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Titel: "Strahlungsenergie-Kollektorplatten und Anordnungen
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aus derartigen Platten"
"Strahlungsenergie-Kollektorplatten
und Anordnungen aus derartigen Platten Zusammenfassung: Kollektorplatte (10) für
Strahlungsenergie mit einem Körper (14), der eine Strömungsmitteleinlaßöffnung (16)
und eine Strömungsmittelauslaßöffnung (32) aufweist. Der Körper enthält einen Wärmekollektor
(18), der aus einem thermisch isolierenden porösen Matrixmaterial (42) besteht,
welches eine einheitliche, die Masse umschließende Oberfläche und grobe Makroporen
besitzt. Die Wan-@ungen der Markroporen legen gekrümmte Strömungstteldurchflußpfade
im Körper fest und unterschiedliche Elemente (44) sind getrennt auf den Wänden der
Makroporen über das gesamte Matrixmaterial verteilt angeordnet. Die unterschiedlichen
Elemente haben eine hohe Absorptionsfähigkeit für Strahlung und eine geringe Emssionsfähigkeit
für langwellige Strahlung. <; n erstes flexibles Bauteil (24) liegt über dem
porösen Körper und bildet dazwischen eine Sammelkammer. Bin zweites flexibles Bauteil
(28) liegt über dem ersten Bauteil und ist im Abstand zu ihm versetzt.
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Die ersten und zweiten Bauteile sind im wesentlichen transparent für
einfallende Strahlung und im wesentlichen undurchlässig für von dem porösen Körper
emittierte Strahlung.
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Es sind eine Vielzahl von unterschiedlichen Konstruktionen für Strahlungsplatte,
z.B. Solarplatten, bekannt und im Einsatz. Derartige Platten variieren in bezug
auf ihre Konstruktionsmaterialien, die Arbeitsmittelkopplung und ihre geometrischen
Anordnungen.
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bei derartigen bekannten Platten ist das Strahlungsabsorptionsbauteil
typischerweise eine Metallplatte (üblicherweise aus geschwärztem Aluminium oder
Kupfer), das durch die auftreffende Solarstrahlung erwärmt wird, und diese Wärme
wird auf das Arbeitsmedium (üblicherweise Wasser) übertragen, das mit der
Oberfläche
der Metallplatte in Kontakt steht oder durch Kanäle in dieser Platte strömt. Das
erhitzte Wasser wird dann in einen Wärmeaustauscher gepumpt, in welchem Wasser oder
Luft erwärmt wird.
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Die bekannten Konstruktionen solcher Kollektoren haben jedoch zahlreiche
Nachteile, von denen die folgenden besonders wichtig sind: 1. Die Absorption auffallender
Solarstrahlung tritt auf einer verhältnismäßig glatten Oberfläche auf, an der die
Reflexionsverluste erheblich sein können.
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2. Thermische Energie, die in Metallflächen erzeugt wird, wird durch
Konduktion an die Oberfläche der Kollektoranordnung geführt und damit ist es erforderlich,
das Kollektorebauteil gut zu isolieren, um Wärmeverluste durch Konduktion an die
Umgebung so gering wie möglich zu halten.
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3. In den Metallkanälen findet eine ziemlich schlechte Wärmekonduktion
aus dem Kollektormetall in das Arbeitsmedium statt.
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4. Es tritt häufig eine Korrosion und Zerstörung des Kollektor materiales
auf, insbesondere, wenn die zu erwärmenden Arbeitsmittel korrodierend sind.
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5. Die Herstellkosten sind relativ hoch, insbesondere, weil die bekannten
Solarkollektoren auch in der Massenherstellung teuer sind.
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Aufgabe der Erfindung ist, es, eine verbesserte Strahlungswärme Kollektorplatte
und Anordnungen aus entsprechend miteinander verbundenen derartigen Platten zu schaffen,
die effizient, dauerhaft, leicht, korrosionsbeständig und auf einfache Weise in
Massenproduktion herstellbar sind. Derartige Platten und Anordnungen sollen sowohl
im privaten als auch im industriellen Bereich auf einfache Weise anwendbar und einsetzbar
sind, damit teuere und häufig leicht zerbrechliche Wärmevorrichtungen vermieden
werden, die Wärme verwenden, welche aus der Verbrennung. von fossilenBrennstoffen
erhalten wird.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Kollektorplatte
für Strahlungsenergie mit einem eine Strömungsmitteleinlaßöffnung iiiid eine Strömungsmittelauslaßöffnung
festlegenden Körper gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß wenigstens ein Teil
des Sörpers ein Strahlungswärmekollektor aus porösem Material ist, das eine Matrixsubstanz
besitzt, die Makroporen bildet, deren Wandunggen gekrümmte Strömungsmitteldurchflußpfade
bilden, daß unterschiedliche Elemente getrennt auf den Wandungen der Makroporen
rl;eordnet- sind und die Elemente eine hohe Absorptionsfähigkeit LÜP Strahlungsmaterial
haben, daß ein erstes Bauteil über dem porösen Material angeordnet ist und mit diesem
zusammen eine Strömungsmittelsammelkammer bildet, daß das erste Bauteil im wesentlichen
durchlässig für auftreffende Strahlungsenergie und im wesentlichen undurchlässig
für von dem Material emittierte Strahlung ist, daß die Einlaßöffnung einen zu erwärmenden
Druckmittelstrom zuläßt, wobei der Druckmittelstrom in die Sammelkammer durch die
Durchflußpfade in diesem Material eintritt, wodurch die Strahlungsenergie, die von
den Elementen aufgenommen wird, in meßbare Wärme im Strömungsmittelstrom umgewandelt
wird, und daß der erwärmte Strömungsmittelstrom aus der Sammelkammer ciurch die
Auslaßöffnung austritt.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche
Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen
erläutert. Es zeigt: pipe. 1 eine Schnittansicht einer vereinfachten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Strahlungswärme-Sammelplatte, Fig. 2 eine Schnittansicht
längs der Linie 2-2 der Fig. 1, Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht des Strahlungswärme-Kollektors,
Fig. 4 in vergrößertem Maßstab einen Teil der Oberflächenstruktur cies kollektors
nachFig. 3,
Fig. 5 eine Schnittansicht längs der Linie 5-5 der Fig.
4, Fig. 6 eine vergrößerte Ansicht eines Teiles des Kollektors nach Fig. 5, Fig.
7 eine Schnittansicht einer Anordnung, bestehend aus verschiedenen Strahlungswärme-Sammelplatten,
Fig. 8 eine Schnittansicht längs der Linie 8-8 der Fig. 7, Fig. 9 eine perspektivische
Ansicht eines bevorzugten Verfahrens zur Herstellung der Anordnung nach Fig. 7,
Fig. 10 eine Schnittansicht einer abgeänderten Ausführungsfortn der Anordnung nach
Fig. 8, und Fig. 11 eine Aufsicht auf die Anordnung nach Fig. 7.
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Eine vereinfachte Ausführungsform einer Wärmesammelplatte 10 weist
eine Basis 12 auf, die einen mit Flanschen versehene,1 behälter 14 mit einer Strömungsmitteleinlaßöffnug
10 aufnimmt.
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Der Behälter 1LC besteht vorzugsweise aus einem thermisch isolierenden
Acrylpolymer. Ein Strahlungswärme-Kollektor 18 (der nach stehend als "Kllektor"
bezeichnet wird) liegt über dem ringförmigen Flansch 20 des Behälters 14. Ein Abstandsbauteil
22 aus Polyurethan-Polymer liegt zwischen Kollektor 18 und einem ersten, darüberliegenden
Film 24 aus Teflon-FEP-Polymer. Bei der b vorzugten Ausführungsform liegt ein am
Umfang angeordnet es Abstandsstück 26 aus Acrylpolymer zwischen dem ersten Film
24 und einem zweiten, darüberliegenden Film 28 aus ähnlichem Material. din dickerer
Umfangsrahmen 30 aus Acryl ist auf, der Oberseite des zweiten Filmes 28 angeordnet
und übt einen nach unten gerichteten Druck über äußere Klammern (nicht dargestellt)
aus. Die Elemente 14, 18, 20, 22 und 26 können miteinander durch cnl;-sprechende
Mittel befestigt sein.
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Eine Strömungsmittelauslaßöffinung 32 ist durch das Abstandsbauteil
22 vorgesehen. Ein unter Druck stehender Strömungsmittelstrom 34, z.B. Wasser, tritt
in eine Vorratskammer 36 ein, die inner@alt des Behälters 14 ausgebildet ist. Der
Wasserdruck innerhalb des
Vorratsbehälters 36 ist vorzugsweise so
gewählt, daß er bewirkt, daß die obere Fläche der Tafel 10 eine leicht konvexe Gestalt
annimmt, und daß das Strömungsmittel 34 durch den Kollektor 18 tritt, der ebenfalls
eine konvexe Gestalt einnimmt, wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt. Die eingetretene
Flüssigkeit 34 gelangt in eine Sammelkammer 38, die zwischen Kollektor 18 und erstem
Film 24 ausgebildet ist.
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Von der Kammer 38 tritt die gesammelte Flüssigkeit durch die Auslaßöffnung
32 aus. Der Kollektor 18 wird durch die einfallende Strahlung erwärmt und die eintretende
Flüssigkeit absorbiert diese Wärme, Die Filme 24 und 28, die aus Teflon-FEP hergestellt
sind, sind transparent für auffallende Strahlung und undurchlässig für langwellige
Strahlung. Eine Luftschicht füllt eine Kammer 40, die zwischen den beiden Filmen
24, 28 ausgebildet ist. Die Luftschicht reduziert die Leitungswärmeverluste durch
die Eanmer 40, die somit als eine Isolierkammer wirkt.
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Ein bevorzugter Kollektor 18 besteht aus einem filzartigen porösen
Verbundmaterial 42 (Figuren 5, 6) mit einer Matrixsubstanz, die grobe lRakropo-ren
bildet, deren Wandungen gekrümmte Strömungsmitteldurchflußpfade bildet. Unterschiedliche
Elemente 44 sind getrennt an den Wandungen der Makroporen angeordnet. Die Elemente
44 haben eine hohe Absorptionsfähigkeit für einfallende Strahlungsenergie. Bei einer
Ausführungsfor hat das Material 42 80 Volumenprozent offene Porosität. Die mittlere
Porengröße beträgt dabei 150 Mikron. Dieses Verbundmaterial kann eine Matrixsubstanz
aus PolyStrafluoräthylen (PRFE)-Polymer besitzen, auf welchem kurze Elemente 44
aus Kohlenstoffasern gebunden sind, die in einer diskreten Gruppierung angeordnet
sind. Das Volumenverhältnis von PILZE zu Kohlenstoffaser kann 1:1 betragen. Ein
solches Material 42 ist im Handel erhältlich, wird von der Firma Vitek, Tnc., Houston,
Texas geliefert und ist weltweit unter der Bezeichnung "PROPLAST" bekannt.
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Analoge Verbundmaterialien 42 können so hergestellt werden, dal sie
unterschiedliche Porositätswerte und unterschiedliche Verhältnisse von Kohlenstoff-
und PTFE-Bestandteilen haben. Es wurde festgestellt, daß auf diese Weise hergestellte
Materialien 12 vorzugsweise ein Volumenverhältnis von Kohlenstoff zu PTFE zwischen
2:1 und 1:10 besitzen. Wird das Volumenverhältnis voll Kohlenstoffaser zu PAUSE
erhöht, ist eine diskrete Gruppierung der einzelnen Kohlenstoffasern 44 auf der
Oberfläche des PTFE weniger wahrscheinlich. Wenn das Volumenverhältnis von Kohlenstoffasern
zu PTFE zu stark reduziert wird, wird die Wirksamkeit des Materiales 42 für Solarstrahlungsaufnahme
nachteilig beeinflußt.
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Die bevorzugte Porosität des materials 42 soll zwischen 50% und 90%
Leervolumen liegen, und der mittlere Porendurchmesser soll zwischen 80 und 800 Mikra
betragen. Eine besonders hohle Porosttät ist für die physikalische Festigkeit des
Materials 12 von Nachteil, während eine niedrige Porosität für die Geschwindigkeit
des Strömungsmitteldurchganges nachteilig ist. Die bevorzugte Porosität des Materials
42 soll in optimaler Weise diese Effekte ab-gleichen.
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Das Material 42 kann ferner aus einem Polymer hergestellt sein, das
aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Polyäthenen, Polyestern, Polyamiden, Polycarbonaten,
Polysulfonen oder Silikonen bestehen. Beispielsweise kann der PTFE-Bestandteil durch
andere geeignete Polymere, z.B. Polyaramide, Polyäthylen-Terephthalat und Po lyhexaf
luorproggrlen ersetzt werden. Jedes herstellbare Polymer, das eine geringe thermische
Leitfähigkeit und eine gute Stabilität für einfallende Strahlung zeigt, kann verwendet
werde Zusätzlich können die Kohlenstoffasern durch partikelförmigen Kohlenstoff
oder durch verschiedene Fasern oder Partikel W1S Zirkonoxyd, Aluminiumoxyd, Siliziumkarbid,
korrosionsbeständige@ Stahl, Kupfer oder Aluminium ersetzt werden.
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iEr bestimmte Anwendungsfälle können die wärmeabsorbierenden Elemente
44 auch metallische Drähte sein, die mit einer Vielfalt von in der Wellenlänge selektiven
Überzügen versehen sind, die das Verhältnis von absorbierter Strahlungsenergie zu
rückgestrahlter Energie auf ein Maximum bringen. Derartige geeignete ueberzüge lassen
sich der Literaturstelle AIChE Symposium Series No. 164, band 73, Seiten 186-203
(1976) entnehmen. Diese Drähte können Kupferdrähte mit Nickelüberzug sein.
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Testdaten zeigen, daß der Wirkungsgrad der Solarenergie, die von der
Platte 10 auf genommen wird, außergewöhnlich hoch ist.
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Eine derartige leistung ergibt sich aus der Fähigkeit der Platte 10,
nicht nur einen sehr hohen Prozentsatz an direkt auftreffender Solarstrahlung zu
sammeln, sondern auch einen hohen Prozentsatz von Licht, das auf die Platte 11 als
natürlicher Lichteinfall auftrit'ft.
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Die Solarplatte 10 zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß sie
durch Verwendung einer Kunststoffherstelltechnik für billige Massenproduktion sehr
geeignet ist.
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Bauanordnungen 50 bestehen aus einer Vielzahl von Solarkollektorplatten
lOa-lOj, wie in den Figuren 7 bis 11 dargestellt. Bei der Konstruktion der Anordnung
50 wird von der Fusionseigenschaft der verschiedenen, die Anordnung bildenden Elemente
Gebrauch gemacht.
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Zu diesem Zweck kann jede Tafel 10 aus einem polymeren, isolierenden
Träger 12 bestehen, der beispielsweise aus Schäumen mit j;eschlossenen Poren aus
Polyurethan oder Polyäthylen bestehen kann. Der Träger 12 kann eine Vertiefung (Fig.
7) aufweisen oder flach sein (Fig. 10). Der Träger 12 kann direkt mit einem Basisbauteil
14' verbunden bzw. verschmolzen sein, welcher aus irgendeinem Kunststoffmaterial
bestehen kann, das den #mgebungsbedingungen standhält.
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Bei einer mod-ifizierten Platte 10a (Fig. 7), die insbesondere für
bei Wärme korrodierende Strömungsmittel, z .B. Gebrauchswasser oder Luft, geeignet
ist, wurde eine Teflon-FEP-Platte fiir den Basisteil 14' verwendet.
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Der Basisteil 14' bildet eine Einlaßleitung 51 mit einer äuLeren Lippe
52. Eine, Vielzahl von Fusions-Abstandshaltern 53 aus Teflon-FEP-Polymer sind seitlich
im Abstand unter der Lippe 52 versetzt (Fig. 9);zwischen den Fusions-Abstandshaltern
53 sind längliche, nichtschmelzende Streifen 54 aus Teflon TFE angeordnet Der Kollektor
18 ist über der Lippe 52 angeordnet, und die bei den Filme 24, 2d, die vorzugsweise
aus Teflon-FEP-Fluorkarbonpolymer bestehen, sind über den Kollektor 18 gelegt, wie
weiter oben in Verbindung mit der vereinfachten Ausführungsform nach Fig. 1 erläutert.
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Bei einem Rand der Platte lOa werden der Basisteil 14' und die verschiedenen
darüberliegenden Elemente miteinander nach einem herkömmlichen Schmelzversiegelungsverfahren
unter Anwendung von Wärme und Druck verbunden.
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Das Basisteil 14' wird mit den Fusions-Abstandshaltern 53 (Fig. 9)
jedoch nicht mit den Teflonstreifen 54 verbunden. Diese Streifen werden nach Beendigung
des Fusionsvorganges abgezogen. Auf diese Weise werden die Strömungsmittel führenden
Kanäle 55 zwischen den Abstandshaltern 55 ausgebildet.
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Der andere Rand der Platte lOa ist in ähnlicher Weise aufgebaut, mit
der Ausnahme, daß Kanäle 55 zwischen den übereinanderliegenden Randern der benachbarten
Kollektoren 18a und 18b der benachbarten Paare von Platten lOa, lOb ausgebildet
sind. Entsprechende Fusions-Abstandshalter 53 können dazwischen eingesetzt werden,
wenn eine Kammer zwischen zwei der übereinanderliegenden bauteile ausgebildet werden
soll.
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\e in tlig. Y dargestellt, strömt das zu Beginn erwärmte Strömungsmittel,
das in der Kammer 58a gesamme-lt wird, aus der ersten Platte lUa in die nächste
Platte lOb durch die Kanäle 55. Das warme Strömungsmittel fließt dann in die Vorratskammer
36b, von wo sie durch den Kollektor 18b in die Sammelkammer 38b gelangt; dabei wird
das Strömungsmittel weiter durch die Strahlungswärme erhitzt, die innerhalb des
Kollektors 18b gesammelt wird.
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Die Platten lOe ist mit einer Austrittsleitung 51' versehen, die nit
der Einlaßleiung 51 der Platte lOf gekoppelt ist (Fig. 11).
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Die letzte Solarsammelplatte 10j ergibt heiß-es Strömungsmittel innerhalb
seiner Kollektorkammer 38j. Das heiße Strömungsmittel strömt durch die Kanäle 55
in die Auslaßleitung 51' und von dort ill eine Wärmeauswertvorrichtung (nicht dargestellt)
oder wird zum direkten Gebrauch in chemischen Vorgängen verwendet.
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Die Ausführungsformen der Platte 10 können vollständig aus thermisch
und chemisch stabilen Perfluorkohlenstoff-Polymeren, Polytetrafluoräthylen, fluoriniertem
Äthylen-Propylen, und aus ähnlicn stabilen Graphitfasern hergestellt sein. Zur Verfügung
stehendes Teflon PFA, Perfluoralkoxypolymer kann anstelle von FEP oder TFE-Polymer
verwendet werden. Durch diese Auswahl von Materialien können sehr stark korrodierende
Strömungsmittelströme auf einfache Weise auf Temperaturen bis zu etwa 2000 C erhitzt
werden. Eine derartige Temperatur kann bei bekannten Gefäßen nur in Einsatz kommen,
wenn diese Gefäße aus sehr kostspieligen, nichtkorrodierenden Metallen oder Kohlenstoff
oder Glas bestehen, so daLS sie dann teuer, zerbrechlich und schwierig zu reparieren
sind.
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Die wesentlichen Vorteile der erfindungsemäßen Kollektorplatte und
Kollektoranordnung sind folgende:
1. Das Arbeitsmedium 34 wird
durch direkten und innigen Kontakt mti den unterschiedlichen Elementen 44 erwärmt,
die auffalende Strahlung in meßbare Wärme umwandeln, welche rasch auf das zirkulierende
Strömungsmittel 34 unter optimalen Bedingungen übertragen wird.
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2. Wärmeverluste an die Umgebung durch konvektion werden auf einem
Minimum gehalten, weil die Wärmeleitfähigkeit des porösen materials 42 niedrig ist.
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3. Die Oberfläche und die groben Poren des Materials 42 wirken in
der Weise, daß auffallende Strahlung. eingeschlossen wird, und zwar aufgrund der
Mehrfachabsorption, die durch die Poren einer gegebenen Strahlung erteilt werden.
Darüber hinaus wird die natürliche Strahlung (Himmelslicht) wirksamer eingelangen,
da kleine Winkel der beim Auffall auftretenden Reflexion wegen der makroporösen
Oberflächenstruktur des Materiales 52 wohliger wahrscheinlich auftreten.
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4. Die grobe Porosität des Materiales 42 macht es erforderlich, daß
das zirkulierende Strömungsmittel einem gekrümmten Durchflußpfad folgt. Eine Erhöhung
der Krümmung des Strömungsmitteldurchflußpfades bei konstanter Massendurchflußgeschwindigkeit
verbessert den örtlichen Wärmeübergangskoeffizienten im Vergleich zu dem Wärmeübergangskoeffizienten,
der durch Verwendung einer herkömmlichen, flachen Solar-Kollektorplatte erzielt
wird.
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5. Die Platten 10 nach der Erfindung können zur Ausbildung kompakter
und leichter Anordnungen 50 verwendet werden. Die bevorzugten Platten sind flexibel,
widerstandsfähig gegen Stoß und insbesondere leicht an unregelmäßig geformte Konturen
von typischen Trägern, z.B. Dächern und dergl. anpaßbar. Ihre Flexibilität ermöglicht
die Annahme eines konvexen Profiles in bezug auffallende Strahlung, wodurch auch
die Wärmesammelleistung verbessert wird.
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6. Alle bei der Konstruktion der einzelnen Platten verwendeten Materialien
können korrosionsbeständig sein, selbst gegen die am stärksten korrodierenden industriellen
Strömungsmittel, die erhitzt werden sollen.
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Die erfindungsgemäßen Wärmesammelplatten ergeben somit die Vorteile
der breunstoffeinsparung und der Korrosionsbeständigkeit.