WO2014023831A1 - Solar thermosiphon system - Google Patents

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WO2014023831A1
WO2014023831A1 PCT/EP2013/066736 EP2013066736W WO2014023831A1 WO 2014023831 A1 WO2014023831 A1 WO 2014023831A1 EP 2013066736 W EP2013066736 W EP 2013066736W WO 2014023831 A1 WO2014023831 A1 WO 2014023831A1
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WO
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separating element
volume
housing
absorber
thermosiphon system
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/066736
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German (de)
French (fr)
Inventor
Karin LUNZ
Alexander KEMP
Nelly GACHIGNARD
Uwe Clement
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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Priority to BR112015002619A priority patent/BR112015002619A2/en
Priority to EP13747677.6A priority patent/EP2883008A1/en
Priority to AU2013301468A priority patent/AU2013301468B2/en
Priority to CN201380042573.4A priority patent/CN104520652A/en
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S60/00Arrangements for storing heat collected by solar heat collectors
    • F24S60/30Arrangements for storing heat collected by solar heat collectors storing heat in liquids
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S90/00Solar heat systems not otherwise provided for
    • F24S90/10Solar heat systems not otherwise provided for using thermosiphonic circulation
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/50Energy storage in industry with an added climate change mitigation effect

Definitions

  • Solar thermosiphon system The invention relates to a solar thermosiphon system for heating a heat transfer fluid according to the preamble of claim 1.
  • a solar thermosyphon system is used to generate heat from solar energy through passive natural convection in a fluid circuit. From a surface absorbing the solar radiation, heat is transferred to a heat transfer fluid or solar fluid, which removes the heat from the absorber. Due to the temperature and density difference while a movement of the heat transfer fluid is caused without a circulation by means of a pump. As a rule, serves as a heat transfer fluid service or drinking water, which can be fed directly to another use.
  • Integrated collector storage systems in which absorber and storage volumes are integrated in one component are also called integrated collector storages.
  • Integrated collector storage systems are relatively widespread and serve, in particular in sunshine-rich countries, as a cost-effective system for heating drinking water by means of solar energy.
  • the simplest embodiment of such an integrated collector memory is formed by a black container whose black outer side absorbs the solar radiation and releases it in the form of heat to the heat transfer fluid inside the container.
  • Such an integrated collector memory is very inexpensive to produce. However, the heating is uncontrolled and relatively slow, so that warm water or warm heat transfer fluid can be tapped only after several hours of intensive irradiation.
  • the invention is based on the object to eliminate the disadvantages of the prior art and to provide a cost-manufacturable Thermosiphonsystem ready, which is very simple and therefore robust and has a good efficiency.
  • the housing which is formed in the simplest case by a black, closed tube, is thus supplemented by a separating element which divides the container volume into an absorber volume and a storage volume.
  • a separating element which divides the container volume into an absorber volume and a storage volume.
  • the housing In an operational position, the part of the housing wall adjacent to the volume of the absorber is oriented in such a way that it is exposed to solar radiation.
  • the housing can be arranged inclined with respect to a horizontal. This results in temperature and density differences between the heat transfer fluid facing the absorbing surface in the absorber volume and the heat transfer fluid arranged in the storage volume. This leads to a buoyancy flow and a mass flow of the heat transfer fluid, whereby heat is removed from the absorber volume.
  • the housing generally has an elongated, in particular cylindrical shape, wherein the separating element extends in the longitudinal direction or parallel to a central axis (longitudinal axis) of the housing.
  • the housing may also have an inlet for filling of heat transfer fluid and an outlet for tapping the heat transfer fluid, which is particularly required when heating drinking water.
  • the absorber volume is much smaller than the storage volume. This can be done in the absorber volume optimal heat transfer and thus high temperature increases, with sufficient storage capacity is provided by the relatively large storage volume. Also, in the absence of solar radiation then only a slight cooling of the heat transfer fluid is to be expected, since the storage volume can be isolated to the outside usually better than the absorber volume, and in the absorber volume is significantly less heat transfer fluid than in the storage volume.
  • the part of the housing wall adjoining the absorber volume is designed as a solar absorber.
  • the housing is made of a black plastic, other, especially metallic materials are also suitable. The housing wall thus represents a very simple absorber for sun rays. Overall, this results in a very simple, cost-effective and at the same time robust construction.
  • the storage volume and the absorber volume can be connected to one another via at least one inlet opening and at least one outlet opening.
  • the outlet opening through which the heat transfer fluid flows from the absorber volume into the storage volume should, as far as possible, be above the inlet opening in the ready-to-operate arrangement of the thermosiphon system, through which the heat transfer fluid from the storage volume returns to the absorber volume.
  • a mass flow is performed by heating in the longitudinal direction between the separator and the solar radiation facing part of the housing and from there back into the storage volume, the flow direction is clearly specified.
  • a high mass flow is advantageous for high efficiency and good stratification in the storage volume.
  • a backflow valve is arranged in the inlet opening and / or the outlet opening. The return flow valve ensures that, in the absence of solar radiation, no opposite fluid flow is formed, which would lead to a cooling of the heat transfer fluid in the housing. Rather, the heat transfer fluid can only flow through the absorber volume when it absorbs heat there.
  • the inlet and outlet opening can be formed at the respective ends of the separating element. It is also possible to make the separating element shorter in the longitudinal direction than the housing, so that the inlet opening and the outlet opening are formed by the free spaces formed between the separating element and the housing at the end faces. In any case, no connecting lines between storage volume and absorber volume are required, so that a very simple, robust construction is obtained. Also, a hydraulic resistance is kept small within the thermosiphon, which is advantageous for a high mass flow and thus high efficiency.
  • the separating element runs substantially parallel to the part of the housing adjoining the absorber volume, wherein a clear distance between the separating element and the part of the housing wall can be predetermined. With this solution, the gap height between the separating element and the housing wall and thus the absorber volume can be designed and the circulated volume flow in the absorber can be adapted to frequent or current operating and installation conditions.
  • the at least one element in particular has a predefinable height.
  • Each thermosiphon system may be a single, several or even many such elements arranged on the separating element and / or on the housing, which - optionally additionally - have the function of a reinforcing bead, a flow guiding and swirling element and / or a spacer.
  • a reinforcing bead increases the inherent rigidity of the separator and reduces unwanted shape changes, for example, during assembly or due to heat.
  • a Strömungsleit- or swirling element leads and distributes the heat transfer fluid flow along the absorber volume, breaks up laminar flows, swirls and mixes them and causes better heat transfer from the housing to the heat transfer fluid.
  • a spacer ensures the maintenance of a desired (minimum) absorber volume, a flow, a temperature and / or a volume flow.
  • the element is an element which is essentially rigid during operation of the thermosiphon system for prescribing a clear minimum distance between the separating element and the part of the housing wall.
  • a rigid element can be molded, for example, in a deep-drawing process in the flat separating element.
  • the separating element preferably extends at least partially parallel to the part of the housing adjoining the absorber volume, a distance between the separating element and the part of the housing wall being between 2 mm and 20 mm, in particular between 3 mm and 10 mm, in particular 4 mm.
  • the distance between Separating element and the housing wall has a great influence on the heat transfer from the absorber forming housing wall to the heat transfer fluid, which is located below in the absorber volume.
  • a height of the absorber volume of 2 mm to 20 mm, in particular of 4 mm represents a good compromise between increased heat losses and high temperature in the heat transfer fluid.
  • the distance can be determined for example by means of spacers, which may optionally be integrally formed with the separating element can and position the separator with respect to the housing wall.
  • the element is a height-variable (variable in length) element during operation of the thermosiphon system for changing the clear distance between the separating element and the part of the housing wall.
  • it can be an element that changes its height as a function of a temperature, so that the distance adjusts itself as a function of the temperature.
  • the height variability of the element can either be sudden in nature at a predeterminable temperature value, in particular at a setpoint temperature or switching temperature of the heat transfer fluid. Then, the change of the clear distance occurs abruptly or abruptly in the presence of a predeterminable temperature.
  • the height variability of the element can be continuous and set over a temperature interval. Then, the variation of the clear distance gradually occurs over a changing temperature.
  • the drive mode of movement of the variable-height element may be motor, hydraulic, pneumatic, magnetic, bimetallic and / or thermal.
  • the movement can be predetermined in the case of a temperature dependence via a temperature sensor - in particular in or on the thermosiphon system - and an associated control device and executed by an electric motor.
  • the movement may also be transmitted to the separating element by one or more bimetal elements, which deform under the influence of temperature and change their shape, length, angle or height.
  • the movement may also start from a special expansion element, for example a cylinder-piston arrangement filled with an expansion substance or a metal bellows, in which a gas, a liquid or a wax expands under the influence of temperature and alters a length dimension of the expansion element ,
  • a special expansion element for example a cylinder-piston arrangement filled with an expansion substance or a metal bellows, in which a gas, a liquid or a wax expands under the influence of temperature and alters a length dimension of the expansion element
  • the bimetallic elements, the expansion element as well as the temperature sensor can be arranged in the thermosiphon system in the direct or indirect sphere of influence of the heat transfer fluid.
  • Other dependencies of height variability as a temperature dependence are also conceivable, for example, a user-specified time-dependent requirement profile.
  • the distance between housing and separating element must be small, for example 2 mm to 4 mm, so that a large temperature increase per throughflow occurs along the absorber extension.
  • the large increase in temperature is accompanied by higher heat radiation losses from an external environment.
  • the distance must be large, for example 4 mm to 10 mm. This reduces the temperature increase per cycle, but at the same time also reduces the heat losses by radiation to the environment.
  • the separating element is designed as a thermal insulator.
  • the separating element may for example comprise a foamed polyethylene or polypropylene.
  • the separating element can also be designed as a closed hollow chamber profile.
  • the separator In the absence of solar radiation prevents the separator as a thermal insulator a heat transfer from the storage volume to the absorber volume and to the environment. Only the heat from the very small absorber volume is released to the environment during this time, so that compared to thermosiphon systems without separating element, the heat transfer fluid after a period without solar radiation, for example on the morning of a subsequent day, has a higher temperature.
  • the housing is formed circular-cylindrical, wherein the separating element has a C-shaped or ⁇ -shaped cross-section and is supported with its longitudinal edges on an inner wall of the housing.
  • the separating element should have a substantially curved shape about the longitudinal axis, wherein the longitudinal edges are also parallel to the longitudinal axis.
  • the shape of the separating element can thus be modeled on the shape of the large letter ⁇ of the Greek alphabet.
  • the separator can then relatively easily within the Housing can be placed, which is for example designed as a tube, with no additional fasteners are required.
  • a press fit may be used. Frequently, however, the friction between the longitudinal edges and the inner wall for a secure hold of the separating element is already sufficient.
  • a secure support of the separating element on the housing inner wall with simultaneous sealing between the absorber volume and storage volume can take place.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a solar thermosiphon system
  • Figure 2 a cross section through the thermosiphon system and Figure 3: a perspective view of a separating element.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of a solar thermosiphon system 1.
  • the thermosiphon system 1 is designed as an integrated collector storage and has a closed at its end faces, tubular housing 2, in which a container volume 3 is formed.
  • a separating element 4 which is associated with an upwardly directed portion 10 of the housing wall 5, which serves as an absorber, the container volume 3 is divided into an absorber volume 6 and a storage volume 7.
  • the absorber volume 6 and the storage volume 7 are connected via an inlet opening 8 and an outlet opening 9 with each other.
  • thermosyphon system 1 is arranged in an operational position at an angle (for example 10 ° ⁇ angle ⁇ 90 °) to a horizontal.
  • a return flow valve 1 1 is arranged, which is formed for example as a duckbill valve.
  • the return flow valve 1 1 prevents a reversal of the flow direction, for example, overnight, when no solar radiation hits the housing wall 5 and the absorber surface.
  • the absorber volume 6 is much smaller than the storage volume 7. This results in optimal heat transfer at low heat transfer losses with a high temperature increase of the heat transfer fluid in the absorber volume. 6
  • thermosiphon system 1 thus comes with very few components and is therefore simple and robust.
  • the separating element 4 runs essentially parallel to the part 10 of the housing wall 5 adjoining the absorber volume 6 and forms the absorber volume 6 by its areal extent in the longitudinal and circumferential direction and by the clearance (gap height) between the separating element 4 and the part 10 of the housing wall 5 out.
  • the measure of the clear distance corresponds to the length of the element 14 and can be specified.
  • This element 14 may be a relative to the separator 4 and / or the part 10 of the housing wall 5 protruding and / or a connected thereto and / or an integrally molded element 14 and serves to specify the clear distance. Shown in the figure 1 are two rod-shaped elements 14 at the lower and upper end of the separating element 4.
  • the at least one element 14 may be a rigid, during operation of the Thermosiphonsystems be invariable element and set the clear distance as a minimum distance between the separator 4 and the part 10 of the housing wall 5 fixed.
  • the at least one element 14 may be a variable-length (variable-length) element 14 during operation. With a change in the height or the length of the element 14, the clear distance is changed and adjusted. Thus, the height of the flow gap and the size of the absorber volume is changed and adjusted. Not shown are eventual, the element 14 associated and its change in height or length Required actuators and / or sensors that can be located within, but also outside of the housing.
  • FIG. 2 shows the thermosiphon system in cross section.
  • the housing 2 is formed circular cylindrical, so for example by a black plastic pipe.
  • the upper half of the housing 2 in this case represents the part 10 of the housing wall 5, which serves as an absorber surface and on which the solar radiation, which is symbolized by arrows, acts.
  • the separating element 4 which is designed as a thermal insulator, the absorber volume 6 is separated from the storage volume 7, wherein a fluid-conducting connection between the absorber volume 6 and the storage volume 7 is provided only on narrow sides of the thermosyphon system 1, as shown in Fig.
  • the separating element 4 has an ⁇ -shaped cross-section and is supported by its longitudinal edges 12, 13 on the inner wall of the housing wall 5. This results in a positioning of the separating element within the circular cylindrical housing 2 and at the same time a seal between the absorber volume 6 and storage volume 7, wherein a particularly high density is not required.
  • At least one element 14 in the form of a spacer for example, a rigid in operation, invariable vertical extent (longitudinal extension) of 4 mm and thus a corresponding height of the absorber volume. 6 are defined.
  • a spacer for example, a rigid in operation, invariable vertical extent (longitudinal extension) of 4 mm and thus a corresponding height of the absorber volume. 6
  • the elements 14 can also take over the function of flow guide elements and / or Strömungsverwirungsungsettin and swirl the flow of the heat transfer fluid through the absorber volume for a more effective heat absorption.
  • the separating element 4 can be radially compressed slightly when inserting over the longitudinal edges 12, 13 and the spacer or spacers 14, so that a frictional and non-positive arrangement of the separating element 4 takes place within the housing 2 and the separating element 4 play and rattle within of the housing 2 is held. Additional fasteners are not required.
  • Figure 3 shows a perspective view of a C-shaped separating element 4 with a plurality of rigid elements 14 which are arranged over the planar extension of the separating element 4 in the longitudinal and circumferential directions.
  • thermosiphon system represents an integrated collector memory, wherein a housing is divided by a passive component, namely a separating element, into an absorber volume and a storage volume, wherein the absorber volume is much smaller than the storage volume.
  • the housing is formed as a black tube, wherein a part of the housing wall, which is adjacent to the absorber volume, constitutes a solar absorber.
  • the principle can also be used for example in so-called Sydney vacuum glass tubes, wherein the housing represents the inner tube of the vacuum glass tube.
  • thermosiphon system has a very simple structure and yet a relatively high efficiency.
  • By separating the separation element takes place between absorber volume and storage volume.
  • a targeted, layered heat distribution in the storage volume and at the same time heating of the heat transfer fluid in the absorber volume is achieved at relatively high temperatures.
  • thermosiphon has a very low hydraulic resistance, since no additional lines between the storage volume and absorber volume must be provided, but a fluid flow can easily pass through openings in the separator or by gaps on the narrow sides between the separator and the housing. By one or more spacers can thereby position the separating element independently within the housing and optionally held non-positively. Overall, this results in an optimized and controlled heat input through a defined fluid management and a time earlier availability of heated heat transfer fluid such as warm water. At the same time, storage downtime heat losses are minimized.

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Abstract

The invention relates to a solar thermosiphon system (1) for heating water, comprising a housing (2), in which a tank volume (3) is formed. The object of the invention is to provide a low-cost and robust thermosiphon system with high efficiency. The thermosiphon system (1) according to the invention is characterized in that in the housing (2) there is arranged a separating element (4), which separates the tank volume (3) into an absorber volume (6) and a reservoir volume (7), wherein the absorber volume (6) is arranged geodetically above the reservoir volume (7) in the operationally ready state of the thermosiphon system (1).

Description

BESCHREIBUNG  DESCRIPTION
Solares Thermosiphonsystem Die Erfindung betrifft ein solares Thermosiphonsystem zur Erwärmung eines Wärmeträgerfluids nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 . Solar thermosiphon system The invention relates to a solar thermosiphon system for heating a heat transfer fluid according to the preamble of claim 1.
Ein solares Thermosiphonsystem dient zur Wärmegewinnung aus Sonnenenergie durch eine passive natürliche Konvektion in einem Fluidkreislauf. Von einer die Sonnenstrahlen absorbierenden Oberfläche erfolgt eine Wärmeübertragung auf ein Wärmeträgerfluid bzw. Solarfluid, das die Wärme vom Absorber abtransportiert. Auf Grund des Temperatur- und Dichteunterschieds wird dabei eine Bewegung des Wärmeträgerfluides hervorgerufen, ohne dass eine Umwälzung mittels einer Pumpe erfolgt. In der Regel dient als Wärmeträgerfluid Brauch- oder Trinkwasser, das direkt einer weiteren Verwendung zugeführt werden kann. A solar thermosyphon system is used to generate heat from solar energy through passive natural convection in a fluid circuit. From a surface absorbing the solar radiation, heat is transferred to a heat transfer fluid or solar fluid, which removes the heat from the absorber. Due to the temperature and density difference while a movement of the heat transfer fluid is caused without a circulation by means of a pump. As a rule, serves as a heat transfer fluid service or drinking water, which can be fed directly to another use.
Thermosiphonsysteme, bei denen Absorber- und Speichervolumen in einem Bauteil integriert sind, werden auch integrierte Kollektorspeicher genannt. Integrierte Kollektorspeicher sind relativ weit verbreitet und dienen insbesondere in sonnenscheinreichen Ländern als kostengünstiges System zur Erwärmung von Trinkwasser mittels Solarenergie. Thermosiphon systems in which absorber and storage volumes are integrated in one component are also called integrated collector storages. Integrated collector storage systems are relatively widespread and serve, in particular in sunshine-rich countries, as a cost-effective system for heating drinking water by means of solar energy.
Die einfachste Ausführung eines derartigen integrierten Kollektorspeichers wird durch einen schwarzen Behälter gebildet, dessen schwarze Außenseite die Sonnenstrahlung absorbiert und in Form von Wärme an das im Inneren des Behälters befindliche Wärmeträgerfluid abgibt. Ein derartiger integrierter Kollektorspeicher ist sehr kostengünstig herstellbar. Die Erwärmung verläuft aber unkontrolliert und relativ langsam, so dass warmes Wasser bzw. warmes Wärmeträgerfluid erst nach mehreren Stunden intensiver Einstrahlung gezapft werden kann. The simplest embodiment of such an integrated collector memory is formed by a black container whose black outer side absorbs the solar radiation and releases it in the form of heat to the heat transfer fluid inside the container. Such an integrated collector memory is very inexpensive to produce. However, the heating is uncontrolled and relatively slow, so that warm water or warm heat transfer fluid can be tapped only after several hours of intensive irradiation.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, die Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen und ein kostengünstig herstellbares Thermosiphonsystem bereit zu stellen, das sehr einfach aufgebaut und dementsprechend robust ist und einen guten Wirkungsgrad aufweist. The invention is based on the object to eliminate the disadvantages of the prior art and to provide a cost-manufacturable Thermosiphonsystem ready, which is very simple and therefore robust and has a good efficiency.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, ein Trennelement im Gehäuse anzuordnen, dass das Behältervolumen in ein Absorbervolumen und ein Speichervolumen trennt, wobei das Absorbervolumen zumindest an einen Teil einer Gehäusewand angrenzt. According to the invention, this object is achieved with the features of patent claim 1. Advantageous developments can be found in the dependent claims. According to the invention, it is provided to arrange a separating element in the housing that separates the container volume into an absorber volume and a storage volume, wherein the absorber volume is adjacent at least to a part of a housing wall.
Das Gehäuse, das im einfachsten Fall durch ein schwarzes, geschlossenes Rohr gebildet ist, wird also durch ein Trennelement ergänzt, das das Behältervolumen in ein Absorbervolumen und ein Speichervolumen aufteilt. In betriebsbereiter Aufstellung ist der Teil der Gehäusewand, der an das Absorbervolumen angrenzt, derartig ausgerichtet, dass es einer Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist. Dafür kann das Gehäuse gegenüber einer Horizontalen geneigt angeordnet sein. Damit kommt es zu Temperatur- und Dichteunterschieden zwischen dem der absorbierenden Oberfläche zugewandten Wärmeträgerfluid im Absorbervolumen und dem im Speichervolumen angeordneten Wärmeträgerfluid. Dies führt zu einer Auftriebsströmung und einem Massenstrom des Wärmeträgerfluids, wodurch Wärme vom Absorbervolumen abtransportiert wird. Dafür stehen das Absorbervolumen und das Speichervolumen in einer fluidleitenden Verbindung, wobei zumindest ein Vorlauf und ein Rücklauf für einen geschlossenen Kreislauf vorgesehen sind. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Absorbervolumen bzw. das Trennelement in einem Winkel zur Horizontalen ausgerichtet ist, so dass erwärmtes Wärmeträgerfluid im Absorbervolumen aufsteigen und im Speichervolumen absinken kann. Dabei ist auch eine vertikale Ausrichtung möglich. Das Gehäuse weist in der Regel eine längliche, insbesondere zylindrische Form auf, wobei sich das Trennelement in Längsrichtung bzw. parallel zu einer Mittelachse (Längsachse) des Gehäuses erstreckt. Das Gehäuse kann dabei auch einen Einlass zum Einfüllen von Wärmeträgerfluid und einen Auslass zum Abzapfen des Wärmeträgerfluids aufweisen, was insbesondere bei einer Erwärmung von Trinkwasser erforderlich ist. The housing, which is formed in the simplest case by a black, closed tube, is thus supplemented by a separating element which divides the container volume into an absorber volume and a storage volume. In an operational position, the part of the housing wall adjacent to the volume of the absorber is oriented in such a way that it is exposed to solar radiation. For this, the housing can be arranged inclined with respect to a horizontal. This results in temperature and density differences between the heat transfer fluid facing the absorbing surface in the absorber volume and the heat transfer fluid arranged in the storage volume. This leads to a buoyancy flow and a mass flow of the heat transfer fluid, whereby heat is removed from the absorber volume. This is the absorber volume and the storage volume in a fluid-conducting connection, wherein at least one flow and a return are provided for a closed circuit. It is advantageous if the absorber volume or the separating element is aligned at an angle to the horizontal, so that heated heat transfer fluid ascend in the absorber volume and can fall in the storage volume. In this case, a vertical alignment is possible. The housing generally has an elongated, in particular cylindrical shape, wherein the separating element extends in the longitudinal direction or parallel to a central axis (longitudinal axis) of the housing. The housing may also have an inlet for filling of heat transfer fluid and an outlet for tapping the heat transfer fluid, which is particularly required when heating drinking water.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Absorbervolumen sehr viel kleiner als das Speichervolumen. Dadurch kann im Absorbervolumen eine optimale Wärmeübertragung und damit starke Temperaturerhöhungen erfolgen, wobei durch das im Verhältnis große Speichervolumen eine ausreichende Speicherfähigkeit bereitgestellt wird. Auch ist bei fehlender Sonneneinstrahlung dann nur eine geringe Abkühlung des Wärmeträgerfluids zu erwarten, da das Speichervolumen nach außen in der Regel besser isoliert werden kann als das Absorbervolumen, und sich im Absorbervolumen deutlich weniger Wärmeträgerfluid befindet als im Speichervolumen. Vorzugsweise ist der an das Absorbervolumen angrenzende Teil der Gehäusewand als Solarabsorber ausgebildet. Beispielsweise ist das Gehäuse aus einem schwarzen Kunststoff hergestellt, andere, insbesondere metallische Werkstoffe sind ebenfalls geeignet. Die Gehäusewand stellt damit einen sehr einfach ausgebildeten Absorber für Sonnenstrahlen dar. Insgesamt ergibt sich damit ein sehr einfacher, kostengünstiger und gleichzeitig robuster Aufbau. In a preferred embodiment, the absorber volume is much smaller than the storage volume. This can be done in the absorber volume optimal heat transfer and thus high temperature increases, with sufficient storage capacity is provided by the relatively large storage volume. Also, in the absence of solar radiation then only a slight cooling of the heat transfer fluid is to be expected, since the storage volume can be isolated to the outside usually better than the absorber volume, and in the absorber volume is significantly less heat transfer fluid than in the storage volume. Preferably, the part of the housing wall adjoining the absorber volume is designed as a solar absorber. For example, the housing is made of a black plastic, other, especially metallic materials are also suitable. The housing wall thus represents a very simple absorber for sun rays. Overall, this results in a very simple, cost-effective and at the same time robust construction.
Das Speichervolumen und das Absorbervolumen können über mindestens eine Eingangsöffnung und mindestens eine Ausgangsöffnung miteinander verbunden sein. Die Ausgangsöffnung, durch die Wärmeträgerfluid aus dem Absorbervolumen in das Speichervolumen strömt, sollte in betriebsbereiter Anordnung des Thermosiphonsystems möglichst geodätisch oberhalb der Eingangsöffnung liegen, durch die das Wärmeträgerfluid aus dem Speichervolumen zurück ins Absorbervolumen gelangt. Damit wird ein Massenstrom durch Erwärmung in Längsrichtung zwischen dem Trennelement und dem der Sonneneinstrahlung zugewandten Teil des Gehäuses und von dort zurück in das Speichervolumen geführt, wobei die Strömungsrichtung eindeutig vorgegeben ist. Ein hoher Massenstrom ist dabei für einen hohen Wirkungsgrad und eine gute Schichtung im Speichervolumen vorteilhaft. Dabei ist besonders bevorzugt, dass in der Eingangsöffnung und/oder der Ausgangsöffnung ein Rückstromventil angeordnet ist. Durch das Rückstromventil wird sichergestellt, dass sich bei fehlender Sonneneinstrahlung keine entgegengesetzte Fluidströmung ausbildet, die zu einer Abkühlung des Wärmeträgerfluids im Gehäuse führen würde. Vielmehr kann das Wärmeträgerfluid nur dann durch das Absorbervolumen strömen, wenn es dort Wärme aufnimmt. The storage volume and the absorber volume can be connected to one another via at least one inlet opening and at least one outlet opening. The outlet opening through which the heat transfer fluid flows from the absorber volume into the storage volume should, as far as possible, be above the inlet opening in the ready-to-operate arrangement of the thermosiphon system, through which the heat transfer fluid from the storage volume returns to the absorber volume. Thus, a mass flow is performed by heating in the longitudinal direction between the separator and the solar radiation facing part of the housing and from there back into the storage volume, the flow direction is clearly specified. A high mass flow is advantageous for high efficiency and good stratification in the storage volume. It is particularly preferred that a backflow valve is arranged in the inlet opening and / or the outlet opening. The return flow valve ensures that, in the absence of solar radiation, no opposite fluid flow is formed, which would lead to a cooling of the heat transfer fluid in the housing. Rather, the heat transfer fluid can only flow through the absorber volume when it absorbs heat there.
Die Eingangs- und Ausgangsöffnung kann dabei an den jeweiligen Enden des Trennelements ausgebildet sein. Es ist auch möglich, das Trennelement in Längsrichtung kürzer zu gestalten als das Gehäuse, so dass durch den zwischen dem Trennelement und dem Gehäuse an den Stirnseiten ausgebildeten Freiräumen die Eingangsöffnung und die Ausgangsöffnung gebildet sind. In jedem Fall sind keine Verbindungsleitungen zwischen Speichervolumen und Absorbervolumen erforderlich, so dass ein sehr einfacher, robuster Aufbau erhalten wird. Auch wird ein hydraulischer Widerstand innerhalb des Thermosiphonsystems klein gehalten, was für einen hohen Massestrom und damit hohen Wirkungsgrad vorteilhaft ist. In einer bevorzugten Ausführung verläuft das Trennelement im Wesentlichen parallel zu dem an das Absorbervolumen angrenzenden Teil des Gehäuses, wobei ein lichter Abstand zwischen dem Trennelement und dem Teil der Gehäusewand vorgebbar ist. Mit dieser Lösung kann die Spalthöhe zwischen Trennelement und Gehäusewand und also das Absorbervolumen ausgelegt und der umgewälzte Volumenstrom im Absorber an häufige oder aktuelle Betriebs- und Aufstellbedingungen angepasst werden. The inlet and outlet opening can be formed at the respective ends of the separating element. It is also possible to make the separating element shorter in the longitudinal direction than the housing, so that the inlet opening and the outlet opening are formed by the free spaces formed between the separating element and the housing at the end faces. In any case, no connecting lines between storage volume and absorber volume are required, so that a very simple, robust construction is obtained. Also, a hydraulic resistance is kept small within the thermosiphon, which is advantageous for a high mass flow and thus high efficiency. In a preferred embodiment, the separating element runs substantially parallel to the part of the housing adjoining the absorber volume, wherein a clear distance between the separating element and the part of the housing wall can be predetermined. With this solution, the gap height between the separating element and the housing wall and thus the absorber volume can be designed and the circulated volume flow in the absorber can be adapted to frequent or current operating and installation conditions.
Vorzugsweise ist am Trennelement und/oder am Gehäuse, insbesondere an den dem Absorbervolumen zugewandten Oberflächen des Trennelements und/oder des Teils des Gehäuses, mindestens ein hervorstehendes und/oder mit dem Trennelement und/oder dem Gehäuse verbundenes und/oder an das Trennelement und/oder an das Gehäuse angeformtes Element zum Vorgeben des lichten Abstands zwischen dem Trennelement und dem Teil der Gehäusewand angeordnet. Dafür hat das mindestens eine Element insbesondere eine vorgebbare Höhe. Es kann sich dabei je Thermosiphonsystem um ein einzelnes, um mehrere oder auch um viele solche am Trennelement und/oder am Gehäuse angeordnete Elemente handeln, die - gegebenenfalls zusätzlich - die Funktion einer Verstärkungssicke, eines Strömungsleit- und Verwirbelungselements und/oder eines Abstandshalters haben. Eine Verstärkungssicke erhöht die Eigensteifigkeit des Trennelements und vermindert ungewollte Formänderungen zum Beispiel bei einer Montage oder aufgrund von Wärmeeinflüssen. Ein Strömungsleit- bzw. Verwirbelungselement führt und verteilt die Wärmeträgerfluidströmung entlang des Absorbervolumens, bricht laminare Strömungen auf, verwirbelt und durchmischt sie und bewirkt eine bessere Wärmeübertragung vom Gehäuse auf das Wärmeträgerfluid. Ein Abstandshalter gewährleistet die Aufrechterhaltung eines gewünschten (Mindest-) Absorbervolumens, einer Durchströmung, einer Temperatur und/oder eines Volumenstroms. Preferably, at least one projecting and / or connected to the separating element and / or the housing and / or to the separating element and / or on the housing, in particular at the absorber volume facing surfaces of the separating element and / or the part of the housing or molded onto the housing element for setting the clear distance between the separating element and the part of the housing wall arranged. For this, the at least one element in particular has a predefinable height. Each thermosiphon system may be a single, several or even many such elements arranged on the separating element and / or on the housing, which - optionally additionally - have the function of a reinforcing bead, a flow guiding and swirling element and / or a spacer. A reinforcing bead increases the inherent rigidity of the separator and reduces unwanted shape changes, for example, during assembly or due to heat. A Strömungsleit- or swirling element leads and distributes the heat transfer fluid flow along the absorber volume, breaks up laminar flows, swirls and mixes them and causes better heat transfer from the housing to the heat transfer fluid. A spacer ensures the maintenance of a desired (minimum) absorber volume, a flow, a temperature and / or a volume flow.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Element ein im Betrieb des Thermosiphonsystems im Wesentlichen starres Element zum Vorgeben eines lichten Mindestabstands zwischen dem Trennelement und dem Teil der Gehäusewand. Ein solches starres Element kann beispielsweise in einem Tiefziehverfahren in das flächige Trennelement eingeformt werden. In an advantageous embodiment, the element is an element which is essentially rigid during operation of the thermosiphon system for prescribing a clear minimum distance between the separating element and the part of the housing wall. Such a rigid element can be molded, for example, in a deep-drawing process in the flat separating element.
Vorzugsweise verläuft das Trennelement zumindest teilweise parallel zu dem an das Absorbervolumen angrenzenden Teil des Gehäuses, wobei ein Abstand zwischen dem Trennelement und dem Teil der Gehäusewand zwischen 2 mm und 20 mm, insbesondere zwischen 3 mm und 10 mm, insbesondere 4 mm beträgt. Der Abstand zwischen Trennelement und der Gehäusewand hat großen Einfluss auf die Wärmeübertragung von der den Absorber bildenden Gehäusewand auf das Wärmeträgerfluid, das sich darunter im Absorbervolumen befindet. Eine Höhe des Absorbervolumens von 2 mm bis 20 mm, insbesondere von 4 mm stellt dabei einen guten Kompromiss zwischen erhöhten Wärmeverlusten und hoher Temperatur im Wärmeträgerfluid dar. Dabei kann der Abstand beispielsweise mit Hilfe von Abstandshaltern festgelegt werden, die gegebenenfalls einstückig mit dem Trennelement ausgebildet sein können und das Trennelement bezüglich der Gehäusewand positionieren. In einer alternativen Ausgestaltung ist das Element ein im Betrieb des Thermosiphonsystems höhenveränderliches (längenveränderliches) Element zum Verändern des lichten Abstands zwischen dem Trennelement und dem Teil der Gehäusewand. Es kann insbesondere ein Element sein, das seine Höhe in Abhängigkeit einer Temperatur ändert, damit stellt sich der Abstand temperaturabhängig ein. Die Höhenveränderlichkeit des Elements kann entweder sprunghafter Art an einem vorgebbaren Temperaturwert, insbesondere an einer Solltemperatur oder Umschalttemperatur des Wärmeträgerfluids, sein. Dann erfolgt die Veränderung des lichten Abstands sprungartig oder schlagartig bei Vorliegen einer vorgebbaren Temperatur. Oder die Höhenveränderlichkeit des Elements kann stetigen Charakter haben und sich über einem Temperaturintervall einstellen. Dann erfolgt die Veränderung des lichten Abstands allmählich über einer sich ändernden Temperatur. Die Antriebsart der Bewegung des höhenveränderlichen Elements kann motorisch, hydraulisch, pneumatisch, magnetisch, bimetallisch und/oder thermisch sein. Die Bewegung kann im Falle einer Temperaturabhängigkeit über einen Temperaturfühler - insbesondere im oder am Thermosiphonsystem - und ein damit verbundenes Regelgerät vorgegeben und von einem Elektromotor ausgeführt werden. Alternativ kann die Bewegung auch von einem oder mehreren Bimetallelementen, die sich unter Temperatureinfluss verformen und ihre Form, Länge, Winkel oder Höhe ändern, auf das Trennelement übertragen werden. In einer weiteren Ausgestaltung kann die Bewegung auch von einem speziellen Ausdehnungselement, beispielsweise eine mit einem Dehnstoff gefüllte Zylinder-Kolben- Anordnung oder ein Metallbalg, ausgehen, bei dem sich ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Wachs unter Temperatureinfluss ausdehnt und ein Längenmaß des Ausdehnungselements verändert. Die Bimetallelemente, das Ausdehnungselement wie auch der Temperaturfühler können im Thermosiphonsystem im direkten oder indirekten Einflussbereich des Wärmeträgerfluids angeordnet sein. Andere Abhängigkeiten der Höhenveränderlichkeit als eine Temperaturabhängigkeit sind ebenfalls denkbar, beispielsweise ein vom Nutzer vorgegebenes zeitabhängiges Anforderungsprofil. Braucht ein Nutzer des Thermosiphonsystems innerhalb kurzer Zeit heißes Wasser, so muss der Abstand zwischen Gehäuse und Trennelement klein sein, beispielsweise 2 mm bis 4 mm, so dass sich entlang der Absorbererstreckung eine große Temperaturerhöhung pro Durchströmung einstellt. Allerdings ist die große Temperaturerhöhung einhergehend mit höheren Wärmeabstrahlungsverlusten gegenüber einer äußeren Umgebung. Braucht ein Nutzer dagegen eine hohe Übertragungseffizienz von Sonnenstrahlung auf das Wasser über den ganzen Tag hinweg gesehen, so muss der Abstand groß sein, beispielsweise 4 mm bis 10 mm. Damit wird die Temperaturerhöhung pro Umlauf verringert, gleichzeitig verringern sich aber auch die Wärmeverluste durch Abstrahlung an die Umgebung. The separating element preferably extends at least partially parallel to the part of the housing adjoining the absorber volume, a distance between the separating element and the part of the housing wall being between 2 mm and 20 mm, in particular between 3 mm and 10 mm, in particular 4 mm. The distance between Separating element and the housing wall has a great influence on the heat transfer from the absorber forming housing wall to the heat transfer fluid, which is located below in the absorber volume. A height of the absorber volume of 2 mm to 20 mm, in particular of 4 mm, represents a good compromise between increased heat losses and high temperature in the heat transfer fluid. The distance can be determined for example by means of spacers, which may optionally be integrally formed with the separating element can and position the separator with respect to the housing wall. In an alternative embodiment, the element is a height-variable (variable in length) element during operation of the thermosiphon system for changing the clear distance between the separating element and the part of the housing wall. In particular, it can be an element that changes its height as a function of a temperature, so that the distance adjusts itself as a function of the temperature. The height variability of the element can either be sudden in nature at a predeterminable temperature value, in particular at a setpoint temperature or switching temperature of the heat transfer fluid. Then, the change of the clear distance occurs abruptly or abruptly in the presence of a predeterminable temperature. Or the height variability of the element can be continuous and set over a temperature interval. Then, the variation of the clear distance gradually occurs over a changing temperature. The drive mode of movement of the variable-height element may be motor, hydraulic, pneumatic, magnetic, bimetallic and / or thermal. The movement can be predetermined in the case of a temperature dependence via a temperature sensor - in particular in or on the thermosiphon system - and an associated control device and executed by an electric motor. Alternatively, the movement may also be transmitted to the separating element by one or more bimetal elements, which deform under the influence of temperature and change their shape, length, angle or height. In a further embodiment, the movement may also start from a special expansion element, for example a cylinder-piston arrangement filled with an expansion substance or a metal bellows, in which a gas, a liquid or a wax expands under the influence of temperature and alters a length dimension of the expansion element , The bimetallic elements, the expansion element as well as the temperature sensor can be arranged in the thermosiphon system in the direct or indirect sphere of influence of the heat transfer fluid. Other dependencies of height variability as a temperature dependence are also conceivable, for example, a user-specified time-dependent requirement profile. If a user of the thermosyphon system needs hot water within a short time, the distance between housing and separating element must be small, for example 2 mm to 4 mm, so that a large temperature increase per throughflow occurs along the absorber extension. However, the large increase in temperature is accompanied by higher heat radiation losses from an external environment. On the other hand, if a user requires a high transmission efficiency of solar radiation to the water throughout the day, the distance must be large, for example 4 mm to 10 mm. This reduces the temperature increase per cycle, but at the same time also reduces the heat losses by radiation to the environment.
Bevorzugterweise ist das Trennelement als thermischer Isolator ausgebildet. Dafür kann das Trennelement beispielsweise ein geschäumtes Polyethylen oder Polypropylen aufweisen. Das Trennelement kann aber auch als geschlossenes Hohlkammerprofil ausgebildet sein. Durch eine Ausbildung des Trennelements als thermischen Isolator wird eine bessere Wärmeaufnahme während der Sonneneinstrahlung erreicht, da die Wärme vom Absorbervolumen nicht direkt an das Speicherwasser abgegeben wird, sondern zunächst das Wärmeträgerfluid im Absorbervolumen erwärmt wird. Dies führt zu einer erhöhten verfügbaren Temperatur im Absorbervolumen und damit zu einem höheren Massenstrom durch die größere temperaturbedingte Ausdehnung des Wärmeträgerfluids und schließlich zu einer besseren Temperaturschichtung im Speichervolumen. Bei fehlender Sonneneinstrahlung verhindert das Trennelement als thermischer Isolator eine Wärmeabgabe vom Speichervolumen an das Absorbervolumen und an die Umgebung. Nur die Wärme aus dem sehr kleinen Absorbervolumen wird in dieser Zeit an die Umgebung abgegeben, so dass im Vergleich zu Thermosiphonsystemen ohne Trennelement das Wärmeträgerfluid nach einem Zeitraum ohne Sonneneinstrahlung, beispielsweise am Morgen eines Folgetages, eine höhere Temperatur aufweist. Preferably, the separating element is designed as a thermal insulator. For this purpose, the separating element may for example comprise a foamed polyethylene or polypropylene. However, the separating element can also be designed as a closed hollow chamber profile. By forming the separating element as a thermal insulator better heat absorption during solar radiation is achieved because the heat from the absorber volume is not delivered directly to the storage water, but first the heat transfer fluid is heated in the absorber volume. This leads to an increased available temperature in the absorber volume and thus to a higher mass flow due to the greater temperature-induced expansion of the heat transfer fluid and finally to a better temperature stratification in the storage volume. In the absence of solar radiation prevents the separator as a thermal insulator a heat transfer from the storage volume to the absorber volume and to the environment. Only the heat from the very small absorber volume is released to the environment during this time, so that compared to thermosiphon systems without separating element, the heat transfer fluid after a period without solar radiation, for example on the morning of a subsequent day, has a higher temperature.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Gehäuse kreiszylindrisch ausgebildet, wobei das Trennelement einen C-förmigen oder Ω-förmigen Querschnitt aufweist und sich mit seinen Längskanten an einer Innenwandung des Gehäuses abstützt. Das Trennelement soll eine im Wesentlichen um die Längsachse gekrümmte Form aufweisen, wobei die Längskanten ebenfalls parallel zur Längsachse verlaufen. Die Form des Trennelements kann also der Form des großen Buchstabens Ω des griechischen Alphabets nachempfunden sein. Das Trennelement kann dann relativ einfach innerhalb des Gehäuses platziert werden, das zum Beispiel als Rohr ausgebildet ist, wobei keine zusätzlichen Befestigungselemente erforderlich sind. Gegebenenfalls kann eine Presspassung verwendet werden. Häufig ist die Reibung zwischen den Längskanten und der Innenwandung für einen sicheren Halt des Trennelements aber bereits ausreichend. Insbesondere dann, wenn das Trennelement seitlich über eine Mittelachse des Gehäuses hinausgeht, kann eine sichere Abstützung des Trennelements an der Gehäuseinnenwand mit gleichzeitiger Abdichtung zwischen Absorbervolumen und Speichervolumen erfolgen. In an advantageous embodiment, the housing is formed circular-cylindrical, wherein the separating element has a C-shaped or Ω-shaped cross-section and is supported with its longitudinal edges on an inner wall of the housing. The separating element should have a substantially curved shape about the longitudinal axis, wherein the longitudinal edges are also parallel to the longitudinal axis. The shape of the separating element can thus be modeled on the shape of the large letter Ω of the Greek alphabet. The separator can then relatively easily within the Housing can be placed, which is for example designed as a tube, with no additional fasteners are required. Optionally, a press fit may be used. Frequently, however, the friction between the longitudinal edges and the inner wall for a secure hold of the separating element is already sufficient. In particular, when the separating element extends laterally beyond a central axis of the housing, a secure support of the separating element on the housing inner wall with simultaneous sealing between the absorber volume and storage volume can take place.
Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigt: The drawing illustrates an embodiment of the invention. It shows:
Figur 1 : einen Längsschnitt durch ein solares Thermosiphonsystem, FIG. 1 shows a longitudinal section through a solar thermosiphon system,
Figur 2: einen Querschnitt durch das Thermosiphonsystem und Figur 3: eine perspektivische Ansicht eines Trennelements. Figure 2: a cross section through the thermosiphon system and Figure 3: a perspective view of a separating element.
In Figur 1 ist ein solares Thermosiphonsystem 1 im Längsschnitt dargestellt. Das Thermosiphonsystem 1 ist als integrierter Kollektorspeicher ausgebildet und weist ein an seinen Stirnseiten geschlossenes, rohrförmiges Gehäuse 2 auf, in dem ein Behältervolumen 3 ausgebildet ist. Durch ein Trennelement 4, das einem nach oben gerichteten Teil 10 der Gehäusewand 5 zugeordnet ist, die als Absorber dient, ist das Behältervolumen 3 in ein Absorbervolumen 6 und ein Speichervolumen 7 geteilt. Das Absorbervolumen 6 und das Speichervolumen 7 stehen dabei über eine Eingangsöffnung 8 und eine Ausgangsöffnung 9 miteinander in Verbindung. FIG. 1 shows a longitudinal section of a solar thermosiphon system 1. The thermosiphon system 1 is designed as an integrated collector storage and has a closed at its end faces, tubular housing 2, in which a container volume 3 is formed. By a separating element 4, which is associated with an upwardly directed portion 10 of the housing wall 5, which serves as an absorber, the container volume 3 is divided into an absorber volume 6 and a storage volume 7. The absorber volume 6 and the storage volume 7 are connected via an inlet opening 8 and an outlet opening 9 with each other.
Durch Sonneneinstrahlung erfolgt eine Erwärmung der geodätisch oben liegenden Gehäusewand 5, die als Absorber dient. Die Wärme wird dabei von dem Teil 10 der Gehäusewand 5 an ein im Absorbervolumen 6 befindliches Wärmeträgerfluid, wobei es sich in der Regel um Trinkwasser handelt, übertragen. Aufgrund des Temperatur- und Dichteunterschiedes des im Absorbervolumen befindlichen, erwärmten Wärmeträgerfluids gegenüber dem im Speichervolumen 7 befindlichen Wärmeträgerfluid bildet sich ein Fluidkreislauf aus, der durch Pfeile symbolisiert ist. By solar radiation, a heating of the geodetically overhead housing wall 5, which serves as an absorber. The heat is transferred from the part 10 of the housing wall 5 to a heat carrier fluid located in the absorber volume 6, which is usually drinking water. Due to the temperature and density difference of the heat carrier fluid located in the absorber volume, compared to the heat transfer fluid located in the storage volume 7, a fluid circuit is formed, which is symbolized by arrows.
Damit die Strömungsrichtung eindeutig definiert ist, ist das Thermosiphonsystem 1 in Betriebsaufstellung in einem Winkel (beispielsweise 10° < Winkel < 90°) zu einer Horizontalen angeordnet. Die Ausgangsöffnung 9 ist also geodätisch hoher angeordnet als die Eingangsöffnung 8. Auch eine vertikale Anordnung (Winkel = 90°) des Thermosiphonsystems ist möglich. So that the direction of flow is clearly defined, the thermosyphon system 1 is arranged in an operational position at an angle (for example 10 ° <angle <90 °) to a horizontal. The outlet opening 9 is thus arranged geodetically higher than the input opening 8. Also, a vertical arrangement (angle = 90 °) of the Thermosiphonsystems is possible.
In der Ausgangsöffnung 9 ist ein Rückstromventil 1 1 angeordnet, das beispielsweise als Duckbill-Ventil ausgebildet ist. Das Rückstromventil 1 1 verhindert eine Umkehrung der Strömungsrichtung beispielsweise über Nacht, wenn keine Sonnenstrahlung auf die Gehäusewand 5 beziehungsweise die Absorberfläche trifft. In the outlet opening 9, a return flow valve 1 1 is arranged, which is formed for example as a duckbill valve. The return flow valve 1 1 prevents a reversal of the flow direction, for example, overnight, when no solar radiation hits the housing wall 5 and the absorber surface.
Das Absorbervolumen 6 ist sehr viel kleiner als das Speichervolumen 7. Dadurch erfolgt eine optimale Wärmeübertragung bei geringen Wärmeübertragungsverlusten mit einer hohen Temperaturerhöhung des Wärmeträgerfluids im Absorbervolumen 6. The absorber volume 6 is much smaller than the storage volume 7. This results in optimal heat transfer at low heat transfer losses with a high temperature increase of the heat transfer fluid in the absorber volume. 6
Eine Längserstreckung des Trennelements 4 ist kürzer als die Längserstreckung des Gehäuses 2, so dass die Eingangsöffnung 8 und die Ausgangsöffnung 9 durch entsprechende Spalte an den Schmalseiten des Trennelements 4 gegenüber dem Gehäuse 2 gebildet sind. Das Thermosiphonsystem 1 kommt damit mit sehr wenigen Bauelementen aus und ist dementsprechend einfach aufgebaut und robust. A longitudinal extent of the separating element 4 is shorter than the longitudinal extent of the housing 2, so that the inlet opening 8 and the outlet opening 9 are formed by corresponding gaps on the narrow sides of the separating element 4 relative to the housing 2. The thermosiphon system 1 thus comes with very few components and is therefore simple and robust.
Das Trennelement 4 verläuft im Wesentlichen parallel zu dem an das Absorbervolumen 6 angrenzenden Teil 10 der Gehäusewand 5 und bildet durch seine flächige Erstreckung in Längs- und Umfangsrichtung sowie durch den lichten Abstand (Spalthöhe) zwischen Trennelement 4 und Teil 10 der Gehäusewand 5 das Absorbervolumen 6 aus. Das Maß des lichten Abstands entspricht der Länge des Elements 14 und ist vorgebbar. Dieses Element 14 kann ein gegenüber dem Trennelement 4 und/oder dem Teil 10 der Gehäusewand 5 hervorstehendes und/oder ein damit verbundenes und/oder ein daran angeformtes Element 14 sein und dient dem Vorgeben des lichten Abstands. In der Figur 1 dargestellt sind zwei stabförmige Elemente 14 am unteren und oberen Ende des Trennelements 4. Nicht dargestellt sind eventuelle weitere über die Erstreckung in Längsund Umfangsrichtung des Trennelements 4 angeordnete Elemente 14. Das mindestens eine Element 14 kann ein starres, im Betrieb des Thermosiphonsystems unveränderliches Element sein und den lichten Abstand als Mindestabstand zwischen dem Trennelement 4 und dem Teil 10 der Gehäusewand 5 fest vorgeben. Andererseits kann das mindestens eine Element 14 ein im Betrieb höhenveränderliches (längenveränderliches) Element 14 sein. Mit einer Veränderung der Höhe bzw. der Länge des Elements 14 wird der lichte Abstand verändert und eingestellt. Damit wird auch die Höhe des Strömungsspaltes und die Größe des Absorbervolumens verändert und eingestellt. Nicht dargestellt sind eventuelle, dem Element 14 zugeordnete und zu seiner Veränderung der Höhe bzw. Länge erforderliche Aktoren und/oder Sensoren, die innerhalb, aber auch außerhalb des Gehäuses angeordnet sein können. The separating element 4 runs essentially parallel to the part 10 of the housing wall 5 adjoining the absorber volume 6 and forms the absorber volume 6 by its areal extent in the longitudinal and circumferential direction and by the clearance (gap height) between the separating element 4 and the part 10 of the housing wall 5 out. The measure of the clear distance corresponds to the length of the element 14 and can be specified. This element 14 may be a relative to the separator 4 and / or the part 10 of the housing wall 5 protruding and / or a connected thereto and / or an integrally molded element 14 and serves to specify the clear distance. Shown in the figure 1 are two rod-shaped elements 14 at the lower and upper end of the separating element 4. Not shown are any further arranged over the extension in the longitudinal and circumferential direction of the separating element 4 elements 14. The at least one element 14 may be a rigid, during operation of the Thermosiphonsystems be invariable element and set the clear distance as a minimum distance between the separator 4 and the part 10 of the housing wall 5 fixed. On the other hand, the at least one element 14 may be a variable-length (variable-length) element 14 during operation. With a change in the height or the length of the element 14, the clear distance is changed and adjusted. Thus, the height of the flow gap and the size of the absorber volume is changed and adjusted. Not shown are eventual, the element 14 associated and its change in height or length Required actuators and / or sensors that can be located within, but also outside of the housing.
Figur 2 zeigt das Thermosiphonsystem im Querschnitt. Das Gehäuse 2 ist kreiszylindrisch ausgebildet, also beispielsweise durch ein schwarzes Kunststoffrohr. Die obere Hälfte des Gehäuses 2 stellt dabei den Teil 10 der Gehäusewand 5 dar, die als Absorberfläche dient und auf die die Sonnenstrahlung, die durch Pfeile symbolisiert ist, einwirkt. Dadurch kommt es zu einer Erwärmung der Gehäusewand 5, wobei die Wärme auf das im Absorbervolumen 6 befindliche Wärmeträgerfluid übertragen wird. Durch das Trennelement 4, welches als thermischer Isolator ausgebildet ist, ist das Absorbervolumen 6 vom Speichervolumen 7 getrennt, wobei eine fluidleitende Verbindung zwischen dem Absorbervolumen 6 und dem Speichervolumen 7 nur an Schmalseiten des Thermosiphonsystems 1 vorgesehen ist, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Das Trennelement 4 weist einen Ω-förmigen Querschnitt auf und stützt sich mit seinen Längskanten 12, 13 an der Innenwandung der Gehäusewand 5 ab. Damit erfolgt eine Positionierung des Trennelements innerhalb des kreiszylindrischen Gehäuses 2 und gleichzeitig eine Abdichtung zwischen Absorbervolumen 6 und Speichervolumen 7, wobei eine besonders hohe Dichtigkeit nicht gefordert ist. FIG. 2 shows the thermosiphon system in cross section. The housing 2 is formed circular cylindrical, so for example by a black plastic pipe. The upper half of the housing 2 in this case represents the part 10 of the housing wall 5, which serves as an absorber surface and on which the solar radiation, which is symbolized by arrows, acts. This leads to a heating of the housing wall 5, wherein the heat is transferred to the heat transfer fluid located in the absorber volume 6. By the separating element 4, which is designed as a thermal insulator, the absorber volume 6 is separated from the storage volume 7, wherein a fluid-conducting connection between the absorber volume 6 and the storage volume 7 is provided only on narrow sides of the thermosyphon system 1, as shown in Fig. 1 , The separating element 4 has an Ω-shaped cross-section and is supported by its longitudinal edges 12, 13 on the inner wall of the housing wall 5. This results in a positioning of the separating element within the circular cylindrical housing 2 and at the same time a seal between the absorber volume 6 and storage volume 7, wherein a particularly high density is not required.
Zwischen dem das Absorbervolumen begrenzenden Teil 10 der Gehäusewand 5 und dem Trennelement 4 ist ferner mindestens ein Element 14 in Form eines Abstandshalters vorgesehen, der beispielsweise eine im Betrieb starre, unveränderliche Höhenerstreckung (Längserstreckung) von 4 mm aufweist und damit eine entsprechende Höhe des Absorbervolumens 6 definiert. In Längs- und Umfangsrichtung können sich dabei mehrere Abstandshalter hintereinander und nebeneinander befinden. Neben der Funktion als Abstandshalter können die Elemente 14 auch die Funktion von Strömungsleitelementen und/oder Strömungsverwirbelungselementen übernehmen und die Strömung des Wärmeträgerfluids durch das Absorbervolumen für eine effektivere Wärmeaufnahme verwirbeln. Gegebenenfalls kann das Trennelement 4 beim Einsetzen auch über die Längskanten 12, 13 und den oder die Abstandshalter 14 radial leicht zusammengedrückt werden, so dass eine reib- und kraftschlüssige Anordnung des Trennelements 4 innerhalb des Gehäuses 2 erfolgt und das Trennelement 4 spiel- und klapperfrei innerhalb des Gehäuses 2 gehalten ist. Zusätzliche Verbindungselemente sind dann nicht erforderlich. Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines C-förmigen Trennelements 4 mit einer Vielzahl an starren Elementen 14, die über der flächigen Erstreckung des Trennelements 4 in Längs- und Umfangsrichtung angeordnet sind. Das erfindungsgemäße Thermosiphonsystem stellt einen integrierten Kollektorspeicher dar, wobei ein Gehäuse durch ein passives Bauteil, nämlich ein Trennelement, in ein Absorbervolumen und ein Speichervolumen geteilt ist, wobei das Absorbervolumen sehr viel kleiner als das Speichervolumen ist. In der einfachsten Ausführung ist das Gehäuse als schwarzes Rohr ausgebildet, wobei ein Teil der Gehäusewand, die dem Absorbervolumen benachbart ist, einen Solarabsorber darstellt. Das Prinzip ist aber beispielsweise auch in sogenannten Sydney-Vakuumglasröhren verwendbar, wobei das Gehäuse das Innenrohr der Vakuumglasröhre darstellt. Between the absorber volume limiting part 10 of the housing wall 5 and the separating element 4 is further provided at least one element 14 in the form of a spacer, for example, a rigid in operation, invariable vertical extent (longitudinal extension) of 4 mm and thus a corresponding height of the absorber volume. 6 Are defined. In the longitudinal and circumferential direction, several spacers can be behind each other and next to each other. In addition to the function as a spacer, the elements 14 can also take over the function of flow guide elements and / or Strömungsverwirungsungselementen and swirl the flow of the heat transfer fluid through the absorber volume for a more effective heat absorption. Optionally, the separating element 4 can be radially compressed slightly when inserting over the longitudinal edges 12, 13 and the spacer or spacers 14, so that a frictional and non-positive arrangement of the separating element 4 takes place within the housing 2 and the separating element 4 play and rattle within of the housing 2 is held. Additional fasteners are not required. Figure 3 shows a perspective view of a C-shaped separating element 4 with a plurality of rigid elements 14 which are arranged over the planar extension of the separating element 4 in the longitudinal and circumferential directions. The thermosiphon system according to the invention represents an integrated collector memory, wherein a housing is divided by a passive component, namely a separating element, into an absorber volume and a storage volume, wherein the absorber volume is much smaller than the storage volume. In the simplest embodiment, the housing is formed as a black tube, wherein a part of the housing wall, which is adjacent to the absorber volume, constitutes a solar absorber. However, the principle can also be used for example in so-called Sydney vacuum glass tubes, wherein the housing represents the inner tube of the vacuum glass tube.
Das erfindungsgemäße Thermosiphonsystem weist einen sehr einfachen Aufbau und dennoch einen relativ hohen Wirkungsgrad auf. Durch das Trennelement erfolgt dabei eine Trennung zwischen Absorbervolumen und Speichervolumen. Damit wird eine gezielte, geschichtete Wärmeverteilung im Speichervolumen und gleichzeitig eine Erwärmung des Wärmeträgerfluids im Absorbervolumen auf relativ hohe Temperaturen erreicht. Damit erfolgt eine effektive Erwärmung des Wärmeträgerfluids, so dass das erfindungsgemäße Thermosiphonsystem insbesondere als solare Trinkwassererwärmungsanlage auch in Entwicklungsländern eingesetzt werden kann. Durch den einfachen Aufbau und die geringe Anzahl an erforderlichen Elementen ist dabei eine kostengünstige Herstellung möglich, wobei das Thermosiphonsystem sehr robust ist. Dabei weist das Thermosiphonsystem einen sehr geringen hydraulischen Widerstand auf, da keine zusätzlichen Leitungen zwischen Speichervolumen und Absorbervolumen vorgesehen sein müssen, sondern ein Fluidstrom einfach durch Öffnungen im Trennelement oder durch Spalte an den Schmalseiten zwischen Trennelement und Gehäuse gelangen kann. Durch einen oder mehrere Abstandshalter kann sich dabei das Trennelement selbständig innerhalb des Gehäuses positionieren und gegebenenfalls kraftschlüssig gehalten werden. Insgesamt ergibt sich damit eine optimierte und kontrollierte Wärmeeinkopplung durch eine definierte Fluidführung und eine zeitlich frühere Verfügbarkeit vom erwärmten Wärmeträgerfluid wie warmes Wasser. Dabei werden gleichzeitig Speicherstillstandwärmeverluste minimiert. The thermosiphon system according to the invention has a very simple structure and yet a relatively high efficiency. By separating the separation element takes place between absorber volume and storage volume. Thus, a targeted, layered heat distribution in the storage volume and at the same time heating of the heat transfer fluid in the absorber volume is achieved at relatively high temperatures. This results in an effective heating of the heat transfer fluid, so that the thermosiphon system according to the invention can be used in particular as a solar drinking water heating system in developing countries. Due to the simple structure and the small number of elements required cost-effective production is possible, the thermo-siphon system is very robust. In this case, the thermosiphon has a very low hydraulic resistance, since no additional lines between the storage volume and absorber volume must be provided, but a fluid flow can easily pass through openings in the separator or by gaps on the narrow sides between the separator and the housing. By one or more spacers can thereby position the separating element independently within the housing and optionally held non-positively. Overall, this results in an optimized and controlled heat input through a defined fluid management and a time earlier availability of heated heat transfer fluid such as warm water. At the same time, storage downtime heat losses are minimized.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Solares Thermosiphonsystem (1 ) zur Erwärmung eines Wärmeträgerfluids mit einem Gehäuse (2), in dem ein Behältervolumen (3) ausgebildet ist, 1 . Solar thermosiphon system (1) for heating a heat transfer fluid with a housing (2) in which a container volume (3) is formed,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Trennelement (4) im Gehäuse (2) angeordnet ist, das das Behältervolumen (3) in ein Absorbervolumen (6) und ein Speichervolumen (7) trennt, wobei das Absorbervolumen (6) an einen Teil (10) einer Gehäusewand (5) angrenzt.  characterized in that a separating element (4) is arranged in the housing (2), which separates the container volume (3) into an absorber volume (6) and a storage volume (7), wherein the absorber volume (6) is connected to a part (10) of a Housing wall (5) adjacent.
2. Thermosiphonsystem nach Anspruch 1 , 2. Thermosiphon system according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das Absorbervolumen (6) sehr viel kleiner ist als das Speichervolumen (7).  characterized in that the absorber volume (6) is much smaller than the storage volume (7).
3. Thermosiphonsystem nach Anspruch 1 oder 2, 3. thermosiphon system according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der an das Absorbervolumen angrenzende Teil (10) der Gehäusewand (5) als Solarabsorber ausgebildet ist.  characterized in that the part adjacent to the absorber volume (10) of the housing wall (5) is designed as a solar absorber.
4. Thermosiphonsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 4. thermosiphon system according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass das Speichervolumen (7) und das Absorbervolumen (6) über mindestens eine Eingangsöffnung (8) und mindestens eine Ausgangsöffnung (9) miteinander verbunden sind,  characterized in that the storage volume (7) and the absorber volume (6) are interconnected via at least one inlet opening (8) and at least one outlet opening (9),
5. Thermosiphonsystem nach Anspruch 4, 5. Thermosiphon system according to claim 4,
dadurch gekennzeichnet, dass in der Eingangsöffnung (8) und/oder der Ausgangsöffnung (9) ein Rückschlagventil (1 1 ) angeordnet ist.  characterized in that in the inlet opening (8) and / or the outlet opening (9) a check valve (1 1) is arranged.
6. Thermosiphonsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 6. Thermosiphon system according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (4) im Wesentlichen parallel zu dem an das Absorbervolumen (6) angrenzenden Teil der Gehäusewand (5) verläuft, wobei ein lichter Abstand zwischen dem Trennelement (4) und dem Teil der Gehäusewand (5) vorgebbar ist. characterized in that the separating element (4) runs substantially parallel to the part of the housing wall (5) adjoining the absorber volume (6), wherein a clear distance between the separating element (4) and the part of the housing wall (5) can be predetermined.
7. Thermosiphonsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 7. Thermosiphon system according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass am Trennelement (4) und/oder am Gehäuse (5) mindestens ein hervorstehendes und/oder mit dem Trennelement (4) und/oder dem Gehäuse (5) verbundenes und/oder an das Trennelement (4) und/oder an das Gehäuse (5) angeformtes Element (14) zum Vorgeben des lichten Abstands zwischen dem Trennelement (4) und dem Teil der Gehäusewand (5) angeordnet ist.  characterized in that on the separating element (4) and / or on the housing (5) at least one projecting and / or connected to the separating element (4) and / or the housing (5) and / or to the separating element (4) and / or to the housing (5) integrally formed element (14) for setting the clear distance between the separating element (4) and the part of the housing wall (5) is arranged.
8. Thermosiphonsystem nach Anspruch 7, 8. Thermosiphon system according to claim 7,
dadurch gekennzeichnet, dass das Element (14) ein im Betrieb des Thermosiphonsystems im Wesentlichen starres Element (14) zum Vorgeben eines lichten Mindestabstands zwischen dem Trennelement (4) und dem Teil der Gehäusewand (5) ist.  characterized in that the element (14) is an essentially rigid element (14) during operation of the thermosyphon system for prescribing a clear minimum distance between the separating element (4) and the part of the housing wall (5).
9. Thermosiphonsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 9. thermosiphon system according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (4) zumindest teilweise parallel zu dem an das Absorbervolumen (6) angrenzenden Teil der Gehäusewand (5) verläuft, wobei der lichte Abstand zwischen dem Trennelement (4) und dem Teil der Gehäusewand (5) zwischen 2 mm und 20 mm, insbesondere zwischen 3 mm und 10 mm, insbesondere 4 mm beträgt.  characterized in that the separating element (4) extends at least partially parallel to the part of the housing wall (5) adjoining the absorber volume (6), the clear distance between the separating element (4) and the part of the housing wall (5) being between 2 mm and 20 mm, in particular between 3 mm and 10 mm, in particular 4 mm.
10. Thermosiphonsystem nach Anspruch 7, 10. Thermosiphon system according to claim 7,
dadurch gekennzeichnet, dass das Element (14) ein im Betrieb des Thermosiphonsystems höhenveränderliches Element (14) zum Verändern des lichten Abstands zwischen dem Trennelement (4) und dem Teil der Gehäusewand (5) ist.  characterized in that the element (14) is a variable in height during operation of the Thermosiphonsystems element (14) for changing the clearance between the separating element (4) and the part of the housing wall (5).
1 1 . Thermosiphonsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 1 1. Thermosiphon system according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (4) als thermischer Isolator ausgebildet ist.  characterized in that the separating element (4) is designed as a thermal insulator.
12. Thermosiphonsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 12. Thermosiphon system according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse kreiszylindrisch ausgebildet ist und das Trennelement (4) einen C-förmigen oder Ω-förmigen Querschnitt aufweist und sich mit seinen Längskanten (12, 13) an der Innenwandung (10) abstützt. characterized in that the housing is formed circular cylindrical and the separating element (4) has a C-shaped or Ω-shaped cross section and with its longitudinal edges (12, 13) on the inner wall (10) is supported.
13. Thermosiphonsystem nach Anspruch 7, 13. Thermosiphon system according to claim 7,
dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (4) über eine Mittelachse des Gehäuses (2) hinausgeht.  characterized in that the separating element (4) extends beyond a central axis of the housing (2).
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