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Die Erfindung bezieht sich auf eine mit Sonnenenergie betriebene Warmwasserbereitungsanlage.
Es sind bereits verschiedene mit Sonnenenergie betriebene Anlagen zu Gewinnung von Warmwasser bekannt, die einen Wasserkreislauf aufweisen, in den ein Sonnenkollektor und ein mit einem Wärmetauscher ausgestatteter und mit Brauchwasser gespeister Boiler oder Warmwasserspeicher eingeschaltet sind. Das im Sonnenkollektor infolge Sonneneinstrahlung erwärmte Wasser, dem Frostschutzmittel beigemengt ist, wird dem Wärmetauscher mittels einer Umwälzpumpe oder durch Schwerkraftumwälzung zugeführt.
Anlagen mit Umwälzpumpe weisen in der Regel ein Ausdehnungsgefäss, Rückschlagventile, Temperaturmess- und Steuereinrichtungen sowie einen Anschluss für Fremdenergie auf und haben vor allem den Nachteil, dass die Steuereinrichtung eine gewisse Ansprechzeit hat und erst schaltet, wenn infolge einer vorbestimmten Temperaturdifferenz zwischen dem im Sonnenkollektor erhitzten Wasser und dem Brauchwasser ein Steuerimpuls abgegeben wird ; aus diesem Grund kann die Sonnenenergie im unteren Temperaturbereich der noch wirksamen Sonneneinstrahlung für die Wärmegewinnung nicht mehr genutzt werden. Schliesslich ergibt sich das Problem, dass es bei einem Strom-oder Pumpenausfall zu einer Überhitzung der Anlage kommen kann.
Der Betrieb einer Warmwasserbereitungsanlage mit Umwälzpumpe erfordert somit umfangreiche Vorkehrungen in mechanischer und steuertechnischer Hinsicht, welche die Anlage teuer und eine ständige Wartung bzw. Überwachung notwendig machen. Beispielsweise ist aus der AT-PS Nr. 321518 eine Vorrichtung zum Beheizen und Kühlen von Räumen unter Ausnutzung solarer Strahlung bekannt, bei der zumindest ein Hohlkörper im Freien angeordnet ist und mit einem Hohlkörper in Verbindung steht, der zur Raumbeheizung oder Kühlung dient. Als Wärmetransportmedium ist der Sattdampf einer Flüssigkeit, vorzugsweise ein azeotropes Gemisch mit Methanol vorgesehen.
Im Strömungskreis des Wärmetransportmediums sind eine Kondensatpumpe zur Förderung des gesammelten Kondensats in den im Freien befindlichen Hohlkörper und ein thermostatgesteuertes Ventil eingeschaltet, das geöffnet wird, wenn ein Wärmeentzug aus dem Raum gewünscht wird. Durch die Sonnenwärme verdampft das Kondensat und der Dampf strömt in den im Raum befindlichen Hohlkörper, wo die Kondensation unter Wärmefreisetzung erfolgt. Auch diese Anlage hat die schon erwähnten Nachteile, dass sie nämlich störanfällig ist und es insbesondere bei einem Strom-oder Pumpenausfall zu einer Überhitzung der Anlage kommen kann, wodurch das Wärmetransportmedium verdampft und der Dampf über ein Sicherheitsventil austritt, so dass bei Wiederinbetriebnahme der Anlage zu wenig Medium zur Verfügung steht.
Bei Anlagen, die mit Wasser als Wärmeträger nach dem Prinzip der Schwerkraftumwälzung arbeiten und den Vorteil geringer Anlage- und Wartungskosten haben, wird die Gefahr einer Über- hitzung, beispielsweise durch einen Strom-und Pumpenausfall, vorteilhaft vermieden. Anderseits ist aber der Wirkungsgrad dieser Anlagen in der Regel kleiner als bei Anlagen mit Umwälzpumpe.
Die Umwälzbewegung des Wärmeträgermediums setzt nämlich bei Wärmeeinstrahlung nur sehr träge ein und dementsprechend ist in der Anlaufphase die Wärmeabgabe im Wärmetauscher gering. Damit der Wasserkreislauf in Bewegung kommt, muss ein relativ grosser Dichteunterschied vorhanden sein, was bedeutet, dass bei niedrigen Einstrahlungstemperaturen die Anlaufzeit stark erhöht ist. Bei Anlagen mit Schwerkraftumwälzung ist es ausserdem erforderlich, dass der Speicher bzw. Boiler in einer bestimmten Höhe über dem Kollektor angeordnet wird.
Bei Sonnenenergieanlagen ist nun aber allgemein eine rasche Anpassung an geänderte Wetterbedingungen erwünscht. In dieser Hinsicht sind die bekannten, nach dem Prinzip der Schwerkraftumwälzung arbeitenden Anlagen gegenüber den mit Umwälzpumpen ausgerüsteten Anlagen im Nachteil und können die verfügbare Sonneneinstrahlung nicht in dem Masse nutzen wie die letzteren. Beide Arten von Anlagen sind schliesslich mit dem Mangel behaftet, dass ihre Lebensdauer durch die Korrosionsgefahr begrenzt ist.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine mit Sonnenenergie betriebene Warmwasserbereitungsanlage zu schaffen, welche die geschilderten Nachteile der bekannten Anlagen insbesondere hinsichtlich der Trägheit des Wärmeträgermediums vermeidet und befähigt ist, auch bei geringer Sonneneinstrahlung rasch anzusprechen und die verfügbare Strahlungswärme im grösstmöglichen Masse zu nutzen.
Gegenstand der Erfindung ist eine mit Sonnenenergie betriebene Warmwasserbereitungsanlage mit einem gegenüber der umgebenden Atmosphäre abgeschlossenen, armaturenfreien Strömungskreis für ein Wärmertransportmedium, wobei im Strömungskreis ein Sonnenenergiekollektor und ein mit
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Brauchwasser beaufschlagter Wärmetauscher eingeschaltet sind ;
diese Anlage hat die Merkmale, dass der Strömungskreis mit einem Kältemittel als Wärmetransportmedium gefüllt ist, dessen Siedepunkt bei Normaldruck unter der vorbestimmten niedrigsten Temperatur des abzugebenden Brauchwassers liegt, und dass im Strömungskreis der Ausgang des Wärmetauschers höher als zumindest das obere Ende der untersten Windung des den Sonnenenergiekollektor mäanderförmig durchsetzenden Strömungskreisabschnittes ist, wobei der Strömungskreis in einem solchen Ausmass mit dem Kältemittel gefüllt ist und unter einem derartigen Druck steht, dass die flüssige Phase des Kältemittels mindestens bei zum Ende der untersten Windung reicht.
Vorzugsweise ist der Strömungskreis mit Halogenkohlenwasserstoffverbindungen, deren Siedepunkt im Minustemperaturbereich liegt, insbesondere Difluordichlormethan, gefüllt.
Es sei noch bemerkt, dass unter der Angabe "Normaldruck" ein Druck von 760 mm Hg bei : 0 C zu verstehen ist.
Bei der erfindungsgemässen Anlage wird somit die niedrige Verdampfungstemperatur des Wärmetransportmediums ausgenutzt. In der Praxis wird eine untere Grenztemperatur für das Brauchwasser festgelegt, z. B. 15 C, und es wird dementsprechend die Anlage mit dem Wärmetransportmedium so gefüllt, dass die Verdampfungstemperatur des Wärmetransportmediums unterhalb der unteren Grenztemperatur des Brauchwassers liegt und ein Teil des Wärmetransportmediums im Strömungskreis verflüssigt ist. Der im Strömungskreis oberhalb des Flüssigkeitssumpfes verfügbare Raum ist mit dem Wärmeträgergas gefüllt.
Die vorstehend erläuterte Massnahme hat zur Folge, dass das Wärmetransportmedium bereits beim kleinsten Temperaturanstieg infolge Sonneneinstrahlung auf den Sonnenkollektor verdampft.
Der Dampf durchströmt den Wärmetauscher, wobei die Wärmeabgabe an das umgebende Brauchwasser erfolgt und das Wärmetransportmedium kondensiert. Es ergibt sich somit ein stufenlos ablaufender Kreisprozess. Sobald die Wassertemperatur im Wärmetauscher eine Höhe erreicht hat, die der Kondensationstemperatur des Wärmetransportmediums entspricht, kommt der Kreisprozess zum Stillstand.
Wird aber durch Brauchwasserentnahme bzw. Zufluss von kaltem Wasser die Temperatur im Wärmetauscher gesenkt bzw. unterschreitet sie den Kondensationspunkt des gasförmigen Wärmetransportmediums, so setzt die Kondensation wieder ein und der Kreisprozess bleibt so lange in Gang, bis die Brauchwassertemperatur den Kondensationspunkt des gasförmigen Wärmeträgermediums erreicht bzw. überschritten hat.
Bei Aussetzen der Sonneneinstrahlung hört die Verdampfung des Wärmetransportmediums auf, so dass der Kreisprozess ebenfalls zum Stillstand kommt. Die im Kreisprozess stattfindenden Vorgänge hängen somit lediglich von der Sonneneinstrahlung und der Wärmeabgabe bzw. Wärmeentnahme im Boiler ab, d. h. die Anlage arbeitet selbsttätig und erfordert keine Steuereinrichtung oder Armaturen. Die Anlage kann deshalb unabhängig vom Vorhandensein von Fremdenergie installiert und betrieben werden. Nur durch Sonneneinstrahlung gesteuert wird ein Medienumwälzeffekt erzielt, der jenen der Schwerkraftumwälzung weit übersteigt und an den der Pumpenumwälzung heranreicht.
Da der Verdampfungspunkt des Mediums mit der Einstrahlungstemperatur steigt bzw. sinkt, kann die latente Wärme genutzt werden. Besonders im Niedertemperaturbereich ist die Nutzung der Latentwärme für die Warmwassergewinnung als Vorteil gegenüber allen andern bekannten Anlagen anzusehen.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht somit darin, dass die Anlage auf kleinste Temperaturänderungen anspricht und sowohl in herstellungstechnischer als auch in betriebstechnischer Hinsicht äusserst kostengünstig ist. Sobald die Anlage mit dem Wärmetransportmedium gefüllt ist, ist sie praktisch wartungsfrei. Die Lebensdauer der Anlage ist wegen des Fehlens von Armaturen und andern bewegten Teilen sowie wegen ihrer Korrosionsfestigkeit praktisch unbegrenzt.
Spezielle Vorteile ergeben sich aus der Verwendung von Freon als Wärmeträgermedium ; dieses Gas hat nämlich den Vorteil, dass es ungiftig, unbrennbar und nicht korrodierend ist.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in welcher schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Anlage gemäss der Erfindung dargestellt ist.
Die Anlage umfasst einen in sich geschlossenen, einen Strömungskreis-l-bildenden Rohrstrang, der einen Sonnenenergiekollektor --2-- und einen Wärmetauscher --3-- durchsetzt, welcher einen Teil eines mit Brauchwasser über eine Leitung --4-- gefüllten Boilers --5-- bildet. Der
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wobei der Siedepunkt bei Normaldruck unter der niedrigsten vorgegebenen Brauchwassertemperatur, z. B. 15OC, liegt.
Wie die Zeichnung zeigt, liegt der Ausgang --6-- des Wärmetauschers --3-- im Strömungskreis höher als der Eingang --7-- des Sonnenenergiekollektors --2-- bzw. höher als die unterste Windung des Rohrstranges-l-im Sonnenenergiekollektor, so dass der zwischen dem Ausgang des Wärmetauschers --3-- und dem Eingang --7-- des Sonnenenergiekollektors --2-- gelegene Rohrstrangabschnitt-8-einen Sumpf für das flüssige Wärmetransportmedium bildet.
Sobald die Temperatur im Sonnenenergiekollektor -- 2--, der vom Rohrstrang-l-des Strö-
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transportmediums erreicht bzw. überschreitet, verdampft dieses und der Dampf strömt zum Wärme- tauscher-3--, in welchem er durch Wärmeabgabe an das Brauchwasser wieder kondensiert.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Mit Sonnenenergie betriebene Warmwasserbereitungsanlage mit einem gegenüber der umgebenden Atmosphäre abgeschlossenen, armaturenfreien Strömungskreis für ein Wärmetransportmedium, wobei im Strömungskreis ein Sonnenenergiekollektor und ein mit Brauchwasser beaufschlagter Wärmetauscher eingeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskreis (1) mit einem Kältemittel als Wärmetransportmedium gefüllt ist, dessen Siedepunkt bei Normaldruck unter der vorbestimmten niedrigsten Temperatur des abzugebenden Brauchwassers liegt, und dass im Strömungskreis (1) der Ausgang (6) des Wärmetauschers (3) höher als zumindest das obere Ende der untersten Windung des den Sonnenenergiekollektor (2) mäanderförmig durchsetzenden Strömungskreisabschnittes ist,
wobei der Strömungskreis in einem solchen Ausmass mit dem Kältemittel gefüllt ist und unter einem derartigen Druck steht, dass die flüssige Phase des Kältemittels mindestens bis zum Ende der untersten Windung reicht.
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The invention relates to a solar water heating system.
Various solar energy-operated systems for producing hot water are already known, which have a water circuit into which a solar collector and a boiler or hot water storage tank equipped with a heat exchanger and supplied with process water are switched on. The water heated in the solar collector as a result of solar radiation, to which antifreeze is added, is fed to the heat exchanger by means of a circulation pump or by gravity circulation.
Systems with a circulating pump generally have an expansion tank, check valves, temperature measuring and control devices as well as a connection for external energy and have the disadvantage above all that the control device has a certain response time and only switches when, as a result of a predetermined temperature difference, the one heated in the solar collector Water and the hot water a control pulse is given; For this reason, the solar energy in the lower temperature range of the still effective solar radiation can no longer be used for heat generation. Finally, there is the problem that the system may overheat in the event of a power or pump failure.
The operation of a water heating system with a circulating pump therefore requires extensive mechanical and control precautions, which make the system expensive and require constant maintenance and monitoring. For example, from AT-PS No. 321518 a device for heating and cooling rooms using solar radiation is known, in which at least one hollow body is arranged outdoors and is connected to a hollow body that is used for space heating or cooling. The saturated vapor of a liquid, preferably an azeotropic mixture with methanol, is provided as the heat transport medium.
In the flow circuit of the heat transport medium, a condensate pump for conveying the collected condensate into the hollow body located outdoors and a thermostatically controlled valve are switched on, which is opened when heat removal from the room is desired. The heat of the sun evaporates the condensate and the steam flows into the hollow body in the room, where the condensation takes place with the release of heat. This system also has the disadvantages already mentioned, namely that it is susceptible to faults and, in particular in the event of a power or pump failure, the system can overheat, as a result of which the heat transport medium evaporates and the steam escapes via a safety valve, so that when the system is put back into operation little medium is available.
In systems that work with water as a heat transfer medium based on the principle of gravity circulation and have the advantage of low installation and maintenance costs, the risk of overheating, for example due to a power and pump failure, is advantageously avoided. On the other hand, the efficiency of these systems is generally lower than that of systems with a circulation pump.
The circulating movement of the heat transfer medium starts only very slowly when exposed to heat and accordingly the heat output in the heat exchanger is low in the start-up phase. In order for the water cycle to move, there must be a relatively large difference in density, which means that the start-up time is greatly increased at low irradiation temperatures. In systems with gravity circulation, it is also necessary that the storage or boiler is arranged at a certain height above the collector.
In the case of solar energy systems, however, rapid adaptation to changed weather conditions is generally desirable. In this respect, the known systems operating on the principle of gravity circulation are at a disadvantage compared to the systems equipped with circulation pumps and cannot use the available solar radiation to the same extent as the latter. Ultimately, both types of systems have the defect that their service life is limited by the risk of corrosion.
The invention now aims to provide a hot water heating system operated with solar energy, which avoids the disadvantages of the known systems, in particular with regard to the inertia of the heat transfer medium, and is capable of responding quickly even with low solar radiation and using the available radiant heat to the greatest possible extent.
The invention relates to a solar water heating system with a closed against the surrounding atmosphere, armature-free flow circuit for a heat transfer medium, with a solar energy collector and a with in the flow circuit
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Hot water pressurized heat exchangers are switched on;
This system has the features that the flow circuit is filled with a refrigerant as the heat transport medium, the boiling point of which at normal pressure is below the predetermined lowest temperature of the process water to be discharged, and that in the flow circuit the output of the heat exchanger is higher than at least the upper end of the lowest turn of the Solar energy collector is meandering flow circuit section, the flow circuit is filled to such an extent with the refrigerant and is under such a pressure that the liquid phase of the refrigerant at least at the end of the lowermost turn.
The flow circuit is preferably filled with halogenated hydrocarbon compounds whose boiling point is in the sub-zero temperature range, in particular difluorodichloromethane.
It should also be noted that the term "normal pressure" means a pressure of 760 mm Hg at: 0 C.
In the plant according to the invention, the low evaporation temperature of the heat transport medium is thus used. In practice, a lower limit temperature for the domestic water is set, e.g. B. 15 C, and accordingly the system is filled with the heat transport medium so that the evaporation temperature of the heat transport medium is below the lower limit temperature of the process water and part of the heat transport medium is liquefied in the flow circuit. The space available in the flow circuit above the liquid sump is filled with the heat transfer gas.
The measure explained above has the consequence that the heat transport medium evaporates onto the solar collector even at the smallest temperature rise due to solar radiation.
The steam flows through the heat exchanger, whereby the heat is given off to the surrounding process water and the heat transfer medium condenses. The result is a continuously running cycle. As soon as the water temperature in the heat exchanger has reached a level that corresponds to the condensation temperature of the heat transport medium, the cycle stops.
However, if the temperature in the heat exchanger is reduced or the temperature falls below the condensation point of the gaseous heat transfer medium due to the removal of hot water or the inflow of cold water, the condensation starts again and the cycle continues until the hot water temperature reaches or reaches the condensation point of the gaseous heat transfer medium has exceeded.
When the sun is exposed to heat, the evaporation of the heat transfer medium stops, so that the cycle also comes to a standstill. The processes taking place in the cycle process therefore depend only on the sun's radiation and the heat emission or heat withdrawal in the boiler, i. H. the system works automatically and requires no control equipment or fittings. The system can therefore be installed and operated regardless of the presence of external energy. Controlled only by solar radiation, a media circulation effect is achieved which far exceeds that of gravity circulation and which is close to that of the pump circulation.
Since the evaporation point of the medium rises or falls with the irradiation temperature, the latent heat can be used. Especially in the low temperature range, the use of latent heat for hot water production is an advantage over all other known systems.
The main advantage of the invention is therefore that the system responds to the smallest changes in temperature and is extremely inexpensive both in terms of production technology and in terms of operation. As soon as the system is filled with the heat transfer medium, it is practically maintenance-free. The lifespan of the system is practically unlimited due to the lack of fittings and other moving parts and because of its corrosion resistance.
Special advantages result from the use of Freon as a heat transfer medium; this gas has the advantage that it is non-toxic, non-flammable and non-corrosive.
The invention is explained in more detail below with reference to the drawing, in which an embodiment of a system according to the invention is shown schematically.
The system comprises a self-contained, flow circuit l-forming pipe string that passes through a solar energy collector --2-- and a heat exchanger --3--, which part of a boiler filled with process water via a pipe --4-- --5-- forms. The
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the boiling point at normal pressure below the lowest predetermined hot water temperature, e.g. B. 15OC.
As the drawing shows, the output --6-- of the heat exchanger --3-- in the flow circuit is higher than the input --7-- of the solar energy collector --2-- or higher than the lowest turn of the pipe string -l- in the solar energy collector, so that the pipe section 8 between the outlet of the heat exchanger --3-- and the inlet --7-- of the solar energy collector --2-- forms a sump for the liquid heat transport medium.
As soon as the temperature in the solar energy collector - 2-- that of the pipe string-l-des Strö-
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reaches or exceeds the transport medium, it evaporates and the steam flows to the heat exchanger-3--, in which it condenses again by releasing heat to the process water.
PATENT CLAIMS:
1. With solar energy-operated water heating system with a closed against the surrounding atmosphere, armature-free flow circuit for a heat transfer medium, wherein in the flow circuit, a solar energy collector and a heat exchanger loaded with process water are switched on, characterized in that the flow circuit (1) is filled with a refrigerant as a heat transfer medium whose boiling point at normal pressure is below the predetermined lowest temperature of the process water to be dispensed, and that in the flow circuit (1) the outlet (6) of the heat exchanger (3) is higher than at least the upper end of the lowest turn of the flow circuit section which meanders through the solar energy collector (2) is
wherein the flow circuit is filled to such an extent with the refrigerant and is under such a pressure that the liquid phase of the refrigerant extends at least to the end of the lowest turn.