DE4024216A1

DE4024216A1 - Strahlungsschild

Info

Publication number: DE4024216A1
Application number: DE4024216A
Authority: DE
Inventors: Mario Posnansky
Original assignee: Atlantis Energie AG
Current assignee: Atlantis Energie AG
Priority date: 1989-08-11
Filing date: 1990-07-31
Publication date: 1991-02-14
Also published as: ES2029588A6; CH679331A5; US5067475A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Schützen der Oberfläche von Gegenständen vor Strahlungseinwirkung, insbesondere vor der Einwirkung von konzentrierter Son nenstrahlung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Insbesondere in solarthermischen Kraftwerken werden Sonnenstrahlen mit Hilfe einer Vielzahl von Spiegeln auf eine kleine Fläche konzentriert. Diese konzentrierte Son nenstrahlung wird zum Umwandeln der Strahlung in Wärme auf den Strahlungseingang eines Strahlungsempfängers ge richtet. Die Konzentration der Sonnenstrahlung erreicht hier das 1′500- und mehrfache der ursprünglich einfallen den Sonnenstrahlung. Wirken derartig hochkonzentrierte Sonnenstrahlen auf andere Gegenstände als auf den von einem Wärmeträger durchströmten Strahlungsempfänger ein, so wird die Strahlung an der Oberfläche der Gegenstände absorbiert und damit eine derart starke Wärme freige setzt, daß es in allen bekannten Fällen zu einer thermi schen Zerstörung der strahlungsbeaufschlagten Teile kommt.

Ein Schutz von Gegenständen vor Strahlungseinwirkung läßt sich grundsätzlich durch Reflektieren oder Absor bieren der Strahlung verwirklichen. Bei bekannten Ein richtungen, wie etwa Reflektorfolien, findet in der Regel eine Überlagerung von Reflexion und Absorption statt, wobei die Absorption den geringeren Anteil aufweist. Be kannte Einrichtungen zum Abdecken der zu schützenden Oberfläche absorbieren jedoch soviel Strahlungsenergie, daß es bei der Beaufschlagung mit der genannten hochkon zentrierten Sonnenstrahlung zu einer thermischen Zerstö rung der Abdeckmittel kommt.

Es ist deswegen Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zu schaffen, mit der sich die Oberfläche von Gegenständen vor der Einwirkung von insbesondere hochkon zentrierter Sonnenstrahlung schützen läßt. Dies wird er findungsgemäß durch die im kennzeichenden Teil des unab hängigen Anspruches 1 aufgeführten Merkmale erreicht. Die darin genannten Körper aus Quarzglas können in Form einer Anzahl übereinanderliegender Quarzglasplatten, in Form von zu einer Watte vernetzten feinen Quarzglasfasern oder in Form mehrerer Lagen von zu einem Gewebe verwobener Quarzglasfäden ausgeführt sein.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise näher beschrieben. Darin zei gen

Fig. 1 die Durchläßigkeit verschieden starker Quarz glasplatten für elektromagnetische Strahlung im Bereich von Infrarot bis Ultraviolett, aufgetra gen über der Wellenlänge

Fig. 2 den Strahlengang für eine Anzahl übereinanderlie gender, von der Strahlung beaufschlagter Quarz glasplatten

Fig. 3 den Abbau der Strahlungsdichte aufgrund der in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellten Strahlenrefle xion, aufgetragen über der Anzahl der übereinan derliegenden Quarzglasplatten

Fig. 4 eine mit einer Quarzglaswatte ausgeführte Ein richtung zum Schützen der Oberfläche von Gegen ständen vor Strahlungseinwirkung

Fig. 5 eine Einrichtung, ähnlich der in Fig. 4 darge stellten, jedoch abgedeckt mit einer Quarzglas platte

Fig. 6 ein Gewebe aus Quarzglasfäden, zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Schützen der Oberfläche von Gegenständen vor Strahlungs einwirkung

Fig. 7 ein Querschnitt durch eine Einrichtung ähnlich der in Fig. 4 dargestellten, jedoch auf einer wassergekühlten Unterlage angebracht

Fig. 8 Längsschnitt durch die in Fig. 7 dargestellte wassergekühlte Einrichtung.

Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Einrichtung beruht auf dem in Fig. 1 dargestellten Zusammenhang. Das Diagramm zeigt die Durchlässigkeit für elektromagnetische Wellen in der Umgebung des Solarspektrums durch Quarz glasplatten verschiedener Stärke. Dabei gibt die mit "a" bezeichnete Kurve den Verlauf für eine dünne Quarzglas platte an. Die Stärke der Quarzglasplatte nimmt bei den mit "b" bzw. "c" bezeichneten Kurven zu. Es ist zu erken nen, daß im Bereich des Solarspektrums die Durchlässig keit für alle betrachteten Stärken von Quarzglasplatten gleich ist, d.h. die Durchlässigkeit ist unabhängig von der Stärke der jeweiligen Quarzglasplatte. Dieser Sach verhalt erklärt sich daraus, daß Quarzglas innerhalb des Solarspektrums keinerlei Strahlung absorbiert. Da das Quarzglas keine Strahlung absorbiert, ist es auch nicht in der Lage, die Energie der Sonnenstrahlung in Wärme um zuwandeln. Aus dem in Fig. 1 dargestellten Sachverhalt ist ersichtlich, daß der überwiegende Teil innerhalb des Solarspektrums durch die Glasplatte ungehindert hindurch tritt. Da keinerlei Absorption stattfindet, wird der nicht durch die Quarzglasplatte hindurchtretende Anteil der Strahlung (< 10%) an der Oberfläche der Quarzglas platte reflektiert.

Fig. 2 zeigt den Strahlengang für absorptionsfrei durch Quarzglas hindurchtretende Sonnenstrahlung am Beispiel einer Anzahl übereinandergeschichteter Quarzglasplatten. Es ist zu erkennen, daß an der oberen Grenzfläche 1′ der jeweiligen Quarzglasplätten 1 ein Teil 3 der auftreffen den Strahlung 2 reflektiert wird. Ein Teil der reflek tierten Strahlung 3 wird wiederum an der unteren Grenz fläche in die umgekehrte Richtung reflektiert und geht als reflektierte Strahlung 4 durch die Platte hindurch. Der in Fig. 2 dargestellte Zusammenhang ließe sich für eine große Anzahl Quarzglasplatten stufenweise fortge setzt darstellen. Mit größerer Anzahl Quarzglasplatten wird ein immer größerer Anteil der auftreffenden Strah lung reflektiert, so daß die Dichte der durchgelassenen Strahlung in gleichem Masse abnimmt. Dieser Zusammenhang ist in Fig. 3 dargestellt. Es ist zu erkennen, daß bei einer ausreichend großen Anzahl übereinandergeschichte ter Quarzglasplatten nur noch eine Strahlung von geringer Dichte durch diese Anordnung von Quarzglasplatten hin durchtritt. Der nicht durch die Anordnung von Quarzglas platten hindurchtretende Anteil der Strahlung wird re flektiert, das heißt es wird keinerlei Strahlung absor biert und demzufolge auch keine Energie in Wärme umgewan delt.

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht aus einer je nach Intensität der auftreffenden Strahlung und der an der Oberfläche des vor Strahlungs einwirkung zu schützenden Gegenstandes noch zulässigen Strahlungsdichte entsprechenden Anzahl übereinanderge schichteter Quarzglasplatten.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ein richtung beinhaltet die zur Reflexion der Strahlung er forderlichen Quarzglaskörper in Form von zu einer Watte vernetzten feinen Quarzglasfasern. Die an den einzelnen Fasern der Quarzglaswatte auftretenden Reflexionsvorgänge entsprechen den in Fig. 2 für ebene Platten darge stellten. Im Unterschied zu dem in Fig. 2 dargestellten Zusammenhang werden die Strahlen bei Verwendung einer Quarzglaswatte in verschiedene Richtungen reflektiert. Bei Verwendung einer 1 bis 2 cm starken Schicht, welche aus einer Watte von Quarzglasfasern mit einem Durchmesser im Bereich von 5 bis 30 Mikrometer besteht, läßt sich eine etwa 1′000-fach konzentrierte Sonnenstrahlung be reits in praktisch ausreichendem Masse von der unterhalb der Watteschicht gelegenen Oberfläche fernhalten.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Lage einer Quarzglaswatte 5 auf einem Träger 6 ange ordnet. Der Träger 6 dient dabei der mechanischen Festig keit des Gegenstandes und ist beispielsweise in Form eines Stahlbleches ausgeführt. Zum Reflektieren der durch die Quarzglaswatte 5 durchgelassenen Reststrahlung ist eine Isolierfolie 7 zwischen der Quarzglaswatte 5 und dem Träger 6 vorgesehen, welche Isolierfolie 7 beispielsweise eine Metallfolie, vorzugsweise Aluminiumfolie ist. Die Befestigung der Quarzglaswatte 5 auf dem Träger 6 mit der dazwischen angeordneten Reflektorfolie 7 kann vorzugswei se mit Hilfe von aus Quarzglasfasern bestehenden Fäden 8 geschehen, welche durch im Träger 6 vorhandene Bohrungen 6a hindurchgeführt werden, so daß sich die Enden des Quarzglasfadens zu einer Schlinge verbinden lassen. Bei dieser Art der Befestigung der Quarzglaswatte mittels Quarzglasfäden ist sichergestellt, daß auch an den der Strahlung ausgesetzten Befestigungselementen keinerlei Strahlung absorbiert wird. Der Träger 6 kann auch aus einem Material mit geringer Biegesteifigkeit bestehen, so daß die erfindungsgemäße Einrichtung sich leichter der Oberflächenkontur eines nicht ebenen Gegenstandes anpas sen kann, bzw. so daß die Einrichtung bei Nichtgebrauch aufrollbar ist.

In Fig. 5 ist eine Ausführung der erfindungsgemäßen Ein richtung entsprechend der in Fig. 4 beschriebenen darge stellt, doch befindet sich in diesem Fall in Strahlungs richtung gesehen vor der Quarzglaswatte eine Quarzglas platte 9, mit deren Hilfe Schmutzpartikel am Eindringen in die Faserstruktur der Quarzglaswatte 5 gehindert wer den. Die in Fig. 5 dargestellte Einrichtung ist in einem Rahmen 10 gehalten, welcher Rahmen 10 außerhalb der Strahlungsbeaufschlagung liegt und deshalb aus beliebigem Material ausgeführt sein kann.

Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung sind die zur Reflexion der Strahlung erfor derlichen Quarzglaskörper in Form mehrerer übereinander angeordneter Lagen von zu einem Gewebe 11 verwobener Quarzglasfäden 12 dargestellt (Fig. 6). Eine solche Aus führung besitzt eine relativ hohe mechanische Flexibili tät bei gleichzeitig hoher Reißfestigkeit.

Zur vollständigen Absorption von Strahlungen hoher Kon zentration sind beispielsweise aus einer Quarzglaswatte gefertigte Strahlungsschilde, ähnlich der in Fig. 4 dar gestellten Bauart erforderlich, wobei jedoch die aus Quarzglaswatte bestehende Auflage eine erhebliche Dicke anzunehmen hat. Der Zusammenhang für die erforderliche Dicke der Quarzglaswatte ist dem in Fig. 3 dargestellten Diagramm leicht zu entnehmen. Da die Strahlungsdichte über der Anzahl der reflektierenden Quarzglaskörper asymptotisch abnimmt, ergibt sich theoretisch eine unend lich hohe Anzahl reflektierender Quarzglaskörper, um die Strahlung vollständig zu reflektieren. Bei Verwendung eines Strahlungsschildes mit einer Auflage von Quarzglas watte, von einer in der Praxis vorteilhaften Stärke, kann bei Beaufschlagung dieses Strahlungsschildes mit extrem hoher Strahlungskonzentration eine Reststrahlung bis auf die Unterlage durchdringen, die so hoch ist, daß es in folge von Absorption dieser Reststrahlung zu einer ther mischen Überlastung der Unterlage und gegebenenfalls auch der aufliegenden Qaurzglaswatte kommt. Um dies zu vermeiden, ohne daß in der Praxis nachteilig dicke Schichten von Quarzglaswatte aufgelegt werden müssen, ist der Strahlungsschild in einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung auf einer flüssigkeitsgekühl ten Unterlage angeordnet.

Eine solche flüssigkeitsgekühlte Anordnung ist in den Fig. 7 und 8 im Schnitt dargestellt.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Strahlungsschild ist die auf einer Unterlage 13 angeordnete Quarzglaswatte 5 zu erkennen. Die Unterlage 13 ist in diesem Fall mit Kanälen 14 versehen, welche von einem Wärmeträger, beispielsweise Wasser, durchströmt werden. Dieser Wärmeträger ist in einem Kreislauf geführt, welcher zur Abgabe der in der Unterlage 13 aufgenommenen Wärme mit einem entsprechenden Wärmetauscher versehen ist. Die Unterlage 13 besteht bei spielsweise aus rostfreien Stahlblechhälften, welche so geformt sind, daß sich nach dem Zusammenfügen der beiden Hälften Strömungskanäle 14 sowie Kanaltrennwände 15 erge ben.

Die Befestigung der Quarzglaswatte 5 auf der Unterlage 13 wird beispielsweise mit Hilfe von Drahtbügeln 16 vorgenom men. Die Bügel 16 sind vorzugsweise aus einem hitzebe ständigen Draht gefertigt. Auf der der Strahlung zuge wandten Seite, ist dieser Drahtbügel 16 mit einem zusätz lichen Strahlungsschutz 17 versehen, welcher beispiels weise durch Umwickeln des hervorstehenden Teils des Drah tes mit Quarzglaswolle realisiert wird. Der Drahtbügel 16 greift in im Bereich der Kanaltrennwände 15 im Träger 13 vorhandene Bohrungen ein und stellt so die Verbindung zwischen der Auflage von Quarzglaswatte 5 und der Unter lage 13 her.

Fig. 8 zeigt einen Längsschnitt durch die in Fig. 7 dar gestellte Einrichtung. Es ist zu erkennen, daß die un tere Stahlblechhälfte der Unterlage 13 gewellt ausgebil det ist. Dies führt zu einer turbulenten Ausbildung der Strömung des Wärmeträgers im Kühlkanal und damit zu einer verbesserten Wärmeaufnahme. Ebenfalls im Längsschnitt gut zu erkennen, ist die Befestigung der Quarzglaswatte 5 mittels des Drahtbügels 16, dessen Enden an der Untersei te der Unterlage 13 zur Befestigung der Quarzglaswolle umgebogen sind.

Quarzglasgewebe, bzw. Quarzglaswatte kann auch zu Texti lien zum Schutz vor Strahlungseinwirkung verarbeitet wer den. Derartige Textilien eignen sich zum Schutz von be liebig geformten Oberflächen von Geräten, aber auch von menschlichen Körpern vor der Einwirkung hochkonzentrier ter Lichtstrahlungen und -Blitze.

Bei allen Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, daß sich durch entsprechende Wahl der Stärke der Schutz einrichtung Oberflächen vor der Einwirkung von Strahlung, insbesondere Solarstrahlung in nahezu unbegrenzt hoher Konzentration mit Erfolg schützen lassen.

Claims

1. Einrichtung zum Schützen der Oberfläche von Gegenstän den vor Strahlungseinwirkung, mit Mitteln zum Abdecken der zu schützenden Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckmittel zum stufenweisen Reflektieren der Strahlung eine Anzahl der Strahlung ausgesetzter und hin tereinander angeordneter Körper aus Quarzglas enthalten.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzglaskörper ebene Quarzglasplatten (1) sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzglaskörper zu einer Watte (5) vernetzte Quarzglasfasern sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzglaskörper mehrere Lagen von zu einem Gewe be (12) verwobener Quarzglasfäden (11) sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichet, daß in Strahlungsrichtung hinter den Quarzglaskörpern eine reflektierende Metallfolie (7) zum Reflektieren der von den Quarzglaskörpern durchgelassenen Reststrahlung angebracht ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzglaskörper zur Aufnahme in nerer und äußerer mechanischer Kräfte auf einem diese Kräfte aufnehmenden Träger (6) angeordnet sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzglaskörper mit Hilfe von durch die Quarz glaskörper und durch im Träger (16) vorhandene Löcher (6a) hindurchgehenden und zu Schlingen verknüpften Quarzglasfäden auf dem Träger (6) Körper befestigt sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Quarzglaskörper mit Hilfe von durch die Quarzglaskörper und durch im Träger (16) vorhandene Löcher (6a) hindurchgehenden und zu Schlingen oder Bügeln geformten Drahtelementen (16) auf dem Träger befestigt sind, welche Drahtelemente durch Abdecken des der Strah lung ausgesetzten Teils mit Quarzglaswatte vor Überhit zung durch Strahlung geschützt sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Quarzglaskörper zum Vermeiden einer Verschmutzung von außen mit einer Quarzglasplatte (9) abgedeckt sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger zum Abführen von Wärme, von Kanälen durchzogen ist, welche Kanäle von einem Wär meträger durchströmbar sind.