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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Absorberrohr insbesondere für Parabolrinnenkollektoren
in solarthermischen Kraftwerken nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Aus
der Praxis ist ein Absorberrohr der eingangs erwähnten Art bekannt. Bei diesem
Absorberrohr ist das zentrale Rohr aus Stahl und das Hüllrohr, durch
das konvektive Wärmeverluste
weitgehend vermieden werden sollen, aus Glas gefertigt. In dem Ringspalt
zwischen zentralem Rohr und Hüllrohr herrscht
Vakuum.
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Wegen
der deutlich unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Stahl und Glas wird das Absorberrohr eines beispielsweise 100
m langen Kollektors in Modulen zu 4 m Länge realisiert. Als Ausgleichseinrichtung
kommt an jedem Ende eines solchen Moduls von 4 m Länge ein
Faltenbalg zum Einsatz, welcher sowohl mit dem zentralen Rohr aus
Stahl als auch mit dem Glas-Hüllrohr
verlötet
ist. Nach der Verlötung
wird der Ringspalt zwischen den Rohren evakuiert. Die komplett angelieferten
Module werden dann zu einem Kollektor zusammengeschweißt. Rohrhalter
befinden sich jeweils im Bereich der Schweißnähte.
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Nachteilig
ist dabei, daß ein
Teil des Absorberrohres durch die Faltenbälge verschattet ist, so daß die entsprechenden
Abschnitte nicht zur Energieaufnahme beitragen können. Hierdurch gehen etwa
5 % der von den Kollektoren gebündelten
Strahlung ungenutzt verloren. Nachteilig ist ferner, daß das Anbringen
der Faltenbälge
und das Verbinden der einzelnen Module zu einem Absorberrohr von
100 m Länge
einen beträchtlichen
Aufwand erfordert, so daß bei
einer derartigen Anlage schon von daher mit nicht unbeträchtlichen
Investitionskosten zu rechnen ist. Module, die durch eine Undichtigkeit
ihr Vakuum verloren haben, können
im Kollektor nicht repariert werden. Dazu ist es erforderlich, das
entsprechende Modul aus dem Absorberrohr herauszutrennen und durch
eine neue Einheit zu ersetzen. Es ist klar, dass ein solcher Austausch
ebenfalls mit beträchtlichen Kosten
schon deshalb verbunden ist, als der betreffende Kollektor während der
Umrüstarbeiten
nicht zur Energieerzeugung zur Verfügung steht.
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Aus
der
US 4 307 712 ist
ein Absorberrohr bekannt, dessen Endstücke so gestaltet sind, dass darin
ein erster rohrförmiger
Isolierkörper
und ein zweiter rohrförmiger
Isolierkörper
fest eingepasst sind. In axialer Richtung schließt sich an jedes Endstück nach
außen
hin ein Druckstoßring
(thrust ring) an, welcher ein Verschieben der anderen Elemente relativ
zu den Endstücken
verhindert.
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Ein
Absorberrohr gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 ist aus der
DE 39 33 733 A1 bekannt. Dieses Absorberrohr
hat eine Ausgleichseinrichtung, bei der eine Art Überwurfmutter
auf den äußeren Abschnitt
des Füllrohres
aufgeschraubt ist. Die Überwurfmutter
ist mittels zweier Ringdichtungen gegenüber dem Kollektorrohr und mittels
einer weiteren Ringdichtung gegenüber dem Endstück des Glasrohres
abgedichtet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Absorberrohr der eingangs
erwähnten
Art zu schaffen, das wirtschaftlicher herstellbar und damit einsetzbar
ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Absorberrohr mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist die
Ausgleichseinrichtung wenigstens eine zumindest teilweise im Ringspalt
angeordnete Dichteinrichtung, welche derart angeordnet und ausgebildet
ist, dass eine Abdichtung sowohl gegenüber dem zentralen Rohr als
auch gegenüber
dem Hüllrohr
und eine axiale Relativbewegung zwischen zentralem Rohr und Hüllrohr ermöglicht ist.
Vorteilhaft ist dabei, dass sowohl das zentrale Rohr als auch das
Hüllrohr über die
Gesamtlänge des
Kollektors, wie zuvor erwähnt
etwa 100 m, letztlich durchgehend ausgeführt werden können. Damit steht
die gesamte Länge
des Absorberrohres zur Energieerzeugung zur Verfügung, so dass letztlich der Wirkungsgrad
des Absorberrohres nicht unbeträchtlich
gesteigert werden kann. Dadurch vermindern sich die ungenutzten
Strahlungsanteile; letztlich steigt dadurch auch der Gesamtwirkungsgrad
des solarthermischen Kraftwerks. Die Dichteinrichtung weist eine
Ringnut zum abdichtenden Aufnehmen eines Endes des Hüllrohres
auf. Damit ist es möglich, ein
Ende des Hüllrohres
in die Ringnut abdichtend einzuschieben, so dass das in der Ringnut
der Dichteinrichtung befindliche Ende des Hüllrohres vollständig von
der Dichteinrichtung umgeben und gehalten ist.
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Vorteilhafterweise
ist die Dichteinrichtung eine zumindest teilweise aus Viton®,
Graphit oder Teflon® oder aus einer auch nur
teilweisen Kombination dieser Materialien gefertigte Vakuumdichtung. Für den Fall,
dass eine solche Dichteinrichtung mit der Zeit undicht wird, ist
lediglich die Dichteinrichtung zu erneuern. Ein Herausflexen bestimmter
Absorberrohrabschnitte ist dazu in aller Regel nicht erforderlich.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung ist an jedem Ende des Absorberrohres
eine Dichteinrichtung vorgesehen. Damit sind die Dichteinrichtungen
in aller Regel gut zugänglich,
da zwischen den einzelnen Kollektoren in axialer Richtung genügend Platz
für Wartungsarbeiten
zur Verfügung
steht. Da für
die gesamte Kollektorlänge
lediglich zwei Dichteinrichtungen erforder lich sind, sind auch
die Investitionskosten im Vergleich zu einem herkömmlichen Absorberrohr
deutlich reduziert.
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Vorteilhafterweise
ist in der Ringnut eine durch die Dichteinrichtung und das Ende
des Hüllrohres
begrenzte Kammer zum Aufnehmen eines mit Druck beaufschlagbaren
Fluids ausgebildet. Dadurch ist es bei jeweils an den Enden eines
Absorberrohres vorgesehenen Dichteinrichtungen möglich, zentrales Rohr und Hüllrohr miteinander
auf Grund des unter Druck stehenden Fluids gegeneinander zu verspannen.
Für den
Fall, daß das
Hüllrohr,
wie später
noch erläutert
wird, aus einzelnen Rohrabschnitten besteht, können die Rohrabschnitte mit
Hilfe des unter Druck stehenden Fluids gegeneinander gedrückt werden.
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Gemäß einer
anderen Weiterbildung der Erfindung sind zwischen den Rohren mehrere,
axial voneinander beabstandete Distanzhalter vorgesehen, wobei jeder
Distanzhalter derart ausgebildet ist, daß eine Relativbewegung zwischen
Rohr und Hüllrohr
möglich
ist. Mit Hilfe der Distanzhalter lassen sich Radialkräfte von
einem Rohrhalter sicher und gezielt über das Hüllrohr auf das zentrale Rohr übertragen.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
sind die Distanzhalter vollständig
im Ringspalt angeordnet und sternförmig ausgebildet, so daß Radialkräfte über das
Hüllrohr
auf das zentrale Rohr übertragen werden
können
und dabei eine gleichmäßige Abstützung zwischen
dem zentralen Rohr und dem Hüllrohr möglich ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung weist das Hüllrohr mehrere jeweils über eine
Klemmeinrichtung miteinander verbundene Rohrabschnitte auf, wobei
jede Klemmeinrichtung eine auch als Distanzhalter ausgebildete Ringdichtung
hat. Günstig
ist dabei vor allem, daß bei
dieser Weiterbildung kein Kraftfluß mehr über das Glasrohr besteht, sondern daß das Absorberrohr über Elemente
der Klemmeinrichtung gehalten ist, so daß eine unmittelbare radiale
Krafteinwirkung zwischen Hüllrohr
und zentralem Rohr nicht auftirtt. Eine wärmebedingte Relativbewegung
zwischen zentralem Rohr und Hüllrohr
hat keinerlei Auswirkungen auf das üblicherweise aus Glas gefertigte
Hüllrohr
und kann daher deren Innenfläche auch
nicht verkratzen. Außerdem
dient die Klemmeinrichtung im Sinne einer Doppelwirkung auch zum Ausbilden
eines Distanzhalters und ist damit in der Lage, sowohl Axial- als
auch Radialkräfte
aufzunehmen.
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Vorteilhafterweise
weist jede Ringdichtung einen ersten, zwischen jeweils zwei unmittelbar
aufeinanderfolgenden Rohrabschnitten angeordneten Teil und einen
zweiten, das zentrale Rohr abstützenden
Teil auf, wobei die beiden Teile jeder Ringdichtung vorzugsweise
einstückig
miteinander verbunden sind. Damit dient die Ringdichtung einerseits
zur Abdichtung zweier Rohrabschnitte und andererseits zum Übertragen
von Radialkräften
beim Abstützen des
zentralen Rohres.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung hat jede Ringdichtung in einem radial
außen
liegenden Umfangsbereich ihres ersten Teils mehrere Durchgangsbohrungen,
durch die sich Befestigungsmittel der Klemmeinrichtung hindurcherstrecken,
und in einem radial innen liegenden Umfangsbereich ihres zweiten
Teils mehrere auf dem zentralen Rohr aufliegende Haltestege. Damit
ist die Ringdichtung auch beim Auftreten erhöhter Radialkräfte sicher
an ihrem Platz gehalten. Ein Verrutschen der Ringdichtung ist damit
praktisch ausgeschlossen.
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Gemäß einer
anderen Weiterbildung der Erfindung weist das Hüllrohr einen Anschluß für eine Vakuumpumpe
auf, mit dessen Hilfe der Ringspalt zwischen Rohr und Hüllrohr evakuierbar
ist. Ein solcher Anschluß bietet
insbesondere dann Vorteile, wenn die erfindungsgemäße Dichteinrichtung
nicht derart vakuumdicht ausgeführt
ist, daß das
Vakuum im Ringspalt über
einen längeren
Zeitraum nahezu konstant gehalten werden kann. Es ist damit möglich, eine
aktive Absaugung an dem Absorberrohr bzw. an dem betreffenden Kollektor
vorzusehen.
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Günstig ist
ferner, daß jeder
Distanzhalter in axialer Richtung gas- bzw. luftdurchlässig ist.
Dadurch ist es ausreichend, wenn pro Kollektor mit einer Länge von
beispielsweise 100 m oder in bezug auf mehrere Kollektoren lediglich
eine Vakuumpumpe installiert ist. Die Vakuumpumpe wirkt unmittelbar
auf den zwischen den Rohren bestehenden Ringspalt, dessen Länge derjenigen
des Kollektors etwa entspricht.
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Ausführungsbeispiele
des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht eines
Endes eines Absorberrohres und
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2 eine
schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht eines
Endes eines Absorberrohres
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In 1 ist
ein Ende eines Absorberrohres 1 teilweise im Schnitt schematisch
in einer Seitenansicht dargestellt. Das Absorberrohr wird beispielsweise
für Parabolrinnenkollektoren
in sofathermischen Kraftwerken eingesetzt und hat ein zentrales
Rohr 2, beispielsweise aus Stahl, mit einer horizontalen Längsachse 3.
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Ferner
zeigt 1 ein Hüllrohr 4,
das das zentrale Rohr konzentrisch umgibt, so daß zwischen dem zentralen Rohr 2 und
dem Hüllrohr 4 ein
Ringspalt 5 ausgebildet ist. Das Absorberrohr 1 hat
beispielsweise eine Länge
von 100 m. Im dem Absorberrohr 1 befindet sich ein nicht
näher gezeigtes
Wärmeträgerfluid 6,
dessen Temperatur etwa zwischen der Umgebungstemperatur in Höhe von ca.
15 °C und
einer Betriebstemperatur in Höhe
von etwa 400 °C
schwankt. Durch die unterschiedlichen Wärmedehnungen von Rohr (z.B.
Stahl) und Hüllrohr
(z.B. Glas) beträgt
die Differenz in der Ausdehnung der Rohre bei Erwärmung auf
die Betriebstemperatur im Vergleich zur Ausdehnung bei Umgebungstemperatur
bei einer Länge
des Kollektors von etwa 100 m ca. 42 cm. Bei einer Anordnung einer
Fixierung zwischen Rohr 2 und Hüllrohr 4 in der Mitte
des Kollektors (nicht gezeigt) beträgt die Differenz 8 in
der Ausdehnung zwischen Rohr 2 und Hüllrohr 4 auf jeder
Seite, d. h. an jedem Ende, etwa 21 cm.
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Dazu
sind Rohr 2 und Hüllrohr 4 mittels
einer Ausgleichseinrichtung 7 relativ zueinander verschiebbar
miteinander verbunden, wobei die Ausgleichseinrichtung 7 eine
axial verschiebbare Dichteinrichtung 10 ist, die an einem
der Rohre 2, 4, beispielsweise an dem zentralen
Rohr 2, befestigt ist, während das andere Rohr, in dem
gewählten
Beispiel das Hüllrohr 4,
auf der Dichteinrichtung 10 axial gleitend bewegbar ist.
Die Dichteinrichtung 10 ist beispielsweise auf dem zentralen
Rohr 2 aus Stahl aufgeschrumpft und gegenüber dem
Hüllrohr 4 aus
Glas verschiebbar. Vorzugsweise ist diejenige Fläche des Rohres, das sich relativ
gegenüber
der Dichteinrichtung verschiebt, an der Auflagefläche zwischen
dem betreffenden Rohr und der Dichteinrichtung poliert.
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Gemäß 1 läuft das
radial außen
liegende Ende 11 der Dichteinrichtung 10 spitz
zu. Es ist aber auch möglich,
das radial außen
liegende Ende 11 der Dichteinrichtung 10 abgerundet
auszubilden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
die Dichteinrichtung eine Vakuumdichteinrichtung, welche unter Verwendung
von Viton®,
Graphit oder Teflon® oder auch nur einer teilweisen
Kombination dieser Materialien gefertigt ist.
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Wie
in 1 dargestellt, weist das Absorberrohr 1 etwa
an seinem Ende (in 1 ist das linke Ende des Absorberrohres
gezeigt) die Dichteinrichtung 10 auf. Es ist klar, daß das gegenüberliegende, andere
Ende des Absorberrohres ebenfalls eine derartige Dichteinrichtung
aufweist.
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Mit
Bezug auf die 1 und 2 weist
die Ausgleichseinrichtung 7 wenigstens eine zumindest teilweise
im Ringspalt 5 angeordnete Dichteinrichtung 10 auf,
welche derart angeordnet und ausgebildet ist, daß eine Abdichtung sowohl gegenüber dem zentralen
Rohr 2 als auch gegenüber
dem Hüllrohr 4 und
eine axiale Relativbewegung zwischen zentralem Rohr 2 und
Hüllrohr 4 ermöglicht ist.
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In
der in 1 gezeigten Ausführung ist die Dichteinrichtung 10 eine
vollständig
im Ringspalt 5 sitzende Ringdichtung 15.
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Gemäß einer
in 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung weist
die Dichteinrichtung 10 eine Ringnut 16 zum abdichtenden
Aufnehmen eines Endes 17 des Hüllrohres 4 auf. Die
Dichteinrichtung 10 ist fest auf dem zentralen Rohr 2 gehalten.
In der Ringnut 16 befindet sich eine Kammer 20,
welche durch die Dichteinrichtung 10 und das Ende 17 des Hüllrohres 4 begrenzt
ist und zum Aufnehmen eines mit Druck beaufschlagbaren Fluids 21 ausgebildet ist.
In 2 sind die Anschlüsse zum Einleiten bzw. Abziehen
des Fluids 21 in die Kammer 20 der Einfachheit
halber weggelassen.
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Auch
bei dieser Ausführungsform
ist das Hüllrohr 4 axial
in bezug auf die Dichteinrichtung 10 und das zentrale Rohr 2 verschiebbar,
wodurch sich das Volumen der Kammer 21 verändert.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung sind zwischen den Rohren 2, 4 mehrere,
axial voneinander beabstandete Distanzhalter 12 vorgesehen, wobei
jeder Distanzhalter derart ausgebildet ist, daß eine Relativbewegung zwischen
dem zentralen Rohr 2 und dem Hüllrohr 4 möglich ist. Üblicherweise
ist diese Relativbewegung eine Gleitbewegung. Die Distanzhalter 12 gemäß 1 dienen
dazu, die von einem in 1 nicht gezeigten Rohrhalter
aufgebrachte Tragkraft in bestimmten axialen Abständen über das
Hüllrohr 4 auf
das zentrale Rohr 2 zu übertragen Die
Distanzhalter 12 sind üblicherweise
in der Nähe der
Rohrhalterpositionen vorgesehen.
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Gemäß der in 1 gezeigten
Ausführung sind
die Distanzhalter 12 vollständig im Ringspalt 5 angeordnet
und sternförmig
ausgebildet. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform
weist das Hüllrohr 4 mehrere
jeweils über
eine Klemmeinrichtung 23 miteinander verbundene Rohrabschnitte 24, 25 und 26 auf,
welche nebeneinander angeordnet sind und das Hüllrohr 4 bilden. Der
besseren Übersicht
halber sind die Rohrabschnitte 24 und 25 mittels
der Klemmeinrichtung 23 noch nicht fest miteinander verbunden,
während
die Rohrabschnitte 25 und 26 mittels der Klemmeinrichtung
fest aneinander geklemmt sind. Jeder Rohrabschnitt 24, 25 hat
an seinen beiden Enden einen Flanschwulst 27, welcher mit
Verbindungsschellen 30, einem in 2 lediglich
angedeuteten Befestigungsmittel 31, beispielsweise einer Schraubbolzen-Mutter-Verbindung, und einer
speziell ausgestalteten Ringdichtung 32 jeweils die Klemmeinrichtung 23 bildet.
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Erfindungsgemäß ist die
Ringdichtung 32 auch als Distanrhalter 12 ausgebildet,
worauf später noch
eingegangen wird.
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Jede
Ringdichtung 32 hat einen ersten, zwischen jeweils zwei
unmittelbar aufeinander folgenden Rohrabschnitten 24, 25; 25, 26 angeordneten Teil 33 und
einen zweiten, das zentrale Rohr 2 abstützenden Teil 34, wobei
die beiden Teile 33, 34 jeder Ringdichtung 32 vorzugsweise
einstückig
miteinander verbunden sind.
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Zum
Zusammenklemmen jeweils zweier Rohrabschnitte hat jede Ringdichtung 32 in
einem radial außenliegenden
Umfangsbereich ihres ersten Teils 33 mehrere Durchgangsbohrungen 35,
durch die sich die vorgenannten Befestigungsmittel 31,
in 2 jeweils ein Schraubbolzen, der Klemmeinrichtung 23 hindurcherstrecken.
Der besseren Übersicht halber
ist die Durchgangsbohrung 35 lediglich in der linken Ringdichtung 32 im
oberen Teil angedeutet. Erfindungsgemäß hat jede Ringdichtung 32 ferner
in einem radial innenliegenden Umfangsbereich ihres zweiten Teils 34 mehrere
auf dem zentralen Rohr aufliegende Haltestege 36. Auf den
Kuppen dieser Haltestege kann sich das Absorberrohr 1 durch
Wärmedehnung
bedingt schleifend hin- und herbewegen.
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1 zeigt
ferner, daß das
Hüllrohr 4 einen Anschluß 13 für eine nicht
näher gezeigte
Vakuumpumpe 14 aufweist, mit deren Hilfe der Ringspalt 5 zwischen
Rohr 2 und Hüllrohr 4 evakuierbar
ist. Der Anschluß 13 ist
in der Figur lediglich schematisch angedeutet. Dazu ist jeder Distanzhalter 12 in
axialer Richtung, wie durch den Doppelpfeil A angedeutet, gas- bzw.
luftdurchlässig.
Damit ist die Vakuumpumppe 14 in der Lage, über den
Anschluß 13 den
gesamten Ringspalt 5 zu evakuieren, dessen Länge etwa derjenigen
des Absorberrohres 1 entspricht. Es ist klar, daß zumindest
die Dichteinrichtung 10 vorzugsweise aber auch jeder Distanzhalter 12 das
zentrale Rohr 2 in Umfangsrichtung vollständig umgibt.
Der besseren Übersicht
halber ist der Distanzhalter 12 in der 1 lediglich
in dem Ringspalt und nicht auch auf der Rohrumfangsfläche angedeutet
und in der Darstellung der Dichteinrichtung 10 eine Schraffur der
im Ringspalt 5 befindlichen Teile der Dichteinrichtung
weggelassen.
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Sofern
die Dichteinrichtung 10 nicht ausreichend oder nicht ausreichend
beständig
vakuumdicht ist, kann die nicht näher gezeigte Vakuumpumpe 14 auch
eine aktive Absaugung sein und dafür vorgesehen sein, einen ausreichend
starken Unterdruck im Ringspalt 5 aufrecht zu erhalten.
Gemäß einer
nicht näher
gezeigten Ausführungsform
pumpt die Vakuumpumpe, welche durch einen Drucksensor gesteuert
wird, bei Bedarf die eingedrungenen Luftteilchen aus einem oder
mehreren Absorberrohren ab. Dabei ist die Vakuumpumpe beispielsweise über Schläuche mit
den jeweiligen Anschlüssen 13 verbunden.
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Es
wird darauf hingewiesen, daß in 2 ein Rohrhalter 22,
welcher mit einer Kollektortragestruktur 27 verbunden ist,
lediglich in bezug auf die Klemmeinrichtung 23 bzw. den
Dinstanzhalter 12 eingezeichnet ist, welche sich zwischen
den Rohrabschnitten 24 und 25 befinden. Es ist
klar, daß der
vorgenannte Rohrhalter 22 und die damit verbundene Kollektortragestruktur 27 auch
mit der Klemmeinrichtung 23 bzw. dem Distanzhalter 12 zwischen
den Rohrabschnitten 25 und 26 vorgesehen sein
kann.
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Besonders
bevorzugt wird das in der ringförmigen
Kammer 20 befindliche Fluid 21 dazu verwendet,
die Rohrabschnitte von den Enden des Absorberrohres 1 her
zusammenzudrücken,
indem das in der Kammer 20 jeder Dichteinrichtung 10 befindliche Fluid
unter Druck gesetzt wird. Das Fluid ist beispielsweise eine Hydraulikflüssigkeit.
Das in der Ringnut 16 befindliche Ende 17 des
betreffenden Rohrabschnitts 26 weist vorzugsweise polierte
Oberflächen auf.
Damit stehen erfindungsgemäß etwa 100
% der Länge
des Absorberrohres 1 zur Absorption der konzentrierten
Solarstrahlung zur Verfügung,
so daß die Effizienz
des gesamten Kollektors gegenüber
Kollektoren mit den herkömmlichen,
eingangs beschriebenen Absorberrohren um etwa 5 % erhöht ist.
Dies ermöglicht
einen besonders wirtschaftlichen Einsatz des erfindungsgemäßen Absorberrohres.
Dies gilt im wesentlichen auch für
die in 2 gezeigte Ausführungsform, da die einzelnen
Klemmeinrichtungen 23, welche etwa alle vier bis fünf Meter vorgesehen
sein können,
die Intensität
des auf das zentrale Rohr 2 eintreffenden Sonnenstrahlen
nur unwesentlich mindern.
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Damit
ist ein Absorberrohr geschaffen, welches besonders wirtschaftlich
herstellbar und einsetzbar ist.