AT515807A4 - Erzeugung von Vakuum mithilfe von Solarthermie um Wasser zu pumpen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine solarbetriebene Wasserpumpe, umfassend einen Solarkollektor zur Erzeugung von erhitztem Wasser, einen Frischwasserspeicher (2) mit einer Dampfkammer (3) und einer Saugkammer (4), wobei zwischen der Dampfkammer (3) und der Saugkammer (4) eine bewegliche Membran (5) angeordnet ist, einen mit der Dampfkammer (3) über eine Dampfleitung verbundenen Verdampfer (17), der zur Erzeugung von Wasserdampf mit dem vom Solarkollektor erhitzten Wasser beaufschlagbar ist, eine Zuleitung für das zu pumpende Wasser, eine Ableitung für das zu pumpende Wasser, wobei in der Dampfkammer (3) ein Frischwasserdampfkondensator (7) zur Kondensation des Wasserdampfes vorgesehen ist, der einerseits mit der Zuleitung und andererseits mit der Saugkammer (4) verbunden ist, sodass das zu pumpende Wasser durch den Frischwasserdampfkondensator (7) und durch die Saugkammer (4) strömt, wobei in der Saugkammer (4) die Ableitung oberhalb eines vorbestimmten Niveaus angeordnet ist, sodass nach Durchführung eines Pumpvorgangs stets ein Restbestand an Wasser in der Saugkammer (4) verbleibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine, mit solar-thermischer Energiebetriebene Wasserpumpe.

Die Anlage saugt Wasser mithilfe eines durch Verdampfung undKondensierung hergestellten Vakuums in den Frischwasserspeicher.

Die Anlage besteht aus: 1. Frischwasserspeicher:

Dieser hat die Form eines aufrechten Kreiszylinders und istmit einer Wärmedämmung und einer Aluminiumummantelungverkleidet. Der Rauminhalt des Frischwasserspeichersbeinhaltet das Wasser, den Dampfkondensator, die Ventile unddie Steuergeräte. Durch eine temperaturbeständigeMembranschicht wird der Speicher, luft- und wasserdicht inzwei Teile geteilt (Dampf- und Saugkammern). DieseMembranschicht ist auf Kondensationsrinnen an derSpeicherwand angebracht. Diese wiederum, sind mit einerNeigung zur Kreisfläche montiert, damit das Kondenswasser zumDampfseparator zurückgleitet werden kann. Die Saugkammer (deruntere Teil des Frischwasserspeichers) muss groß genug seinum das benötigte Wasser und die Ventile umfassen zu können.Die Dampfkammer (der obere Teil des Frischwasserspeichers)wird für die Druck- und Unterdruckerzeugung durch Verdampfungund Kondensation verwendet. Er beinhaltet denDampfkondensator, die Dampfzuleitung und dieKondensatableitung, wobei beachtet werden muss, dass dieserTeil luft- und wasserdicht durch eine Stahlplatte geteilt istund diese als Flachkondensator verwendet wird. Das Kühlwasserlandet auf den Flachkondensator und wird als Wärmesenkeverwendet, wobei es einen Druckunterschied zwischen dem Raumoberhalb des Flachkondensators und der Dampfkammer (dem Raumunterhalb des Flachkondensators) gibt.

Die Frischwasserleitung ist mit einer Rückschlagklappebestückt und am Dampfkondensatoreingang in der Dämpfkammerangeschlossen. Am Kondensatorausgang wird dieFrischwasserleitung außerhalb des Speichers in den unterenTeil weitergeführt.

Der Dampfkondensator besteht aus geneigten, gleichlangen,parallelgeführten Kupferglattrohren mit Sammelleitungen alsEin- und Ausgängen an beiden Enden.

An den Stahlmantel des Frischwasserspeichers ist einHeizregister angebracht, der aus einem spiralförmigen stählernen wasserdurchstromte*n *ßanäl Mit einem Dreiwegventilbesteht. Das Dreiwegventil wird durch ein Kapillarrohr-Thermostat, welches von der Rücklauftemperatur desKühlwassers abhängig ist, geregelt.

Das Frischwasser wird vom Frischwasserspeicher an die Kalt-und Warmwasserspeicher durch ein im Frischwasserspeichereingebautes Sperrventil mit einem Schwimmer weitergeleitet.

In beiden Speichern ist jeweils ein Ventil mit einemSchwimmer eingebaut welches die eintretende Wassermengereguliert.

Durch eine Lüftungsleitung wird die Saugkammer beiWasserentnahme belüftet.

Die Schwimmer der Wasser- und Lüftungsleitung werden parallelgeregelt. Sie werden durch eine mechanische Verriegelungsolange am Auftreiben verhindert, bis das eintretende Wasserein voreingestelltes Wasserspiegelniveau erreicht hat.

Sobald dies der Fall ist, treibt ein Schwimmer, welcher aufeiner bestimmten Höhe in der Saugkammer montiert ist, aufund löst einen Mechanismus aus, der den Riegel vom unterenSchwimmer wegzieht. Dieser treibt sofort hinauf und öffnetdabei die Wasser- und Belüftungsventile. Die Ventile sindsolange offen, bis der Speicher völlig leer ist, und derProzess sich wiederholt.

Zwei, jeweils mit einer luftdichten Rückschlagklappeausgestattete Abluft- und Abwasserleitungen, sind an denunteren Teil der Saugkammer angeschlossen. Die Abluftleitunglässt die Luft während der Verdampfungsphase von der unterenKammer des Frischwasserspeichers an die Umgebung entweichen.Anschließend leitet die Abwasserleitung die gewünschteRestwassermenge an den Kühlwasserspeicher weiter. DieserProzess wird durch einen Umschaltmechanismus im Luftseparatorgeregelt. Der besteht aus zwei Sperrventilen die durch einenSchwimmer umgeschaltet werden. Durch die bereits erwähntenRückschlagklappen wird das Eindringen der Luft während derKondesationsphase verhindert. 2. Solarkollektoren

Diese besteht aus Flachkollektoren mit harfenförmigenAbsorbern, wobei das Wasser in dieselbe Richtung in allenRöhrchen der Absorber durch die Kollektoren fließt.

Das durch die Energiestrahlung erhitzte Wasser wird durchden oberen Anschluss der parallel geschalteten Kollektorenan den Heißwasserverteiler geleitet. Das abgekühlte Wasserkehrt von dem Heißwasserverteiler in die Kollektoren durchden unteren Anschluss zurück.

Ein Heizkörper, welcher dieselbe Leistung der Kollektorenaufbringt, ist parallel an den Heizwasserverteilerangeschlossen und mit einem Regelventil ausgestattet. Dieseswiederum wird durch ein Kapillarrohrthermostat geregelt. BeiÜberschreitung einer voreingestellten Temperatur beim oberenKollektorausgang, wird das Ventil proportional zurTemperatursteigung geöffnet. Die Rücklaufleitung vomHeizkörper zum Verteiler ist mit einem Expansionsgefäßbestückt.

Die ümschaltung zwischen dem Heizregister imWarmwasserspeicher und dem Frischwasserförderungssystemerfolgt durch 2 Thermostat-Dreiwegventile. Eines dieserVentile wird von einem Kapillarrohr-Thermostat, wessenFühler am Ende eines eckigen Trichters befestigt ist. DieserTrichter erlaubt es den Sonnenstrahlen jeden Tag nur ineiner bestimmten Zeitspanne an den Fühler zu gelangen undihn somit zu erwärmen. Wenn der Fühler erhitzt ist wird dasVentil geöffnet und gestattet es dem Prozess zu beginnen.Durch die Wärme des durchfließenden Wassers wird das Ventil,solange offen gehalten, bis der Durchfluss des Wassers vomanderen in Serie montierten Dreiwegventil, welches von derTemperatur des aufgeheizten Kühlwassers gesteuert wird,verhindert wird, der Fühler sich abkühlt und das Ventilwieder umgeschaltet wird.

Der Verdampfer hat auch die Form eines aufrechtenKreiszylinders, und ist mit einer Wärmedämmung und einerAluminiumummantelung verkleidet. Er ist mit der Dampfkammerdurch eine Dampf- und eine Kondenswasserleitung verbunden.Der entweichende Dampf wird von der Dampfleitung in den indie Dampfkammer geleitet und somit vom noch nichtverdampften Wasser getrennt. Die Kondenswasserleitung leitetdas kondensierte Wasser von den Kondenswasserrinnen in denVerdampfer zurück. An den beiden Dampfleitung ist ein, miteinem Schwimmer bestücktes Ventil angebracht welchegeschlossen wird sobald der Wasserspiegel unter einemvoreingestellten Niveau sinkt.

Im Verdampfer befindet sich ein Heizregister, durch welchen,das durch die Solarkollektoren aufgeheizte, Wasser fließt. Er ist an den Heißwasserverteiler angeschlossen,wobei der Durchfluss durch zwei in Serie montierteVentile geregelt wird. Eines dieser Ventile befindet sichim Verdampfer und wird durch einen Schwimmer geregelt. DasZweite ist ein Dreiwegventil, welches zwischen denFrischwasserheizregister und dem Heizregister im Verdampferumschaltet. Dieser Vorgang wird durch ein Kapillarrohr-Thermostat, welches von der Rücklauftemperatur desFrischwasserheizregisters abhängig ist, gesteuert.

Im Verdampfer befindet sich auch ein spiralförmigerGlattrohr-Kühlregister, welcher sich unter Wasser befindetund mit dem Kühlwasserspeicher angeschlossen ist. SeineAufgabe besteht darin, den Rest des heißen Wassers imVerdampfer abzukühlen.

Der Kühlwasserspeicher hat die Form eines liegenden Quaders,und ist durch nicht zur Decke reichende Trennwände in dreiRäume unterteilt. Diese werden durch eine über ihnenverlaufende Leitung, mit aus dem Frischwasserspeichergedrücktem Wasser, gefüllt. Der Wasserzufluss wird separatfür jeden Raum durch ein Ventil mit Schwimmer gesteuert.

Am Grund jedes Raumes befindet sich ein, mit einem Schwimmerbestücktes, Ventil, welches den Abfluss steuert. Mithilfedes oberen Schwimmers wird das Ventil dann geöffnet, wenndas Wasser ein voreingestelltes Niveau erreicht hat. DasVentil bleibt mithilfe des unteren Schwimmers solange offenbis der jeweilige Raum leer ist.

Zwei Kammern des Kühlwasserspeichers sind durch mitRückschlagklappen bestückte Leitungen, an denFlachdampfkondensator beziehungsweise an demFrischwasserspeicher-Mantelkühlregister angeschlossen.

Das erhitzte Kühlwasser wird separat vom Verdampfer-Kühlregister beziehungsweise vom Frischwasserspeicher-Mantelkühlregister weiter in jeweils einen Dampfseparatorgeleitet, wo der Dampf vom Wasser getrennt wird. DasWasser wird in den Warmwasserspeicher weitergeleitet.Die Fließmenge des Wassers wird jeweils durch einRegelventil, welches von einem Kapillarrohrthermostatgesteuert wird, geregelt. Dieses Thermostat wird wiederumvon der Temperatur des fließenden Wasser gesteuert.

Von der dritten Kammer wird das Wasser in denFlachkondensator geleitet, wo es Kondesatwärme aufnimmt undweiter durch eine mit einem Thermostatregelventil bestückteLeitung, parallel zu den anderen Kühlwasserableitungen inden Warmwasserspeicher geleitet wird.

Der Abdampf wird von den DampfSeparatoren und demFlachkondensator wird in den Warmwasserspeicherweitergeleitet um dort zu kondensieren und seine Wärme andas Warmwasser abzugeben.

Prozessverlauf

Das von den Kollektoren erhitzte Wasser wird durchDreiwegventil-1 in Dreiwegventil-2 geleitet, welches das Wasserweiter in den Warmwasserspeicher-Heizregister führt, damit dasWasser dort das Speicherwasser erhitzt. Dann kehrt es wieder zuden Kollektoren zurück und der Kreislauf wiederholt.

Der Prozess fängt damit an, indem die Sonne einen bestimmtenWinkel erreicht, in dem die Sonnstrahlen in den Trichtereindringen können. Der Fühler wird durch die Sonnenstrahlungerwärmt und schaltet das Dreiwegventil-2 um. Durchdas Umschalten, wird das Wasser, weiter durch Dreiwegventil-3 in den Frischwasserspeicher-Mantelheizregister geleitet, umden Frischwasserspeicher selber zu erwärmen. Das abgekühltWasser kehrt nachher wieder zu den Kollektoren zurück.

Dieser Kreislauf besteht bis der Frischwasserspeicher diegewünschte Temperatur und die Rücklauftemperatur des Wassers einbestimmtes Grad erreicht haben. Durch das Kapillarrohr-Thermostat wird das Ventil umgeschalten, sodass das Wasser vonden Kollektoren in den Verdampfer-Heizregister strömt, dasWasser im Verdampfer, und somit auch den Verdampfer, erhitzt undnachher wieder zu den Kollektoren geleitet wird. Das imVerdampfer verdampfende Wasser wird durch eine Dampfleitung indie Dampfkammer geleitet.

Der einströmende Dampf kondensiert aufgrund der hohen Temperaturdes Frischwasserspeichers nicht und wegen dem Überdruck desDampfes wird die Membran in die Saugkammer expandiert. Dadurchentweicht die Luft aus der Saugkammer wegen dem Überdruck durchden Luftseparator an die Umgebung. Durch das Ausdehnen derMembran und durch das Entweichen der gesamten Luft steigt derWasserspeigel im Luftseperator an, wodurch ein Schwimmer welcheran zwei Klappen gekoppelt ist, zwischen der Luft- und derWasserableitung umschaltet. Anschließend steigt der Rest des

Wasser aufgrund des Überdrucks in den Kühlwasserspeicher, wo esdrei Kammern befüllt. Die Befüllung jeder einzelnen Kammer wirddurch einen Schwimmer eingestellt, wenn das Wasser in derjeweiligen Kammer ein bestimmtes Niveau erreicht.

Wenn der Wasserspiegel im Verdampfer bis zu einemvoreingestelltem Niveau durch die Verdampfung sinkt, verhindert,ein durch einen Schwimmer geregeltes Ventil, den weiterenDurchfluss des heißen Wasser aus den Kollektoren durch denVerdampfer-Heizregister und stoppt damit die Verdampfung.

Wenn das Kühlwasser in den Kühlwasserspeicherkammern einvorbestimmtes Niveau erreicht, werden, mit einem Schwimmerbestückte Ventile geöffnet. Diese Ventile sind in jeder Kammerseparat eingebaut und sind solange geöffnet bis die Kammer leerist.

Das sich in Kammer-1 befindende Wasser wird in denFrischwasserspeicher geleitet um dort auf den Flachkondensatorzu landen, um die umgebende Wärme aufzunehmen. Durch das Sinkender Temperatur kondensiert der Dampf in der Dampfkammer. Der beider Berührung des Wassers mit der heißen Fläche oberhalb desFlachkondensators entstehende Dampf wird über eineDampfableitung, wie erwähnt, in den Warmwasserspeicher geleitet.Wenn das verbleibende Wasser eine vorbestimmte Temperaturerreicht wird ein Thermostatventil geöffnet um das erwärmteWasser in den Warmwasserspeicher zu leiten.

Wenn das Ventil in Kammer-2 geöffnet wird strömt das Wasser inFrischwasserspeicher-Mantelkühlregister, welcher spiralfömig umden Frischwasserspeicher-Körper verläuft. Während es diesenkühlt steigt seine Temperatur um nachher in den Dampfseperatorgeleitet zu werden. Ein Teil des Wasser, welcher bei der erstenBerührung mit den heißen Flächen im Kühlregister verdampft war,steigt in Form von Dampf sofort auf und wird somit vom Wassersepariert. Ein Thermostat-Ventil wird geöffnet, sobald dieTemperatur des in den Separator fließenden Wassers bis zu einembestimmten Grad sinkt. Durch eine Sammelleitung, wird das Wasserim Separator in den Warmwasserspeicher geleitet.

Das aus Kühlwasserspeicher-Kammer-3 strömende Kühlwasser wird inden Verdampfer-Kühlregister geleitet um dort Wärme aufzunehmenund weiter in Dampfseperator-2 zu fließen. Während sich dasWasser im Verdampfer befindet, verdampft ein Teil des Wassersbei der ersten Wärmeaufnahme, und steigt anschließend inDampfseperator-2 auf um über eine Dampfsameleitung in denWarmwasserspeicher geleitet zu werden. Das im Dampfseperatorverbleibende Wasser sammelt sich an bis das im Kühlwasser bis zu einem gewissen Grad abkühlt und ein *Thermo*stat-Ventil denDurchfluss des Wasssers gewährt. Das aufgewärmte Wasser fließtaus dem Dampfseperator in eine Sammelleitung in denWarmwasserspeicher.

Am Ende des Prozesses wird der, in der Dampfkammer kondensierteDampf, über die geneigte Kondensrinne durch die, ebenfallsgeneigte Kondenswasserableitung in den Verdampferzurückgeleitet.

Wenn die Luft und das Kühlwasser über den Luftseperatorabgeleitet werden und durch das Kondensieren des Dampfes,ensteht in der Saugkammer ein Niederdruck.

Durch die Druckdifferenz zwischen dem atmosphärischen Druck unddem Niederdruck in der Saugkammer, wird das Frischwasser durchdie Frischwasserleitung über den Frischwasserdampfkondensator indie Saugkammer gepumpt. Aufgrund der niedrigen Temperatur desFrischwassers kondensiert der verbliebene Dampf in derDampfkammer auf dem Frischwasserdampfkondensator.

Wenn der Warmwasserspeicher befüllt ist, besteht die Möglichkeitwarmes Wasser abzunehmen.

PATENTANPRÜCHE

Claims (10)

1. Patentansprüche 1. Solarbetriebene Wasserpumpe, umfassend a. einen Solarkollektor zur Erzeugung von erhitztem Wasser, b. einen Frisch wasserspeicher (2) i. mit einer Dampfkammer (3) und einer Saugkammer (4), ii. wobei zwischen der Dampfkammer (3) und der Saugkammer (4)eine bewegliche Membran (5) angeordnet ist, c. einen mit der Dampfkammer (3) über eine Dampfleitung verbundenenVerdampfer (17), der zur Erzeugung von Wasserdampf mit dem vomSolarkollektor erhitzten Wasser beaufschlagbar ist, d. eine Zuleitung für das zu pumpende Wasser, e. eine Ableitung für das zu pumpende Wasser,dadurch gekennzeichnet, dass - in der Dampfkammer (3) ein Frischwasserdampfkondensator (7) zurKondensation des Wasserdampfes vorgesehen ist, o der einerseits mit der Zuleitung und andererseits mit der Saugkammer (4) verbunden ist, o sodass das zu pumpende Wasser den Frischwasserdampfkondensator (7) durchströmt und durch die Saugkammer (4) geleitet wird, - wobei in der Saugkammer (4) die Ableitung oberhalb eines vorbestimmtenNiveaus angeordnet ist, sodass nach Durchführung eines Pumpvorgangsstets ein Restbestand an Wasser in der Saugkammer (4) verbleibt.
2. 2. Wasserpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einKühlwasserspeicher (13) mit drei Kammern (14, 15, 16) vorgesehen ist, der übereinen Luftseparator (10) der Saugkammer (4) mit dem in der Saugkammer (4)nach der Durchführung eines Pumpvorgangs befindlichen Wasserbeaufschlagbar ist.
3. 3. Wasserpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dreiKammern (14, 15, 16) über schwimmergesteuerte Ventile verfügen, sodass beimEinleiten des Wassers in den Kühlwasserspeicher (13) eine Kammer nach deranderen gefüllt wird.
4. 4. Wasserpumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in derDampfkammer (3) ein Flachkondensator (6) zur Kondensation desWasserdampfes angeordnet ist, der über eine erste Kammer (14) desKühlwasserspeichers (13) mit Wasser beaufschlagbar ist.
5. 5. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,dass in der Saugkammer (4) ein Heizregister (8) vorgesehen ist, welches überein Ventil (20) mit dem vom Solarkollektor erhitzten Wasser beaufschlagbar ist,um den Frischwasserspeicher (2) auf Betriebstemperatur zu bringen.
6. 6. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass in der Saugkammer (4) ein Mantelkühlregister (9) vorgesehen ist, welchesüber eine zweite Kammer (15) des Kühlwasserspeichers (13) mit Wasserbeaufschlagbar ist, um den Frischwasserspeicher (2) abzukühlen.
7. 7. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet,dass die dritte Kammer (16) des Kühlwasserspeichers (13) mit dem Verdampfer (17) verbindbar ist.
8. 8. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,dass ein Kaltwasserspeicher (11) und ein Warmwasserspeicher (12) vorgesehensind, die mit der Ableitung verbunden sind.
9. 9. Wasserpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein ersterDampfseparator (24) und ein zweiter Dampfseparator (25) vorgesehen sind, diedas Wasser aus dem Mantelkühlregister (9) und dem Verdampfer (17) sammelnund in den Warmwasserspeicher (12) leiten.
10. 10. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,dass der Frischwasserspeicher (2) als aufrechter Zylinder ausgeführt ist, wobeider Frischwasserdampfkondensator (7), das Heizregister (8) und dasMantelkühlregister (9) an der Mantelfläche des Zylinders angeordnet sind.