DE2637370A1 - Sonnenwaermekollektorflaeche - Google Patents

Description

DipL-ing. H. MITSCHERLICH D-8 MÖNCHEN 22

Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN SteinsdortstraBe 10

Dr. r.r. not. W. KÖRBER * ^im '""^M

DipL-lng. J. SCHMIDT-EVERS PATENTANWÄLTE

19. August 1976

KENEECOTT COPPER CORPORATION '. .

161 East 42nd Street
New York, N.Y., V.St.A.

Patentanmeldung

Sonnenwärmekollektorflache

Die Erfindung betrifft Verbesserungen bei Sonnenwärmekollektoren, bei denen eine der Sonnenstrahlung ausgesetzte Fläche dazu dient, ein Energieübertragungsmedium zu erwärmen bzw, zu erhitzen.

Derartige Sonnenwärmekollektoren sind bereits seit vielen Jahren bekannt, und es befindet sich mindestens eine Bauart im Handel, die von der Firma Beasley Industries Pty, Ltd., Bolton Avenue, Devon Park, Südaustralien 5008, auf den Markt gebracht wird. Bei der Schaffung einer Konstruktion eines Sonnenwärmekollektors dieser Art steht man jedoch vor der Aufgabe, einen Kompromiß zwischen zwei sich widersprechenden Aufgaben zu finden, die darin bestehen, einerseits einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen und andererseits sowohl die Kosten als auch das Gewicht eines solchen Kollektors möglichst niedrig zu halten,» Beispielsweise vergrößert sich der Wirkungsgrad einer Kollektorfläche normalerweise, wenn man die Anzahl der Leitungen für das Energieübertragungsmedium auf der Fläche vergrößert. Jedoch führt eine Vermehrung der Leitungen zu einer Vergrößerung des Gewichtes und zu einer Erhöhung der Kosten der Fläche j dies gilt insbesondere dann, wenn man Materialien verwenden mußj, die nicht nur Wärme sehr gut leiten, sondern auch korrosionsbeständig sind«, Die bis jetzt bekannt gewordenen Versuche, in dieser Richtung eine brauchbare Lösung zu findenρ soweit das Problem überhaupt erkannt wurde _s haben offensichtlich nur zu Zufallserfolgen geführt ₉

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sonnenwärmekollektor zu schaffen, der bei einem gegebenen Wirkungsgrad ein möglichst geringes Gewicht hat.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist durch die Erfindung eine Sonnenwärmekollektorfläche geschaffen worden, die ein Flachmaterialstück aufweist, dessen eine Fläche der Sonnenstrahlung ausgesetzt werden kann, sowie eine Anordnung von Leitungen, die in thermischer Berührung mit dem Flachmaterial stehen. Das Flachmaterial hat eine Stärke von nicht mehr als etwa 0,1524 mm, und die Abstände zwischen den Mittellinien benachbarter Leitungen betragen etwa 100 bis herab zu etwa 43,5 mm. Genauer gesagt hat bei einer erfindungsgemäßen Sonnenwärmekollektorfläche mit einem Flachmaterialstück der Stärke t_o der Wärmeleitfähigkeit k und vom spezifischen Gewicht ρ sowie mit einer Leitungsanordnung, bei der benachbarte Leitungen durch einen mittleren Abstand L getrennt sind, wobei die Berührungsfläche zwischen jeder Leitung und dem Flachmaterialstück die mittlere Breite W hat, und wobei ein Leitungsgewicht w+ je Längeneinheit vorhanden ist, die Stärke des Flachmaterialstücks einen solchen Wert t , daß sich für den Ausdruck WA nach der folgenden Gleichung ein möglichst kleiner Wert ergibt:

^WA - Ps¹¹S ⁺

^Seff

1/2 + W

Hierin bezeichnet % die Temperatur des Flachmaterials in der Mitte zwischen zwei benachbarten Leitungen, Tq die Temperatur des Flachmaterials an einem in Fluchtung mit einer Leitung stehenden Punkt und S ~_f den wirksamen Pegel der auf das Flachmaterial treffenden Sonnenstrahlung, d.h. den resultierenden thermischen Energiegewinn je Einheit der Zeit und der Flachmaterialfläche · Hierauf kann man den optimalen Leitungsabstand L unter Verwendung des so abgeleiteten Wertes von t mit Hilfe

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des Ausdrucks L = (8(T_T - T_n)k_ot /S .J 1/2 ermitteln. Bei

jj u ss en

besonders bevorzugten Ausführungsformen besteht das Flachmaterialstück aus Kupfer, die Leitungen sind mindestens teilweise aus Kupfer hergestellt, jede Leitung hat parallel zu dem Flachmaterial eine Breite, die größer ist als ihre im rechten Winkel zu dem Flachmaterial gemessene Dicke, und sämtliche Leitungen sind mit einer Seite des Flachmaterials verlötet.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine teilweise weggebrochen gezeichnete perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sonnenwärmekollektorflache;

Fig. 2 einen verkürzten, in einem größeren Maßstab gezeichneten Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1, in dem bestimmte Abmessungen der Deutlichkeit halber übertrieben dargestellt sind;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer Leitungs- bzw. Rohrbaugruppe für eine erfindungsgemäße Sonnenwärmekollektorflache; und

Fig. 4 bis 7 jeweils eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Anwendung der Erfindung bei bestimmten Ausführungsformen von Sonnenwärmekollektorflächen.

In Fig_o 1 ist eine Sonnenwäraiekollektorfläche 10 dargestellt, die solche Abmessungen hat, daß sie sich zwischen benachbarten Sparren 12 eines Dachs einbauen läßt. Gemäß Fig. 1 ist eine Kollektorfläche 14 vorhanden, die in einem Rahmen 16 zwischen einer darüber liegenden Glasplatte 18 und einer darunter liegenden Isolierschicht 20 angeordnet ist, welche beide auf bekannte Weise dazu dienen, die Wärmeverluste der Fläche 14 durch

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erneute Abgabe von Wärme an die Umgebung zu verringern. Ferner sind Leitungsanschlüsse 22 und 24 vorhanden, die es ermöglichen, ein Energieübertragungsmedium, z.B_o Wasser, der Fläche 14 zuzuführen bzw. es aus ihr abzuleiten, nachdem es Leitungen 26 durchströmt hat, die auf der Unterseite eines Flachmaterialstücks 27 angeordnet sind, das zusammen mit den Leitungen 26 die eigentliche Kollektorfläche 14 bildet. Die Leitungen 26 sind parallel zueinander so angeordnet, daß sie sich über die ganze Länge der Fläche erstrecken. Sämtliche Leitungen 26 sind durch eine Verteilerleitung 29 mit dem Einlaß 24 und gemäß Fig. 3 durch eine Sammelleitung 29 mit dem Auslaß 22 verbunden.

Wenn gemäß Fig. 2 durch Pfeile angedeutete Sonnenstrahlung auf die freiliegende obere Fläche 28 des Flachmaterialstücks 27 trifft, die gewöhnlich schwarz gestrichen ist, wird Wärmeenergie aufgenommen, so daß sich die Temperatur des Flachmaterials erhöht. Diese Wärme wird auf das durch die Leitungen 26 strömende Wärmeübertragungsmedium übertragen, da sie durch das Flachmaterial, Verbindungen 30 zwischen den Leitungen einerseits und dem Flachmaterial andererseits oder einen beliebigen anderen thermischen Kontakt zwischen den Leitungen und dem Flachmaterial sowie durch die Wände der Leitungen zu dem Übertragungs- bzw. Transportmedium übertragen wird.

Bei der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 2 ist das Flachmaterial 27 als dünnes Kupferblatt mit einer Stärke von z.B. etwa 0,0686 mm ausgebildet, und bei den Leitungen 26 handelt es sich um dünnwandige Kühlerrohre mit einer Wandstärke von z.B. etwa 0,2 mm, einem allgemein rechteckigen Querschnitt und einer Breite von etwa 12,7 mm, so daß deshalb, weil die Leitungen über ihre ganze Breite in Berührung mit dem Flachmaterial 27 stehen, die Breite W etwa 12,7 mm und die kleinsten Abstände L.zwischen benachbarten Rohren etwa 38 mm betragen,. Jedes Rohr 26 weist eine Flachseite auf, die z.B. durch Verlöten mit der Unterseite 32 des Flachmaterials 27 so verbunden ist, daß dazwischen nur ein minimaler thermischer Wider-

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stand vorhanden ist₀ Zwar könnte man sowohl das Flachmaterialstück als auch die Leitungen aus anderen Materialien herstellen, doch werden Materialien auf Kupferbasis bevorzugt, da sie mit schon vorhandenen Wohnungsheizanlagen kompatibel sind, da sie sich leicht formen lassen, da sie in hohem Maße korrosionsbeständig sind, so daß es möglich ist, dünnwandige Rohre herzustellen und zu verwenden, und da sie ein hohes Wärmeleitvermögen besitzen.

Da dem Flachmaterial 27 über die Verbindungsstellen 30 Wärme entzogen wird, besteht eine Temperaturdifferenz T^ - T_Q innerhalb des Flachmaterials zwischen der Temperatur T^ an der Mittelliie zwischen zwei benachbarten Rohren und der Temperatur Tq längs einer Linie auf dem Flachmaterial, die in Fluchtung mit einem Rohr steht. Ferner ist eine Temperaturdifferenz Tq - T„ zwischen dem Flachmaterial über Jedem Rohr und dem Arbeitsmedium in dem Rohr vorhanden. Als erste Annäherung kann festgestellt werden, daß bei einer gegebenen Umgebungstemperatur die EnergieVerluste einer Sonnenwärmekollektoreinheit proportional zur mittleren Temperatur der Kollektorfläche zunehmen_e Um den Wirkungsgrad des Kollektors zu steigern, ist es daher zweckmäßig, die vorstehend genannten Temperatür-differenzen, die notwendigerweise dazu führen, daß die mittlere Temperatur der Kollektorfläche über der Temperatur des Arbeitsmediums liegt, klein zu halten und z.B. dafür zu sorgen, daß die Temperaturdifferenz T^ - T_Q etwa 5_f5°C beträgt.

Es ist möglich, für jeden Anwendungsfall einer Sonnenwärmekollektoreinheit und die zulässige Temperaturdifferenz T^ - T_Q einen wirksamen Bestrahlungspegel S -» anzugeben, bei dem die zu erwartenden EnergieVerluste der Kollektoreinheit berücksichtigt sind«. Die Größe S_eff bezeichnet einfach den resultierenden thermischen Energiegewinn der Fläche 14 je Zeiteinheit und je Flächeneinheit, z.B. in britischen Wärmeeinheiten je Stunde und Quadratfuß bzw. in Kilokalorien je Stunde und Quadratmeter«, Typische Werte von S ~~ für isolierte, verglaste Flächen nach Fig. 1, die in Klimazonen mit gemäßigten

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Temperaturen verwendet werden, liegen im Bereich bis zu 250 BTU/h/ft² bzw. 678 kcal/h/m².

Gemäß der Erfindung hat es sich gezeigt, daß man die Rohrabstände L unter Verwendung der Stärke t des Flachmaterials 27, der Wärmeleitfähigkeit k des Flachmaterials, des zulässigen Temperaturunterschiedes T^ - T_Q des Flachmaterials sowie des effektiven Bestrahlungspegels S _ff wie folgt ausdrücken kann:

L= (8T_L -T₀ k_st_s/S_eff) 1/2 (1)

Das Flächeneinheitsgewicht WA der Kollektorfläche läßt sich wie folgt ausdrücken:

WA - pt + W₊N (2)

SS U

Hierin bezeichnet p_g das spezifische Gewicht des Flachmaterials 27, t die Stärke des Flachmaterials, w₊ das Längeneinheitsgewicht des Rohrmaterials und N den Leitungsfaktor, d.h. die Anzahl der je Längeneinheit auf der Kollektorfläche verteilten Rohre. Unter Verwendung des Rohrabstandes L und der Breite W der den Wärmeübergang vermittelnden Verbindungsstellen erhält man folgende Gleichung:

N = 1/(L + W) (3)

Man kann die Gleichungen (1), (2) und (3) so kombinieren, daß das Gewicht einer Kollektorfläche je Flächeneinheit mit Hilfe der festen Parameter und der Stärke des Flachmaterials wie folgt ausgediUckt wirds

_ 4. . wt

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Somit läßt sich mit Hilfe von Gleichung (4) für ein bestimmtes Flachmaterial, ein bestimmtes Rohrmaterial und bestimmte Rohrabmessungen eine optimale Stärke t des Flachmaterials ermitteln. Hierauf kann man durch Einsetzen von t_Q in Gleichung (1) einen optimalen Rohrabstand L_Q bestimmen, so daß man unter Berücksichtigung der die Leistung des Kollektors begrenzenden Werte von S _ff und T, - T_Q eine Kollektorfläche von minimalem Gewicht erhält.

Eine Kollektorfläche wie die Fläche 14 kann wie folgt aufgebaut werden: Gemäß Fig. 3 werden zwei Kopfstücke 29> d_eh_o eine Verteilerleitung und eine Sammelleitung, die eine quadratische Querschnittsform haben und mit vorgestanzten Öffnungen 34 zum Aufnehmen der Leitungen 26 versehen sind, auf einem Tisch angeordnet«, Dann werden die Leitungen in die vorgestanzten Öffnungen eingeführt und mit den Kopfstücken verlötet. Hierauf wird ein Streifen aus Lötband auf eine Flachseite jeder rechteckigen Leitung 26 aufgelegt, wobei sich der Streifen über die ganze Länge der betreffenden Leitung erstreckt. Nunmehr wird ein Flachmaterial-stück über den Rohren auf die Lötbandstreifen gelegt ο Dann wird die Anordnung auf eine Temperatur erhitzt, bei der das Lot zu fließen beginnt. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, zum Erhitzen der Anordnung auf die erforderliche Temperatur nicht dargestellte Heizdecken auf der Unterseite und der Oberseite der Baugruppe anzuordnen. Nach dem Abkühlen wird die Oberseite 28 des Flachmaterials 27 mit schwarzer Farbe gespritzt oder auf andere Weise damit überzogen, damit die Sonnenstrahlung wirksam absorbiert wird. Schließlich wird die Baugruppe in den Rahmen 16 eingesetzt, in dessen unterem Teil sich gemäß Fig. 1 und 2 die Isolierschicht 20 befindet.

Beispiele

Es wurden Kollektorflächen mit Flachmaterialstücken 27 untersucht, bei denen Leitungen 26 vorhanden waren, die aus vier verschiedenen Arten von Rohrmaterial bestanden, und zwar 1, aus normalem Installationsrohr aus Kupfer vom Typ M mit einem Durch-

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messa?von 9,525 mm, 2. aus dünnwandigem Kupferrohr mit einem Außendurchmesser von 9,525 mm und einer Wandstärke von 0,254 mm, 3. aus Kupferheizkörperrohr mit einer Breite von 12,7 mm und einer Wandstärke von 0,203 mm (geschweißt) und 4. aus Messingheizkörperrohr mit einer Breite von 19,05 mm und einer Wandstärke von 0,152 mm (geschweißt). Um mögliche und gleichzeitig relativ hohe Betriebserfordernisse nachzuahmen, wurden als Leistungsfaktoren eine Temperaturdifferenz T_L - T_Q = 5,5°C und ein wirksamer Bestrahlungspegel S_eff = 250 BTU/hr-ft² (678 kcal/h/m ) gewählt. Die Ergebnisse des beschriebenen Optimierungsverfahrens sind für die verschiedenen Rohrleitungsmaterialien in Fig, 4 bis 7 dargestellt. Zwar dürfte sich bei allen optimal aufgebauten Flächen im Vergleich zu Flächen bekannter Art eine Gewichtsersparnis ergeben, doch zeigen die Kurven in Fig. 4 bis 7, daß sich bei der Verwendung von Heizkörperrohrmaterial bei einer optimalen Konstruktion im Vergleich mit einer auf ähnliche Weise optimierten Konstruktion mit normalem Kupferinstallationsrohrmaterial Gewichtsersparnisse von etwa 60% erzielen lassen. Gemäß Fig. 6 und 7 liegt die optimale Stärke des Flachmaterials im Bereich von 1 bis 3 mil (0,0254 bis 0,0762 mm) bei entsprechenden Mittehabständen der Rohre von 7 bis 5 Rohren je Fuß (43,5 bis 61 mm) wenn Rohre mit einer Breite von 12,7 bzw. 19,05 mm verwendet werden. Ferner ist es bei einer Konstruktion mit dünnwandigem Kupferrohr ebenfalls möglich, eine Gewichtsersparnis gegenüber gewöhnlichem Installationsrohrmaterial zu erzielen, wenn man Flachmaterial mit einer Stärke von 0,0381 bis 0,102 mm verwendet und entsprechende Mittenabstände der Rohre von 38 bis 55,5 mm vorsieht.

Patentansprüche;

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Claims (11)

PATENTANSPRÜCHE

1.) Sonnenwärmekollektorfläche mit einem Flachmaterialstück, das eine der Sonnenstrahlung aussetzbare Fläche aufweist, einer Stärke t„, der Wärmeleitfähigkeit k_ und dem spezifisehen Gewicht p_ sowie mit mehreren Rohrleitungen, die in thermischer Berührung mit dem Flachmaterialstück stehen, sich über das Flachmaterialstück hinweg erstrecken, um ein Energieübertragungsmedium über das Flachmaterialstück hinwegzuleiten, wobei zwischen benachbarten Rohrleitungen der mittlere Abstand L vorhanden ist, wobei die mittlere Breite jeder in Berührung mit dem Flachmaterialstück stehenden Rohrleitung mit W bezeichnet ist, und wobei das Rohrleitungsmaterial je Längeneinheit das Gewicht w+ hat, dadurch gekennzeich net, daß die Stärke t des Flachmaterialstücks (27) einen solchen Wert hat, daß sich im wesentlichen der kleinstmöglihe Wert für den Ausdruck

P**

^s 1/2

ti

^{s s} 1/2 + W

ergibt, so daß sich eine optimale Stärke t ■ des Flachmaterialstücks ergibt, wobei T^ die Temperatur des Flachmaterialstücks in der Mitte zwischen zwei benachbarten Rohrleitungen (26) bezeichnet, Tq die Temperatur des Flachmaterialstücks in einem Teil desselben, der in Fluchtung mit einer Rohrleitung steht, und S_e££ den effektiven Bestrahlungspegel, und wobei L durch den Ausdruck (8 [t_l - ¹ZqI k_gt_Q/S_e££) 1/2 Segeken ^ist» ^s0 daß bei gegebenen Werten für den wirksamen Bestrahlungspegel S „- und die Temperaturdifferenz T^ - Tq das Gewicht der Sonnenwärmekollektorfläche (14) je Flächeneinheit im wesentlichen einen Kleinstwert annimmt.

2. Sonnenwärmekollektorfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flachmaterialstück (27) Kupfer enthalte

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- ίο -

3. Sonnenwarmekollektorflache nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rohrleitung (26) Kupfer enthält und das Energieübertragungsmedium Wasser ist.

4. Sonnenwärmekollektorfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rohrleitung (26) parallel zu dem Flachmaterialstück (27) eine Breite (W) hat, die größer ist als ihre im rechten Winkel zu dem Flachmaterialstück gemessene Dicke.

5. Sonnenwärmekollektorfläche nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rohrleitung (26) eine Breite (W) von mindestens etwa 12,7 mm hat.

6. Sonnenwärmekollektorfläche nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß jede Rohrleitung (26) eine Wandstärke von weniger als etwa 0,254 mm hat.

7. Sonnenwärmekollektorfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rohrleitung (26) mit einer Seite des Flachmaterialstücks (27) verlötet ist.

8. Sonnenwärmekollektorfläche nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rohrleitung (26) mit der Seite des Flachmaterialstücks (27) verlötet ist, die von der der Sonnenstrahlung ausgesetzten Seite abgewandt ist.

9· Sonnenwärmekollektorfläche, gekennzeichnet durch ein Flachmaterialstück (27) aus wärmeleitendem Material mit einer der Sonnenstrahlung aussetzbaren Fläche (28) und einer Stärke von nicht mehr als etwa 0,152 mm, mehrere Rohrleitungen (26) in thermischer Berührung mit dem Flachmaterialstück, die sich in einer vorbestimmten Anordnung über das Flachmaterialstück hinweg erstrecken und geeignet sind, ein Energieübertragungsmedium über das Flachmaterialstück hinwegzuleiten, wobei die Anordnung derart mit den Rohrleitungen versehen ist_? daß zwischen benachbarten Rohrleitungen Mittenab-

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stände von etwa 100 bis etwa 43,5 mm vorhanden sind, und wobei jede Rohrleitung parallel zu dem Flachmaterialstück eine Breite (W) hat, die nicht größer ist als etwa 25,4 mm, sowie durch Kopfstücke, d.h. eine Verteilerleitung (29) und eine Sammelleitung (29), die mit den Rohrleitungen so verbunden sind, daß sie es ermöglichen, das Energieübertragungsmedium den Rohrleitungen zuzuführen und es nach seiner Erwärmung aus den Rohrleitungen der Anordnung abzuführen.

10. Sonnenwarmekollektorflache nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Flachmaterialstück (27) aus Kupfer besteht und die Rohrleitungen (26) Kupfer enthalten.

11. Sonnenwarmekollektorflache nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Flachmaterialstück (27) eine Stärke von etwa 0,0762 mm hat, daß die Mittenabstände benachbarter Rohrleitungen (26) etwa 51 mm betragen, und daß jede Rohrleitung aus Heizkörperrohrmaterial von rechteckigem Querschnitt mit einer Breite von etwa 12,7 mm besteht, wobei das Rohrmaterial Kupfer enthält und eine Wandstärke von etwa 0,203 mm hat.

De|r Patentanwalt:

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