensatoren und Wellschläuche müssen natürlich für diesen Druck ausgelegt sein. Ausserdem werden die Flüssigkeit und die Komponenten des Kreislaufes durch die höheren Verdampfungstemperaturen stärker belastet. Insgesamt ist diese Massnahme besonders bei Grossanlagen aus wirtschaftlichen Gründen nicht interessant.
Damit bleibt als geeignete Massnahme nur die Entgasung der Flüssigkeit. Die wirkungsvollste Methode besteht darin, die Flüssigkeit mit einer Gasphase in Kontakt zu bringen. Diese Gasphase soll einen möglichst niedrigen Partialdruck der zu entfernenden Gase haben. Entsprechend gering ist dann die Gleichgewichtskonzentration der zu entfernenden Gase in der Flüssigkeit. Damit dieses Gleichgewicht möglichst gut erreicht wird, versucht man, eine grosse Phasen¬ grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Gas-Dampf-Gemisch zu erzielen. Zwei weit verbreitete Verfahren nutzen diese Effekte aus. Bei beiden Verfahren sind die entsprechenden Apparate in einem Bypass zum Hauptkreislauf einer wärmetechnischen Anlage angeordnet.
Bei der zyklisch arbeitenden Vakuumentgasung wird im ersten Schritt Flüssigkeit aus dem Entgasungsgefäss in den Hauptkreislauf gepumpt, so dass im Entga- sungsgefäss ein Vakuum entsteht. Der Partialdruck der zu entfernenden Gase ist dann naturgemäss gering. Gleichzeitig wird Flüssigkeit aus dem Hauptkreislauf in das entstehende Vakuum versprüht. Dabei treten die Gase aus der Lösung. Im zweiten Schritt lässt man die Flüssigkeit wieder in das Gefäss einströmen. Die desorbierten Gase werden dadurch auf Atmosphärendruck komprimiert und über ein Entlüftungsventil ausgeschoben. Die Vakuumentgasung kann sehr effizient auch bei tiefen Temperaturen eingesetzt werden. Dadurch bleibt der Flüssigkeitsverlust beim Ausschieben der mit Dampf gesättigten Gase gering. Die Vakuumentgasung wird bei der Inbetriebnahme von grossen Solaranlagen eingesetzt.
Bei der thermischen Entgasung wird die zu entgasende Flüssigkeit auf nahezu Siedetemperatur gebracht und über eine Boden- oder Füllkörperkolonne verrieselt. Von unten lässt man aus bereits entgaster Flüssigkeit gewonnenen Sattdampf einströmen. Seine Temperatur liegt etwas über der Siedetemperatur der zu entgasenden Flüssigkeit. Der Partialdruck der Gase im Sattdampf ist nahezu null. Dadurch werden die in der Flüssigkeit gelösten Gase bis zu einer sehr ge- ringen Konzentration ausgetrieben. Ein Teil des Dampfes kondensiert bereits in der Kolonne, der verbleibende Teil im Brüdenkondensator. Die abgeschiedenen Gase werden an die Umgebung abgegeben. Die thermische Entgasung arbeitet kontinuierlich und ist wegen ihrer Leistungsfähigkeit in der Kraftwerkstechnik weit verbreitet. Meist führt man die Entgasung bei Unterdruck gegenüber der Atmosphäre und entsprechend tiefen Arbeitstemperaturen durch. Daher müssen die Gase durch eine Vakuumpumpe entfernt werden. Die Vorteile sind die geringere Senkung des Wirkungsgrades während der Entgasungsphasen und der geringe Flüssigkeitsverlust.
Nachteilig an den beiden Entgasungsverfahren sind die hohen Investitionskosten und die grössere Komplexität der Anlage, die zu entsprechend höheren Betriebs- und Unterhaltskosten führt. Ausserdem erfordert der Betrieb beider Entgasungsverfahren Zusatzenergie. Dadurch wird der Gesamtwirkungsgrad der Anlage reduziert. Das thermische Entgasungsverfahren wird bei solarthermischen Anlagen offenbar nicht eingesetzt. Wegen des grossen Arbeitsaufwandes, angefangen bei der Anlieferung, Installation und Inbetriebnahme bis hin zur Kontrolle des Entgasungsgrades und der Demontage, ist auch die Vakuumentgasung mittels mobiler Einrichtungen kostspielig.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche es auf einfache Weise und ohne grossen apparativen Auf- wand ermöglicht, die in einem geschlossenen Kreislauf zirkulierende Flüssigkeit während des Betriebes einer wärmetechnischen Anlage kontinuierlich zu entgasen. Dadurch wird die Flüssigkeit im Verlauf einer gewissen Betriebszeit soweit untersättigt, dass beim Aufheizen in den Haupt-Wärmeübertragern der Anlage keine Gase mehr aus der Flüssigkeit treten. Dadurch werden die durch freie Gase hervorgerufenen Durchflussstörungen sowie deren Begleit- und Folgeschäden, beispielsweise Korrosion und Druckschläge, vermieden.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Entfernen von Gasen, die in einer Wärmeträgerflüssigkeit gelöst sind, welche in einem thermischen Kreislauf zirkuliert, der eine Rücklaufleitung und eine Vorlaufleitung sowie wenigstens einen zwischen Rücklaufleitung und Vorlaufleitung geschalteten Haupt- Wärmeübertrager umfasst, der von der Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt wird und die Wärmeträgerflüssigkeit dabei auf eine Vorlauftemperatur erwärmt.
Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der zirkulierenden Wärmeträger- fiüssigkeit an der Rückiaufleitung entnommen und zum Austreiben der gelösten Gase mittels wenigstens eines Entgaser-Wärmeübertragers auf eine Temperatur erwärmt wird, die über der Vorlauftemperatur liegt, danach abgekühlt wird, anschliessend von den ausgetriebenen Gasen, vorzugsweise mittels eines Luftabscheiders, befreit wird und schliesslich, insbesondere über die Vorlaufleitung, in den Kreislauf zurückgeführt wird. Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Entgaser-Wärmeübertrager verwendet wird, der dem Haupt- Wärmeübertrager in Aufbau und Funktion gleicht, und dass der grössere Tem¬ peraturhub dadurch erreicht wird, dass der Entgaser-Wärmeübertrager von der Wärmeträgerflüssigkeit mit einem geringeren spezifischen Durchsatz durchströmt wird.
Insbesondere wird der geringere spezifische Durchsatz des Entgaser- Wärmeübertragers durch eine Verringerung des Strömungsquerschnitts im oder zum Entgaser-Wärmeübertrager erzielt.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Entgaser-Wärmeübertrager geschickte Wärmeträgerflüssigkeit zum Abkühlen durch einen Kühler geschickt wird.
Insbesondere umfasst der Kühler eine Primärkammer und eine davon getrennte Sekundärkammer, und als Kühlmedium wird im Kühler Wärmeträgerflüssigkeit aus der Rücklaufleitung oder Vorlaufleitung verwendet.
Vorzugsweise wird das Kühlmedium nach Verlassen des Kühlers über die Vorlaufleitung in den Kreislauf zurückgeführt.
Gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird das Kühlmedium aus der Rücklaufleitung oder Vorlaufleitung in Strömungsrichtung vor einer Drossel- stelle entnommen und nach Verlassen des Kühlers hinter der Drosselstelle wieder in die Rücklaufleitung beziehungsweise Vorlaufleitung zurückgeführt.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler Wärme durch Konvektion an die Umgebung ab- gibt.
Eine noch andere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die durch den Entgaser-Wärmeübertrager geschickte Wärmeträgerflüssigkeit zum Abkühlen in einem Mischbehälter mit Wärmeträgerflüssigkeit aus der Rücklaufleitung oder Vorlaufleitung vermischt wird. Gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird die durch den Entgaser-Wärmeübertrager geschickte Wärmeträgerflüssigkeit zum Abkühlen im Wärme tauschenden Gegenstrom durch den Entgaser-Wärmeübertrager geschickt.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst einen thermischen Kreislauf mit einer Rücklaufleitung und einer Vorlaufleitung sowie wenigstens einen zwischen Rücklaufleitung und Vorlaufleitung geschalteten Haupt-Wärmeübertrager, der von der Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt wird und die Wärmeträgerflüssigkeit dabei auf eine Vorlauftemperatur erwärmt. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Rücklaufleitung und Vorlauflei- tung wenigstens ein Entgaser-Wärmeübertrager geschaltet ist, welcher so di- mensioniert ist, dass er die durch ihn strömende Wärmeträgerflüssigkeit auf eine Temperatur erwärmt, die höher ist als die Vorlauftemperatur, und dass erste Mittel zur Abkühlung der aus dem Entgaser-Wärmeübertrager austretenden Wärmeträgerflüssigkeit und zweite Mittel zum Abtrennen von Gasen aus der abgekühlten Wärmeträgerflüssigkeit vorgesehen sind.
Eine Ausgestaltung der Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass Entgaser-Wärmeübertrager und Haupt-Wärmeübertrager in Aufbau und Funktion gleich sind, und dass der grössere Temperaturhub dadurch erreicht wird, dass der Entgaser-Wärmeübertrager von der Wärmeträgerflüssigkeit mit einem geringeren spezifischen Durchsatz durchströmt wird.
Insbesondere ist zur Erreichung des grösseren Temperaturhubs die Strömung durch den Entgaser-Wärmeübertrager gegenüber dem Haupt-Wärmeübertrager gedrosselt.
Vorzugsweise sind zur Drosselung der Strömung Strömungsdrosseln vorgesehen.
Eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Haupt-Wärmeübertrager Haupt- Wärmeübertragerkanäle aufweist, dass der Entgaser-Wärmeübertrager Entgaserkanäle aufweist, und dass zur Drosselung der Strömung der Strömungsquer- schnitt der Entgaserkanäle gegenüber den Haupt-Wärmeübertragerkanälen verringert ist.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Haupt-Wärmeübertrager Haupt- Wärmeübertragerkanäle aufweist, dass der Entgaser-Wärmeübertrager Entga¬ serkanäle aufweist, und dass zur Drosselung der Strömung die Länge der Entgaserkanäle gegenüber den Haupt-Wärmeübertragerkanälen vergrössert ist.
Eine noch andere Ausgestaltung der Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme aufnehmende Oberfläche des Entgaser- Wärmeübertragers gegenüber der des Haupt-Wärmeübertragers vergrössert ist.
Gemäss einer anderen Ausgestaltung umfassen die ersten Mittel einen Kühler, welcher von der aus dem Entgaser-Wärmeübertrager austretenden Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt wird.
Gemäss einer Weiterbildung kann der Kühler zur konvektiven Abgabe von Wärme an die Umgebung ausgebildet sein, und insbesondere aussen angeordnete Kühlrippen aufweisen.
Gemäss einer anderen Ausgestaltung weist der Kühler eine Primärkammer für die zu kühlende Wärmeträgerflüssigkeit und eine Sekundärkammer für das Kühlmedium auf, wobei der Eingang der Primärkammer mit dem Ausgang des Entgaser-Wärmeübertragers verbunden ist, und der Ausgang der Primärkammer mit der Vorlaufleitung in Verbindung steht.
Vorzugsweise ist zwischen dem Ausgang der Primärkammer und der Vorlaufleitung ein Luftabscheider angeordnet.
Eine andere Ausgestaltung der Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Kühler zwei getrennte Kühler umfasst, und dass zwischen den beiden Kühlern ein Luftabscheider angeordnet ist.
Eine andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Eingang der Se¬ kundärkammer an die Rücklaufleitung und der Ausgang an die Vorlaufleitung angeschlossen sind.
Eine weitere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Rücklaufleitung oder Vorlaufleitung eine Drossel angeordnet ist, und dass der Eingang der Sekundärkammer stromaufwärts der Drossel und der Ausgang stromabwärts der Drossel an die Rücklaufleitung bzw. Vorlaufleitung angeschlossen sind.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung sind der Eingang und der Ausgang der Sekundärkammer an verschiedenen Punkten an die Rücklaufleitung oder Vorlaufleitung angeschlossen, derart, dass der Druckverlust in der jeweiligen Leitung die Strömung durch die Sekundärkammer des Kühlers) antreibt. Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel einen Mischbehälter umfassen, in welchem die durch den Entgaser- Wärmeübertrager geschickte Wärmeträgerflüssigkeit zum Abkühlen mit Wärmeträgerflüssigkeit aus der Rücklaufleitung oder Vorlaufleitung vermischt wird.
Insbesondere ist zwischen dem Ausgang des Mischbehälters und der Vorlauflei¬ tung ein Luftabscheider angeordnet.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung umfassen die ersten Mittel ein innerhalb des Entgaserrohrs des Entgaser-Wärmeübertragers zurückgeführtes Saugrohr.
Vorzugsweise ist der Haupt-Wärmeübertrager ein Solarkollektor einer Solaranlage.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 in einer stark vereinfachten Darstellung den Aufbau einer beispielhaften thermischen Solaranlage, bei der die Erfindung Anwendung finden kann; ein erstes Ausführungsbeispiel eines Entgaser-Kollektors nach der Erfindung mit einem zwischen Vor- und Rücklaufleitung angeschlossenen Kühler für den Einsatz in einer Anlage gemäss Fig. 1 den Schnitt durch den Entgaser-Kollektor aus Fig. la; in einer zu Fig. la vergleichbaren Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel eines Entgaser-Kollektors nach der Erfindung mit einem ausschliesslich an der Rücklaufleitung angeschlossenen Kühler; die Anordnung des Entgaser-Kollektors nach Fig. la in einem Kollektorfeld; ein drittes Ausführungsbeispiel eines Entgaser-Kollektors nach der Erfindung, bei dem zur Kühlung eine Mischeinrichtung eingesetzt wird; ein viertes Ausführungsbeispiel eines Entgaser-Kollektors nach der Erfindung mit einem konvektiv arbeitenden Kühler; eine Variante der Ausführungsbeispiele, bei welcher der Entgaser- Kollektor wahlweise als normaler thermischer Kollektor betrieben werden kann; Fig. 7 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Entgaser-Kollektors nach der Erfindung mit einer speziellen Ausgestaltung der Mischeinrichtung gemäss Fig. 5;
Fig. 8 ein sechstes Ausführungsbeispiel eines Entgaser-Kollektors nach der
Erfindung mit einem gegenüber Fig. la modifizierten Kühler;
Fig. 9 ein siebtes Ausführungsbeispiel eines Entgaser-Kollektors nach der
Erfindung mit einem geteilten Kühler in einer Konfiguration gemäss Fig. 3;
Fig. 10 ein achtes Ausführungsbeispiel eines Entgaser-Kollektors nach der
Erfindung, bei dem der Entgaser-Kollektor als letztes Element einer Kollektorreihe angeordnet ist;
Fig. 11 ein neuntes Ausführungsbeispiel eines Entgaser-Kollektors nach der
Erfindung als Variante zu Fig. 10, bei dem der Eintritt der Sekundärseite des Kühlers unmittelbar an die Zuleitung des Kollektorfeldes angeschlossen ist;
Fig. 12 ein zehntes Ausführungsbeispiel eines Entgaser-Kollektors nach der
Erfindung, die eine weitere Variante des Entgaser-Kollektors als Ele¬ ment einer Kollektorreihe gemäss Fig. 4 ist, wobei auf die Anordnung eines ausserhalb liegenden Mischbehälters verzichtet wird; Fig. 13 eine abgewandelte Version der in Fig. 12 dargestellten Variante des Entgaser-Kollektors;
Fig. 14 eine Variante des Entgaser-Kollektors nach der Erfindung, bei dem das Entgaserrohr und der Kühler eine Einheit bilden; und
Fig. 15 eine Variante von Fig. 14.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Entgasung von Wärme transportierenden Flüssigkeiten in wärmetechnischen Anlagen, bei denen die Flüssigkeit in einem oder mehreren parallelgeschalteten Wärmeübertragern auf Temperaturen unterhalb des Siedepunktes aufgeheizt wird. Die erfindungsgemässe Lösung wird nachfolgend anhand der Anwendung im Primärkreislauf von solarthermischen Anlagen beschrieben. Bei solarthermischen Anlagen bilden die Solarkollektoren die Haupt-Wärmeübertrager. Solarthermische Anlagen werden nachfolgend Solaranlagen genannt. Das vereinfachte Schema einer solchen Solaranlage ist in Fig. 1 wiedergegeben. Die Solaranlage 10 der Fig. 1 umfasst mehrere Solarkollektoren 11.1 bis ll.n, die zwischen einer Rücklaufleitung 12 und einer Vorlaufleitung 13 eines geschlossenen Primärkreislaufs 16 parallel geschaltet sind. Im Primärkreislauf zirkuliert (in Richtung der eingezeichneten Pfeile) eine Wärmeträgerflüssigkeit (z.B. eine Wasser-Glykol- Mischung) mittels einer Pumpe 14. Die Wärmeträgerflüssigkeit nimmt in den Solarkollektoren bzw. Haupt-Wärmeübertragern 11.1 bis ll.n Wärme auf und gibt diese später an einen Verbraucher 15 ab, der insbesondere ein mit einem Sekundärkreis verbundener Wärmetauscher sein kann.
Erfindungsgemäss wird nun die Flüssigkeit in einem oder mehreren zusätzlichen Wärmeübertragern auf eine höhere Temperatur erwärmt als in den Haupt- Wärmeübertragern. Diese zusätzlichen Wärmeübertrager werden nachfolgend Entgaser-Wärmeübertrager genannt. Die Entgaser-Wärmeübertrager (siehe z.B. IIa in Fig. 4) können einerseits so betrieben werden, dass ihre Austrittstemperatur den Siedepunkt erreicht und die Flüssigkeit teilweise oder vollständig verdampft. Dadurch treten gelöste Gase praktisch vollständig in die Dampfphase über. Der Dampf wird in einem nachfolgend angeordneten Kühler niedergeschlagen, wobei ein Teil der nicht-kondensierbaren Gase als Blasen in der Strömung mitgefördert und in einem nachfolgend angeordneten Entlüfter oder Luftabscheider abgeschieden wird. Die Entgaser-Wärmeübertrager können andererseits auch so betrieben werden, dass ihre Austrittstemperatur zwar wesentlich über derjenigen der Haupt-Wärmeübertrager liegt, jedoch den Siedepunkt nicht erreicht. In dieser Betriebsweise treten im Entgaser-Wärmeübertrager die gelösten Gase in stärkerem Masse aus der Lösung als in den Haupt- Wärmeübertragern. Die dadurch entstehenden Gasblasen werden in der Strömung mitgefördert und im nachfolgend angeordneten Entlüfter oder Luftabscheider abgeschieden. Der Kühler kann die Wärme beispielsweise an die Rücklaufleitung bzw. Zuleitung zu den Haupt-Wärmeübertragern oder durch Konvektion und Strahlung an die Umgebung abgeben. Während andere bekannte Entgasungsverfahren, bei¬ spielsweise die Vakuumentgasung und die thermische Entgasung im Dampf- ström, entsprechende Apparate erfordern, die keinen Beitrag zur eigentliche Aufgabe des wärmetechnischen Prozesses leisten, leistet der Entgaser- Wärmeübertrager nicht nur die Entgasung der Flüssigkeit, sondern liefert ausserdem noch einen Beitrag zur eigentlichen Wärmeübertragungsaufgabe in der Anlage. Dieser Vorteil macht die Anwendung des Entgaser-Wärmeübertragers, insbesondere in thermischen Solaranlagen, interessant.
Aufbau und die Funktionsweise des Entgaser-Wärmeübertragers werden nach¬ folgend anhand der Anwendung in solarthermischen Anlagen erläutert. Die Entgaser-Wärmeübertrager in Kollektor-bestückten solarthermischen Anlagen werden entsprechend Entgaser-Kollektoren genannt. In Solaranlagen werden einer oder mehrere Entgaser-Kollektoren allein oder zusammen mit weiteren Solarkollektoren als Haupt-Wärmeübetragern eingesetzt. Die Entgaser-Kollektoren und die Solarkollektoren bilden zusammen das Kollektorfeld. Die Solarkollektoren können zueinander parallel oder seriell oder in einer Kombination aus Parallel- und Serieschaltung verbunden sein. Der Ent- gaser-Kollektor ist zu den übrigen Solarkollektoren vorzugsweise parallel geschaltet. Es ist auch möglich, den Entgaser-Kollektor als letzten Kollektor in einer seriellen Schaltung mit einem oder mehreren Solarkollektoren anzuordnen. Die Flüssigkeit wird mittels einer Pumpe (siehe auch 14 in Fig. 1) im Kreislauf gefördert.
Der Entgaser-Kollektor bzw. Entgaser-Wärmeübertrager besteht vorzugsweise aus denselben Teilen wie ein herkömmlicher Solarkollektor bzw. Hauptwärmeübertrager. In der Bauweise als Flachkollektor besteht er aus einem Gehäuse mit einer transparenten Abdeckung und einem darin angeordneten Absorber, der die Sonnenstrahlung in Wärme umwandelt. In der Bauweise als Vakuumröhrenkollektor besitzt er eine einfach- oder doppelwandige Vakuumröhre, in deren Innerem der Absorber angeordnet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Absorber aus einem oder mehreren Absorberblech(en), das (die) mit einem mäanderförmigen, flüssigkeitsführenden Kanal wärmeleitend verbunden ist (sind). Der flüssigkeitsführende Kanal kann als Rohr ausgebildet sein. Das Rohr heisst dann Absorberrohr. Das Absorberrohr ist mit dem Absorberblech, beispielsweise durch Laserschweissen, Ultraschallschweissen, Klemmen oder Löten, verbunden. Der Entgaser-Kollektor besitzt ausserdem einen Kühler und einen Luftabscheider. Das eine Ende des flüssigkeitsführenden Kanals ist mit der Zuleitung des Kollektorfeldes, der kühlen Rücklaufleitung, verbunden. Das andere Ende ist über einen Kühler und einen nachfolgenden Luftabscheider mit der Ableitung des Kollektorfeldes, der heissen Vorlaufleitung, verbunden. Der Entgaser-Kollektor ist so gestaltet, dass seine Austrittstemperatur höher ist als bei den übrigen Solarkollektoren. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der spezifische, auf die Kollektorfläche bezogene Durchfluss des Entgaser- Kollektors gegenüber den übrigen Solarkollektoren gedrosselt wird, beispielsweise durch Einbau von Strömungsdrosseln, durch Verringerung der Strömungsquerschnittes oder durch Verlängerung der Absorberrohre. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Leistungsfähigkeit des Entgaser-Kollektors gegenüber dem Solarkollektor zu erhöhen, beispielsweise durch bessere Wärmedämmung, vergrössern der beheizten Rohrlänge auf dem Absorber oder verkleinern des Rohrabstandes der Absorberrohre.
Die Vorteile gegenüber den herkömmlichen Entgasungsverfahren sind vielfältig und nicht auf die Anwendungen in Solaranlagen beschränkt:
• Der Entgaser-Wärmeübertrager bzw. Entgaser-Kollektor zeichnet sich durch seine Einfachheit und nur geringe Mehrkosten gegenüber einem herkömmlichen Wärmeübertrager bzw. Solarkollektoren aus.
• Neben seiner Funktion als Entgaser dient er ausserdem der Wärmeübertragung.
• Ein Entgaser-Kollektor kann so gestaltet werden, dass er hinsichtlich Aufbau, Aussehen und Format mit den übrigen Solarkollektoren identisch ist. Lediglich durch seine spezifischen Anschlüsse und Zusatzelemente unterscheidet er sich von diesen.
• Für Montage und Betrieb ist kein Spezialwissen erforderlich.
• Der Betrieb des Entgaser-Kollektors erfordert keine Regelung.
• Mit Ausnahme des Luftabscheiders und des darin enthaltenen Entlüftungsmechanismus enthält der Entgaser-Kollektor keine beweglichen Teile und kann damit sehr wartungsarm konstruiert werden.
• Ein Flüssigkeitskreislauf hat dutzende bis einige tausend Dichtungsstellen, die eine gewisse, wenn auch geringe, Leckrate und Gasdurchlässigkeit besitzen. Der Entgaser-Wärmeübertrager bzw. Entgaser-Kollektor führt eindiffundierende Gase kontinuierlich ab.
Der erfindungsgemässe Entgaser-Wärmeübertrager kann als Entgaser-Kollektor in thermischen Solaranlagen mit flüssigen Wärmeträgern, beispielsweise Wasser und Wasser-Glykolgemischen, eingesetzt werden. Der Entgaser- Wärmeübertrager kann auch in anderen wärmetechnischen Anlagen eingesetzt werden, bei denen eine Wärmeträgerflüssigkeit in einem geschlossenen oder auch offenen Kreislauf zirkuliert, beispielsweise in Kraftwerken, in Wärmeverteilnetzen, industriellen Prozesswärmeanlagen und Rasenheizungen. Die Flüssigkeit tritt aus der Zuleitung des Kollektorfeldes, die kühle Rücklaufleitung des Solarkreislaufes, in den Absorber des Entgaser-Kollektors ein und wird in diesem erwärmt. Der Entgaser-Kollektor kann in zwei Betriebsarten arbeiten. Diese sind nachfolgend beschrieben.
(1) Entgasen durch Verdampfen: Die Flüssigkeit tritt aus der Rücklaufleitung in den Absorber, wird dort aufgeheizt und teilweise verdampft. Beim Sieden ent¬ steht eine grosse Phasengrenzfläche zwischen Flüssigphase und Dampf. Der Dampfdruck der zu entfernenden Gase ist in der Dampfphase praktisch null. Enthält die Flüssigphase noch gelöste Gase, so werden diese durch das Konzentrationsgefälle ausgetrieben. Nach dem Austritt aus dem Absorber strömt das Flüssigkeits-Dampf-Gemisch in den Kühler. Dort kondensiert der Dampf. Ein Teil der Gase wird wieder in Lösung gehen, während der andere Teil als Gasblasen in der Strömung mitgefördert wird. Nach dem Austritt aus dem Kühler durchströmt die Flüssigkeit den Luftabscheider, der die Gasblasen aus der Flüssigkeit entfernt und an die Umgebung abgibt.
(2) Entgasen durch Übersättigen: Die Flüssigkeit tritt aus der Rücklaufleitung in den Absorber und wird dort so weit aufgeheizt, dass die Lösung der Gase übersättigt ist. An den stets vorhandenen Keimen bilden sich Gasblasen, die mit dem Dampf der Flüssigkeit gesättigt sind und daher mit zunehmender Temperatur rasch wachsen. Der Partialdruck der zu entfernenden Gase sinkt dann entsprechend ab, wodurch das gewünschte Konzentrationsgefälle zwischen Flüssigpha- se und Gasphase entsteht. Nach dem Austritt aus dem Absorber strömt die Flüssigkeit, die nun Gasblasen enthält, in den Kühler. Ein Teil der Gase wird wieder in Lösung gehen, während der andere Teil in der Strömung mitgefördert wird. Nach dem Austritt aus dem Kühler durchströmt die Flüssigkeit den Luftab¬ scheider, der die Gasblasen aus der Flüssigkeit entfernt und an die Umgebung abgibt.
Der Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels eines Entgaser-Kollektors bzw. Entgaser-Wärmeübertragers nach der Erfindung wird anhand der Fig. la und 2 erläutert. Der dort dargestellte Entgaser-Kollektor IIa besteht im Wesentlichen aus einem Kollektorgehäuse 17 mit einem darin eingebauten Absorber 18, einem Kühler 22 und einem Luftabscheider 27.
Der Absorber 18 besteht vorzugsweise aus einem Metall, das mit einer Absorberschicht versehen ist. Die Absorberschicht dient zur Absorption der Sonnenstrahlung. Sie hat vorzugsweise selektive Eigenschaften, indem sie den kurzwelligen, sichtbaren Teil der Sonnenstrahlung beinahe vollständig absorbiert und im langwelligen Bereich als Spiegel wirkt. Dadurch werden Strahlungsverluste bei hohen Temperaturen wirkungsvoll reduziert. Der Absorber 18 ist mit einem oder mehreren flüssigkeitsführenden Kanälen 19 wärmeleitend verbunden. Die Kanäle 19 können durch ein Rollbondverfahren oder durch thermische Schweissverfahren aus zwei Blechen hergestellt sein oder auch durch Rohre, die mit dem Absorberblech, beispielsweise durch Laserschweissen, Ultraschall- schweissen, Löten oder Kleben, verbunden sind. Alle diese Technologien sind bekannt und werden derzeit eingesetzt.
Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang die in den Fig. la bis 13 dargestellte Ausführung, bei der der Absorber 18 aus einem Metallblech besteht und der flüssigkeitsführende Kanal 19 aus einem einzelnen, mäanderförmig gebogenen Absorberrohr. Zur besseren Unterscheidung der Funktionen von Solarkollektor ll.n und Entgaser-Kollektor IIa wird das Absorberrohr eines Solarkollektors Haupt-Wärmeüberträgerkanal (45 in Fig. 4) genannt, das Absorberrohr des Entgaser-Kollektors IIa Entgaserkanal 19. Der Absorber 18 ist gemäss Fig. 2 in ein Kollektorgehäuse 17 eingebaut. Dieses weist eine transparente Abdeckung 29, vorzugsweise aus eisenarmem Glas, auf. Zwischen Absorber 18 und der Rückwand des Kollektorgehäuses 17 kann eine Wärmedämmung 30 angeordnet sein. Der Abstand zwischen Abdeckung 29 und Absorber 18 ist so gestaltet, dass die Wärmeverluste durch Konvektion und Leitung minimal sind. Durch das derart gedämmte Kollektorgehäuse 17 werden die Wärmeverluste verringert und der Absorber 18 vor Witterungseinflüssen geschützt. Das eine Ende des Entgaserkanals 19 ist mit der Zuleitung des Kollektorfeldes, der kühlen Rücklaufleitung 12 des Solarkreislaufes verbunden. Das andere, heisse Ende des Entgaserkanals 19 ist über eine Verbindungsleitung 21, den Kühler 22 und einen daran anschliessenden Luftabscheider 27 mit der Ableitung des Kollektorfeldes, der Vorlaufleitung 13, verbunden. Der Kühler 22 und der Luftabscheider 27 sind vorzugsweise ausserhalb des Kollektorgehäuses 17 angeordnet. Der Kühler 22 selbst besteht aus jeweils einer oder mehreren Primärkammern 25, die durch wärmeleitende Wände von einer oder mehreren Sekundärkammern 26 getrennt sind. Vorzugsweise werden die beiden Kammern 25, 26 durch konzentrisch angeordnete Rohre gebildet. Die Primärkammer 25 wird von der zu entgasenden Flüssigkeit durchströmt. Die Sekundärkammer 26 wird von einem geeigneten Kühlmedium durchströmt. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann der Kühler 22 als Plattenwärmeübertrager ausgebildet sein.
Als Kühlmedium kann aus der Zuleitung des Kollektorfeldes bzw. Rücklaufleitung 12 über eine Anschlussleitung 24 ein Teilstrom abgezweigt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass ein vom Solarkreislauf getrennter Kühl¬ kreislauf eingesetzt wird. Es ist auch denkbar, dass die von dem zu entgasenden Medium durchströmte Kammer durch die Umgebung gekühlt wird, beispiels¬ weise durch Strahlung und/oder Konvektion (siehe dazu Fig. 6).
Die von der zu entgasenden Flüssigkeit durchströmte Primärkammer 25 ist so gestaltet, dass sich die mitgeführten Gasblasen nirgends festsetzen können. Praktisch kann dies auf unterschiedliche Weise gelöst werden:
(a) Die Strömung übt auf Gasblasen, die an der Rohrwand sitzen, eine Kraft in Fliessrichtung aus. Diese Kraft ist grösser als die durch die Grenzflächenspannung bedingten Kräfte, die der Fliessrichtung entgegen wirken. Dies wird durch eine hinreichend grosse Fliessgeschwindigkeit, die sogenannte Selbstentlüftungs-Geschwindigkeit, erreicht. (b) Die Oberfläche besteht aus einem hydrophoben Material, beispielsweise Teflon, so dass die durch die Grenzflächenspannung bedingten Kräfte klein sind und die Gasblasen auch durch die geringen Kräfte bei kleinen Fliessgeschwindigkeiten gefördert werden können.
(c) Der Kanal der Kammer ist so orientiert, dass die mit Gasblasen beladene Flüssigkeit diesen von unten nach oben durchströmt. In diesem Fall trägt auch die Auftriebskraft zur Förderung der Gasblasen bei.
(d) Die Kammer ist mit einem porösen und hydrophoben Medium gefüllt, beispielsweise Teflon. Dieses fördert das Zusammenwachsen kleiner Blasen zu grossen Blasen, die dann leichter in der Strömung fortgespült werden können.
Nachdem die Flüssigkeit den Kühler 22 passiert hat, strömt sie in den Luftabscheider (Entlüfter) 27, der die Gasblasen sammelt und (angedeutet durch den Pfeil) an die Umgebung abgibt. Der Luftabscheider 27 besitzt einen grösseren Strömungsquerschnitt als die von der Flüssigkeit durchströmte Kammer des Kühlers 22. Dadurch wird die Fliessgeschwindigkeit reduziert. Die Verweilzeit der Gasblasen ist dann gross genug, damit diese durch ihren Auftrieb im Luftabscheider 27 aufsteigen können. Der vergrösserte Querschnitt des Luftabscheiders 27 kann auch mit einem porösen, hydrophoben Medium gefüllt sein. Dieses verzögert die Blasen und fördert deren Zusammenwachsen. Die Blasen steigen dann rascher im Luftabscheider 27 auf, wo sie abgeschieden werden. Die entgaste Flüssigkeit wird schliesslich über eine Rückführleitung 28 der Ableitung bzw. Vorlaufleitung 13 des Kollektorfeldes zugeführt. Die zur Kühlung abgezweigte Flüssigkeit wird ebenfalls über eine Anschlussleitung 23 der Ableitung bzw. Vorlaufleitung 13 des Kollektorfeldes zugeführt.
Der Entgaser-Kollektor IIa wird, bezogen auf die Kollektorfläche, mit einem geringeren spezifischen Durchsatz durchströmt als die übrigen Solarkollektoren. Dadurch wird ein grösserer Temperaturhub erreicht. Dieser reicht aus, um die Löslichkeit hinreichend abzusenken und/oder einen Teil der Flüssigkeit zu verdampfen. Der hinreichend niedrige spezifische Durchsatz kann durch mehrere Massnahmen allein oder in Kombination erreicht werden:
• Kleinerer Querschnitt der Absorberrohre,
• grössere Länge der Absorberrohre,
• Verbindungsleitungen zwischen den Zu- und Ableitungen und dem Absorber mit kleinen Querschnitten.
Die Figur 3 zeigt die zweite bevorzugte Ausführungsform des Entgaser- Kollektors IIb. Bei dieser wird der Austritt des Kühlers 22 nicht in die Ableitung bzw. Vorlaufleitung 13 sondern über eine Anschlussleitung 31 in die Zuleitung bzw. Rücklaufleitung 12 geführt. Der erforderliche Durchsatz durch den Kühler 22 wird dadurch erreicht, dass in der Rücklaufleitung 12 zwischen dem vor- und rücklaufseitigen Kühleranschluss eine Drossel 32 angeordnet ist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Leitungsquerschnitte des Kühlkanals (Sekundär¬ kammer 26) und der Zuleitungen so auszulegen, dass der Druckverlust in der Zuleitung bzw. Rücklaufleitung 12 des Kollektorfeldes zwischen dem vor- und rücklaufseitigen Kühleranschluss allein ausreicht, um die Strömung durch die Sekundärkammer 26 des Kühlers 22 anzutreiben.
Ein Kollektorfeld besteht meist aus mehreren Solarkollektoren, die über Verteil- und Sammelleitungen parallelgeschaltet sind. Solarkollektoren können auch als Serieschaltungen oder in einer Kombination von Serie- und Parallelschaltung angeordnet sein. Ein Solarkollektor (oder mehrere) sind als Entgaser-Kollektor ausgebildet. Diese sind vorzugsweise parallel zu den anderen Solarkollektoren geschaltet.
Fig. 4 zeigt den Entgaser-Kollektor IIa nach Fig. la, der über eine gemeinsame Zuleitung bzw. Rücklaufleitung 12 und eine gemeinsame Ableitung bzw. Vorlaufleitung 13 mit einem Solarkollektor ll.n parallel geschaltet ist. Fig. 4 zeigt den Entgaser-Kollektor IIa mit Blickrichtung senkrecht auf den Absorber, der neben einem Solarkollektor ll.n angeordnet ist und über ein gemeinsame Zuleitung bzw. Rücklaufaufleitung 12 und Ableitung bzw. Vorlaufleitung 13 parallel geschaltet ist. Der Kühler 22 liegt deutlich unterhalb des Bereiches, der bei Stagnation permanent von Dampf erreicht wird. Fig. 5 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform des Entgaser-Kollektors 11c. Hier besteht der Kühler aus einer einzigen Kammer, dem Mischbehälter 33. Der Mischbehälter 33 ist über Bypassleitungen bzw. Anschlussleitungen 24 und 31 mit der Zuleitung bzw. Rücklaufleitung 12 des Kollektorfeldes verbunden. Durch den Druckabfall in der Zuleitung zwischen den Anschlusspunkten der Bypassleitungen 24, 31 wird eine hinreichende Durchströmung der Mischkammer 33 erreicht. Die Fliessrichtung in der Zuleitung wird vorzugsweise so gewählt (siehe Pfeile in Fig. 5), dass sich in der Mischkammer 33 eine Fliessrichtung in Richtung Luftabscheider 27 einstellt. Die Druckverluste in den Leitungen 21, 24, 28 und 31 bzw. deren Dimensionen sind so gestaltet, dass die Temperatur der Flüssigkeit unterhalb der Sättigungstemperatur liegt.
Fig. 6 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform des Entgaser-Kollektors lld. Hier gibt der Kühler 22' die Wärme über seine Oberfläche an die Umge¬ bung ab. Zur Erhöhung der Leistungsdichte kann die Oberfläche mit Kühlrippen 34 versehen sein.
Fig. 6a stellt eine Möglichkeit dar, den Entgaser-Kollektor wie einen Solarkollektor bei dem entsprechenden Durchfluss zu betreiben. Zu diesem Zweck ist das heisse Ende des Entgaserkanals (Verbindungsleitung 21) über eine kurze By- passleitung 35 mit der Ableitung bzw. Vorlaufleitung 13 des Kollektorfeldes verbunden. Die Bypassleitung 35 kann durch ein Absperrorgan 36 blockiert werden. Bei blockierter Leitung arbeitet der Kollektor als Entgaser-Kollektor, bei geöffnetem Absperrorgan 36 arbeitet der Kollektor als Solarkollektor. Die By- passleitung 35 erzeugt einen wesentlich kleineren Druckverlust als die Leitungen 21 und 28, sodass der Durchfluss durch diese Leitungen vernachlässigt werden kann. Es ist auch denkbar, für eine vollständige Umschaltung vom Betrieb als Entgaser-Kollektor zum Solarkollektor einen Dreiwege-Hahn an der Abzweigung der Leitungen 21 und 35 einzusetzen und ein zweites Absperrorgan in die Verbindungsleitung 21 zum Kühler einzubauen.
Fig. 7 zeigt eine Variante von Fig. 5. Der Mischbehälter33' ist in Fliessrichtung nach oben geneigt, um die Förderung von Gasblasen zu unterstützen. Denkbar ist auch eine vertikale Anordnung des Mischbehälters, sodass die Strömung von unten nach oben erfolgt. Das untere Ende des Mischbehälters 33' ist über eine Verbindungsleitung 37 mit der Zuleitung bzw. Rücklaufleitung 12 und über eine Verbindungsleitung 21 mit dem heissen Ende des Entgaserkanals 19 verbunden. Der Dampf kondensiert in der Flüssigkeit der Mischkammer 33'. Die nicht kondensierbaren Gase steigen zum oberen Ende der Mischkammer 33' auf und werden von dem daran anschliessenden Luftabscheider 27 an die Umgebung abgegeben. Das durch die Beiträge der Leitungen 21 und 37 entstehende Flüssigkeitsgemisch wird anschliessend über die Rückführleitung 28 der Ableitung bzw. Rücklaufleitung 13 zugeführt. Die Druckverluste in den Leitungen 21, 28 und 37 bzw. deren Dimensionen sind so gestaltet, dass die Temperatur der Flüssigkeit unterhalb der Sättigungstemperatur liegt. Fig. 8 zeigt eine fünfte bevorzugte Ausführungsform des Entgaser-Kollektors llf. Der Kühler 22" ist an einer geeigneten Stelle in der Rücklaufleitung 12 eingesetzt. Die Sekundärkammer 26' kann durch einen Rohrabschnitt der Zuleitung bzw. Rücklaufleitung 12 gebildet sein oder zwecks Reduktion des Druckverlustes einen grösseren Querschnitt als die Zuleitung haben. Die von der zu entgasenden Flüssigkeit durchströmte Primärkammer 25' liegt dann im Hauptstrom der Zuleitung bzw. Rücklaufleitung 12. In Fig. 8 ist beispielhaft die Anordnung des Luftabscheiders 27 oberhalb der Zuleitung bzw. Rücklaufleitung 12 dargestellt. Bei Stagnation des Kollektorfeldes können die Zuleitung bzw. Rücklaufleitung 12 und damit auch der Luftabscheider 27 mit Dampf gefüllt sein. Der Luftabscheider 27 ist daher mit einer (nicht dargestellten) Absperreinrichtung zwischen Kreislauf und Entlüftungsventil versehen. Die Absperreinrichtung schliesst oberhalb einer Grenztemperatur, die unter der Sättigungstemperatur liegt. Solche Luftabscheider sind verfügbar, z.B. unter der Bezeichnung „Spirovent Autoclo- se" der Firma Spirotech.
Fig. 9 zeigt eine Variante von Fig. 3 mit- einer Drossel 32. Bei diesem Entgaser- Kollektor 11g befinden sich Kühler 22a und 22b auf beiden Seiten des Luftabscheiders 27. Dies kann vorteilhaft sein, wenn der bei Stagnation über die Leitung 28 eintretende Dampf nicht vollständig in derselben durch Wärmeverluste an die Umgebung kondensieren kann. Anstelle des zweiten Kühlers 22b kann die Leitung 28 auch durch die Umgebungsluft gekühlt werden, beispielsweise indem auf die Wärmedämmung verzichtet wird oder indem zusätzliche Kühlrippen angebracht werden.
Fig. 10 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführung. Hier ist der Entgaser-Kollektor 11h als letztes Element einer Kollektorreihe (Kollektoren ll.n) angeordnet. Der Eintritt der Primärseite bzw. Primärkammer 25 des Kühlers 22 ist unmittelbar am Austritt des Entgaserkanals 19 angeordnet. Der Austritt der Primärseite 25 ist über eine kurze Verbindungsleitung oder auch direkt mit dem Luftabscheider 27 verbunden. Die Rückführleitung 28 führt das entgaste Fluid vom Austritt des Luftabscheiders 27 zur Ableitung bzw. Vorlaufleitung 13 des Kollektorfeldes. Die Anschlussleitung 24 führt die Flüssigkeit aus der kühleren Zuleitung bzw. Rücklaufleitung 12 des Kollektorfeldes zum Eintritt in die Sekundärseite bzw. Sekundärkammer 26 des Kühlers 22. Der Austritt der Sekundärseite des Kühlers 22 ist über die Anschlussleitung 23 mit der Ableitung bzw. Vorlauf leitung 13 des Kollektorfeldes verbunden.
Fig. 11 zeigt eine Variante von Fig. 10. Der Eintritt der Sekundärseite bzw. Sekundärkammer 26 des Kühlers ist bei diesem Entgaser-Kollektor Iii unmittelbar an die Zuleitung bzw. Rücklaufleitung 12 des Kollektorfeldes angeschlossen. Der Kühler hat dieselbe Neigung wie der Entgaser-Kollektor Iii. Er kann auch vertikal angeordnet sein.
Fig. 12 zeigt eine weitere Variante des Entgaser-Kollektors 11k als Element einer Kollektorreihe. Auf die Anordnung eines ausserhalb liegenden Mischbehälters wird verzichtet. Als Mischbehälter dient hier die Ableitung bzw. Vorlaufleitung 13 des Kollektorfeldes. Der aus dem heissen Ende des Entgaserkanals 19 treten¬ de Dampf kondensiert in der durch die Ableitung bzw. Vorlaufleitung 13 strö¬ menden Flüssigkeit. Die verbleibenden nicht kondensierbaren Gase werden durch die Strömung zum Luftabscheider 27 gespült, der direkt in die Ableitung bzw. Vorlaufleitung 13 eingebaut ist. Damit das Abblasen von Dampf im Stagna¬ tionsfall verhindert wird, muss der Luftabscheider 27 mit einer wie in der Erläu¬ terung der Fig. 8 beschriebenen Absperreinrichtung versehen sein.
Fig. 13 zeigt eine abgewandelte Version der in Fig. 12 dargestellten Variante des Entgaser-Kollektors III. Als Mischbehälter dient hier ein Rohrabschnitt 39 der Ableitung bzw. Vorlaufleitung 13 des Kollektorfeldes. Der aus dem heissen Ende des Entgaserkanals 19 tretende Dampf wird zuerst in ein dünnes Innenrohr 38 geleitet, das sich im Innern des Rohrabschnittes 39 befindet. Der Rohrabschnitt 39 kann dabei durch die Ableitung bzw. Vorlaufleitung 13 selbst gebildet sein oder im Vergleich zu dieser einen grösseren Querschnitt aufweisen. Der aus dem Entgaserkanal 19 tretende Dampf kondensiert im Rohrabschnitt 39. Die verbleibenden nicht kondensierbaren Gase werden als Blasen durch die Strömung in die Ableitung bzw. Vorlaufleitung 13 gefördert und von dort zum Luftabscheider 27 gespült, der direkt in die Ableitung bzw. Vorlaufleitung 13 eingebaut ist. Damit das Abblasen von Dampf im Stagnationsfall verhindert wird, muss der Luftabscheider mit einer wie in Fig. 8 beschriebenen Absperreinrichtung versehen sein. Der Vorteil gegenüber der in Fig. 12 dargestellten Variante besteht in der allmählichen Kondensation des Dampfes im Rohrabschnitt 39. Dadurch können Kondensationsschläge vermieden werden.
Fig. 14 zeigt eine Variante des Entgaser-Kollektors lim, bei dem der Entgaserkanal bzw. das Entgaserrohr 41 und der Kühler eine Einheit bilden. Die Primärkammer des Kühlers wird durch ein Saugrohr 40 gebildet, das sich im Innern des Entgaserrohres 41 befindet. Das Entgaserrohr 41 bildet damit gleichzeitig die Sekundärkammer des Kühlers. Die Dimensionen des Entgaserrohres 41 und des Saugrohres 40 sind so bemessen, dass die gewünschte Austrittstemperatur am heissen Ende des Entgaserrohres 41erreicht wird. Das aus dem Entgaserrohr 41 tretende Gemisch aus Flüssigkeit, Dampf und nicht kondensierbaren Gasen tritt an der Eintrittsstelle 42 in die Ableitung bzw. Vorlaufleitung 13 des Kollektorfeldes ein. Zur besseren Separation der Gasphase von der Flüssigphase kann die Ableitung bzw. Vorlaufleitung 13 einen Dom 43 aufweisen, in dem sich Dampf und Gas sammeln. Das Saugrohr 40 ragt bis zum Hochpunkt der Ableitung bzw. bis zum Hochpunkt des Domes 43. Durch die Saugleitung wird das Gemisch aus Dampf und nicht kondensierbaren Gasen im Gegenstrom zum Entgaserrohr 41 in Richtung Zuleitung bzw. Rücklaufleitung 12 gefördert. Durch die dabei stattfindende Wärmeübertragung vom Saugrohr 40 an die Flüssigkeit im Entgaserrohr 41 kondensiert der Dampf, während die nicht kondensierbaren Gase als Blasen weitergefördert werden. Im Bereich des Eintritts des Entgaserrohres 41 in die Zuleitung bzw. Rücklaufleitung 12 wird das Saugrohr 40 herausgeführt. Das Saugrohr 40 wird über eine Verlängerungsleitung 44 verlängert und an einer Stelle mit dem Solarkreis verbunden, der einen hinreichend niedrigen Druck aufweist, beispielsweise die Saugseite der Pumpe.
Fig. 15 zeigt eine Variante von Fig. 14. Hier wird beim Entgaser-Kollektor lln der Dom 43 durch eine Erweiterung des Entgaserrohres 41 gebildet. Bezugszeichenliste
10 Solaranlage
ll.l.-ll.n Solarkollektor (Haupt-Wärmeübertrager)
lla-n Entgaser-Kollektor (Entgaser-Wärmeübertrager)
12 Rücklaufleitung
13 Vorlaufleitung
14 Pumpe
15 Verbraucher (Wärmetauscher)
16 Primärkreislauf
17 Kollektorgehäuse
18 Absorber
19 Kanal (Entgaserkanal)
20,21,37 Verbindungsleitung
22,22',22" Kühler
22a,b Kühler
23,24,31 Anschlussleitung (Kühler)
25,25' Primärkammer (Kühler) ,26' Sekundärkammer (Kühler)
Luftabscheider
Rückführleitung
Abdeckung (transparent)
Wärmedämmung
Drossel
,33' Mischbehälter
Kühlrippe
Bypassleitung
Absperrorgan
Innenrohr
Rohrabschnitt (Vorlaufleitung)
Saugrohr
Entgaserrohr
Eintrittsstelle
Dom
Verlängerungsleitung
Haupt-Wärmeüberträgerkanal

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Entfernen von Gasen, die in einer Wärmeträgerflüssigkeit gelöst sind, welche in einem thermischen Kreislauf (16) zirkuliert, der eine Rücklaufleitung (12) und eine Vorlaufleitung (13) sowie wenigstens einen zwischen Rücklaufleitung (12) und Vorlaufleitung (13) geschalteten Haupt- Wärmeübertrager (11.1-ll.n) umfasst, der von der Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt wird und die Wärmeträgerflüssigkeit dabei auf eine Vorlauftemperatur erwärmt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der zirkulie¬ renden Wärmeträgerflüssigkeit an der Rücklaufleitung (12) entnommen und zum Austreiben der gelösten Gase mittels wenigstens eines Entgaser- Wärmeübertragers (lla-n) auf eine Temperatur erwärmt wird, die über der Vorlauftemperatur liegt, danach abgekühlt wird, anschliessend von den ausgetriebenen Gasen, vorzugsweise mittels eines Luftabscheiders (27), befreit wird und schliesslich, insbesondere über die Vorlaufleitung (13), in den Kreislauf (16) zurückgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Entgaser- Wärmeübertrager (lla-n) verwendet wird, der dem Haupt- Wärmeübertrager (11.1-ll.n) in Aufbau und Funktion gleicht, und dass der grössere Temperaturhub dadurch erreicht wird, dass der Entgaser- Wärmeübertrager (lla-n) von der Wärmeträgerflüssigkeit mit einem geringeren spezifischen Durchsatz durchströmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der geringere spezifische Durchsatz des Entgaser-Wärmeübertragers (lla-n) durch eine Verringerung des Strömungsquerschnitts im oder zum Entgaser- Wärmeübertrager (lla-n) erzielt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Entgaser-Wärmeübertrager (lla,b,d,f,g,h,i) geschickte Wärmeträgerflüssigkeit zum Abkühlen durch einen Kühler (22, 22', 22",22a,b) geschickt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (22, 22",22a,b) eine Primärkammer (25, 25') und eine davon getrennte Sekundärkammer (26, 26') umfasst, und dass als Kühlmedium im Kühler (22, 22', 22",22a,b) Wärmeträgerflüssigkeit aus der Rücklaufleitung (12) oder Vorlaufleitung (13) verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium nach Verlassen des Kühlers (22) über die Vorlaufleitung (13) in den Kreislauf zurückgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium aus der Rücklaufleitung (12) oder Vorlaufleitung (13) in Strömungsrichtung vor einer Drosselstelle (32) entnommen und nach Verlassen des Küh- lers (22; 22a,b) hinter der Drosselstelle (32) wieder in die Rücklaufleitung (12) beziehungsweise Vorlaufleitung (13) zurückgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (22') Wärme durch Konvektion an die Umgebung abgibt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Entgaser-Wärmeübertrager (llc,e) geschickte Wärmeträger¬ flüssigkeit zum Abkühlen in einem Mischbehälter (33, 33') mit Wärmeträgerflüssigkeit aus der Rücklaufleitung (12) oder Vorlaufleitung (13) ver¬ mischt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Entgaser-Wärmeübertrager (llm,n) geschickte Wärmeträgerflüssigkeit zum Abkühlen im Wärme tauschenden Gegenstrom durch den Entgaser-Wärmeübertrager (llm,n) geschickt wird.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-10, welche Vorrichtung einen thermischen Kreislauf (16) mit einer Rück¬ laufleitung (12) und einer Vorlauf leitung (13) sowie wenigstens einen zwischen Rücklaufleitung (12) und Vorlaufleitung (13) geschalteten Haupt- Wärmeübertrager (11.1-ll.n) umfasst, der von der Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt wird und die Wärmeträgerflüssigkeit dabei auf eine Vorlauf¬ temperatur erwärmt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Rücklauflei- tung (12) und Vorlaufleitung (13) wenigstens ein Entgaser- Wärmeübertrager (lla-n) geschaltet ist, welcher so dimensioniert ist, dass er die durch ihn strömende Wärmeträgerflüssigkeit auf eine Temperatur erwärmt, die höher ist als die Vorlauftemperatur, und dass erste Mittel (22, 22', 22", 22a,b; 33, 33', 38. 39) zur Abkühlung der aus dem Entgaser- Wärmeübertrager (lla-n) austretenden Wärmeträgerflüssigkeit und zweite Mittel (27) zum Abtrennen von Gasen aus der abgekühlten Wärmeträgerflüssigkeit vorgesehen sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Entgaser- Wärmeübertrager (lla-n) und Haupt-Wärmeübertrager (11.1-ll.n) in Aufbau und Funktion gleich sind, und dass der grössere Temperaturhub dadurch erreicht wird, dass der Entgaser-Wärmeübertrager (lla-n) von der Wärmeträgerflüssigkeit mit einem geringeren spezifischen Durchsatz durchströmt wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet dadurch, dass zur Errei¬ chung des grösseren Temperaturhubs die Strömung durch den Entgaser- Wärmeübertrager (lla-n) gegenüber dem Haupt-Wärmeübertrager (11.1- ll.n) gedrosselt ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Drosselung der Strömung Strömungsdrosseln vorgesehen sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Haupt- Wärmeübertrager (11.1-ll.n) Haupt-Wärmeübertragerkanäle (45) aufweist, dass der Entgaser-Wärmeübertrager (lla-n) Entgaserkanäle (19) aufweist, und dass zur Drosselung der Strömung der Strömungsquerschnitt der Entgaserkanäle (19) gegenüber den Haupt-Wärmeübertragerkanälen (45) verringert ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Haupt- Wärmeübertrager (11.1-ll.n) Haupt-Wärmeübertragerkanäle (45) aufweist, dass der Entgaser-Wärmeübertrager (lla-n) Entgaserkanäle (19) aufweist, und dass zur Drosselung der Strömung die Länge der Entgaserkanäle (19) gegenüber den Haupt-Wärmeübertragerkanälen (45) vergrössert ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnehmende Oberfläche des Entgaser-Wärmeübertragers (lla-n) gegenüber der des Haupt-Wärmeübertragers (11.1-ll.n) vergrössert ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-17, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel einen Kühler (22, 22', 22", 22a,b) umfassen, welcher von der aus dem Entgaser-Wärmeübertrager (lla-n) austretenden Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt wird.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (22') zur konvektiven Abgabe von Wärme an die Umgebung ausgebildet ist, und insbesondere aussen angeordnete Kühlrippen (34) aufweist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (22, 22") eine Primärkammer (25, 25') für die zu kühlende Wärmeträgerflüssigkeit und eine Sekundärkammer (26, 26') für das Kühlmedium aufweist, dass der Eingang der Primärkammer (25, 25') mit dem Ausgang des Entgaser-Wärmeübertragers (lla-n) verbunden ist, und der Ausgang der Primärkammer (25, 25') mit der Vorlaufleitung (13) in Verbindung steht.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ausgang der Primärkammer (25, 25') und der Vorlaufleitung (13) ein Luftabscheider (27) angeordnet ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (22a,b) zwei getrennte Kühler (22a,b) umfasst, und dass zwischen den beiden Kühlern (22a,b) ein Luftabscheider (27) angeordnet ist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20-22, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang der Sekundärkammer (26, 26') an die Rücklaufleitung (12) und der Ausgang an die Vorlaufleitung (13) angeschlossen sind.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20-22, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rücklaufleitung (12) oder Vorlaufleitung (13) eine Drossel (32) angeordnet ist, und dass der Eingang der Sekundärkammer (26) stromaufwärts der Drossel (32) und der Ausgang stromabwärts der Drossel (32) an die Rücklaufleitung (12) bzw. Vorlaufleitung (13) angeschlossen sind.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20-22, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang und der Ausgang der Sekundärkammer (26) an verschiedenen Punkten an die Rücklaufleitung (12) oder Vorlaufleitung (13) angeschlossen sind, derart, dass der Druckverlust in der jeweiligen Leitung die Strömung durch die Sekundärkammer (26, 26') des Kühlers (22, 22") antreibt.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-17, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel einen Misch behälter (33, 33') umfassen, in welchem die durch den Entgaser-Wärmeübertrager (llc,e) geschickte Wärmeträgerflüssigkeit zum Abkühlen mit Wärmeträgerflüssigkeit aus der Rücklaufleitung (12) oder Vorlaufleitung (13) vermischt wird.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ausgang des Mischbehälters (33, 33') und der Vorlaufleitung (13) ein Luftabscheider (27) angeordnet ist.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-17, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel ein innerhalb des Entgaserrohrs (41) des Entgaser- Wärmeübertragers (llm,n) zurückgeführtes Saugrohr (40) umfassen.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-28, dadurch gekennzeichnet, dass der Haupt-Wärmeübertrager ein Solarkollektor (11.1-ll.n) einer Solaranlage (10) ist.
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