CH641546A5

CH641546A5 - Heat transmission device

Info

Publication number: CH641546A5
Application number: CH356179A
Authority: CH
Inventors: Emil Baechli
Original assignee: Emil Baechli
Priority date: 1979-04-17
Filing date: 1979-04-17
Publication date: 1984-02-29
Also published as: IT1136178B; ZA802313B; BE882831A; FR2454590A1; JPS567948A; FR2454590B1; IT8012512A0; DE3014836A1; ATA200580A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungseinrichtung eines Sonnenkollektors, der über eine Vorlaufleitung mit einer auf tieferem Niveau, in getrennter Anordnung vorgesehenen W ärmeabgabezone bzw. einem W ärmespeicher verbunden ist, und der eine mit der Wärmeabgabezone bzw. dem Wärmespeicher verbundene Rücklauf leitung für den in der Wärmeabgabezone bzw. im Wärmespeicher kondensierten Dampf aufweist, wobei zum Transport des Kondensates eine Pumpe vorgesehen ist.

Die Wärmeübertragung zwischen Sonnenkollektor und Wärmeaustauscher erfolgt in bekannter Weise über Flüssigkeitsbzw. Luftumwälzung. Jedoch sind auch Systeme der Wärmeübertragung bekannt geworden, bei welchen innerhalb der Sonnenkollektoren der Wärmetransport über Wärmerohre, sogenannte Heat pipes, erfolgt und die weitere Übertragung zum Wärmespeicher über Flüssigkeitsumwälzung durch Leitungen, welche den im Wärmespeicher eingesetzten Wärmeaustauscher mit dem Sonnenkollektor verbinden, welcher seine Wärme an den Verbraucherkreislauf abgibt. In die Wärmeübertragungsleitung sind neben einer oder mehreren Pumpen noch Bypass-, Dreiwege- und Überlaufventile sowie Thermostate eingeschaltet. Bei dieser bekannten Anordnung befindet sich der Wärmespeicher im Keller oder im Garten des Anwesens. Letztere Anordnung ist immer dann gegeben, wenn z. B. neben der Warmwasserversorgung des Hauses noch ein Schwimmbad mit beheizt werden soll.

Bei einem anderen Konzept der Speicherung der von den Sonnenkollektoren erzeugten Wärme wird die Anordnung des Wärmespeichers am obersten Punkt des Hauses, beispielsweise am Dachboden, vorgesehen. Hier wird ein nahezu druckloser Speicher verwendet (Veröffentlichung «Sonnenenergie», Herausgeber H. Matthöfer, aus der Reihe «Forschung aktuell»).

Von Nachteil bei den bekannten Anordnungen ist jedoch die Tatsache, dass bei einer Anordnung des Wärmespeichers im Keller des Gebäudes eine oder mehrere mit Fremdenergie angetriebene Pumpen sowie verschiedene Ventile, welche durch technisch aufwendige Konstruktionen über Thermostaten, Durchflussmesser oder elektronisch gesteuert werden, vorgesehen werden müssen.

Beim Konzept der Anordnung des Wärmespeichers in gleicher Höhe mit dem Sonnenkollektor oder direkt unter der Kollektorfläche, beispielsweise auf dem Dachboden, besteht jedoch die Gefahr, dass bei diesem nahezu drucklos arbeitendem Speichersystem die Kollektorfläche bei Verdampfungsgefahr der Flüssigkeit im Sommer oder bei extremer Kälte im Winter leerläuft. Es sind daher thermisch hoch belastbare und somit teure Kollektoren erforderlich.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmeübertragungseinrichtung zu schaffen, bei welcher das Wärmeträgermedium zwischen dem Sonnenkollektor und dem Wärmespeicher ohne Zuführung von Fremdenergie, insbesondere bei Anordnung des Wärmespeichers an einem wesentlich tieferen Punkt als des Wärmeerzeugers transportiert wird, wobei das System selbstregelnd sein soll, d. h. ohne zusätzliche Regelkreise auskommt.

Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Pumpe mit der Welle eines in die Vorlaufleitung geschalteten, dampfgetriebenen Motors antriebsverbunden ist. Der Vorteil der erfindungsgemässen Wärmeübertragungseinrichtung ist insbesondere darin zu erblicken, dass für den Kondensatrücklauf vom Wärmeaustauscher zum Sonnenkollektor keine durch Fremdenergie angetriebene Pumpen erforderlich sind, sondern das Zurückpumpen des Kondensats in den Sonnenkollektor durch eine von einem Dampfmotor angetriebene Pumpe erfolgt, wobei der Dampfmotor in der Vorlaufleitung und die Pumpe in der Kondensatrücklaufleitung angeordnet sind. Da bei steigender Erhitzung und somit Dampferzeugung der Dampfmotor schneller läuft und dabei die Pumpe eine entsprechend grössere Menge kondensiertes Wärmeträgermedium in den Verdampfer zurückfördert, ist ein einfacher Rücktransport des Kondensats gewährleistet. Der Kraftaufwand für das Pumpen ist sehr klein, dabei der Ausbildung der Kollektorrohre als sogenannte Heat pipes nur eine geringe Flüssigkeitsmenge umgewälzt zu werden braucht. Da weiterhin die Wärmeübertragung erst dann einsetzt, wenn im Kollektor eine höhere Temperatur erzielt ist, als der Wärmespeicher aufweist, sind keinerlei Steuer- und/ oder Regelorgane notwendig.

Eine Wärmeübertragung erfolgt durch das verdampfte Medium im Sonnenkollektor sehr rasch zum Wärmeverbraucher und endet sofort, sobald in beiden Organen die gleiche Tempera-tur vorherrscht, oder im Sonnenkollektor eine niedrigere Temperatur eintritt als im Verbraucher. Durch den Wegfall der sonst üblichen Steuerorgane wird eine besonders wirtschaftliche Lösung erreicht.

Damit die Wärmeübertragung nicht vom Wärmespeicher zum Kollektor erfolgen kann, wird der Wärmeaustauscher im Wärmeverbraucher vorzugsweise so angeordnet, dass das im Wärmeaustauscher kondensierte Medium sofort abfliessen kann. Damit wird ausgeschlossen, dass die Wärme vom z. B. erhitzten Wärmespeicher in den beispielsweise nachts abgekühlten Sonnenkollektor zurückgefördert wird.

Um ein Einfrieren der Flüssigkeit im Kollektor zu vermeiden, können die Zuleitungen zum Wärmeerzeuger sowie dieser selbst, im Bereiche der Einfrierungsgefahr Gefälle aufweisen, so dass das Wasser jederzeit in den Wärmeaustauscher zurückfliessen kann. Bei Verwendung anderer Medien, d. h. solcher, welche nicht einfrieren können, ist ein derartiges Gefälle nicht erforder2

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Weitere mögliche Ausbildungsformen des Erfindungsgegenstandes, insbesondere des Pumpenantriebes und der Verdampferrohre in den Sonnenkollektoren, gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor. So hat sich eine Vergrösserung der Innenoberfläche der Verdampferrohre des Sonnenkollektors besonders vorteilhaft ausgewirkt, da dadurch immer eine bestimmte Menge der Wärmeträgerflüssigkeit daran haften und somit die Innenoberfläche benetzt bleibt. Weiterhin können am Verdampferrohr über deren Länge verteilt kleine Flüssigkeitsreservoire verteilt sein, wodurch bei Inbetriebsetzung des Sonnenkollektors sofort eine ausreichende Flüssigkeitsmenge zur Verdampfung bereitsteht.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 ein zum Stand derTechnik zu zählendes Verdampferrohr, eine sogenannte Heat pipe;

Fig. 2 eine erste erfindungsgemässe Anordnung der Wärmeübertragungseinrichtung;

Fig. 3 ein Detail einer durch Dampf angetriebenen Pumpe;

Fig. 4 eine zweite erfindungsgemässe Anordnung der Wärmeübertragungseinrichtung;

Fig. 5a-e verschiedene Ausbildungsformen eines Verdampferrohres in Längs- und Querschnitt.

In Fig. 1 ist mit 1"' ein abgeschlossenes, evakuiertes Wärmerohr (Heat pipe) bezeichnet, welches teilweise mit einem Wärmeträgermedium, vorzugsweise einer Flüssigkeit, gefüllt ist.

Durch Zufuhr von mit Pfeilen 2 bezeichneter Wärme verdampft das Wärmeträgermedium. Während beispielsweise das (in der Zeichnung) linke Ende V warm gehalten wird, das rechte Ende des Rohres 1" jedoch kalt bleibt, findet ein dauernder Energieübergang gemäss den Pfeilen 3 vom warmen Rohrende 1 ' zum kalten Rohrende 1" statt, wobei die Wärme am kalten Rohrende 1" gemäss den Pfeilen 2' an die Umgebung abgegeben wird. Da der Wärmeübergang sehr schnell erfolgt, tritt zwischen den beiden Rohrenden 1 ', 1" nur eine minimale Temperaturdifferenz auf.

Das Prinzip des in Fig. 1 beschriebenen, an sich bekannten Wärmerohres 1"' wird in der erfindungsgemässen Ausbildung einer Wärmeübertragungseinrichtung angewendet. In der Fig. 2 ist das Verdampferrohr 1 eines Sonnenkollektors über eine Rohrleitung 4 mit einem Wärmeaustauscher 5 verbunden, wobei das Verdampferrohr 1 als warmes Rohrende 1 ' und der Wärmeaustauscher 5 als kaltes Rohrende 1" wirken. Der Wärmeaustauscher ist in einem Wärmespeicher 6, beispielsweise einem Brauchwasserkessel, geneigt angeordnet. Der im Verdampferrohr 1 gebildete Dampf strömt durch die Rohrleitung 4 in den Wärmeaustauscher 5 und gibt dort die Wärme an die Umgebung, beispielsweise an Brauchwasser, ab. Das dabei gebildete Kondensat fliesst durch eine Rücklaufleitung 7 in den Sonnenkollektor zurück, wo es wiederum aufgeheizt, bzw. verdampft wird. In der Rohrleitung 4 ist ein dampfgetriebener Motor 8 angeordnet,

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welcher als Turbine ausgebildet ist und über eine gemeinsame Welle 9 eine Pumpe 10 antreibt. Die Pumpe 10 fördert das Kondensat zurück in das Verdampferrohr 1.

Aus der Detailansicht der Fig. 3 ist der generelle Aufbau des Dampfmotors 8 mit der damit gekuppelten Pumpe 10 ersichtlich. Die beiden Gehäuseteile sind entlang der Welle 9 durch Dichtungen 11 gegeneinander abgedichtet, so dass einerseits kein Dampf in die Kondensatpumpe 10 und andererseits kein Kondensat in den Dampfmotor 8 gelangen kann.

In der Fig. 4 ist eine zweite Ausbildungsform der Wärmeübertragungseinrichtung dargestellt, wobei im Wärmespeicher 6 zwei oder mehrere Wärmeaustauscher 5,5' übereinander angeordnet sind. Diebeiden Wärmeaustauscher 5,5' sind untereinander durch eine Verbindungsleitung 12 verbunden, wobei in der Rohrleitung 4 ein Thermostat 13 und zwischen der Rohrleitung 4 und der Verbindungsleitung 12 ein von diesem gesteuertes Ventil 14 angeordnet ist. Wenn das aus dem Verdampferrohr 1 eines Sonnenkollektors kommende Wärmeträgermedium, beispielsweise Dampf, heisser ist als das Wasser im Wärmespeicher 6, wird der Zufluss des Wärmeträgermediums vom Thermostat 13 und dem Ventil 14 so gesteuert, dass zuerst die erste Stufe des Wärmeaustauschers 5' angeströmt wird und dann über die Verbindungsleitung 12 das Wärmeträgermedium in den Wärmeaustauscher 5 gelangt, wobei in diesem die Restwärme an das Brauchwasser im Wärmespeicher 6 abgegeben wird. Ist das Brauchwasser annähernd gleich warm wie das aus dem Sonnenkollektor kommende Wärmeträgermedium, wird nur der Wärmeaustauscher 5 durchströmt. Die Wärmeaustauscher 5,5' sind im Wärmespeicher 6 vorzugsweise geneigt angeordnet, da dadurch das Kondensat sofort abfliessen kann und nicht von neu einströmendem Dampf mitgerissen wird.

Bei den in den Fig. 5a bis e gezeigten Ausführungsformen des Verdampferrohres 1 wird durch verschiedene Mittel die Innenoberfläche so vergrössert, dass das Wärmeträgermedium diese vollständig benetzt und durch eine Kapillarwirkung daran haften bleibt. Zusätzlich dazu wird gleichzeitig eine Vergrösserung der dem Wärmeaustausch zur Verfügung stehenden Fläche erzielt. So ist beispielsweise gemäss Fig. 5a die Innenoberfläche des Verdampferrohres 1 mit Längsrillen 15 versehen, während in Fig. 5b die Rillen 16 in Umfangsrichtung des Verdampferrohres 1 verlaufen. Eine weitere bevorzugte Ausbildungsform besteht darin, dass im Innern des Verdampferrohres 1 eine Wendelfeder 17 eingesetzt ist, während es auch möglich ist, die Innenoberfläche des Verdampferrohres 1 mit einer porösen Schicht 18 oder mit einem Drahtgeflecht 19 zu versehen (Fig. 5c-e).

Durch die erfindungsgemässe Ausbildung der Wärmeübertragungseinrichtung und der Verwendung von Dampf anstelle einer Flüssigkeit oder eines Gases, wird zum Betrieb nur ein Bruchteil der sonst üblichen Flüssigkeitsmenge im System benötigt, wodurch ein wesentlich schnelleres Reagieren der Anlage, insbesondere auf Einstrahlungsschwankungen, erzielt wird, d. h. es kann gegenüber Anlagen mit grossem Inhalt durch die Verdampfung eine wesentlich grössere Energiemenge in kürzerer Zeit als bei Flüssigkeitsumwälzungen übertragen werden.

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3 Blatt Zeichnungen

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641 546 PATENTANSPRÜCHE

1. Wärmeübertragungseinrichtung eines Sonnenkollektors, der über eine Vorlaufleitung mit einer auf tieferem Niveau, in getrennter Anordnung vorgesehenen Wärmeabgabezone bzw. einem Wärmespeicher verbunden ist, und der eine mit der Wärmeabgabezone bzw. dem Wärmespeicher verbundene Rücklaufleitung für den in der Wärmeabgabezone bzw. Wärmespeicher kondensierten Dampf aufweist, wobei zum Transport des Kondensates eine Pumpe vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (10) mit der Welle (9) eines in die Vorlaufleitung (4) geschalteten, dampfgetriebenen Motors (8) antriebsverbunden ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass der Motor (8) als Turbine ausgebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass der Motor (8) und die Pumpe (10) als Einheit ausgebildet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass die Verdampferrohre (1) des Sonnenkollektors an der Innenoberfläche mit Längsrillen (15) versehen sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass die Innenoberfläche der Verdampferrohre (1) mit Umfangs-rillen (16) versehen sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass im Innenraum der Verdampferrohre (1) Wendelfedern (17) angeordnet sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass die Innenoberfläche der Verdampferrohre (1) mit einer porösen Schicht (18) überzogen sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass an der Innenoberfläche der Verdampferrohre (1) ein Drahtgeflecht (19) angeordnet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass die Pumpe (10) durch von Solarzellen erzeugte elektrische Energie steuerbar ist.