DE2336247A1

DE2336247A1 - Sonnenkollektor

Info

Publication number: DE2336247A1
Application number: DE19732336247
Authority: DE
Inventors: Guenter Prof Dr Ing Schoell
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-07-17
Filing date: 1973-07-17
Publication date: 1975-02-06
Also published as: FR2238127A1; IT1016617B; CH581810A5; ATA554374A; AT331583B; AU7133974A; FR2238127B3; IL45285A0; ZA744564B; NL7409598A

Description

PATENTANWALT ^ ^ Z H ' DIPL.-ING. GERD COMMENTZ

7 STUTTGART ι

KLIPPENECKSTRASSE 4 · TELEFON (07 II) 465644

16. J_uli 1973

Professor Dr.-Ing. Günter Scholl
Pianezzo/Paudo, Gasa Rosina (Schweiz)

Sonnenkollektor

Unter dem Begriff Sonnenkollektor wird bei Fachleuten, die sich mit der Nutzbarmachung der Sonnenenergie befassen, eine Einrichtung verstanden, mit der die durch Strahlung von der Sonne her einfallende Wärme auf ein Fluid mit flüssigem, dampf- oder gasförmigem Aggregatszustand übertragen wird. Zur Wärmeaufnähme wird häufig die Aggregatszustandsänderung flüssig-dampfförmig benutzt. Wie weiterhin in Fachkreisen bekannt, sind an Sonnenkollektoren eine Reihe von Forderungen zu stellen,falls mit solchen Elementen überhaupt eine wirtschaftliche Wärmeoder gar Energiegewinnung erreicht werden soll. Die bisher bekannten Sonnenkollektoren bestehen meistens aus auf ihrer Oberseite geschwärzten, kastenförmigen Hohlkörpern, die auf ihrer Außenseite durch auftreffende

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Sonnenstrahlen sich gegenüber der Umgebung erwärmen und diese "Wärme durch die bestrahlte Fläche hindurch an ein ELuid abgeben.

Einfache Einrichtungen dieser Art sind in den Ländern des Vorderen Orients, insbesondere aber auch in Japan in großen Stückzahlen in Gebrauch, und werden zur Erzielung niederer Herstellungskosten häufig aus Kunststoff hergestellt.

Bei flachen, kastenförmigen Elementen ist die Verwendung von Kunststoffen trotz deren geringer Wärmeleitfähigkeit durchaus möglioh, da bei dünnen Wandstärken und der relativ geringen Wärmestromdichte durch die Sonneneinstrahlung (in der Größenordnung von z.B. 400 kcal/m h), der Temperaturabfall in der Wandung nur wenige Grade beträgt.

Diese Elemente besitzen jedoch den Nachteil, daß die in ihnen befindliche Flüssigkeit - meist Wasser - in der Stärke von 10 und mehr Millimetern, sich bei ununterbrochenem Sonnenschein in der Stunde nur um etwa 30 grd aufwärmt, da die Wärmekapazität eines derartigen Kollektors sehr hoch ist.

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Bei einer anderen Bauweise von Sonnenkollektsoren werden zur Aufnahme der Strahlungswärme Metallbleche aus gut leitendem Werkstoff, z. B. Kupfer, verwendet, und die einfallende Wär^me wird auf in größerem Abstand voneinander aufgelötete Rohre übertragen.

Von der Wandung dieser Rohre, die von einem Fluid durchströmt werden, geht die aufgenommene Sonnenwärme auf das !Fluid über. Diese Kollektorbauweise erfüllt in nahezu idealer Weise alle an Sonnenkollektirren zu stellenden Forderungen, da 3ie es gestattet, mit geringem Temperaturgefälle den durch Sonneneinstrahlung auf die Oberfläche der wärmeleiten-

den Bleche auftreffenden Wärmefluß (ca. 400 kcal/m h), auf ein Vielfaches dieses Wertes, z.B. auf das 10-fache, bezogen auf die Wärmeübertragungsfläche der Rohre, zu erhöhen. Da andererseits Fluide bei Aggregatεzustandsänderungen, also beim Übergang vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand befähigt sind, mit sehr geringem Temperaturgefälle Wärme-

flüsse in der Größenordnung von 3.000 bis 4.000 kcal/m h aufzunehmen, entstehen Sonnenkollektoren mit außerordentlich geringer Wärmekapazität, so daß sich der ganze Kollektor einschliesslich dem Fluid in den Rohren in wenigen Minuten um z.B. 100 grd in seiner Temperatur erhöht. Der Nachteil dieser aus wärmeleitenden Blechen und Rohren aufgebauten Kollektoren besteht jedoch in den unverhältnismäßig hohen Werkstoff- und Materialkosten, die bisher

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eine praktische Verwirklichung verhindert haben.

Gegenstand der Erfindung ist ein Sonnenkollektor, mit welchem, wie vorbeschrieben, geschwärzte, gut wärmeleitende Bleche, die wiederum wärmeleitend mit Rohren verbunden sind, die eingestrahlte Sonnenwärme aufgenommen wird, der jedoch durch freie Wahl der verwendeten Werkstoffe für wärmeleitende Bleche und Rohre, infolge einer plastisch verformbaren gut wärmeleitenden Verbindung zwischen Blechen und Rohren mit geringen Kosten herstellbar ist.

Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, daß die strahlungsaufnehmenden Bleche Auswölbungen erhalten, die dem Profil des vom Fluid durchströmten Rohres angepaßt sind, und der freie Zwischenraum zwischen der Auswölbung der Bleche und der Oberfläche des Rohres mit Asphalt, !Deer oder einer ähnlichen organischen Substanz gleicher Wärmeleitfähigkeit, Viskosität und Schmelzpunkt ausgefüllt ist.

weiterer Gegenstand der Erfindung ist, daß die wärmeaufnehmenden Bleche in Längsrichtung des Rohres geringe Längenabmessungen besitzen und mit kleinen Abständen (Spalten) voneinander auf dem Rohr aufgereiht sind,

Hierdurch können zum Aufbau der Kollektoren - trotz ihrer verschiedenen Wärmedehnung - zwei besonders

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"billige Werkstoffe verwendet werden, und zwar für die wärmeaufnehmenden Bleche Aluminium, für die Rohre hingegen Stahl, da der in der Wärme zähflüssige Aspha.lt Temperaturdehnungen zwischen wärmeaufnehmenden Aluminium-Blechen und Stahlrohr zuläßt.

Schliesslich ist es noch Gegenstand der Erfindung, die mit den Strahlungsaufnehmenden Blechen verbundenen, von einem Huid durchströmten Rohre druckfest und vakuumdicht mit Sammelrohren so zu verbinden, daß - bei minimalen Kosten für Herstellung und Montage - sich die Rohre gegenüber den fest gelagerten Sammelrohren frei dehnen können.

Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, daß über die schräg abgeschnittenen Rohrenden auf beiden Seiten ein kurzer, aus elastischem Material (Gummi) bestehender Schlauch mit einem Gleitmittel etwa zur Hälfte auf das Rohr aufgeschoben ist und die Sammelrohre Bohrungen erhalten, deren Durchmesser größer als der Durchmesser des Rohres, jedoch kleiner als der äußere Durchmesser des auf dem Rohr aufgeschobenen, aus elastischem Material bestehenden kurzen Schlauches ist. Beim Einstecken des Rohres mit dem aus elastischem Material bestehenden kurzen Schlauchstück in die Bohrung des Sammelrohres erfährt das Schlauchstück eine abdichtende Einschnürung.

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Die Erfindung werde anhand der Abbildungen näher erläutert.

Hg. 1 zeigt den Querschnitt durch einen Sonnenkollektor gemäß der Erfindung.

Die aus gut wärmeleitendem Werkstoff bestehende, durch oberflächige Schwärzung zur Aufnahme der Strahlungsenergie geeignete Fläche (1,1) bestehend aus Aluminiumblech, besitzt in ihrer Mitte eine dem Rohr (2) angepaßte Auswölbung.

In Pig. 1 ist der Querschnitt der wärmeaufnehmenden und zum Rohr ableitenden ELechfläche (1,1) keilförmig dargestellt, da diese Querschnittsform bei kleinstem Materialaufwand die besten Wärmeabführungseigenschaften zum Rohr hin besitzt. Affoh der Querschnitt der Auswölbung verläuft zum gleichen Zweck keilförmig abnehmend. Hierdurch wird neben den günstigen, der Wärmeleitung dienenden Eigenschaften des Querschnitts auch eine höhere Elastizität erreicht, so daß die Auswölbung der wärmeaufnehmenden Hache (1,1) das Rohr (2) mit einer festlegbaren Vorspannung umschlingt. Natürlich kann die Pläche (1,1) auch mit gleichbleibendem HLechquersohnitt ausgeführt werden, falls geeignete herstellungsteohnisohe Einrichtungen zur

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juerschnittsverformung nicht vorhanden sein sollten. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit vrird die Fläche (1,1) zweckmäßig aus .Aluminium hergestellt werden, da dieses bezogen auf Wärmeleitfähigkeit und Preis erheblich günstiger ist als alle anderen Werkstoffe.

Das zur Wärmeabfuhr dienende Rohr (2) wird hingegen zweckmäßig aus Stahl hergestellt, da dieser Werkstoff bezüglich seines Preises, seiner Festigkeit, aber auch in seinem Korrosionsverhalten bei schwach alkalisierten Fluiden die wirtschaftlichste Lösung darstellt.

Wie aus Fig. 1 ferner ersichtlich ist, wird der immer vorhandene Zwischenraum zwischen Rohr und Auswölbung mit einer dünnen Schicht von Asphalt (3) ausgefüllt. Dies geschieht in der Weise, daß entweder das Stahlrohr oder die Auswölbung, oder auch beide, einen dünnen überzug aus Asphalt erhalten und nach Einlegen des Rohres (2) in die Auswölbung der Platte (1,1) durch einfaches Erwärmen eine sichere und gut wärmeleitende Verbindung zwischen dem Rohr (2) und der Auewölbung der Fläche (1,1) entsteht. Bei einer Schichtstärke der Asphalt-Schicht von z.B. 0,3 mm und einem Warmefluß durch diese AsphaltBchicht in der Größenordnung von 4.000 kcal/m² h ergibt sich in der Schicht selbst durch den Warmefluß - nur ein Temperaturgefälle von etwa 2 grd.

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Durch die zuvor geschilderte elastische Klemmwirkung der Auswölbung werden heim Teigigwerden des Asphalts die Abstände zwischen Rohr und Auswölbung in der Regel kleiner sein als 0,3 mm, so daß sich in der Praxis Temperaturverluste von weniger als 1 grd einstellen werden.

Ein besonderer Vorteil des Asphaltes als wärmeleitende Verbindung zwischen Fläche (1,1) und Rohr (2) ist der, daß der Asphalt infolge seiner Zähflüssigkeit im Betriebszustand kleine Längenverschiebungen zwischen der Fläche (1,1) und dem Rohr (2) zuläßt.

Die Ausnutzung dieser physikalischen Eigenschaften des Asphalts gestattet es erst, für die Fläche (1,1) und das Rohr (2) Werkstoffe mit verschiedener Temperaturdehnung anzuwenden.

Bekanntlich ist die Temperaturdehnung des Aluminiums etwa doppelt so hoch als die des Eisens, was zur Folge hat, daß, bei starrer Verbindung und Erwärmung, ein bei Bimetallthermometern bekannter Effekt auftritt, der durch Verbiefeung den Kollektor zerstört ader unbrauchbar macht.

Da auch bei Verwendung einer viskosen, wärmeleitenden Zwischenschicht (5), bestehend aus Asphalt, nicht be-

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lietdg große Längenänderungen aufgenommen werden können, sollen erfindungsgemäß - wie aus Pig. 2 ersichtlich die wärmeaufnehmenden Bleche (1,11 1,2; 1,3 usw.), die hintereinander auf dem durchgehenden Rohr (2) aufgereiht sind, in Längsrichtung des Rohres geringe Längenabmessungen besitzen und mit kleinen Abständen (4) hintereinander angeordnet seien.

Bei der Anwendung von Aluminium für die wärmeaufnehmende !Fläche und Stahl für das Rohr genügen bei z.B. 0,5 m langen Flächen, gemessen in Längsrichtung des Rohres, Abstände (4) in der Größenordnung von etwa 0,5-1 mm, um, bei Temperaturunterschieden in der Größenordnung von 100 grd zwischen warmem (sonnenbestrahltem und kaltem, dem nächtlichen Himmel ausgesetzten Konvektor), die auftretenden Längenänderungen zu beherrschen. Die Abstände werden natürlich um so kleiner, je kürzer die Länge der Strahlungsaufnehmenden Flächen ist, d.h. also wenn diese nur eine Länge von z.B. 0,1 min Längsrichtung des Rohres besitzen, genügt eine Abstandsbreite von 0,2 mm.

Anstelle der Stahlrohre können natürlich auch solche aus anderen Metallen, so z.B. aus Kupfer, Aluminium, Zink usw., ;ja sogar auch solche aus Silikatglas oder Kunststoff verwendet werden.

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Infolge der erfindungsgemässen wärmeleitenden und gleichzeitig plastischen Verbindung zwischen wärmeaufnehmender Fläche und Rohr, ist es möglich, die günstigste Werkstoffpaarung zu wählen.

Anstelle der in Pig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsfonn, nach welcher immer nur eine wärmeaufnehmende Fläche (1,1) links und rechts des Rohres diesem zugeordnet ist, können natürlich auch mehrere Fläohen (1,4J 1»5 und 1,6) mit mehreren Auswölbungen, in welche sinngemäß mehrere Rohre (2,1; 2,2 und 2,3) mit wärmeleitender Asphaltmasse eingelegt werden, aus einem durchlaufenden Blechstreifen "bestehen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.

In Fig. 3 ist· auch die übliche Anordnung eines die Sonnenstrahlung aufnehmenden Kollektors, besteht aus den Rohren 2,1| 2,2 und 2,3 sowie den aus einzelnen oder einem durchlaufenden Blechstreifen bestehenden Flächen (1,4» 1,5 und 1,6) gezeigt. Der oder die Kollektoren befinden sich in einem Kasten (5) aus Isolierstoff und sind mit einer, die Sonnenstrahlen durchlassenden Platte (6), die aus Silikatglas oder Kunststoff besteht, abgedeckt. Eine weitere zickzackförmig geformte durchsichtige Folie (7) dient zur Verminderung der Rückstrahlung der warmen Kollektoroberfläche an das Himmelsgewölbe.

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In den Pig. 4 und 5 ist im Schnitt die Ausführung einer druckfesten, vakuumdiohten Verbindung der Rohre (2) von Sonnenkollektoren mit Sammelrohren (10) dargestellt, welche eine freie Dehnung der Rohre (2) gegenüber den fest gelagerten Sammelrohren (10) zuläßt.

In Fig. 4 ist das Rohr (2) kurz vor Beiner Verbindung mit dem Sammelrohr (10) dargestellt, während Fig. 5 die Verbindung des RohreB (2) mit dem Sammelrohr (10) nach dem Zusammenfügen wiedergibt.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, erhält das mit einem Schrägabschnitt (8) versehene Rohr ein kurzes Schlauchstück (9) aus elastischem Material, z.B. ölfestern Gummi, welches innen mit einer Gleitmasse, z.B. öl, Fett oder Schmierseife benetzt ist, aufgeschoben.

Die Bohrung (11) im Sammelrohr (10) besitzt einen Durchmesser, der größer ist, als der Durchmesser des Rohres (2), jedoch kleiner als der äußere Durchmesser des Schlauchstückes (9),

Wird das Rohr (2) mit SchlauchBtück (9) in die Bohrung eingesteckt, so ergibt sich die in Fig. 5 dargestellte Verbindung der einzelnen Rohre (2) mit dem Sammelrohr (10).

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Durch drs Hineinstecken des Rohres (2) erfährt der Schlauch (9), die in Fig. 5 dargestellte Formänderung (Einschnürung), mit welcher eine druckfeste und dichte Verbindung zwischen den Rohren (2) und (10) herbeigeführt wird. Das Rohr (2) bleibt dabei innerhalb des verformbaren Schlauches (9) in Längsrichtung beweglich und ist in dieser Beweglichkeit, wie in Fig. 5 dargestellt, nur durch den Anschlag an der Innenwand des Sammelrohres (10) begrenzt.

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Claims

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1.) Sonnenkollektor bestehend aus der Verbindung eines oder mehrerer Rohre, mit Blechen, die dem Rohrdurchmesser angepaßte, ausgewölbte Vertiefungen besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Zwischenraum (3) zwischen der Auswölbung der wärmeaufnehmenden flächen (1,15 1,2; 1,3 usw.) und dem Rohr (2) mit Asphalt oder einer anderen organischen oder anorganischen Substanz mit ähnlicher Wärmeleitfähigkeit, Viskosität und Schmelzpunkt ausgefüllt ist.

2. Sonnenkollektor bestehend aus der Verbindung eines oder mehrerer Rohre, mit Blechen, die dem Rohrdurchmesser angepaßte, ausgewölbte Vertiefungen besitzen, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeaufnehmenden !Flächen (1,1; 1,2; 1,3 usw.), in Längsrichtung des Rohres geringe Iängenabmessungen besitzen, und mit kleinen Abständen (4) voneinander auf dem Rohr (2) aufgereiht sind.

3. Sonnenkollektor bestehend aus der Verbindung eines oder mehrerer Rohre, mit Blechen, die dem Rohrdurchmesser angepaßte, ausgewölbte Vertiefungen besitzen, nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur druckdichten Verbindung der Rohre (2) mit Sammel-

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rohren (10) über die schräg abgeschnittenen Rohrenden (8) kurze, aus elastischem Material (Gummi) bestehende Schläuche (9) mit einem Gleitmittel etwa zur Hälfte auf das Rohr (2) aufgeschoben sind und die Samme.lrohre (10) Bohrungen (11) erhalten, deren Durchmesser größer als der Durchmesser der Rohre (2), jedoch kleiner als der äussere Durchmesser der Schlauchstücke (9) ist, und beim Einstecken der Rohre (2) mit Schlauchstücken (9) in die Bohrung (11) die Schlauchstücke (9) abdichtende Einschnürungen erhalten.

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