DE3119904A1 - Waermetauscher-vorrichtung in gekruemmter form fuer solarheizung und -klimatisierung von raeumlichkeiten - Google Patents
Waermetauscher-vorrichtung in gekruemmter form fuer solarheizung und -klimatisierung von raeumlichkeitenInfo
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Description
- A- - U.Z.820.35
SOEELEC
La Motte Saint Euverte Saint Jean de Braye (Loiret) Frankreich
La Motte Saint Euverte Saint Jean de Braye (Loiret) Frankreich
wärmetauscher-vorrichtung ct gekrümmter form für solarheiztmg und -klimatisierung von räum-
lichkeiteu ■
Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscher-Vorrichtung
in gekrümmter Form für Solarheizung und -Klimatisierung von Räumlichkeiten sowie zur Erzeugung
.von warmem und kaltem Brauchwasser, wobei die Vorrichtung einen Wärmetauscher, ein Speichervolumen
und einen Kreislauf des Wärmeaustauschmediums umfaßt, der das Speichervolumen umgebend angeordnet
ist.
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Es. sind verschiedene Heizungs- und Klimaanlagen mit
flachen Kollektoren oder mit Kollektoren in Form eines Zylinders, einer Pyramide oder eines Kegelstumpfes
bekannt, wobei ein Teil der Fläche einen warmeaufnehmenden (oder abstrahlenden) Teil bildet
und vom Kreislauf des Wärmeaustauschmediums eingenommen "wird-o
Derartige Anlagen besitzen jedoch nicht die optimalen Eigenschaften für den Wärmeaustausch und bezüglich
der leichten Herstellung,, Diese Anlagen sind im allgemeinen sehr kompliziert in der Herstellung
und der Montage; sie sind transportempfindlich; im
allgemeinen sind diese Anlagen stationär«
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage
der genannten Art zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad aufweist, einen umkehrbaren Betrieb ermöglicht,
leicht herzustellen, zu transportieren und zu montieren ist, einen guten Wirkungsgrad aufweist
und dabei den besonderen Anwendungsbedingungen standhält (Aggressivität des Sandes etc.)=
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die
Schaffung einer Vorichtung, die dadurch gekennzeichnet ist9 daß sie sich zusammensetzt aus einer Innenkammer in Form einer Hülle, die das Speichervolumen
für. das primäre Wärmeaustauschmedium darstellt und vollständig von einer isolierenden Hülle umgeben ist
die ihrerseits vollständig von einer Hülle umgeben ist 5 die eine Wärmetauscherfläche bildet und zum
größten Teil aus dem Primärkreis des Wärmeaustauschmediums
besteht, wobei die Hüllen in Form einer Kugel oder eines JiJ J .ipyoiaj= au^^'x. ι j -.^i ...».·».
311991k
-s-
Da der Wärmetauscher aus übereinanderliegenden Hüllen
aufgebaut ist und notwendigerweise die Austauschflache,
d.h. die Fläche, die der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist oder den Wärmeaustausch mit der Umwelt
durchführt, .auf eine Hüllfläche verteilt ist3 so ergibt
sich daraus, daß die scheinbare Fläche für die Sonne immer kleiner ist als die tatsächliche Oberfläche
(für die Abstrahlung nützliche Fläche)=
Dies ermöglicht den vorteilhaften Einsatz einer derartigen Wärmetauscher-Vorrichtung in einer Heizungsund
Klimaanlage, wobei die Wärmetauscher-Torrichtung abwechslungsweise während der Nacht als Wärmeabstrahier
arbeitet, wobei sie Kälte abgibt, die in einem Speichervolumen gespeichert wird, dem die Klimaanlage
tagsüber Kälte entnimmt, wogegen die Wärmetauscher-Vorrichtung während des Tages Wärme aufnimmt, un| warmes
Brauchwasser zu liefern. Zur Winterszeit kann ein derartiger Kollektor als Wärmekollektor für die Heizanlage
dienen.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und aus den Unteransprüchen.
Anhand der Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher\erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Wärmetauscher-Vorrichtung 'gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Verbindung von zwei Vorrichtungen gemäß der Erfindung
zur kombinierten Arbeitsweise:
■Fig. 3 eine sehr schematische Perspektive t»ichnui\K
einer .Wärmetauscher-Vorrichtung mit einem Reflektor gemäß der Erfindung;
■Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Auüführungsform
des Reflektors;
Fig» 5 einen Schnitt durch den Reflektor von Fi
Wie aus Fig., 1 ersichtlich, besteht die Wärmetauscher-Vorrichtung
gemäß der Erfindung aus einer Innenhülle
1, die das Speichervolumen bildet.
Im einfachsten Fall erfolgt der Wassereintritt vom Wasserleitungsnetz direkt in das Speichervolumen,und
das Brauchwasser wird aus dem gleichen Speichervolumen entnommen ο
In einem anderen Fall, bei dem aus hygienischen oder anderen Gründen das Wärmeaustauschmedium vom zu erhitzenden
oder abzukühlenden Wasser getrennt werden muß, enthält der Primärkreis einen Austauscher, der
-im Speichervolumen des Sekundärkreises untergebracht , ist»
Diese Innenhülle 1 wird von einer Isolierhülle 2 von
geeigneter Dicke umgeben, die ihrerseits von einer Hülle 3 umgeben ist, welche die Austauschfläche darstellt
ο Diese Austauschfläche 3 wird von einem Rohr 31 gebildet, das in aneinanderliegenden Windungen
angeordnet ist» Das Rohr 3I ist mit der Innenhülle
durch einen Eintrittsrohrstutzen 32 und einen Aus-
trittsrohrstutzen 33 verbunden. Somit setzt sich, der
Primärkreis des Wärmeaustauschmediums aus der Innenhülle 1, dem Rohr 31 und den Rohrstutzen 32, 33 zusammen. Der Primärkreislauf des Wärmeaustauschmediums
kann entweder? durch Thermo syphon oder als Zwangsumwälzung durch eine (nicht gezeigte) Pumpe erfolgen.
Schließlich kann die Wärmetauscher-Torrichtung eine Verglasung oder dergleichen aufweisen, die eijae Aussenhülle
4 bildet, strahlendurchlässig und aufklappbar ist, wenn die Vorrichtung nachts als Wärmestrahler
arbeiten soll.
Das obere Volumen 5 zwischen den Windungen oder den oberen Teilen des Rohrs 315 das vom Rohr 31 freigelassen
wird, stellt nicht eigentlich einen Nachteil im Sinne eines Flächenverlustes dar.
Dieses Volumen 5 kann vorteilhafterweise für den Einbau
der elektronischen Steuerschaltung der Anlage verwendet werden (Temperaturfühler, Umschalter für
den Medienkreislauf etc.)
Die oben beschriebene Wärmetauscher-Vorrichtung, die durch überlagerte Hüllen gekennzeichnet ist,
kann sehr verschiedene Formen, z.B. die Form einer Kugel oder eines Ellipsoids annehmen. Geometrisch
betrachtet ist die einfachste Form eine Kugel, wie in Fig. T als senkrechter Schnitt längs eines Großkreises
dargestellt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Primärkreis des Wärmeaustauschmediums aus Kunst-
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t> p ο ο
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β co
-9
stoffteilen= Der für das Rohr 31 des Wärmetauschers
verwendete Werkstoff ist vorzugsweise kohlenstoffhaltig, um den ultravioletten Strahlen besser standzuhalten»
Diese Forderung ist nicht so wichtig für die Innenhülle 19 die vor der Strahlung durch den
Wärmetauscher 3 iuid die Isolierhülle 2 geschützt ist.
Kunststoff und insbesondere Kunstkautschuk bringt
eine gewisse Zahl von an die Geschmeidigkeit gebundenen Vorteilen mit sich.. Bei einem geschlossenen
Primärkreis aus Kunstkautschuk ist es tatsächlich
nicht erforderlich, ein Ausdehnungsgefäß vorzusehen.
Desgleichen wird eine Verringerung des Wärmeaustausches durch Kalkablagerung oder dergleichen an
den Wandungen des Rohres 31 durch die starke Ausdehnung
des Kunststoffs aufgrund der Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht vermieden. Die Elastizität
eines geschmeidigen Kunststoffs "vermeidet gleichfalls das Platzen der Anlage bei Frost, was
die Einsparung eines Frostschutzmittels gestattet.
Da die scheinbare Oberfläche des Austauschers der Wärmetauscher-Vorrichtung gemäß der Erfindung im
Fall einer Kugel konstant ist oder sich nach einer vorbestimmten Gesetzmäßigkeit ändert, bringt eine
derartige Wärmetausch-Vorrichtung keine Bindung bezüglich der Ausrichtung oder der Architektur des Gebäudes
mit sich= Darüberhinaus gestattet eine Kugeloder Linsenform etc» eine problemlose und ästhetische
üitegrierung dieser Kollektorvorrichtung in die Architektur
eines Gebäudes, im Gegensatz zu den Schwierigkeiten, die sich bei flachen Kollektoren ergeben,
insbesondere die Notwendigkeit einer vorbestimmten
- 1o -
.- 1o -
Ausrichtung.
Schließlich empfängt bei diffuser Sonnenstrahlung, d.h. wenn der Hnimmel durch Wolken verschleiert ist,
der' Kollektor .dieses diffuse Licht auf der gesamten
tatsächlichen Fläche des Austauschers 3· Nun ist
aber im Gegensatz zu einem flachen Kollektor diese Oberfläche (Ellipsoid oder Kugel) stets etwa viermal
größer als die scheinbare Oberfläche, d.h. als die von der Sonne bei Direktbeleuchtung (nicht diffus)
gesehene Fläche. .' ·
Die Wärmetauscher-Vorrichtung kann fabrikmäßig als Einheit hergestellt werden, deren Montage am Einbauort
äußerst einfach ist, da lediglich der Sekundärkreis mit dem durch die Innenhülle 1 gebildeten Speicher
zu verbinden ist.
Ganz allgemein können die Hüllflächen der Vorrichtung entweder durch kontinuierliche Flächen (bei kleinem
oder mittlerem Volumen) oder durch diskontinuierliche Flächen gebildet sein, die durch Zusammenfügen
von ebenen oder gewölbten Teilen (Facetten) als Bestandteile der verschiedenen Hüllen entstehen (bei
Vorrichtungen mit größeren Abmessungen, Gebäuden etc.),
In warmen Ländern ist es häufig notwendig, gleichzeitig warmes und kaltes Wasser zur Verfügung zu haben.
Das warme Wasser dient als Brauchwasser oder zur Heizung
während eines Teils des Tages, und das kalte Wasser dient als Brauchwasser, als Trinkwasser, zur
Klimatisierung etc., denn, da in gewissen warmen Ländern
das Leitungswasser häufig lauwarm, Ja sogar
- 11 -
β β α ο β ο μ
* ρ 4 · O ο
Β " O ^ 0 J!
' !> Ö t
« » U β β ο
.- 11 -
warm ist, ist es unangenehm zu trinken.
Auf diese Veise ist jedoch die Auffangfläche der
Anlage, die warmes Wasser liefert, während der Wacht ungenützt, und, umgekehrt ist die Auffangfläche der
Anlage für die Erzeugung kalten Wassers während des Tages ungenützt.
Durch die Verbindung von zwei Anlagen, wie nachstehend anhand von Fig. 2 beschrieben, ist es nun möglich, tagsüber nicht nur die Kollektorfläche der
Anlage zur Erzeugung von warmem Wasser, sondern auch die Kollektorfläche der Anlage zur Erzeugung von
kaltem Wasser zu verwenden. Umgekehrt dient während der Wacht die Kollektorfläche der Anlage zur Erzeugung
von warmem Wasser für die Erzeugung.von kaltem Wasser parallel zur Kollektorfläche der Anlage zur
Erzeugung von kaltem Wasser.
Das Schema von Fig= 2 zeigt zwei Vorrichtungen 1o, 11 mit gleichem Aufbau. Jede dieser Vorrichtungen
besteht aus einer Austauscherfläche E^, Ep, einem
Speichervolumen S^,, So und aus einer Verbindungsleitung CL^ , CL2S welche die Austauschfläche E^, E2 mit
dem entsprechenden Speichervolumen S^, S2 verbindet.
Der Primärkreis des Mediums besteht somit aus den Bestandteilen
^, 2 , CL^ 2, S^ 2«
Die Vorrichtung 1o ist dazu bestimmt, warmes Wasser
zu liefern, z.B. warmes Brauch- oder Heizungswasser ECS3 ausgehend vom Leitungswasser EV, das in das
Speichervolumen S eintritt, das somit eine Reserve und einen Wärmetauscher darstellt.
- 12 -
ό-\ ι a α υ
Die Vorrichtung 11 ist in der gleichen Weise angeschlossen. Das Speichervolumen Sp erhält Leitungswasser
und liefert als Brauchwasser oder für die Klimaanlage kaltes Wasser EFS.
Die Kreise OL^, CLp enthalten jeweils ein Rückschlagventil
D^], Dp (schematisch dargestellt durch das
Diodensymbol) oder eine sonstige entsprechende Vorrichtung, die bewirkt, daß -das Wasser nur in einer
Richtung strömen kann, z.B; durch Thermosyphonwirkung.
Somit gestattet im- Kreis CL,, die Verbindung
der Vorrichtungen 1o und 11 durch die Leitungen C.,
Cp die Bereitstellung von zwei Reserven, die eine S^ für warmes Wasser, die andere S~ für kaltes Wasser,
unter gleichzeitiger Verwendung der Hüllen E,, und Eq- für die Herstellung des warmen Wassers und des
kalten Wassers. Der Primärkreislauf des Wärmeaustauschmediums in den Kreisen CL,,, CLp während des Tage'S
(Erzeugung von warmem Wasser) und während der Nacht (Erzeugung von kaltem Wasser) ist schematisch
durch die Pfeile und die Symbole J (Tag) und N (Facht) dargestellt.
Im Fall einer mit Thermosyphonwirkung betriebenen Anlage übernehmen die Rückschlagventile D^, und Dp die
Steuerung des Primärkreislaufs des Wärmeaustauschmediums,
das in Pfeilrichtung strömt.
Wenn dagegen die Anlage nicht mit Thermosyphonwirkung betrieben werden kann, können ferngesteuerte
Sperrschieber die Rückschlagventile D^, D£ ersetzen,
wobei die übrige Funktionsweise die gleiche bleibt.
Das Schema von Figo 2 zeigt Kollektorflächen E^, E9,
die sich von den Hüllen S^,, Sp unterscheiden und
diese nicht umgeben. Dies ist in Wirklichkeit nur eine schematische Vereinfachungy und die tatsächli-'
ehe Ausführung erfolgt gemäß den Merkmalen der Erfindung, d.h.». die Kollektorflächen E^, Eg umgeben
die Speichervolumina S.*, Sp.
Bei der Darstellung von Fig.' 3 wird die Vorrichtung
20 von einem Ständer 21 eines Stativs mit drei Beinen 22 getragen. Ein Spxegel oder Reflektor 3o ist
am Ständer 21 befestigt= Dieser Reflektor 3o weist
,die Form einer Hohlmuschel auf und dient zur Aufhellung des unteren Teils der Wärmetauscher-Vor- "
richtung 2o, um die weitestgehende Ausnutzung der
verfügbaren Flache der Wärmetausober-Vorrichtung 2o zu ermöglichen.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist der Reflektor 3o in
der Draufsicht in Form eines gleichschenkligen Trapezes ausgeführt und mit einem Einschnitt versehen,
der es ermöglicht, den Reflektor 3o am Ständer 21
anzubringen= Die Befestigung erfolgt mit Hilfe einer Einrichtung 34, z.B. mit einem Bund, der schematisch
in Fig. 4· dargestellt ist und den Reflektor 3° i*1
der gewünschten Stellung am Ständer 21 blockiert»
Fig. 5 ist eine schematische Schnittdarstellung des Reflektors 3o und zeigt dessen Querschnittsform.
Dieser Querschnitt ist etwa parabolisch, um einen Reflektor von zylindrischer Form mit parabolischem
Querschnitt zu bilden.
„. ... Oil 3OUf
ν··
9 ■
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Es ist besonders vorteilhaft, daß der Reflektor in der Draufsicht die Form eines gleichschenkligen
Trapezes und im Querschnitt eine parabolische Form aufweist. Dies ergibt einen reflektierenden Teil,
der nicht nur ,in der Mittagszeit, sondern auch zu Beginn und gegen Ende des Tages wirksam ist, da er
auch das streifende Sonnenlicht sammeln und auf die untere Fläche der Wärmetauscher-Vorrichtung reflektieren
kann.
Der größte Teil der Oberfläche des Reflektors 3o
befindet sich auf der Vorderseite der Wärmetauscher-Vorrichtung und nicht im hinteren Teil, und bildet
somit einen Teil in Form einer Hohlmuschel. Dieser reflektierende Teil wird vorteilhafterweise am Ständerstativ
befestigt, das die Wärmetauscher-Vorrichtung trägt. Dies ermöglicht es nicht nur, die geeignete
Höhe der Wärmetauscher-Vorrichtung 3o in Abhängigkeit von den Benützungsbedingungen zu regeln,
sondern auch den Wärmetauscher 3o für Transportzwecke
zu demontieren.
Die Befestigung des Reflektorteils am Stativ erfolgt
z.B. durch einen Bund oder eine ähnliche Einrichtung.
Bei Wärmetauscher-Vorrichtungen mit kleinem Durchmesser ist es besonders vorteilhaft, die gesamte
Wärmetauscher-Vorrichtung mit einer Hülle zu umgeben, die—eine Treibhauswirkung erzeugt·, insbesondere mit einer kugelförmigen Hülle, wenn die Wärmetauscher-Vorrichtung
selbst kugelförmig ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird zur Ausnutzung des unteren und hinteren Teils der
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Wärmetauscher-Vorrichtung, d„h. zur maximalen Ausnutzung
der verfügbaren Fläche, die "Untere Innenfläche der Hülle reflektierend ausgeführt, Die'r
ermöglicht eine günstige Ausnützung der gesamten Fläche der Wärmetauscher-Vorrichtung, wobei gleichzeitig
die reflektierende Fläche gegen äußere Einflüsse, insbesondere gegen Sand oder Staub geschützt
ist.
Bei einer anderen nicht dargestellten Ausführungcform
der Erfindung, die sich besonders für Wärmetauscher-Vorrichtungen
2o von verhältnismäßig geringem Durchmesser eignet, wird die Wärmetauscher-Vorrichtung
mit einer durchsichtigen Außenhülle oder eventuell einer zweiten Außenhülle umgeben. Diese
durchsichtige Außenhülle kann an ihrem unteren Teil reflektierend ausgeführt sein, um einen Reflektor
zu bilden, der dem oben beschriebenen Reflektor entspricht. Bei dieser Ausführungsform wird gleichzeitig
die Treibhauswirkung, die sich aus der durchsichtigen Hülle ergibt, und andererseits die Reflexion zur Ausnützung dea unteren Teils der eigentlichen
Wärmetauscher-Vorrichtung ausgenützt= Diese durchsichtige Außenkugel kann durch zwei Halbkugeln
gebildet sein, die an den die Wärmetauscher-Vorrichtung 2o tragenden Ständern befestigt sind.
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Claims (8)
- Patentansprüche„ Wärmetauscher-Vorrichtung in gekrümmter Form für Solarheizung und -Klimatisierung von Räumlichkeiten und zur Erzeugung von warmem und kaltem Wasser, mit einem Speichervolumen, umgeben von einem Isoliermaterial, das die Wärmetauscherfläche trägt, und mit einem Wärmeaustauschmedium-Kreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß sie sich zusammensetzt aus einer Innenkammer (1) in Form einer Hülle, die 'das Speichervolumen für das primäre Wärmeaustauschmedium darstellt und vollständig von einer isolierenden Hülle umgeben ist, die ihrerseits vollständig von einer Hülle umgeben ist, die eine Wärmetauscherfläche (3) bildet und zum größten Teil aus dem Primärkreis (31) des Wärmeaustauschmediums besteht, wobei die Hüllen in Form einer Kugel oder eines Ellipsoids ausgebildet sind.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine durchsichtige Außenhülle (4) umfaßt, die insbesondere aus zwei Teilen, wie zwei Halbkugeln besteht„Postscheckkonto: Karlsruhe 76979-754 Bankkonto; Deutsche Bank AG Villingen (BLZ 69470039) 146332ι ay
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllen durch Aneinanderfügen von Facetten gebildet sind.
- 4. Vorrichtung 'nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherhülle und der Wärme aus tauschmedium-Kreis aus Kunststoff, insbesondere aus Kunstkautschuk hergestellt sind.
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauschmedium-Primärkreis durch die Windungen eines einzigen Rohres oder von Eohrteilen gebildet ist,, die an Sammelbehälter angeschlossen sind.
- 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherfläche durch eine Fläche gebildet ist, die eine Rohrschlange trägt, die den Primärkreis des Warmeaustauschmedxums darstellt.
- 7- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß sie Bündelungsspiegel oder Auflichtspiegel umfaßt, insbesondere einen Bündelungsspiegel, der aus einem muschelförmigen Stück (3o) besteht und zur Befestigung am Ständer (21) des Stativs des Wärmetauschers (2o) bestimmt ist.
- 8. Vorrichtung nach Anspruch 75 dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (3o) mit einem Bund zur Befestigung an dem den Spiegel (3o) tragenden Ständer (2.1) versehen ist.= Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 83 dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (3o) aus einem Zylinderteil mit parabolischem Querschnitt besteht und daß der Spiegel in der Draufsicht die Form eines gleichschenkligen Trapezes aufweist=Ioο Anlage zur Warme-und Kälteerzeugung, bestehend aus Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 - 9> dadurch gekennzeichnet, daß sie aus zwei Wärmetauscher-Vorrichtungen zusammengesetzt ist, deren Primärkreise (CL.., OLo) jeweils mit einer Rückströmsperre (D^, Dp) ausgestattet sind, wodurch eine Strömungsrichtung des Wärmeaustauschmediums in diesem Kreislauf festgelegt ist, und aus zwei Verbindungsleitungen (Cv], Cp), welche die beiden-Kreise verbinden, um abwechslungsweise die beiden Kollektoren (E^, E^) an das eine oder das andere der Speichervolumina (S^, Sp) anzuschließen, je nach der Strömungsrichtung des Mediums (J, W), sowie aus einer durch eine Solarzelle gespeisten elektronischen Steuerung, die in die Fläche des Wärmetauschers eingebaut ist.
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