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Solarkollektor
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Als Solarkollektor arbeitende, Warmwasser liefernde Heizvorrichtung
für Häuser, Industrieanlagen udgl., deren jeweiliger, durch eine transparente Scheibe
abgedeckter Wärmeträger - bzw. Tauscherelemente aufweisender, geschwärzter Absorber
innerhalb eines, eine Baueinheit bildenden. Räniens angeordnet ist.
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Die Vorrichtung dient dazu, die direkte und diffuse Strahlung der
Sonne einzufangen und die Wärme umzuwandeln, ilUlicherweise in Warm- bzw. Brauchwasser.
Diese Wärmeenergie bzw. das Warmwasser wird fast überall, z.B. in Krankenhäusern,
im Haushalt, in Bädern, Schwimmbädern, Ferien- und Wohnhäusern, auch für Aussenbäder,
benötigt.
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Bekannt sind Sonnenkollektoren, die als einzelne Baueinheiten an Dächern
oder in Gärten aufgestellt sind, wobei der ihren Absorber durchfließende Wärmeträger
über Anschlußleitungen einem, einige tausend Liter großen Wasserkessel, auch Solarboiler
genannt, indirekt derart zugeführt wird daß das kalte, bzw. auf niedriger Temperatur
befindliche Kesselwasser auf entsprechend hohe Temperatur erwärmt wird. Vom Kessel
gehen Verbindungsleitungen zu den einzelnen Verbrauchern ab, z.B. zu den Warmwasserhähnen
im Haushalt udgl. Es ist auch bekannt, den Wärmeträgerkreislauf durch
einen
Regler zu steuern, den Kessel mit einem Ausdehnungsgefäß zu versehen, in den Wasserleitungen
Regelelemente wie Drosseln oder Ventile, bzw. bei Schwimmbädern Filteranlagen vorzusehen.
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Elektrische Regler sind in diesem Zusammenhang einzeln für sich bekannt.
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Bei einem Solarkollektor besteht die Absorbereinheit aus einem Kunststoffteil
mit von einem.Rahmen umfaßten einstückigen Röhrchen zur Aufnahme und zum Transport
des Wärmeträgers, vergleichbas in etwa mit gewissen Kraftfahrzeug-Kühlaggregaten.
Wenn auch hier ein Gußglas mit erhöhter Transmission verwendet wird, können folgende
Schwierigkeiten,bzw. die Absorbtionsisistung des Absorbers verringernde, die Transmission
der Glasscheibe ebenfalls verringerne Probleme auftreten. Die Glasaußenfläche ist
jeder Witterung ausgesetzt und zwar materialmäßig widerstandsfähig, andererseits
voll zugänglich den stets in der Luft vorhandenen Schmutzpartikelchen, die üblicherweise
aus mit chemischen Zusätzen versetsten Staubteilchen bestehen. Insbesondere bei
regenarmen Tagen kann ier durch manuelle Reinigung Abhilfc geschaffen und die Oberfläche
gereinigt werden. Dagegen ist die Glasinnenfläche einer Kollektoreinheit praktisch
nicht zugänglich und sollte auch Nichtfachleuten nicht zugänglich sein, um Kollektorteile
nicht zu beschädigen. Aber gerade an der Scheibenunterfläche setzen sich diese Schmutzpartikelchen
an und sind nicht durch Regen odgl. abwaschbar.
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Die Erfahrung hat gezeigt, daß dadurch bei einer noch so hochwertigen
und einen hohen Transmissionskoeffizienten aufweisender Schc'ibe durch diesen Effekt
nach einiger Betriebszeit die Lichtdurchlässigkeit
herabgesetzt
und/oder das noch durchlässige Licht in diffuses Licht umgesetzt wird und daß dieser
Nachteil sich mit jedem Betriebsmonat vergrößert ; auch ist die Scheibe stark lichtdurchlässig,
für das vom Absorber ausgehende Ultrarot.
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Bei einem bekannten Sonnenkollektor wird auch nicht das Problem angesprochen,
eine an sich für die Erhöhung der Reflektion bekannte Aluminium-(Alu)-Folie optimal
in Bezug auf den Absorber auszubilden und/oder anzuordnen. Auch sind die Dichtprobleme
bisher nicht für die Praxis hinreichend gelöst, die Lagerung des Absorbers ist nicht
problemlos genug, andererseits ist das Problem nicht hinreichend gelöst, den Kollektor
mit einem Rahmen zu versehen, der einmal im Hinblick auf die Mechanik ( Transportbefestigung),
der Optik (Verbindung von Glas-und nicht Glasteilen) und der Witterung ( Angriff
von Regen, Schnee, nl) kombinationsweise optimale Eigenschaften aufweisen würde.
Bei dem anlagemäßig mit dem Solarkollektor in Verbindung stehenden Heizkessel tritt
andererseits im Eintrittsbereich des Wärmeträgers das Problem auf, die auf Polarisation
zurückgehende Korrosion am Eingangsstutzen bzw. Leiterteilen zu vermeiden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehenden Nachteile
zu vermeiden, insbesondere den Koeffizienten der effektiven Lichtdurchlässigkeit
auch nach längerer Betriebszeit beizubehalten, somit seinen Wirkungsgrad und die
Leistung des Solarkollektors bei optimierten mechanischen Eigenschaften wesentlich
zu erhöhen und die Wärmeverluste des Absorbers stark zu verringern.
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Nach einer Variante der Erfindung wird hier vorgeschlagen, daß
zwischen
der abdeckenden Scheibe und dem Absorber eine Folie oder ein Film aus Polyvinylfluorid
oder Polyvinylidenfluqrid angeordnet ist. Dieser vereinigt in sich die Fähigkeit
an seinen Rändern eine Versiegelung der Scheibenunterseite zu ermöglichen mit sehr
hoher Lichtdurchlässigkeit5 aber auch Ultrarotreflektion wesentlich zu erhöhen.
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Vorzugsweise wird diese Folie bzw. Film mit einer Ausbildung nach
einem Schaubild gem. Figur2verwendet, welche die optische Spektralverteilung für
sichtbares sowie UV- bzw. UR-Licht eindeutig aufzeigt. Es wird somit ein Optimum
dieses Filmes/Folie ausgenutzt.
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Eine weitere Verbesserung besteht darin, daß die Wände und/oder der
Boden des den Absorber einbettenden Aufnahme mit einer relativ dünnen nur o,4 -
o,1 mm,insbesondere o,1 mm starken Alufolie- bzw.
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Filn mindestens teilweise ausgekleidet wird. Hier wird einmal die
technische Erkenntnis ausgenutzt, daß diese dünnere Alufolie optimal Wenig Wärme-
speichert, deshalb schon aus diesem rTrunde die Wärmeverluste zum Absorber hin verringert.
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Die gestellte Aufgabe wird optimal dadurch gelöst, daß zwischen PVF
bzw. PVDF-Film/Folie und Unterseite der Scheibe ein umlaufen-Dies, strangförmiges
Dichtprofil vorhanden ist. Vorteilhaft ist dieses auC der Werkstoffbasis Silikongummi-
bzw. Kautschuk aufgebaut Die Ausführung ist vorteilhaft so getroffen, daß der PVF-Film
odgl.
zwischen Scheibe und Rahmenstirnfläche mindestens teilweise das Dichtprofil umspannt,
bzw. unterfaßt und/oder auf diese Weise mit einer zusätzlichen Flachdichtung in
Verbindung steht. Hierdurch wird die Abdichtung optimiert, Schmutzpartikelchen von
der Scheibenunterseite auch nach Jahren ferngehalten und eine Art hochreiner Luftkammer
zwischen Scheibe und Absorber je Sonnenkollektor vorteilhaft geschaffen, auch durch
die gegenpolige Aufladung an der Folie diese Partikelchen abzustoßen statt anzuziehen.
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Nac.h einer Variante der Erfindung wird der Absorber durch eine, 1
ein Bodenteil bildende Schaumstoffschicht nach unten, aber auch seitlich durch Schaumstoffteile
bzw. Bereiche umfaßt und elastisch abgestützt. Die Lagerung, Transportsicherheit,
die Anschlußfestigkeit zur äußeren Anschlußleitung udgl. werden erhöht. Ferner gestatten
die seitlichen Schaumteile besonders zwecksmäßig die Aufgabe zu lösen, wie das Dichtprofil
für vorstehende Reinluftkainmer mit langjähriger Betriebssicherheit anzuordnen ist,
da letzteres nunmehr an diesem Schaumteil zusätzlich abgestützt, bzw. verbunden
werden kann. Es wird ferner die Wärmeisolation des Absorbers besonders erhöht.
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Die erfindungsgemäß neue Raumform des Rahmens ist ein besonderer Alurahmen,
also ein Doppelprofil in dessen Hohlraum/Räumen ein oder mehrere entweder massive
oder sonst steife, stab- oder klotzartige Aluteile eingesetzt sind. Die VerwindunZssteifheit
wird erhöht. Die versteifenden Bauteile sind vorzugsweise nur in den Ecken des Rahmens
im Hohlprofil angeordnet.
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Diese und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in der
Zeichnung
dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 die in einem Hausdach integrierten Sonnenkollektoren,
Fi.2qBdas Schaubild für eine bevorzugte Ausführungsform des PVF-Films für die Reinluftkammer,
Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch den Sonnenkollektor mit Absorber, Schaumstoffbereichen,
Rahmenhohlprofil, Befestigungswinkeln, Abdeckscheibe und der ReinluStkammer, wobei
die rechte Seite abgebrochen ist, Fig. 4, einen Schnitt ähnlich der Fig. 3 unterschiedlicher
Ausführungsvarianten des Sonnenkollektors, wobei die rechte Seite jeweils abgebrochen
ist, Fig. 5 die Seitenansicht des Brauchwasserkessels mit abgebrochenem unteren
Bereich und Einzelheiten im Eintritts-Bereich des Warmwasserträgers in dem Kessel.
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Fig. 1 zeigt eine Anordnung aus einer Mehrzahl von Solarkollektoren
lo, integriert im Dach eines Hauses, wobei die transparente Acheibe 11 und der umlaufende
Rahmen 12 erkennbar sind. Die Scheibe hat -vorteilhaft eine Neigung von 3o bis 500,
vorzugsweise 450 Neigung nach Süden, wodurch die Wattleistung pro qm Kollektorfläche
sprunghaft vergrößert wird; gemessen bei etwa senkrechtem Sonnenstand: 760 Watt/h
Heizleistung bei 500 K Temperaturunterschied, mittlere Kollektor T und Lufttemperatur.
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Fig. 2 zeigt das Schaubild für die PVF - bzw. PVDF-Folie 13. Es ist
erkennbar, daß bei der erfindungsgemäßen Folie unter dem vorgegebenen
möglichen
Bereich eine solche ausgewählt ist, bei dem der Amplitudenanstieg im nahen UV aber
auch für das sichtbare Licht steil ansteigen, aber für das UR-Licht des Absorbers
gilt, daß Ultrarot kräftig reflektiert wird. (ab 2,7.- 3,75 mm) Weitere Vorteile
ergeben sich insbesondere aus Figuren 3-5. Der aus hitzeresistentem Werkstoff, insbesondere
RRypropylen,bestehende Absorber 14 weist Röhrchenianäle odgl. 15 zur Aufnahme eines
Wärmeträger und Wärmetauschmittels, z.B. Glykol, auf. Zur Lösung einer wichtigen,
anmeldungsgemäßen Aufgabe, den Absorber gegen Wärmeverluste zu isolieren, dient
seine Einbettung in eine erste Kunststoffschaumschicht 16 zum Boden hin, sowie seine
seitliche Umfassung durch -Profile oder Bauteile 17 aus Kunststoffschaum.
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Gerade durch die Bauteile 16,17 kann seitlich und nach unten außerdem
in vorteilhafter Weise ein Verlauf für die Wände des den Absorber 44 aufnehmenden
Raumes geschaffen werden. Dies ist notwendig zur Aufnahme und Lagerung einer Alufolie
bzw. eines Alufilms 18.
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Dieser umfaßt von unten und seitlich den Absorber und besorgt die
Rückstrahlung des vom Absorber nach außen abgestrahlten und sonst zu verlierenden
Wärmeleistung, indem er diese gemäß Gesetzen der Strahlungsreflektion zum Absorber
zurückwirft. Die Folie,bzw. Film 18 bewirkt somit eine Strahlungsisolation. Die
Aufwärmung der Folie 18 wird andererseits durch die Schaumstoffprofile 16, 17 dahingehend
berücksichtigt, daß die Wärme der Folie 18 als Kontaktwärme nur verschwindend geringfügig
abfließen kann da die Wärmekapazität durch geringe Masse gering ist.
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Die PVF, bzw. PVDF-Folie 13 schließt vorteilhaft zunächst den Aufnahmeraum
des
Absorbers 14 nach oben ab. Hierdurch wird vor allem der Wärmeverlust am Absorber
durch Konvektion vermieden, weil der Absorber weitgehend auf kleinstem Raum versiegelt
ist. Ein weiterer Vorteil der Folie 13, vgl. Schaubild nach Fig. 2, besteht darin,
- und rot daß die Folie zwar Ultraviolett#und sichtbares Licht hochgradig, ferne
dasvultrarote(ab ca, 2,7 mm)Licht, bzw. Strahlung schlecht durchläßt. Die Folge
ist, daß die Folie die Wärmestrahlung des UR-Bereiches, der auf den Absorber zurückgeht,
weitgehend und zwar in kleinstem Abstand zum Absorber 15 zu diesem reflektiert undseine
Strahlungsisolation weiter erhöht. Durch die zwei Komponenten-Bauweise, einmal Scheibe
11 aus Glas oder Acryl und zweitens durch transparente Folie 13 läßt sich die gewünschte
Verteilung des einstrahlenden und des zu reflektierenden Lichtes besser beeinflussen
als bei Verwendung nur der Scheibe 11. Die Zweikomponenten-Bauweise optimiert durch
die Art und Anordnung der Folie 13, daß möglichst wenig Wärmeenergie am Absorber
14 verloren gehen kann.
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Die Folie 13 erstreckt sich im Solarkollektor vollständig über den
Absorber und seitlich zum Rahmen 12. Hier erfolgt ihre Versiegelt lung durch ein
umlaufendes Profil aus Silikongummi oder Kautschuk.
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Das Profil 19 wird vorteilhaft von der Folie 13 von unten umfaßt uiid
@iogt mit anderer Stirnseite an der Scheibe 11 an und ist über Klebeschichten mit
Bauteilen 13 und 11 luftdicht aber auch elastisch verbunden. Durch diese Maßnahme
wird auch die Reinluftkammer 20 zwischen Scheibe 11 und Folie 13 geschaffen.
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Es ist vorteilhaft, das Ende 21 der Folie 13 zu einer Doppelversiegelung
der Reinluftkammern 20 auszubauen, indem das Ende zwischen der Stirnseite des Rahmens
20 mit einer Flachdichtung 22 und letztere mit Kraft- und/oder Formschluß mit der
Unterseite der Scheibe 11 verbunden wird. Die Flachdichtung 22 kann aus Kunststoff,
Faserstoff oder einem Kautschukmaterial bestehen.
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Die Verwindungssteifigkeit des olarkollektorrahmens wird einmal durch
das Hohlprofil als Rahmen 12, Fig. 3, gewährleistet, wobei in vorteilhafter Weise
insbesondere im Eckbereich aus Metall, insbesondere Aluminium bestehende Profile,
Stäbe oder Klötze 23 in den Hohlraum eingesetzt sind. Die Bauteile 23 können aber
auch in sich steife Hohlprofile sein, wie in Fig. 3, links unten, angedeutet, vgl.
Bauteil 23a. Dieser Rahmen ist auch wetterfest, kann sich nicht verfarben oder eine
Schicht abspalten und die llohlbauweise vergrößert wesentlich die Wärmeisolation
zur Seite hin. Auch ist die Handhabung der Kollektoreinheit und das Anbringen der
stets erforderlichen Hilfoffnungen z.B. von Löchern 24 für zur Befestigung von Winkelprofilen
26 dienenden Schrauben, Nieten odgl.
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25 leichter und billiger, da Alu sich leicht bohren und fräsen läßt.
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Die seitliche Halterung der abdeckenden Scheibe 11 aus Acrylglas odgl.
je nach Einzelfall, erfolgt durch eine Metallklammer 3o, vorzugsweise aus Aluminium,
die ein L-Profil mit einer Nase 31 und einem Haltefinger 32 ist. Gem. Fig. 3,links,
greift der Haltefinger @2 in ein Loch 33 eines am Rahmen befestigten Winkelprofils'
26
ein, wobei zwischen den Wänden der Bauteile 33, 32 Kraft- und/ ode Formschluß ausgenutzt
wird. Eine weitere Befestigung der Scheibe 11, wenn überhaupt noch notwendig, erfolgt
neben dem Scheibeneigengewicht durch Klebeverbindung der Flachdichtung 22 mit der
Unterseite der Scheibe 11.
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Im übrigen bewirken die Dichtungen 19 und/oder 22 Versiegelung gegen
Regen, Feuchtigkeit und andere Wettereinflüsse.
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Dadurch, daß Scheibe 11 am unteren Rand überlappend vgl. Fig. 1 angeordnet
ist, werden in diesem Bereich alle Feuchtigkeitsecken vermieden und das Wasser kann
frei abfließen. Eine Undichtigkeit ist auch hier ausgeschlossen (Kollektor steht
30 bis 50° schräg)..
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Figuren 4 bzw. 5 veranschaulichen schematisch den seitlichen Anschluß
von Rahmen zu Rahmen, bzw. ein Detail des Wasserabflusses.
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Hier ist der Bereich des Rahmens oben gezeigt ( bei Fig. 3 aber unten).
Hier verbindet eine Dachdeckerfolie 35 zur Seite hin bzw. horizontal Trennfugen
zwischen Rahmenprofilen 20 in absolut wasserdichter Weise. Hier ist außerdem eine
obere Flachdichtung 22a zweckmäßig anzubringen, die aus Silikonkautschuk besteht
und ein-oder mehrteilig ist. Durch ein Anschlußblech 36 wird ein Bauteil nacli Art
einer schrägen Rinne 37 für vorteilhaften Wasserabfluß geschaffen.
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Beim Warmwasserkessel 14, vgl. Fig. 6, können zwischen den Metallen
des das Wärmemittel herantransportierenden an eines der Elemente 15
des
Absorbers 14 anzuschließenden Verbindungsrohres 41 und des Kesselwerkstoffes Polarisationsspannungen
auftretenr die zur Korrosion führen. Dies wird vorteilhaft durch Einsetzen einer
Büchse 42 aus Durmetall (Hartmetall) zwischen Werkstoff des Kessels und dem Werkstoff
der Leitung 41 vermieden. Es kann in einem-Verbindungsflansch 43 oder unmittelbar
am Eingangsstutzen des Kessels 4o vorgesehen werden. Dadurch werden Kriechströme
und Ent-Warmwasser ladungen vermieden. DietHeizspirale ist ist mit 44 dargestellt.
Anschlußleitungen aus dem Kessel zum Verbraucher sind nicht gezeichJ net, da in
diesem Zusammenhang nicht erfindungserheblich. Die Temperatur des Kessels kann bei
ca. 80° liegen. Wird eine Wärmepumpe eingesetzt, kann der Kessel konstant auf ca.
440C gehalten werden. Er dient bei Großanlagen als Vorwärmkessel. In diesem Fall
kann das zum Verbrauch dienende Wasser in an sich bekannter Weise aufbereitet werden.
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Durch eine elektrische Schaltung wird verhindert, daß dann, wenn die
Temperatur im Kessel z.B. 850C überschreitet Nachteile durch Siedewasser bzw. die
Dampfphase auftreten. Dies kann durch ein Dreiwege-Mischventil gesteuert werden,
welches eine Abkühlspirale an einer vorbestimmten Stelle der Verbindungsleitung
einschaltet und die Temperatur herabsetzt. Die Regelung kann auch dafür Sorge tragen,
daß --- wenn die Wärme des Absorbers nach z.B. mehreren kontinuierlichen sonnenfreien
Tagen abgesunken ist --- der Zulauf des abgek;lhlten Kälteträgers zum Warinwasserkessel
unterburl(len wird und erst bei vorbestimmter Temperatur Wärme zufuhr wieder normal
erfolgt.
Als Kessel 40 wird ein Metallkessel mit Kunststoffinnenim Kollektor und um den Kessel
beschichtung verwendet. Die Schaumstoffart,# Bauteile 16,17, ist so srorge,sehen,
daß dieser hochhitzebeständig ist. Eine Variante der Erfindung sieht vor, daß das
Dichtprofil 19 Hohlräume und damit erhöhte Elastizität aufweist.
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Der erfindungsgemäße Solarkollektor in der optischen Zweikomponen7
tenweise sind mit dem Doppel- bzw. Hohlprofilrahmen aus Aluminium iii 1011 besonderen
D-ichlelerllnnten und wärmeisolierenden Schaumstoffprofilen ( auch als auf Ort und
Stelle aufgeschäumte Masse profillos verspritzt) erhöht auch, in Kombination, die
optische, mechanische und wärmeisolierende Effezienz der Solarkollektoreinheit als
solcher als auch der Integration vieler dieser Einheiten in einem Gesamtgefüge wie
im Dach oder auch im Freien.
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Bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung, vgl. Fig. 3 wird gleichzeitig
oder nebeneinander ein weiterer Vorteil des Absorbers ausgenutzt. Befindet sich
der Sonnenkollektor -in einem Bereich wo :eer- oder Brakwasser d.h. untrinkbares
Wasser, leicht anfällt, wird dieses mit Hilfe des Absorbers erhitzt. Die nunmehr
stattfindende Verdunstung oder Verdampfung führt in einer geeigneten Vorrichtung
zur Kondensation und es kann Trinkwasser bzw.
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destilliertes Wasser gewonnen werden. Dies ist schematisch in Film.
3 dargestellt. Hier ist ein Eingangsstuzen 15a der Wärmet3uscherelemente 15 des
Absorbers 14 mit einer Meer- oder Brakwasser
enthaltenden Zuführleitung
15c über eine Anschlußarmatur 15d, die aus Flanschen bestehen kann, und/oder eine
Regelarmatur 15e, die nur als Einheit gezeichnet ist, in Verbindung stehen.
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Andererseits ist ein Ausgangsstuzen 15b der Wärmetauscherelemente
15 des Absorbers 14 über eine entsprechende Leitung bzw. eine@ Schlauch an eine
Anschlußarmatur einer Kondensations @ammer 15f angeschlossen. In dieser Kammer,
welche durch das ankommende Wasser gekühlt wird und dieses vorheizt, findet die
Kondensation des unsauberen Wassers an einzel an sich bekannten Kondensationsflächen
statt. Das abfließende Kondensationswasser wird über Rinnen gesammelt und fließt
in eine nicht dargestellte Trinkwasserkammer zwecks weiterer Verwendung. Die Kondensationskammer
nimmt sowohl die verdunstende Flüssigkeit bzw. ihren Dampf auX, je nach Erwärmungsgrad
des Absorbers 14.
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Weiter ist es vorteilhaft, vgl. Fig. 6, den Wärmespeicherkessel 40
mit einem bis zum Kesselboden sich erstreckenden Temperaturfühler 40a zu versehen.
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Die Wärmeisolierung des Heißwasserspeichers ergibt sich durch eine
Beton- oder ähnliche Ummantelung in ca. 200 mm Abstand vom Speicher. Der Betonmantel
wird mit Glasvlies mit aufgeklebter Alufolie ausgekleidet, 80 mm, und der Rest mit
einem spezial Zweikomponenten-Schaum restlos zugeschäumt. Dadurch ergibt sich eine
sehr gute Isolierung und der Wärmeverlust wird fast restlos vermieden.
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Vorteilhafte Varianten sind folgende: Bei großen Spei@herkessel@ wird
1/3 bis 1/2 des Inhalts mit Vollglaskugeln oder Glas@erten oder emaillierten Metallkugeln
ausgefüllt um erstens eine
längere Speicherung mit langsamerer
Wärmeabgabe zu erhalten und zweitens um die Wärmeträgerflüssigkeit zu mindern, da
diese teuer und aufwendig ist. Vorzugsweise arbeitet das Universal-Solar-System
möglichst direkt ohne Wärmeaustauscher' mit ein und derselben Flüssigkeit. Nur der
Warmwasserteil 44 Fig. 6 wird mit einem Durchlauferhitzer aufgeheizt. Hierdurch
wird die umgewälzte Würmetragerflüssigkeit begrenzt.
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L e e r s e i t e