DE3707769A1 - Anlage zur uebertragung von solarenergie auf in einem gefaess befindliche fluessigkeit - Google Patents
Anlage zur uebertragung von solarenergie auf in einem gefaess befindliche fluessigkeitInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Übertra
gung von Solarenergie auf in einem Gefäß befindliche Flüssig
keit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine bekannte Anlage dieser Art geht aus von direktverdam
pfenden Kollektoren und einem Topf als Innenteil eines
doppelwandigen Gefäßes, z.B einem Kochtopf. Der Dampf beauf
schlagt dabei das Gefäß von der Außenseite her, das an
fallende Kondensat wird nach unten in Richtung der Schwer
kraft abgeführt. Wegen des sehr guten Wärmeübergangs bei der
Kondensation genügt eine Übertemperatur des Dampfes von weni
ger als 10° um Wasser in dem Topf zum Sieden zu erhitzen.
Dieses bekannte System verlangt jedoch Spezialgefäße, konven
tionelle Kochtöpfe können nicht verwendet werden. Außerdem
besteht bei dem Kreislauf die Gefahr, daß durch ungereinigte
Außenseiten der Töpfe der Kollektorkreislauf verschmutzt
wird.
Ausgehend von diesem Stande der Technik hat nun die vorlie
gende Erfindung zur Aufgabe, eine Anlage bzw. einen Kreislauf
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, der die
Erhitzung von Flüssigkeit in einem konventionellen Gefäß er
möglicht, ohne daß bei einer solaren Wärmeenergieausnutzung
weitere Fremdenergie zur Überwindung von Förderhöhen notwen
dig ist und ohne daß am Gefäß irgendwelche Modifikationen
notwendig sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt nun die vorliegende Erfin
dung die Merkmale vor, die im Kennzeichen des Patentanspru
ches 1 angegeben sind. Weitere, besonders vorteilhafte Ausge
staltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen, die
in den Kennzeichen der weiteren Unteransprüche aufgeführt
sind.
Bei der Erfindung kann nun die heizende Fläche in Form eines
Kondensators direkt in die zu erhitzende Flüssigkeit bzw. in
Kochgut eingetaucht werden. Dadurch entsteht ein direkter
Wärmeübergang, wobei in vorteilhafter Weise bestehende
bzw. konventionelle und bereits vorhandene Gefäße weiter ver
wendet werden können. Darüberhinaus bleibt der Kreislauf des
Kollektors in sich vollständig geschlossen und muß bei Ent
nahme des Erhitzungsgefäßes nicht mehr geöffnet werden. Dies
erfolgt durch die vorliegende Erfindung dadurch, daß sich die
Wärmequelle direkt in der zu erhitzenden Flüssigkeit befin
det, so daß die Verluste nach außen klein bleiben können.
Weiterhin entstehen bei der Anwendung von Wasser als Wärme
träger keine Überhitzungsprobleme an der Heizfläche mehr. Der
Wärmeübergang an die Flüssigkeit bestimmt die Kondensations
rate und damit den Wämestrom. Die maximale mögliche Tempera
tur kann vom Systemdruck bestimmt werden und kann daher in
Grenzen von etwa 20° gehalten werden.
Besonders vorteilhaft ist bei der vorliegenden Erfindung,
daß der Wärmeträger aus dem Kondensator zur Rückführung zum
Kollektor wieder über den Gefäßrand gehoben werden kann, wo
durch eine ständig arbeitende Umwälzpumpe erübrigt wird. Der
erfindungsgemäße Kreislauf arbeitet somit fremdenergiefrei.
Die Erfindung ermöglicht dies durch das Wechselspiel zwischen
einem eingeschlossenen Luftvolumen in Strömungsrichtung hin
ter dem Kondensator und dem Dampfraum in der Dampfleitung so
wie dem Kondensator. Dadurch wird das Kondensat aus dem Kon
densator über den Gefäßrand hinweg gefördert.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden und
anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigen die
Fig. 1 den Kreislauf in kaltem Zustand, die
Fig. 2 den stationären Betrieb im Kreislauf, die
Fig. 3 das Ende der Anstiegsphase des Kondensats im Konden
sator und die
Fig. 4 das Ende der Kondensatrückführphase, wobei das Wasser
als Kreislaufflüssigkeit schraffiert, der Dampf gepunktet und
die Luft hell dargestellt ist.
Die Fig. 1 bis 4 zeigen den Solarkollektor 1 als Wärme
quelle, der im wesentlichen aus dem lichtdurchlässigen Sie
derohr 2 als Empfänger und dem Kondensatrückführrohr 3 hier
koaxial im Siederohr besteht. Vom Siederohr führt die Dampf
leitung 4 nach oben zu dem allseitig geschlossenen Gehäuse 6
des Kondensators 5 als Wärmesenke, der von oben her über den
Rand 8 eines Gefäßes 7 in die darin befindliche und zu erwär
mende Flüssigkeit 9 eingetaucht ist. Die Dampfleitung 4 mün
det dabei von oben her in das Gehäuse 6 an der Dampfein
leitungsstelle 28, um die Eintauchbarkeit nicht zu behindern.
In das Gehäuse 6 des Kondensators 5 ragen von oben her zwei
Tauchrohre 10 und 11 abgedichtet durch dessen Wandung hin
durch, wobei das Ende bzw. die Öffnung 14 des ersten Tauch
rohres 10 bis zur tiefsten Stelle 16 des Gehäuseinnenraumes
17 reicht, die Öffnung 15 des zweiten Tauchrohres 11 jedoch
im Verhältnis dazu geodätisch etwas höher angeordnet ist.
Die beiden Tauchrohre 10 und 11 bilden jeweils den einen
Schenkel von zwei umgekehrten Siphons 12 und 13, deren an
dere, nach unten weisende Schenkel als Siphonrohr 18 und
Siphonbrecherrohr 19 bezeichnet sind. Der zweite Siphon 13
wird wegen seiner Funktion auch als Siphonbrecher bezeichnet.
Die beiden Rohre 18 und 19 führen, geodätisch gesehen, nach
unten und münden auf in den Gasraum 20 eines vorzugsweise
rohrförmigen, in etwa senkrecht oder schrägstehenden Luft
sammlers 21, der ein bestimmtes Luftvolumen VL enthält. Der
Luftsammler 21 ist über ein Fallrohr 22 an die Rück
führleitung 23 angeschlossen, über welche das Kondensat bzw.
das Wasser mittels des Kondensatrückführrohres 3 dem Sie
derohr 2 des Solarkollektors 1 wieder zugeführt wird. Kollek
tor 1, Kondensator 5, Luftsammler 21 bilden mit ihren Verbin
dungsleitungen 4, 12, 13, 22 und 23 ein geschlossenes System,
welches gegen Überschreitung eines Höchstdruckes durch eine
nicht näher dargestellte Sicherheitseinrichtung geschützt
ist.
Das Siphonrohr 18 bzw. der andere Schenkel des ersten Siphons
12 führt, wie bereits erwähnt, in den Gasraum 20 des Luft
sammlers 21 und ist in diesem soweit nach unten geführt, daß
seine Mündung 24 unterhalb der Öffnung 14 des ersten Tauch
rohres vom ersten Siphon 12 gelegen ist und die Siphondiffe
renz Δ S 1 gebildet wird. Das Siphonbrecherrohr 19 bzw. der
andere Schenkel des zweiten Sipons 13 ist am oberen Ende 25
des Luftsammlers 21 angeschlossen, so daß seine Mündung 26
oberhalb der Öffnung 15 des zweiten Tauchrohres 11 gelegen
ist und die Siphondifferenz Δ S 2 gebildet wird. Die Länge
des Siphonbrecherrohres 19 soll möglichst klein sein, die
Mündung 26 muß geodätisch über der Öffnung 15 liegen. Der er
ste Siphon 12 dient zur Abfuhr des Kondensates 27 aus dem Ge
häuse 6, der zweite Siphon 13 dient zum zusätzlichen Druck
ausgleich durch Luftrückströmung bei instationärem Betrieb.
Funktionsweise der Anlage bzw. des Kreislaufes wird nun an
hand der vier Schaubilder bzw. Stadien gemäß den Fig. 1
bis 4 beschrieben:
Die Fig. 1 zeigt das geschlossene System mit Kollektor 1 und
Kondensator 5. Als Wärmesenke ist ein gefülltes Gefäß 7 um
den Kondensator 5 vorgesehen. Im kalten Zustand sind das Sie
derohr 2 des Kollektors 1 und die Rückführleitung 23 voll
ständig, sowie der Steigleitungsteil des Kollektors 1 und das
Fallrohr 22 teilweise mit Wasser gefüllt. Die restlichen
Kreislaufteile einschließlich des Kondensators 5 enthalten
Luft unter atmosphärischem Druck.
Bei Wärmeaufnahme des Kollektors 1 wird nach Erreichen der
Siedetemperatur Dampf durch die Steigleitung zum Kondensator
5 strömen. Die ursprünglich in der Leitung 4 und dem Konden
sator 5 vorhandene Luft wird, da der Kreislauf geschlossen
ist, durch den Kondensator 5 und den Siphon 12 und 13 in den
nachgeschalteten Luftsammler 21 verdrängt (Fig. 2). Im Kon
densator kondensiert der Dampf, bei stationärem Betrieb för
dert der Siphon 12 das Kondensat 27 zum Luftsammler 22 bzw.
zum Fall- und Rückführrohr 22 und 23.
Da jedoch die Förderleistung des ersten Siphons 12 den durch
unterschiedlich entnommenen Wärmestrom rasch schwankenden
Kondensatmengen im Innenraum 17 des Kondensators 5 nicht an
gepaßt werden kann, andererseits der Siphon 12 aber für die
Maximalmenge ausgelegt sein muß, würde eine häufige Unterbre
chung der Siphonwirkung und -Förderung stattfinden. Nach ei
ner solchen Unterbrechung sammelt sich das Kondensat im
Innenraum 17 wieder und füllt diesen von unten her auf (siehe
Fig. 3). Damit wird aber die Wärmeübertragungsfläche im Kon
densator 5 auf der Dampfseite eingeschränkt, wodurch eine un
zureichende Kondensation zum Druckanstieg im System führt.
Demzufolge wird das vorhandene Luftvolumen reduziert wohinge
gen die Dampfproduktion nicht nur die Dampfverdichtung kom
pensiert sondern auch der durch die Reduktion des Luftvolu
mens freiwerdende Raum aufgefüllt wird. Für das Konensat 27,
das durch das im Kondensator 5 nach unten gezogende Tauchrohr
10 des Siphons 12 die Trennung von Dampf- und Luftraum dar
stellt, bedeutet dies eine Verschiebung in den Luftsammler
21. D.h. in Dampfleitung 4 und Kondensatorinnenraum 17 ent
steht ein Überdruck, der das Kondensat um die Bauhöhe des
Kondensators 5 über den Siphon 12 anhebt.
Andererseits stört der erste Siphon 12 den Druckausgleich bei
schwankender Wärmeentnahme wie z.B. bei Kaltwassereingaben
oder Leistungsabfall im Kollektor 1 durch die hohe Wasser
säule des Siphonrohres 18. Zur Vermeidung von resultierenden
Wasserstandsschwankungen über die maximalen Marken im Kollek
torsystem wurde daher der zweite Siphon bzw. der Siphonbre
cher 13 zusätzlich vorgesehen. Über diesen erfolgt jetzt der
Druckausgleich, in dem Luft vom Luftsammler 21 zum Kondensa
tor 5 zurückströmt, während der erste Siphon 12 weiterfördern
kann.
Der anstehende Überdruck im Kondensator 5 würde auch ohne
Siphonwirkung, z.B. über den Siphonbrecher 13 für den Trans
port des angesammelten Kondensats sorgen. Jedoch zieht die
Kondensatentleerung in den Luftsammler 21 eine starke Konden
sationsrate im Kondensator 5 nach sich. Durch die Ausnutzung
einer Siphonwirkung kann das zunächst anfallende Kondensat
durch unterschiedliche geodätische Höhen der Öffnungen 14 und
15 noch mitabgeführt werden, so das die Wiederholfrequenz für
den zuvor beschriebenen Zyklus von füllen und entleeren mit
ansprechen des ersten Siphons reduziert wird (siehe Fig. 4).
Das Verhältnis VL des Luftvolumens im Sammler 21 zu dem des
Luftvolumens Vges im gesamten Kreislauf soll mindestens so
groß sein, wie das Verhältnis des atmosphären Duckes PAtm und
Betriebsdruck PBetr. Dazu muß VL noch mindestens so groß
sein, daß es unter dem einem Druckverhältnis entsprechend der
geodätischen Förderhöhe des Siphons 10 um das Volumen beider
Siphons 11 und 12 komprimierbar ist.
Wichtig ist noch, daß im Gehäuse 6 des Kondensators 5 eine
Art Sumpf in Form einer tiefsten Stelle 16 vorhanden ist, in
welchem die Öffnungen 14 und 15 der Tauchrohre 10 und 11 mün
den. Diese Stelle 16 sollte möglichst weit von der Dampfein
leitung 28 entfernt sein.
Versuche haben ein Funktionieren des Kreislaufes bestätigt,
die übertragenen Leistungen lagen im Bereich von 100%1500
Watt bei einer maximalen Dampftemperatur von 105°. Dies ent
spricht einem Sättigungsbereich von 1, 2, 3 bar.
- Bezugszeichenliste
1 Solarkollektor
2 Siederohr
3 Kondensatrückführrohr
4 Dampfleitung
5 Kondensator
6 Gehäuse
7 Gefäß
8 Rand
9 Flüssigkeit
10 erstes Tauchrohr
11 zweites Tauchrohr
12 erster Siphon
13 zweiter Siphon bzw. Siphonbrecher
14 erste Öffnung bzw. Ende
15 zweite Öffnung bzw. Ende
16 tiefste Stelle
17 Gehäuseinnenraum
18 Siphonrohr
19 Siphonbrecherrohr
20 Gasraum
21 Luftsammler
22 Fallrohr
23 Rückführleitung
24 Mündung
25 oberes Ende
26 Mündung
27 Kondensat
28 Dampfeinleitung
Claims (5)
1. Anlage zur Übertragung von Solarenergie auf in einem Gefäß
befindliche Flüssigkeit mit den Merkmalen:
- a) einem geschlossenen Kreislauf zur Erzeugung von Dampf durch Direktverdampfung eines Wärmeträgers in einem Solarkollektor als Wärmequelle,
- b) Umwälzung des Wärmeträgers im Kreislauf durch Naturkon vektion,
- c) einer in den Kreislauf eingeschalteten Wärmesenke bzw. einem Wärmetauscher zur Übertragung der Wärme auf die Flüssigkeit im Gefäß, die geodätisch höher als die Wär mequelle angeordnet ist, sowie mit
- d) Wärmequelle und Wärmesenke vom Ab- zum Zulauf jeweils miteinander verbindenden Rohrleitungen,
gekennzeichnet durch die Merkmale:
- e) die Wärmesenke ist als von oben in die Flüssigkeit (9) bzw. in das Gefäß (7) eintauchbarer Dampfkondensator (5) ausgebildet,
- f) Dampfzu- und Kondensatableitung des Kondensators (5) sind nach oben über den Gefäßrand (8) entgegen der Schwerkraft geführt.
2. Anlage nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch die weiteren
Merkmale:
- g) Der Kondensator (5) besteht aus einem geschlossenen Ge häuse (6)
- h) an den Innraum (17) des Gehäuses (6) ist von oben her die Dampfleitung (4, 28) vom Solarkollektor (1) ange schlossen,
- i) durch die Wand des Gehäuses (6) ist von oben her ein Tauchrohr (10) geführt, das mit seinem unteren Ende bzw. seiner Mündung (14) bis zur tiefsten Stelle des Innenraumes (17) ragt,
- j) das Tauchrohr (10) bildet den einen Schenkel eines um gekehrten Siphons (12), der über den Gefäßrand (8) wie der nach unten geführt ist,
- k) der andere, wieder nach unten führende Schenkel des Siphons bzw. das Siphonrohr (18) mündet von oben her in den Luftraum (20) eines vorzugsweise rohrförmigen Luft sammlers (21), dessen Volumen Bestandteil des Kreis laufvolumens ist,
- 1) die Mündung (24) des Siphonrohres (18) liegt geodätisch tiefer als die des Tauchrohres (10),
- m) der Luftsammler (21) ist mit seinem unteren Ende über ein Fallrohr (22) an die Kondensatrückleitung (23) zum Solarkollektor (1) angeschlossen.
3. Anlage nach Anspruch 2 gekennzeichnet durch die weiteren
Merkmale:
- n) Neben dem einen Tauchrohr (10) ist von oben in den In nenraum (17) des Kondensators (5) bzw. seines Gehäuses (6) ein zweites Tauchrohr (11) nach unten geführt, dessen Ende bzw. Mündung (15) geodätisch oberhalb der Mündung (16) des ersten gelegen ist
- o) das zweite Tauchrohr (11) bildet den einen Schenkel ei nes zweiten umgekehrten Siphons bzw. Siphonbrechers (13),
- p) der andere, wieder nach unten führende Schenkel bzw. das Siphonbrecherrohr (19) des zweiten Siphons (13) mündet von oben her in den Luftraum (20) des Luftsamm lers (21),
- q) die Einmündung des Siphonbrecherrohres (19) in den Luftsammler (21) liegt geodätisch höher als die Mündung (15) des Siphonrohres (18) vom ersten Siphon (12) im Luftsammler (21).
4. Anlage nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die weiteren
Merkmale:
- r) Das Verhältnis von Luftvolumen VL im Luftsammler (21) zum Gesamtvolumen Vges in kaltem Zustand ist gleich dem Verhältnis von Atmosphärendruck PAtm zu Betriebsdruck PBetr, wobei
- s) VL mindestens so groß ist, daß es unter einem Druck verhältnis entsprechend der geodätischen Förderhöhe des Tauchrohres 10 zum Anlaufen des Siphons um das Volumen beider Siphonvolumina komprimierbar ist.
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