DE2641119C3 - Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten durch Sonnenenergie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeit durch Sonnenenergie mit einem an einen Flüssigkeitskreislauf anschließbaren und innerhalb eines zur Sonne lichtdurchlässigen Gehäuses angeordneten Wärmetauscher aus schwarzem Wärme- und UV-beständigem Polypropylen, der als im Extrusionsblasverfahren gefertigte Platte aus nebeneinanderliegenden Rohrbereichen mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet ist, deren nebeneinanderliegendc Bereiche durch schmale Stege in der Mittelebene des Rohres miteinander verbunden sind.

Seit einiger Zeit sind Bestrebungen im Gange, eine wirtschaftliche Nutzung der Sonnenenergie auch in unseren geografischen Breiten zu verwirklichen. Eine Entwicklungsrichtung verfolgt das Ziel, ein Wärmeträgermedium durch Sonnenenergie auf Temperaturen bis 100" C zu erwarmen.

Um dieses Ziel zu erreichen, sind Vorrichtungen entwickelt worden, mit denen Wasser bzw. Flüssigkeit ■uf Temperaturen zwischen 40 und 80° C erwärmt Werden kann. Ein Wärmetauscher besteht in der Re* gel aus einem von der Flüssigkeit durchströmten Röhrsystem, welches der Sonneneinstrahlung ausge^ setzt ist, Erwärmtes Wasser kann beispielsweise in ei^ nem an die Wärmetauscher angeschlossenen Heizsystem direkt zur Beheizung von Wohnräumen, Schwimmbädern, Treibhäusern bzw. Bodenkulturen od. dgl. verwendet werden.

Vorzugsweise sind die Vorrichtungen zum Erwärmen von Flüssigkeiten durch Sonnenenergie Bestand-T teile eines besonderen Heizmittel-Kreislaufes, dessen Wärme in einem eigens konstruierten Wärmetauscher an Brauchwasser oder ein Wärmeträgermedium für Heizzwecke abgegeben wird.

Derartige Vorrichtungen mit Wärmetauschern

in wurden bisher in der Regel aus Metall hergestellt. (GB-PS 938012). Metall, so beispielsweise Kupfer und Aluminium, eignet sich aus rein wärmephysikalischen Gründen am besten zur Herstellung des Wärmetauschers, dessen Rohr in einer bekanntgewordenen Ausführungsform auch in Wendeln auf einer AJuminiumpIatte aufgebracht sein kann. Infolge der guten Wärmeleitung dieses Wärmetauschers wird ein großer Teil der Sonnenwärme an die das Rohr durchfließende Flüssigkeit abgegeben, um die Aufnahme von Sonnenenergie noch zu steigern, kann der Wärmeaustauscher schwarz gefärbt sein.

Derartige Wärmetauscher weisen jedoch konstruktive Nachteile auf. Ihre Metallkonstruktion ist schwer, bei der Herstellung lohnintensiv und teuer, sowie vor

j-, allem anfällig gegen Korrosion durch Atmosphärilien und ätzende Zusätze in der die Wärmetauscher durchströmenden Flüssigkeit. Sollen zahlreiche Vorrichtungen zu einer Bauerie zusammengefaßt auf einer vorhandenen Dachfläche installiert werden, reicht oft

j„ deren Festigkeit nicht aus. Die Dachkonstruktion muß verstärkt werden.

Bekanntgeworden ist auch ein Wärmetauscher für das Wasser eines Schwimmbades, durch den tagsüber das Wasser mittels Sonnenwärme aufgeheizt und

j-, nachts das Wasser gekühlt wird. Der Wärmetauscher weist ein mäanderförmig geführtes Rohr mit einem Einlaß und einem Auslaß auf, die an den Wasserkreislauf angeschlossen sind. Hergestellt ist der Wärmetauscher aus zwei rechteckigen vorgefertigten Platten

in aus geschwärztem Kunststoff, die .'hermisch oder dielektrisch entlang der zwischen den Rohrbereichen vorstehenden Wandteilen zusammengeschweißt sind. (US-PS 3868945).

Dieser bekannte Wärmeaustauscher ist flächenmä-

₄-, ßig so groß, daß ein Wärmetauscher allein für das gesamte Wasser eines Schwimmbades ausreicht. Beim Auftreten von Undichtigkeiten fallt die gesamte Anlage aus, die zudem mit einer Pumpe betrieben werden muß, daß die Anbringung der F.in- und Auslässe eine

-,,, Wasserbewegung infolge des Schvverkraftprinzips praktisch nicht zuläßt. Hinzu kommt die außerordentlich aufwendige Herstellung des Wärmetauschers aus zv'ei vorgefertigten Hälften, die mittels aufwendiger Werkzeuge thermisch bzw. dielektrisch zusammenge-

,-, fügt werden müssen. Diese Art der Verbindung zweier vorgefertigter Hälften kann nicht gewährleisten, daß an den thermischen Schweißstellen ordnungsgemäße Verbindungen zustande kommen. Um Undichtigkeiten nach Möglichkeit /u vermeiden, müssen derartige

_Ml Wärmetauscher drucklos betrieben werden.

Bekanntgeworden ist schließlich ein Heizkörper in Form eines Plattenradiators oder von GiiederradiatO' ren, der insgesamt bzw, dessen einzelne Glieder im Tiefzieh-, Spritzguß^, Hohlkörperblas- oder Rota-

_hl tionsgußvcrfahren aus wärmebeständigem thermoplastischem Kunststoff, vorzugsweise aus Polypropylen oder Polybuten-1 hergestellt sind. Die innerhalb der Hohlkörper befindlichen Kanäle weisen kreisför-

mige Querschnitte auf (DE-Gbm 6601479).

Hierdurch wird zwar die Herstellung eines Wärmetauschers aus Kunststoff wesentlich vereinfacht, jedoch müssen Nachteile in Kauf genommen werden. Da der Wärmetauscher aus mehreren parallel geführten geraden Rohren besteht, deren Anfänge bzw. Enden in senkrecht zu diesen Rohren geführten »Flaschen« münden bzw. enden, haben sie die Eigenschaft, daß sich die Flüssigkeit jeweils den Weg des geringsten Widerstandes «ucht. Verstopfte oder zum Teil verstopfte Rohre werden deshalb weniger vom Flüssigkeitsstrom durchströmt, als die noch nicht verstopften Rohre. Diese Eigenart parallel geführter Rohre tritt besonders beim Durchblasen bzw. beim Durchspülen durch Reinigungsmittel nachteilig in Erscheinung. Das Reinigungsmittel wird immer nur bevorzugt die noch freien Rohre durchströmen und die verstopften Rohre meiden.

Bei dem bekannten Wärmeaustauscher sind zudem keine Verbindungsmittel vorgesehen, mit denen mehrere Heizkörper insbesondere von einem Laien dicht zu einer Batterie zusammengeschlosen werden können. Zudem weisen die bekannten Heizkörper keine Möglichkeiten auf, mit deren Hilfe sie auf einer Unterkonstruktion befestigt werden können. Möglicherweise würde es Spezialisten gelingen, eine sturm- und windsichere Befestigung dieser Heizkörper, beispielsweise auf einem Dach oder auf einem dafür geschaffenen Gestell, zuwege zu bringen, von Laien wird man dieses jedoch nicht voraussetzen dürfen. Selbst wenn es einem Laien gelingen sollte, die Heizkörper dicht an Rohre anzuschließen, so würden unüberwindliche Schwierigkeiten auftreten, mehrere Heizkörper zu einer Batterie zu verbinden. Man liefe Gefahr, auf einer Dachfläche zahlreiche Leckstellen zu provozieren, die den ordnungsgemäßen Betrieb einer Warmwasseranlage empfindlich beeinträchtigen könnte.

Hinzu kommt, daß bei dem bekannten Heizkörper die Verbindungsrohre zwischen einzelnen Heizkörpern einen wesentlich geringeren Durchflußquerschnitt aufw :isen, als die parallel geführten Verbindungsrohre zwischen den einander gegenüberliegenden Sammelflaschen. Strömungstechnisch ergibt sich hierdurch zu alledem vor allem bei mehreren zusammengeschlossenen Heizkörpern eine Aufeinanderfolge von Bereichen mit raschen und langsamen Durchströnsungsgeschwindigkeiten. Dieses hat zur Folge, daß die Verweildauer des Wärmeträgermediums in einem Heizkörper gering ist und zudem kaum beherrschbar ist.

Wegen der zahlreichen gefährdeten Verbindungsstellen wird man die aus Kunststoff im Extrusionsverfahren geb'asenen Heizkörper bisheriger Konstruktion auch nur drucklos betreiben können. Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen einfach herstellbaren und montierbaren Sonnenkollektor so auszubilden, daß eine möglichst lange Verweildauer des Wärmeträgermediums bei hoher Festigkeit in bezug auf seinen Innendruck erreicht wird.

Es wurde gefunden, daß sich diese Aufgabe in einfacher Weise durch einen Wärmetauscher erreichen läßt, der die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale aufweist.

Dieser Wärmetauscher kommt den derzeitigen Bedürfnissen nach einem quasi als Massenartikel hergestellten, im Do-k-yourself-Verfahren einfach verlegbaren und anschließbaren Wärmeaustauscher entgegen. Da pro Wärmetauscher nur - mäanderförmig geführtes Rohr vorgesehen ist, erleichtert sich dessen Reinigung. Das mäanderförmig geführte Rohr des erfindungsgemäßen Wärmetauschers wird beim Durchspülen bzw. Durchblasen mit Sicherheit von Rückständen freigemacht werden können.

Durch Zusammendrücken der Stege zwischen den Rohrwindungen beim Extrusionsblasen auf eine Wanddicke, die kleiner ist als die doppelte Wanddicke

ίο des Rohres, erreicht man eine gute Verschweißung. Vorzugsweise werden die Stege etwa auf die gleiche Dicke wie die Rohrwand zusammengedrückt, um einen Teil des Schweißwulstes in den Rohrkanal zu drücken und die Bildung von Kerben im Rohr weitgehend auszuschließen. Hierdurch wird die Druckfestigkeit, insbesondere das Zeitstand verhalten des Wärmetauschers, wesentlich verbessert. Dadurch, daß die Enden des Rohres T-förmig und einstückig mit der Platte des Wärmetauschers ausgebildet sind und aus zwei einander gegenüberliegenden Seiten der Platte, senkrecht zu den Rohrbereichen, ^h"rausragen wird ermöglicht, daß einzelne Wärmetauscher, aber auch zu einer Batterie zusammengefaßte metirere Wärmetauscher, nach dem Schwe:kraftprinzip arbeiten können. Hierdurch, aber auch dadurch, daß die Rchrbereiche Bestandteile eines einzigen mäanderförmig verlaufenden Rohres sind, läßt sich die Verweildauer des Wärmeträgermediums innerhalb des Wärmetauschers wesentlich erhöhen.

Infolge der rohrfreien Bereiche für Schraublöcher bzw. Klemmbefestigungen ist es auch einem Laien möglich, den neuen Wärmetauscher ohne Zuhilfenahme von Spezialisten zwischen Dachbalken bzw. auf einer Stellage zu befestigen.

Die Merkmale der Ansprüche 2 und 3 fördern weiter in vorteilhafter Weise die Einfachheit bei der Verlegung und bei der Zusammenschaltung mehrerer Wärmetauscher zu einer Batterie.

Um einerseits einen guten Wärmeübergang zu erreichen und andererseits ein gutes Langzeitverhalten bei Innendrücken bis etwa 2 bar und Dauertemperatven bis etwa 80° C zu gewährleisten, sollte der Rohrinnendurchmesser zwischen 1 und 16 mm und die Wanddicke zwischen 1 und 4 mm liegen. Gut bewährt hat sich ein Rohrinnendurchmesser von 12 mm bei einer Wanddicke von 2 mm. Der Abstand zwischen den Rohrwindungen, d. h. die Breite der Verbindungsstege, sollte so gering wie möglich gehalten werden, um die Sonneneinstrahlung auf der vorhandenen Fläche optimal auszunutzen. Aus Festigkeitsgründen ist eine Stegbreite von mindestens 2 mm erforderlich. Bewährt hat sich eine Stegbreite zwischen 2 und 4 mm.

Um ein leichtes Zusammenschließen der erfindjng&gemäßen Vorrichtung zu einer Batterie zu ermöglichen, werden an den Schlauchtüllen der T-förmigen Rohrenden Rohre bzw. Schläuche angeschlossen, die an einander gegenüberliegenden Seiten mit benachbarten Wärmetauschern bzw. den Zu- und

bo Ableitungen verb'mden werden, so daß der einzelne Wärmetauscher im Nebenschluß geschaltet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Es zeigt

b5 Fig. 1 eine Draufsicht auf die Vorrichtung,

Fig, 2 die Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers,

Fig. 3 ein Schnitt entlang der Linie III-III nach

Fig. 2 und

Fig. 4 ein Konstruktionsdetail des Wärmetauschers.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel der erfindutigsgemäßen Vorrichtung in Draufsicht,

Ein allgemein mit 1 bezeichneter Wärmetauscher besteht im wesentlichen aus einem määhderförmig angeordneten Rohr 2 von nahezu kreisförmigem Querschnitt, welches Bestandteil einer ebenen zusammenhängenden Platte 3 ist. Die Platte wird dadurch gebildet, daß die nebeneinanderliegenden Bereiche des im wesentlichen kreisförmigen Rohres 2 durch schmale, in der Mittelebene der Rohre 2 liegende Stege 4 miteinander verbunden sind. Diese Ausbildung ist deutlich den Fig. 1 und 2 zu entnehmen. Der Wärmetauscher 1 besteht aus Kunststoff.

Die Platte 3 kann beispielsweise in einem ebenfalls aus Kunststoff hergestellten rechteckigen und wan-

nrlinAn

nem anderen geeigneten Gehäuse angeordnet sein.

Das Gehäuse 15 kann durch eine lichtdurchlässige Abdeckung abgedeckt sein, weiche aus wenigstens einer die Gehäuseöffnung überspannenden Kunststoff-Folie besteht.

Die beiden Enden 7, 8 des Rohres 2 sind T-förmig .n ausgebildet und ragen aus der Mitte einander gegenüberliegenden Seitendes Wärmetauschers heraus. An jedem T-förmigen Rohrende sind zwei einander gegenüberliegende Schlauchtüllen 9 vorgesehen, an die Rohre 39 bzw. Schläuche angeschlossen werden kön- jo ficfi. Pfeile zeigen die DuTciiflußrrchtung des Heizmediums an. Das Ausführungsbeispiel zeigt einen mittleren Wärmetauscher einer Batterie. Das untere Röhr 39 versorgt die Wärmetauscher mit dem aufzuheizenden Medium, während das obere Rohr 39 das aufgeheizte Medium den Bedarfsstellen zuführt. Der erste und der letzte Wärmetauscher einer Batterie haben jeweils nur ein Zu- bzw. Ableitungsrohr.

Die Platte 3 des Wärmetauschers 1 weist rohrfreic Bereiche 10 auf, durch die - wie sich dieses der Fi g. 2 entnehmen läßt-Schraublöcher 11 für Schrauben 40 hindurchgeführt sind. Ohne am Kern der Erfindung etwas zu ändern, können an Stelle der Schrauben 40 auch Klemmbefestigungen oder gleichwertige Befestigungsarten zur Anwendung kommen. Die Platte 3 kann auch mit einem umlaufenden Befestigungsrand 12, wie in Fig. 4 angedeutet, versehen sein, durch den der Wärmetauscher 1 beispielsweise mit dem Gehäiis? 15 verbunden ist·

Die Fig. 2,3 und 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers 1, der aus schwarzem, wärme- und UV-beständigem Polypropylen extrusionsgeblasen wurde. Fig. 3 läßt Einzelheiten dieses Wärmetauschers im Querschnitt erkennen. Die Stege 4 sowie das kreisförmige Rohr 2 weisen eine etwa gleiche Wandstärke 5 auf. Das Ende 7 des Rohres 2 kann gemäß Fig. 4 geformt und mit einem Quetschbereich 36 verseJ-fcn sein, um die Festigkeit des Rohrendes 7 zu erhöhen und um den Zu- und Abgangs-Querschnitt des Rohres auf einen günstigen Wert festzulegen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeit durch Sonnenenergie mit einem an einen Flüssigkeitskreislauf anschließbaren und innerhalb eines zur Sonne lichtdurchlässigen Gehäuses angeordneten Wärmetauscher aus schwarzem Wärme- und UV-beständigem Polypropylen, der als im Extrusionsblasverfahren gefertigte Platte aus nebeneinanderliegenden Rohrbereichen mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet ist, deren nebeneinanderliegende Bereiche durch schmale Stege in der Mittelebene des Rohres miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß

1. die Rohrbereiche Bestandteile eines einzigen mäanderförmig verlaufenden Rohres (2) sind,

2. daß die Wanddicke der Stege (4) kleiner als die doppelte Wanddicke (5) des Rohres (2) ist,

3. daß die Enden (7,8) des Rohres (2) T-förmig und einstückig mit der Platte (3) des Wärmetauschers (1) ausgebildet sind und aus zwei einander gegenüberliegenden Seiten der Platte (3) herausragen und

4. daß die Platte (3) mit rohrfreien Bereicher. (10) für Schraublöcher (11) bzw. Klemmbefestigungen versehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne' daß die einander gegenüberliegenden Bereiche jedes T-förmigen Rohrendes (7, 8) als Schlauchtülle (9) ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ehe Platte (3) einen umlaufenden Befestigungsrand (12) aufeist.