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WO2010028819A2 - Solarkollektor, welcher ein wärmerohr mit kondensator aufweist - Google Patents

Solarkollektor, welcher ein wärmerohr mit kondensator aufweist Download PDF

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WO2010028819A2
WO2010028819A2 PCT/EP2009/006546 EP2009006546W WO2010028819A2 WO 2010028819 A2 WO2010028819 A2 WO 2010028819A2 EP 2009006546 W EP2009006546 W EP 2009006546W WO 2010028819 A2 WO2010028819 A2 WO 2010028819A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat
capacitor
condenser
nutzwärmeflüssigkeit
solar collector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2009/006546
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English (en)
French (fr)
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WO2010028819A3 (de
Inventor
Günter Riga
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SOLA-TERM GmbH
Original Assignee
SOLA-TERM GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SOLA-TERM GmbH filed Critical SOLA-TERM GmbH
Priority to DE112009002135T priority Critical patent/DE112009002135A5/de
Publication of WO2010028819A2 publication Critical patent/WO2010028819A2/de
Publication of WO2010028819A3 publication Critical patent/WO2010028819A3/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/40—Solar heat collectors using working fluids in absorbing elements surrounded by transparent enclosures, e.g. evacuated solar collectors
    • F24S10/45—Solar heat collectors using working fluids in absorbing elements surrounded by transparent enclosures, e.g. evacuated solar collectors the enclosure being cylindrical
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/90—Solar heat collectors using working fluids using internal thermosiphonic circulation
    • F24S10/95—Solar heat collectors using working fluids using internal thermosiphonic circulation having evaporator sections and condenser sections, e.g. heat pipes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S2023/86—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors in the form of reflective coatings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Definitions

  • the invention relates to a solar collector according to the preamble of claim 1.
  • Solar radiation irradiated an absorber surface, where it is largely absorbed and thereby heated the absorber surface, wherein this is in thermal contact with a meandering meandering or with a plurality of parallel tubes in the rule. These are flowed through by a heat transfer fluid dissipating the heat to a store, a heat exchanger or a consumer.
  • the meandering spiral tube or the parallel tubes run in one plane, which explains the term "solar flat collector".
  • the working principle of vacuum tube solar collectors is based on the fact that solar radiation is reflected on the mirrored inside of a parabolic trough and hits a running along the focal line of the parabolic trough tube, which absorbs a large part of the incident radiation and therefore heats up.
  • the tube runs within a transparent vacuum tube, which surrounds the tube like a jacket and largely protects against heat losses by heat conduction. Inside the tube is a liquid which also heats up and evaporates when the tube is heated. The heat absorbed by the liquid is transferred via a heat exchanger to a Nutztage toughkeit and supplied from this a consumer or heat storage.
  • the capacitor is located in a sleeve and is in thermal and mechanical contact with this.
  • the sleeve is flowed around by the Nutz139EURkeit and encloses the condenser liquid-tight, so that it has no direct mechanical contact with the Nutzagibertkeit.
  • Heat flow from the condenser to the useful heat fluid is through the sleeve by heat conduction.
  • the tube may in particular be part of a heat pipe.
  • Heatpipes and two-phase thermosiphones are collectively referred to as "heat pipes”.
  • Heat pipes so heatpipes or two-phase thermosiphon are tubular, closed heat exchanger, using the heat of vaporization of a heat transfer medium (eg water), which is enclosed in the heat pipe or two-phase thermosiphon and partly in gaseous, partly is present in the liquid phase, allow a particularly high heat flux density and thus a particularly effective heat transfer.
  • heatpipes and two-phase thermosiphones are much smaller and lighter than conventional heat exchangers.
  • the heat pipe has at its one end to a condenser, in which the pipe in which the heat transfer medium is located, opens.
  • the part of the tube outside the condenser is called the evaporator zone.
  • the evaporator zone By absorbing heat in the evaporator zone, the liquid phase of the heat transfer medium begins to evaporate and the heat is stored as latent energy.
  • the newly formed steam creates a gradient of vapor pressure, causing this vapor to flow towards the condenser. There, the heat absorbed through a phase transformation steam-liquid (release of latent heat or latent energy) is released again.
  • the thus formed by condensation liquid returns in the two-phase thermosyphon by gravity from the condenser back into the evaporator zone.
  • Two-phase thermosiphon must therefore always have a slope along the pipe in order to work, ie the condenser must be higher than the evaporator zone.
  • a vertical installation is possible, the angle of inclination is preferably 15 ° to 90 ° to the horizontal.
  • the liquid returns to the evaporator zone by capillary action; Heatpipes can therefore also be installed or mounted horizontally.
  • the inside of the wall of the heatpipe pipe can be designed for example by means of a lining or by a special surface treatment so that capillaries are formed for the transport of the liquid heat transfer medium. It is also known to provide a wick in the interior to create a capillary action.
  • Thermal resistance is affected, i. the heat exchanger has a high
  • Heat exchangers the risk of overheating both the heat transfer medium as well as the Nutzagifactkeit; in the case of water as a heat transfer medium or Nutzagifactkeit thus there is a risk of steam explosion.
  • the invention is based on the object to provide a vacuum tube solar collector in which the heat transfer in the heat exchanger from the condenser to the useful heat liquid is substantially improved over the prior art.
  • a solar collector in particular a vacuum tube solar collector, which has at least one heat pipe, namely a heat pipe or a two-phase thermosyphon, with a condenser, wherein the heat pipe is a heat transfer medium partly present in gaseous and partly in the liquid phase and the gaseous phase is capable of transporting latent heat to the condenser and delivering it to the condenser by condensation, and the condenser is capable of transferring heat by conduction to a useful heat fluid flowing around the condenser within a flow passage, outwardly of the solar panel wherein the condenser is in direct mechanical contact with the useful heat fluid within the flow channel such that the condenser is directly circulated by the useful heat fluid and between the condenser and the heat sinks no solid material is located.
  • the flow channel may in particular be a heat exchanger.
  • the heat released by condensation of the heat transfer medium in the condenser heat can thus flow directly from the condenser by heat conduction without interposed further components in the Nutzetti endlesskeit.
  • the flow channel on at least two or at least three chambers, which are successively flowed through by the Nutzagisomekeit can e.g. Be water or oil.
  • a Nutz policegas is conceivable instead of the Nutz Vietnamese deviskeit.
  • the capacitor can be arranged within a sleeve, in particular metal sleeve.
  • the condenser for improving the heat transfer from the condenser to the Nutzayne crampkeit projections, ribs or fins, which are flowed around by the Nutz139 embracekeit increase the contact area between the condenser and the Nutz139 crampkeit and thus reduce the thermal resistance between the condenser and Nutz139 crampkeit, the projections, Ridges or fins are oriented parallel to the flow direction of the Nutz139 crampkeit.
  • the projections, ribs or fins thus increase the heat transfer area for the heat transfer from the condenser to the useful heat liquid, for example by a factor of 3.
  • At least part of the wall of each of the chambers is part of the heat transfer surface between the condenser and the useful heat liquid.
  • the chambers are arranged so that the temperature of that portion of the condenser, which is flowed around by the NutzSONenbergkeit in a chamber monotonically increases from chamber to chamber, so that the Nutzagimplekeit in the first chamber through which it flows the coolest region of the capacitor and in the last chamber through which it flows, the warmest area of the condenser flows around
  • the condenser projects into at least one of the chambers and projects through at least one remaining chamber.
  • the heat exchanger is provided with a thermal insulation, which reduces the heat losses by heat flow from the condenser to the outside of the NutzSONafterkeit, wherein a nanogel is as a heat-insulating material part of the thermal insulation or the thermal insulation is formed by nanogel.
  • the heat exchanger is preferably made of stainless steel.
  • the thermal insulation may include or comprise at least one mat containing nanogel.
  • Nanogel An important advantage of Nanogel is its extremely strong thermal insulation effect. Another advantage is that no moisture problems occur because Nanogel does not absorb moisture, unlike conventional insulation materials.
  • the heat exchanger is thus preferably provided with a special thermal insulation.
  • a special thermal insulation can be dispensed with a special antifreeze in heavy frost, since the Nutzuzanetkeit due to the highly effective thermal insulation can not easily cool below freezing.
  • the Dispensability of antifreeze or thermal oils saves labor, costs and environmental impact.
  • Nanogel is a thermal insulation material which, in addition to excellent thermal insulation, has other special properties, e.g. rotten, settling and non-flammable, misshapen
  • Nanogel is ecologically harmless compared to other thermal insulation materials.
  • the thermal insulation is preferably arranged in a cavity enclosing the heat exchanger. This can be formed for example by a double-walled design of the heat exchanger.
  • the solar collector has a reflector trough whose inner surface is capable of reflecting sunlight onto the heat pipe, wherein the inner surface has a mirror coating which is produced by a nano-coating or coated with a nano-coating or is sealed by a nano-coating.
  • a mirror coating which is produced by a nano-coating or coated with a nano-coating or is sealed by a nano-coating.
  • An inventive solar collector can be designed as a high-performance vacuum tube collector made of stainless steel and designed for extreme loads. In thermal insulation with nanogel, the collector does not absorb moisture.
  • the solar collector according to the invention can be used for example for the purpose of generating process heat, for solar cooling, for heating domestic water and for heating, preferably in the fields of industry, commerce, apartment buildings, hotels, agriculture and steam generation.
  • the solar collector according to the invention differs according to a preferred embodiment of the commercially available models by its stainless steel construction, the three-chamber system in the solar manifold or heat exchanger, pressure tests to 50 bar, operating pressure up to 20 bar, Extrusion with NanoGel, the NanoGel is in a closed system , Nanopilied Compound Parabolic Concentrator (CPC) mirrors, heat pipe tube heat exchanger condenser directly enclosed, each part is individually interchangeable, frost free operation because NanoGel thermal insulation prevents frost from entering the heat exchanger and heat pipe ,
  • CPC Nanopilied Compound Parabolic Concentrator
  • the usual market vacuum collectors have the problem in extreme weather conditions (high solar radiation - high minus temperatures) in the long-term behavior by the selected material does not meet the desired requirements.
  • extreme weather conditions high solar radiation - high minus temperatures
  • the reflections of the insides of the parabolic troughs of conventional vacuum collectors tend to become "blinded", i. to lose a lot of reflectivity over time.
  • An inventive vacuum tube collector offers according to a preferred variant of the same by its construction u.a. the following advantages:
  • High pressure load e.g. by stainless steel construction (operating pressure 20bar),
  • the solar fluid in the solar distributor or the NutzSONafter deviskeit in the heat exchanger preferably flows through three individual chambers through which the condenser of the Heatpiperschreibe is arranged.
  • the solar fluid e.g., water
  • the useful heat fluid preferably passes through the lower chamber first and also contacts the cooler portion of the condenser. Thereafter, the solar fluid or the Nutz139after penetrates into the central channel (or the middle chamber) and then into the upper channel (or the upper chamber), where the capacitor reaches the highest temperature.
  • Solar distributor insulation or heat exchanger insulation with NaoGel The insulation of the solar distributor or heat exchanger is preferably made of NanoGel (product of NASA). This creates minimal heat losses. This insulation is rotting and does not absorb moisture.
  • FIG. 1 shows a heat pipe of a vacuum tube solar collector, not shown, with a capacitor which is provided according to the invention with ribs,
  • FIG. 2 shows a heat exchanger of a solar collector according to the invention, not shown, with three successively flowed through by a NutzSON deviskeit chambers, wherein here in the
  • FIG. 3 shows the heat exchanger of Figure 2, in which now a condenser of a heat pipe is introduced,
  • Figure 4 again the heat exchanger of Figure 2, which is now of a
  • FIG. 5 shows another embodiment of a heat exchanger of a solar collector according to the invention, not shown, which also has three of a Nutzange deviskeit successively flowed through chambers, and
  • FIG. 6 shows a vacuum tube solar collector according to the invention with four
  • Capacitors are placed in one of a Nutztown deviskeit successively flowed through the heat exchanger with three chambers.
  • FIG. 1 shows a plan view of a heat pipe W of a vacuum tube solar collector, which is otherwise not shown.
  • the heat pipe W consists of a transparent vacuum tube V ", a heat pipe arranged therein (not shown in FIG. 1) and a capacitor K 1 ", which according to the invention is provided with numerous fins RP '"or fins.
  • the capacitor K “ 1 for improving the heat transfer from the condenser K 1 " to the Nutzumble thoroughlykeit ribs RP 1 ", which are flowed around by the Nutziano modernkeit increase the contact area between the capacitor K '" and the Nutziano complexkeit to a multiple, and thus the thermal resistance between condenser K '"and reduce Nutziano complexkeit greatly.
  • FIG. 2 shows a heat exchanger WT of a vacuum tube solar collector according to the invention, not shown.
  • the heat exchanger serves to receive a capacitor and to transfer the heat accumulating in the condenser by means of heat conduction to a useful heat fluid (not shown in FIG. 2).
  • no capacitor is placed in the heat exchanger WT.
  • the heat exchanger WT has in its interior two partitions T1.T2, which subdivide the interior of the heat exchanger WT according to the invention into three chambers K1, K2, K3. These are successively flowed through in the order K1, K2, K3 of the Nutztage gallkeit.
  • the partition wall T1 has an opening B1, through which useful heat fluid from the chamber K1 into the chamber K2 passes.
  • the partition wall T2 on a breakthrough B2, through which Nutztude modulkeit from the chamber K2 in the chamber K3 transgresses.
  • the partition walls T1.T2 also each have a large opening B3 or B4, which allow a recording of the capacitor in the heat exchanger WT (see Figure 3).
  • the heat exchanger has a nozzle ST or flange which serves for fastening the vacuum pipe (not shown in FIG. 2) of the heat pipe to the heat exchanger WT.
  • FIG. 3 again shows the heat exchanger of FIG. 2, in which now a condenser K of a heat pipe is introduced, consisting of the condenser K, a transparent vacuum tube V and a heat pipe (not shown) arranged therein.
  • the condenser K is arranged at an end region of the vacuum tube V and the heat pipe and fills the openings B3.B4 of the partition walls T1.T2 (see Figure 2) exactly and seals them.
  • the condenser K has to improve the heat transfer from the condenser K to the Nutzumble considerablykeit ribs RP, which are flowed around by the Nutziano modernkeit, increase the contact area between the capacitor K and the Nutzagi complexkeit to a multiple, and thus greatly reduce the thermal resistance between the condenser K and Nutznce complexkeit.
  • the Nutzconcellkeit flows through the chambers K1, K2, K3 in succession and also sweeps over the ribs RP.
  • the ribs RP are oriented parallel to the flow direction of the useful heat fluid in all three chambers K1, K2, K3.
  • the condenser K is generally not isothermal during operation of the heat pipe, but has a higher temperature far in the area of the chamber K2 as in the region of the chamber 1, and has in the region of the chamber 3 to a still higher temperature.
  • the chambers K1, K2, K3 are advantageously arranged so that the temperature of that portion of the condenser K, which is flowed around by the NutzSON thoroughlykeit in a chamber monotonically increases from chamber to chamber, so that the Nutzagi prolongkeit in the first through-flowed chamber K1 the coolest region of the condenser K, in the chamber K2, which then flows through it, flows through the second-coolest region of the condenser K, and in the chamber K3, which last flows through it, flows around the warmest region of the condenser K.
  • the condenser K protrudes into the chambers K1, K3 and passes through the chamber K2.
  • the capacitor K is according to the invention with the Nutzamide supplementkeit in direct mechanical contact, so that there is no solid material between the capacitor K and the Nutzamide complexkeit and the capacitor
  • FIG 4 shows again the heat exchanger of Figure 2, which is now surrounded by a thermal insulation D.
  • the thermal insulation D preferably consists of nanogel or preferably contains nanogel and reduces the heat losses to the outside of the heat exchanger WT.
  • Nanogel is available as a highly effective insulating material eg under the trade name "Airgel” in granular form.
  • the basic component of "Areogel” is amorphous silicic acid (silica).
  • the Thermal insulation D may include, for example, at least one mat containing nanogel.
  • Figures 2 to 4 show a heat exchanger WT, which is provided for receiving a single capacitor K
  • Figure 5 shows an elongated heat exchanger WT 1 , which is provided for receiving 16 capacitors (not shown in Figure 5).
  • the heat exchanger WT 1 is divided by two partitions T1 ', T2' in three chambers K1 ⁇ K2 ', K3', which successively from a
  • Chambers K1 ', K2 1 , K3 1 through an outlet or drain AL. 1
  • the heat exchanger WT ' has 16 stubs ST', by means of which each heat pipe can be attached to the heat exchanger WT ', that the condenser is located within the heat exchanger WT 1 , wherein the condenser extends through the middle chamber K2 and into the first chamber K1 1 and the last chamber K3 'protrudes.
  • the partitions T1 ', T2' have to carry out the capacitors 16 large breakthroughs, which are not shown in Figure 5 for reasons of clarity.
  • the partitions T1 ', T2' also each have an opening BV or B2 ', in order to allow the passage of the Nutztage crampkeit from chamber to chamber.
  • FIG. 6 shows a not-to-scale sectional illustration of a vacuum tube solar collector S "according to the invention with four heat pipes K", R “, V", each consisting of a condenser K “, a transparent (vacuum) vacuum tube V” and a tube R "
  • the pipe R forms a heat pipe together with the condenser K” arranged on it.
  • the vacuum pipes V “reduce the heat losses, which are caused by heat conduction from the pipes into the environment outside the solar collector S” considerably.
  • the heat transfer medium is indicated by dots in FIG. 6 within the tubes R ".
  • Each of the vacuum tubes V "runs along the focal line of a parabolic trough, not shown, with internal mirroring, so that incident sunlight from the parabolic trough concentrated in the evaporator zone of the associated pipe R" is focused and there provides for heating of the heat transfer medium.
  • various media may be used as the heat transfer medium, in particular water, oil and various chemicals.
  • the parabolic troughs are preferably CPC levels. Their inner side is preferably provided with a nano coating, whereby the mirrored inner surface of the parabolic troughs is very resistant to weathering and aging and maintains its high reflection coefficient almost undiminished over a long period of time.
  • the vacuum tube solar collector S has four heat pipes R", K ", each consisting of a tube R” with therein heat transfer medium and a condenser K “, wherein the tubes R" in the evaporator region in each case at a certain distance from an air-empty vacuum tube V
  • the vacuum tube solar collector S also has a heat exchanger WT", which is subdivided by two partitions T1 ", T2" into three chambers K1 ", K2", K3 ".
  • a Nutztude gallkeit flows via an inlet ZL "in the first chamber K1", from there through an opening B1 "is the second chamber K2" and from there via another breakthrough B2 "in the third and last chamber K3". From there, the Nutztude crampkeit exits via an outlet or outlet AL “from the heat exchanger WT”.
  • the heat exchanger WT thus forms a flow channel for the Nutzippockenkeit.
  • Each condenser K has a plurality of annular fins RP" which are all aligned parallel to the flow direction of Nutzissemelubkeit and which increase the heat transfer surface from the condenser K “to Nutzaginitekeit (eg water or oil) by a multiple and thus the heat resistance for heat dissipation greatly reduces the efficiency of the heat exchanger WT "from the condenser to the useful carrier liquid.
  • each condenser K " is in direct mechanical contact with the useful heat fluid, so that there is no solid material between the condenser K” and the useful heat fluid and the condenser K “is thus directly surrounded by the useful heat fluid from the capacitor K "to the Nutzivaginakeit again greatly reduced and the efficiency of the solar collector S" increased.
  • the heat exchanger W 'and the capacitors K "together with the ribs RP" are preferably made of noble jet.
  • the invention is industrially applicable, in particular in the field of renewable energy technology and in building services List of reference numbers:

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Solarkollektor (S' '), welcher ein Wärmerohr, nämlich eine Heatpipe oder einen Zwei-Phasen-Thermosiphon, mit einem Kondensator (K, K', K' ', K' ' ') aufweist. Der Kondensator ist imstande, Wärme durch Wärmeleitung an eine den Kondensator innerhalb eines Strömungskanals (WT, WT', WT' ' ') umströmende, nach außerhalb des Solarkollektors strömendes Nutzwärmeflüssigkeit abzugeben. Der Kondensator steht mit der Nutzwärmeflüssigkeit in direktem mechanischem Kontakt, so dass sich zwischen dem Kondensator und der Nutzwärmeflüssigkeit kein festes Material befindet und der Kondensator von der Nutzwärmeflüssigkeit somit direkt umströmt ist, wodurch der Wirkungsgrad des Solarkollektors steigt.

Description

Solarkollektor, welcher ein Wärmerohr mit Kondensator aufweist
Technisches Gebiet:
Die Erfindung betrifft einen Solarkollektor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Stand der Technik:
Das Funktionsprinzip von Solar-Flachkollektoren beruht darauf, dass
Sonnenstrahlung eine Absorberfläche bestrahlt, dort großteils absorbiert wird und hierdurch die Absorberfläche erwärmt, wobei dies in thermischem Kontakt steht mit in der Regel einem mäanderförmig gewundenen oder mit mehreren parallelen Röhren. Diese sind von einer die Wärme an einen Speicher, einen Wärmetauscher oder einen Verbraucher abführenden Wärmeträgerflüssigkeit durchflössen. Die mäanderförmig gewundene Röhre bzw. die parallelen Röhren verlaufen dabei in einer Ebene, woraus sich die Bezeichnung "Solar- Flachkollektor" erklärt.
Das Funktionsprinzip von Vakuumröhren-Solarkollektoren beruht darauf, dass Sonnenstrahlung an der verspiegelten Innenseite einer Parabolrinne reflektiert wird und auf ein entlang der Brennlinie der Parabolrinne verlaufendes Rohr trifft, welches einen Großteil der auftreffenden Strahlung absorbiert und sich deshalb erwärmt. Das Rohr verläuft innerhalb einer transparenten Vakuumröhre, welche das Rohr wie ein Mantel umgibt und weitgehend vor Wärmeverlusten durch Wärmeleitung schützt. Im Inneren des Rohres befindet sich eine Flüssigkeit, welche sich bei Aufheizung des Rohres ebenfalls aufheizt und verdampft. Die von der Flüssigkeit aufgenommene Wärme wird über einen Wärmetauscher auf eine Nutzwärmeflüssigkeit übertragen und von dieser einem Verbraucher oder Wärmespeicher zugeführt.
Der Kondensator befindet sich in einer Hülse und steht mit dieser in thermischem und mechanischem Kontakt. Die Hülse wird von der Nutzwärmeflüssigkeit umströmt und umschließt den Kondensator flüssigkeitsdicht, so dass dieser keinen direkten mechanischen Kontakt zur Nutzwärmeflüssigkeit hat. Der Wärmestrom vom Kondensator in die Nutzwärmeflüssigkeit erfolgt durch die Hülse hindurch per Wärmeleitung.
Das Rohr kann insbesondere Teil eines Wärmerohres sein. Heatpipes und Zwei- Phasen-Thermosiphone werden zusammenfassend als "Wärmerohre" bezeichnet. Wärmerohre, also Heatpipes bzw. Zwei-Phasen-Thermosiphone, sind rohrförmige, geschlossene Wärmeübertrager, die unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Wärmeträgermediums (z.B. Wasser), welches in dem Heatpipe bzw. Zwei-Phasen-Thermosiphon eingeschlossen ist und darin teils in gasförmiger, teils in flüssiger Phase vorliegt, eine besonders hohe Wärmestromdichte und somit einen besonders effektiven Wärmetransport erlauben. Bei gleicher Wärmetransportleistung und gleichen Einsatzbedingungen sind Heatpipes und Zwei-Phasen-Thermosiphone wesentlich kleiner und leichter als herkömmliche Wärmetauscher.
Das Wärmerohr weist an seinem einen Ende einen Kondensator auf, in welchen das Rohr, in welchem sich das Wärmeträgermedium befindet, mündet. Der außerhalb des Kondensators befindliche Teil des Rohres wird als Verdampferzone bezeichnet. Durch Aufnehmen von Wärme in der Verdampferzone beginnt die flüssige Phase des Wärmeträgermediums zu verdampfen, die Wärme wird als latente Energie gespeichert. Durch den neu entstandenen Dampf entsteht ein Gradient des Dampfdrucks, wodurch dieser Dampf in Richtung Kondensator strömt. Dort wird die aufgenommene Wärme über eine Phasenumwandlung Dampf-Flüssigkeit (Freisetzung latenter Wärme bzw. latenter Energie) wieder abgegeben.
Die so durch Kondensation entstandene Flüssigkeit kehrt beim Zwei-Phasen- Thermosiphon durch Schwerkraft vom Kondensator in die Verdampferzone zurück. Zwei-Phasen-Thermosiphone müssen daher stets ein Gefälle längs des Rohres aufweisen, um arbeiten zu können, d.h. der Kondensator muss höher liegen als die Verdampferzone. Auch eine senkrechte Aufstellung ist möglich, der Neigungswinkel liegt bevorzugt bei 15° bis 90° gegen die Horizontale. Beim Heatpipe kehrt die Flüssigkeit durch Kapillarkraft in die Verdampferzone zurück; Heatpipes können daher auch waagerecht aufgestellt bzw. montiert werden. Die Innenseite der Wandung des Heatpipe-Rohres kann beispielsweise mittels einer Verkleidung oder durch eine spezielle Oberflächenbehandlung so gestaltet sein, dass Kapillaren für den Transport des flüssigen Wärmeträgermediums gebildet sind. Ebenfalls ist bekannt, einen Docht im Innenraum vorzusehen, um eine Kapillarwirkung zu erzeugen.
Auf Grund des effektiven, sehr schnellen Abtransports der Wärme aus der Verdampferzone heraus ist der Wärmeverlust durch Ableitung von Wärme nach außerhalb des Vakuumröhren-Solarkollektors gering.
Je nach vorgesehener Arbeitstemperatur des Wärmerohres kommen verschiedene Medien als Wärmeträgermedium in Frage, insbesondere Wasser und verschiedene Chemikalien.
Den im Stand der Technik bekannten Solarkollektoren ist der Nachteil gemeinsam, dass die Wärmeübertragung im Wärmetauscher vom Kondensator in die Nutzwärmeflüssigkeit relativ uneffektiv und mit einem großen
Wärmewiderstand behaftet ist, d.h. der Wärmetauscher weist einen hohen
Wärmewiderstand auf. Die bekannten Solarkollektoren weisen darüber hinaus den Nachteil auf, dass sie eine nur begrenzte bzw. mangelnde Widerstandsfähigkeit gegen extreme Witterungsverhältnisse, wie beispielsweise hohe Sonneneinstrahlung oder starken Frost, aufweisen. Die bekannten
Solarkollektoren entsprechen unter anderem aufgrund ihrer Materialwahl im
Langzeitverhalten nicht den gewünschten Erfordernissen. Beispielsweise werden zu deren Betrieb bei starkem Frost Frostschutzmittel für das Wärmeträgermedium bzw. die Nutzwärmeflüssigkeit benötigt und bei hoher bzw. starker
Sonneneinstrahlung besteht wegen der mangelhaften Wärmeübertragung im
Wärmetauscher die Gefahr eines Überhitzens sowohl des Wärmeträgermediums als auch der Nutzwärmeflüssigkeit; im Fall von Wasser als Wärmeträgermediums oder Nutzwärmeflüssigkeit besteht somit auch die Gefahr einer Dampfexplosion.
Technische Aufgabe: Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Vakuumröhren-Solarkollektor zu schaffen, bei welchem der Wärmeübergang im Wärmetauscher vom Kondensator in die Nutzwärmeflüssigkeit gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verbessert ist.
Lösung der Aufgabe:
A1 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Solarkollektor, insbesondere Vakuumröhren-Solarkollektor, welcher mindestens ein Wärmerohr, nämlich eine Heatpipe oder einen Zwei-Phasen-Thermosiphon, mit einem Kondensator aufweist, wobei das Wärmerohr ein teilweise in gasförmiger und teilweise in flüssiger Phase vorliegendes Wärmeträgermedium enthält, und die gasförmige Phase imstande ist, latente Wärme zu dem Kondensator zu transportieren und diese dort durch Kondensation an den Kondensator abzugeben, und der Kondensator imstande ist, Wärme durch Wärmeleitung an eine den Kondensator innerhalb eines Strömungskanals umströmende, nach außerhalb des Solarkollektors strömende Nutzwärmeflüssigkeit abzugeben, wobei der Kondensator mit der Nutzwärmeflüssigkeit innerhalb des Strömungskanals in direktem mechanischem Kontakt steht, so dass der Kondensator von der Nutzwärmeflüssigkeit direkt umströmt ist und sich zwischen dem Kondensator und der Nutzwärmeflüssigkeit kein festes Material befindet. Der Strömungskanal kann insbesondere ein Wärmetauscher sein.
Die durch Kondensation des Wärmeträgermediums im Kondensator frei werdende Wärme kann somit vom Kondensator per Wärmeleitung ohne zwischengeschaltete weitere Bauteile direkt in die Nutzwärmeflüssigkeit strömen.
Beim erfindungsgemäßen Solarkollektor ist vorgesehen, den Wärmewiderstand beim Wärmeübergang vom Kondensator in die Nutzwärmeflüssigkeit so gering wie nur irgend möglich zu gestalten, indem der Kondensator direkt in den Strömungskanal ragt und dort direkt von der Nutzwärmeflüssigkeit umströmt wird. Durch die direkte Umströmung ergibt sich gegenüber dem Stand der Technik der Vorteil, dass kein zusätzlicher Wärmewiderstand durch weitere Übertragungstechniken entsteht.
Die Im Stand der Technik üblichen Hülsen, welche den Kondensator umschließen, sind erfindungsgemäß also weggelassen, wodurch der Wärmewiderstand zwischen Kondensator und Nutzwärmeflüssigkeit erheblich verringert und somit der Wärmeübergang deutlich verbessert wird.
Wegen des Fehlens der Hülsen ist der Strömungswiderstand, welchen die Nutzwärmeflüssigkeit beim Durchströmen des Wärmetauschers zu überwinden hat, verringert, d.h. der Druckverlust des Nutzwärmewassers beim Durchströmen des Wärmetauschers nimmt ab. Daher kann die Nutzwärmeflüssigkeits- Förderleistung verringert werden, was Energie spart und den Gesamtwirkungsgrad des erfindungsgemäßen Flachkollektors erhöht.
A2 Bevorzugt weist der Strömungskanal mindestens zwei oder mindestens drei Kammern auf, welche nacheinander von der Nutzwärmeflüssigkeit durchströmbar sind. Die Nutzwärmeflüssigkeit kann z.B. Wasser oder Öl sein. Im Prinzip ist anstelle der Nutzwärmeflüssigkeit auch ein Nutzwärmegas denkbar.
A3 Bei der Verwendung eines Strömungskanals mit mindestens zwei nacheinander durchströmten Kammern kann der Kondensator innerhalb einer Hülse, insbesondere Metallhülse, angeordnet sein.
A4 Bevorzugt weist der Kondensator zur Verbesserung des Wärmeübergangs vom Kondensator zur Nutzwärmeflüssigkeit Vorsprünge, Rippen oder Finnen auf, welche von der Nutzwärmeflüssigkeit umströmt sind, die Kontaktfläche zwischen dem Kondensator und der Nutzwärmeflüssigkeit vergrößern und somit den Wärmewiderstand zwischen Kondensator und Nutzwärmeflüssigkeit herabsetzen, wobei die Vorsprünge, Rippen oder Finnen parallel zur Strömungsrichtung der Nutzwärmeflüssigkeit orientiert sind. Die Vorsprünge, Rippen oder Finnen vergrößern somit die Wärmeübertragungsfläche für den Wärmeübergang vom Kondensator in die Nutzwärmeflüssigkeit, beispielsweise um den Faktor 3.
A5 Bevorzugt ist zumindest ein Teil der Wandung jeder der Kammern Teil der Wärmeübergangsfläche zwischen Kondensator und Nutzwärmeflüssigkeit.
A6 Bevorzugt sind die Kammern so angeordnet, dass die Temperatur desjenigen Bereichs des Kondensators, welcher von der Nutzwärmeflüssigkeit in einer Kammer umströmt wird, von Kammer zu Kammer monoton zunimmt, so dass die Nutzwärmeflüssigkeit in der von ihr zuerst durchflossenen Kammer den kühlsten Bereich des Kondensators und in der von ihr zuletzt durchflossenen Kammer den wärmsten Bereich des Kondensators umströmt
A7 Bevorzugt ragt der Kondensator in mindestens eine der Kammern hinein und durchragt mindestens eine übrigen Kammern.
A8 Bevorzugt ist der Wärmetauscher mit einer Wärmedämmung versehen, welche die Wärmeverluste durch Wärmestrom vom Kondensator nach außerhalb der Nutzwärmeflüssigkeit herabsetzt, wobei ein Nanogel als wärmedämmendes Material Teil der Wärmedämmung ist oder die Wärmedämmung durch Nanogel gebildet ist. Der Wärmetauscher besteht bevorzugt aus Edelstahl. Die Wärmedämmung kann wenigstens eine Matte enthalten oder aufweisen, welche Nanogel enthält.
Ein wesentlicher Vorteil von Nanogel besteht in seiner außerordentlich starken Wärmedämmwirkung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass keine Feuchtigkeitsprobleme auftreten, da Nanogel keine Feuchtigkeit aufnimmt, im Gegensatz zu herkömmlichen Dämmmaterialien.
Der Wärmetauscher ist somit vorzugsweise mit einer speziellen Wärmedämmung versehen. Hierdurch kann auf ein spezielles Frostschutzmittel bei starkem Frost verzichtet werden, da die Nutzwärmeflüssigkeit auf Grund der höchst wirksamen Wärmedämmung nicht ohne weiteres unter ihren Gefrierpunkt abkühlen kann. Die Verzichtbarkeit von Frostschutzmitteln bzw. Thermoölen spart Arbeitsaufwand, Kosten und Umweltbelastung.
Nanogel ist ein Wärmedämmmaterial, welches neben einer herausragenden Wärmeisolierung bzw. -dämmung weitere besondere Eigenschaften aufweist, z.B. unverrottbar, setzungssicher und nicht brennbar zu sein, unförmige
Hohlräume aufgrund seiner Struktur lückenlos auszufüllen und keine Feuchtigkeit aufzunehmen. Vorteile einer Verwendung von Nanogel als Wärmedämmmaterial ergeben sich durch dessen im Vergleich zu beispielsweise Mineralwolle fünffach höhere Wärmedämmeigenschaft. Darüber hinaus ist Nanogel im Vergleich zu anderen Wärmedämmmaterialien ökologisch unbedenklich.
Die Wärmedämmung ist bevorzugt in einem den Wärmetauscher umschließenden Hohlraum angeordnet. Dieser kann beispielsweise durch eine doppelwandige Ausführung des Wärmetauschers gebildet sein.
A9 Bevorzugt weist der Solarkollektor eine Reflektorrinne auf, deren Innenfläche Sonnenlicht auf das Wärmerohr zu reflektieren imstande ist, wobei die Innenfläche eine Verspiegelung aufweist, welche durch eine Nanobeschichtung hergestellt ist oder mit einer Nanobeschichtung beschichtet ist oder durch eine Nanobeschichtung versiegelt ist. Ein wesentlicher sich hieraus ergebender Vorteil ist, dass nanobeschichtete Spiegel dauerhaft witterungsbeständig sind, ohne an Reflexionsvermögen einzubüßen.
Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich auf besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Ein erfindungsgemäßer Solarkollektor kann als Hochleistungs-Vakuum- röhrenkollektor aus Edelstahl ausgelegt sein und für extreme Belastungen ausgelegt sein. Bei Wärmedämmung mit Nanogel nimmt der Kollektor keine Feuchtigkeit auf. Der erfindungsgemäße Solarkollektor kann z.B. zum Zweck der Erzeugung von Prozesswärme, zur solaren Kühlung, zur Erwärmung von Brauchwasser und zur Heizung eingesetzt werden, bevorzugt in den Bereichen Industrie, Gewerbe, Geschoßwohnungsbau, Hotels, Landwirtschaft sowie Dampferzeugung.
Der erfindungsgemäße Solarkollektor unterscheidet sich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zu den marktüblichen Modellen durch seine Konstruktion aus Edelstahl, das Dreikammersystem im Solarverteiler bzw. Wärmetauscher, Druckprüfungen bis 50 bar, Betriebsdruck bis 20 bar, Extremdämmung mit NanoGel, wobei sich das NanoGel in einem geschlossenen System befindet, nanobeschichtete CPC-Spiegel (Compound Parabolic Concentrator-Spiegel), direkt umflossener Kondensator des Wärmerohrs bzw. der Heat-Piperöhre, jedes Teil ist einzeln austauschbar, frostfreier Betrieb, weil die NanoGel-Wärmedämmung das Eindringen von Frost in den Wärmetauscher und das Wärmerohr verhindert.
Die marktüblichen Vakuumkollektoren haben das Problem, bei extremen Witterungsverhältnissen (hohe Sonneneinstrahlung - hohe Minustemperaturen) im Langzeitverhalten durch das gewählte Material nicht den gewünschten Erfordernissen zu entsprechen. Beispielsweise neigen die Verspiegelungen der Innenseiten der Parabolrinnen herkömmlicher Vakuumkollektoren dazu, "blind" zu werden, d.h. mit der Zeit stark an Reflexionsgrad einzubüßen.
Ein erfindungsgemäßer Vakuumröhrenkollektor bietet gemäß einer bevorzugten Variante desselben durch seine Konstruktion u.a. folgende Vorteile:
höhere Leistung durch das Dreikammersystem im Verteiler bzw. Wärmetauscher und direkt umflossenen Kondensator mit vergrößerter Oberfläche (z.B. 3mal). Dadurch keine bzw. verringerte Wärmeverluste durch weitere Übertragungstechnik, Dämmung mit NanoGel mit enorm hoher Dämmeigenschaft (5mal höher als Mineralwolle). Dadurch keine Feuchtigkeitsaufnahme, sowie unverrottbares Material, ökologisches Material.
- Nanobeschichtete CPC-Spiegel, dauernd witterungsbeständig, im Lichtlabor die optimale Biegung berechnet, dadurch optimale Reflexion (z.B. 96%),
Hohe Druckbelastung z.B. durch Konstruktion aus Edelstahl (Betriebsdruck 20bar),
Betrieb im Sommer wie auch im Winter z.B. mit Wasser (auf Grund der Nanogel-Wärmedämmung keine Thermoöle und Frostschutz erforderlich).
Dreikammersystem im Solarverteiler bzw. Wärmtauscher: Die Solarflüssigkeit im Solarverteiler bzw. die Nutzwärmeflüssigkeit im Wärmetauscher durchfließt bevorzugt drei einzelne Kammern, durch die der Kondensator der Heatpiperöhre angeordnet ist. Die Solarflüssigkeit (z.B. Wasser) bzw. die Nutzwärmeflüssigkeit führt bevorzugt zuerst durch die untere Kammer und berührt auch den kühleren Teil des Kondensators. Danach strömt die Solarflüssigkeit bzw. die Nutzwärmeflüssigkeit in den mittleren Kanal (bzw. die mittlere Kammer) und anschließend in den oberen Kanal (bzw. die obere Kammer), wo der Kondensator die höchste Temperatur erreicht.
Innenliegender, direktumflossener Kondensator in einem Solarverteiler bzw. Wärmetauscher mit vergrößerter Oberfläche: Die Wärmeübertragung bisheriger Kollektoren erfolgte über Hülsen und Anlege-Wärmeübertragung. Der Kondensator eines erfindungsgemäßen Solarkollektors wird ohne weitere Wärmeverluste durch Metalle von der Wärmeträgerflüssigkeit bzw. Nutzwärmeflüssigkeit umflossen und somit ohne Wärmeverluste weitertransportiert. Die Oberfläche des Kondensators besteht aus einem speziellen Rippenrohr. Somit wird die Übertragungsfläche stark vergrößert. Der Kondensator ist vorzugsweise im Inneren des Wärmetauschers angeordnet.
Solarverteilerdämmung bzw. Wärmetauscherdämmung mit NaoGel: Die Dämmung des Solarverteilers bzw. Wärmetauschers besteht bevorzugt aus NanoGel (Produkt der NASA). Dadurch entstehen minimalste Wärmeverluste. Diese Dämmung ist unverrottbar und nimmt keine Feuchtigkeit auf.
Kurzbeschreibung der Zeichnung, in welcher schematisch und beispielhaft zeigen:
Figur 1 ein Wärmerohr eines nicht dargestellten Vakuumröhren- Solarkollektors, mit einem Kondensator, welcher erfindungsgemäß mit Rippen versehen ist,
Figur 2 einen Wärmetauscher eines nicht dargestellten erfindungsgemäßen Solarkollektors, mit drei von einer Nutzwärmeflüssigkeit nacheinander durchströmten Kammern, wobei hier in den
Wärmetauscher kein Kondensator eingebracht ist,
Figur 3 den Wärmetauscher von Figur 2, in welchen nun ein Kondensator eines Wärmerohres eingebracht ist, Figur 4 erneut den Wärmetauscher von Figur 2, welcher nun von einer
Wärmedämmung umgeben ist,
Figur 5 eine andere Ausführungsform eines Wärmtauschers eines nicht dargestellten erfindungsgemäßen Solarkollektors, welcher ebenfalls drei von einer Nutzwärmeflüssigkeit nacheinander durchströmte Kammern aufweist, und
Figur 6 einen erfindungsgemäßen Vakuumröhren-Solarkollektor mit vier
Wärmerohren, welche je einen Kondensator aufweisen, wobei alle
Kondensatoren in einen von einer Nutzwärmeflüssigkeit nacheinander durchströmten Wärmetauscher mit drei Kammern eingebracht sind.
Figur 1 zeigt in Draufsicht ein Wärmerohr W eines im übrigen nicht dargestellten Vakuumröhren-Solarkollektors. Das Wärmerohr W besteht aus einer transparenten Vakuumröhre V", einer darin angeordneten Heatpipe (in Fig. 1 nicht dargestellt) und einem Kondensator K1", welcher erfindungsgemäß mit zahlreichen Rippen RP'" oder Finnen versehen ist.
Die Funktionsweisen des Vakuumröhren-Solarkollektors und der Heatpipe wurden bereits oben im Abschnitt "Stand der Technik" Seite 1 Zeile 8 bis Seite 2 Zeile 33 erläutert. Eine in einem Kreislauf ungewälzte Nutzwärmeflüssigkeit umströmt den Kondensator K"', entzieht ihm Wärme und transportiert diese nach außerhalb des Solarkollektors zu einem Verbraucher oder einem Speicher. Die Nutzwärmeflüssigkeit sowie der Verbraucher bzw. der Speicher sind in Figur 1 nicht dargestellt.
Erfindungsgemäß weist der Kondensator K"1 zur Verbesserung des Wärmeübergangs vom Kondensator K1" zur Nutzwärmeflüssigkeit Rippen RP1" auf, welche von der Nutzwärmeflüssigkeit umströmt sind, die Kontaktfläche zwischen dem Kondensator K'" und der Nutzwärmeflüssigkeit auf ein Vielfaches vergrößern und somit den Wärmewiderstand zwischen Kondensator K'" und Nutzwärmeflüssigkeit stark herabsetzen.
Figur 2 zeigt einen Wärmetauscher WT eines nicht dargestellten erfindungsgemäßen Vakuumröhren-Solarkollektors. Der Wärmetauscher dient dazu, einen Kondensator in sich aufzunehmen und die im Kondensator anfallende Wärme per Wärmeleitung an eine in Figur 2 nicht dargestellte Nutzwärmeflüssigkeit zu übertragen. In Figur 2 ist in den Wärmetauscher WT kein Kondensator eingebracht.
Der Wärmetauscher WT weist im seinen Inneren zwei Trennwände T1.T2 auf, welche das Innere des Wärmetauschers WT erfindungsgemäß in drei Kammern K1 ,K2,K3 unterteilen. Diese werden nacheinander in der Reihenfolge K1 ,K2,K3 von der Nutzwärmeflüssigkeit durchströmt. Die Trennwand T1 weist einen Durchbruch B1 auf, durch welchen Nutzwärmeflüssigkeit von der Kammer K1 in die Kammer K2 übertritt. Ebenso weist die Trennwand T2 einen Durchbruch B2 auf, durch welchen Nutzwärmeflüssigkeit von der Kammer K2 in die Kammer K3 übertritt. Die Trennwände T1.T2 weisen ferner je einen großen Durchbruch B3 bzw. B4 auf, welche eine Aufnahme des Kondensators in dem Wärmetauscher WT ermöglichen (siehe Figur 3).
Durch einen Zulauf ZL strömt Nutzflüssigkeit in den Wärmetauscher WT ein, durch einen Auslass oder Ablauf AL verlässt sie ihn wieder, nachdem sie zuvor die drei Kammern K1 ,K2,K3 durchströmt hat. Der Wärmetauscher weist einen Stutzen ST oder Flansch auf, welcher zur Befestigung des (in Figur 2 nicht gezeigten) Vakuumrohres der Heatpipe an dem Wärmetauscher WT dient.
Figur 3 zeigt den Wärmetauscher von Figur 2 erneut, wobei in diesen nun ein Kondensator K eines Wärmerohres eingebracht ist, bestehend aus dem Kondensator K, einer transparenten Vakuumröhre V und einer darin angeordneten (nicht gezeigten) Heatpipe. Der Kondensator K ist an einem Endbereich der Vakuumröhre V und der Heatpipe angeordnet und füllt die Durchbrüche B3.B4 der Trennwände T1.T2 (vgl. Figur 2) genau aus und dichtet diese ab.
Der Kondensator K weist zur Verbesserung des Wärmeübergangs vom Kondensator K zur Nutzwärmeflüssigkeit Rippen RP auf, welche von der Nutzwärmeflüssigkeit umströmt sind, die Kontaktfläche zwischen dem Kondensator K und der Nutzwärmeflüssigkeit auf ein Vielfaches vergrößern und somit den Wärmewiderstand zwischen Kondensator K und Nutzwärmeflüssigkeit stark herabsetzen.
Die Nutzwärmeflüssigkeit durchströmt die Kammern K1 ,K2,K3 nacheinander und streicht dabei auch über die Rippen RP. Die Rippen RP sind in allen drei Kammern K1 ,K2,K3 jeweils parallel zur Strömungsrichtung der Nutzwärmeflüssigkeit orientiert.
Der Kondensator K ist bei Betrieb des Wärmerohres im allgemeinen nicht isotherm, sondern weit im Bereich der Kammer K2 eine höhere Temperatur auf als im Bereich der Kammer 1 , und weist im Bereich der Kammer 3 eine nochmals höhere Temperatur auf.
Die Kammern K1 ,K2,K3 sind vorteilhafterweise so angeordnet, dass die Temperatur desjenigen Bereichs des Kondensators K, welcher von der Nutzwärmeflüssigkeit in einer Kammer umströmt wird, von Kammer zu Kammer monoton zunimmt, so dass die Nutzwärmeflüssigkeit in der von ihm zuerst durchflossenen Kammer K1 den kühlsten Bereich des Kondensators K, - in der von ihm sodann durchflossenen Kammer K2 den zweitkühlsten Bereich des Kondensators K, und in der von ihm zuletzt durchflossenen Kammer K3 den wärmsten Bereich des Kondensators K umströmt.
Der Kondensator K ragt in die Kammern K1 ,K3 hinein und durchragt die Kammer K2.
Der Kondensator K steht erfindungsgemäß mit der Nutzwärmeflüssigkeit in direktem mechanischem Kontakt, so dass sich zwischen dem Kondensator K und der Nutzwärmeflüssigkeit kein festes Material befindet und der Kondensator
K von der Nutzwärmeflüssigkeit somit direkt umströmt ist. Hierdurch wird der
Wärmewiderstand für die Wärmeabgabe vom Kondensator K zur
Nutzwärmeflüssigkeit nochmals stark verringert, was die Effektivität des Wärmetauschers WT erheblich steigert.
Figur 4 zeigt erneut den Wärmetauscher von Figur 2, welcher nun von einer Wärmedämmung D umgeben ist. Die Wärmedämmung D besteht bevorzugt aus Nanogel oder enthält bevorzugt Nanogel und verringert die Wärmeverluste nach außerhalb des Wärmetauschers WT. Nanogel ist als hochwirksamer Dämmstoff z.B. unter dem Handelsnamen "Aerogel" in Granulatform erhältlich. Grundbestandteil von "Areogel" ist amorphe Kieselsäure (Silica). Die Wärmedämmung D kann z.B. wenigstens eine Matte enthalten oder aufweisen, welche Nanogel enthält.
Während die Figuren 2 bis 4 einen Wärmetauscher WT zeigen, welcher zur Aufnahme eines einzigen Kondensators K vorgesehen ist, zeigt Figur 5 einen langgestreckten Wärmetauscher WT1, welcher zur Aufnahme von 16 Kondensatoren (in Figur 5 nicht gezeigt) vorgesehen ist.
Auch der Wärmetauscher WT1 ist durch zwei Trennwände T1',T2' in drei Kammern K1 \K2', K3' unterteilt, welche nacheinander von einer
Nutzwärmeflüssigkeit durchströmt werden. Diese tritt durch einen Zulauf ZL1 in den Wärmetauscher WT' ein und verlässt ihn nach Durchströmen der drei
Kammern K1 ',K21, K31 durch einen Auslass oder Ablauf AL1. Die
Strömungsrichtung der Nutzwärmeflüssigkeit ist durch Pfeile angedeutet. In Figur 6 ist die Nutzwärmeflüssigkeit im Wärmetauscher wellenlinienförmig angedeutet.
Der Wärmetauscher WT' weist 16 Stutzen ST' auf, mittels welchen je ein Wärmerohr so an dem Wärmetauscher WT' befestigt werden kann, dass dessen Kondensator sich innerhalb des Wärmetauschers WT1 befindet, wobei der Kondensator die mittlere Kammer K2 durchragt und in die erste Kammer K11 und die letzte Kammer K3' hineinragt. Die Trennwände T1 ',T2' weisen zur Durchführung der Kondensatoren je 16 große Durchbrüche auf, welche in Figur 5 aus Gründen der Anschaulichkeit nicht gezeigt sind. Die Trennwände T1',T2' weisen ferner je einen Durchbruch BV bzw. B2' auf, um den Übertritt der Nutzwärmeflüssigkeit von Kammer zu Kammer zu ermöglichen.
Figur 6 zeigt in nicht maßstäblicher Schnitt-Darstellung einen erfindungsgemäßen Vakuumröhren-Solarkollektor S" mit vier Wärmerohren K", R", V", welche je aus einem Kondensator K", einem transparenten (luftleeren) Vakuumrohr V" sowie einem Rohr R" bestehen. Das Rohr R" bildet gemeinsam mit an ihm angeordneten Kondensator K" ein Heatpipe. Im Inneren des Rohres R" befindet sich ein Wärmeträgermedium, welches in dem Rohr R" teils in flüssiger, teils in gasförmiger Phase vorliegt. Die in Figur 6 sichtbaren Teile der Rohre R" bilden die Verdampferzonen der entsprechenden Heatpipes R", K". Die Vakuumrohre V" vermindern die Wärmeverluste, welche durch Wärmeleitung aus den Rohren in die Umgebung außerhalb des Solarkollektors S" entstehen, erheblich. Das Wärmeträgermedium ist in Figur 6 innerhalb der Rohre R" gepunktet angedeutet.
Jedes der Vakuumrohre V" verläuft entlang der Brennlinie einer nicht dargestellten Parabolrinne mit Innenverspiegelung, so dass einfallendes Sonnenlicht von der Parabolrinne konzentriert in die Verdampferzone des zugehörigen Rohres R" fokussiert wird und dort für eine Aufheizung des Wärmeträgermediums sorgt. Je nach vorgesehener Arbeitstemperatur des Wärmerohres kommen verschiedene Medien als Wärmeträgermedium in Frage, insbesondere Wasser, Öl und verschiedene Chemikalien.
Die Parabolrinnen sind vorzugsweise CPC-Spiegel. Ihre Innenseite ist vorzugsweise mit eine Nanobeschichtung versehen, wodurch die verspiegelte Innenfläche der Parabolrinnen sehr witterungs- und alterungsbeständig ist und über lange Zeit ihren hohen Reflexionskoeffizienten nahezu ungeschmälert beibehält.
Der Vakuumröhren-Solarkollektor S" weist vier Heatpipes R", K" auf, jeweils bestehend aus einem Rohr R" mit darin befindlichem Wärmträgermedium und einem Kondensator K", wobei die Rohre R" im Verdampferbereich jeweils in einem bestimmten Abstand von einem luftleeren Vakuumrohr V" umgeben sind. Der Vakuumröhren-Solarkollektor S" weist ferner einen Wärmetauscher WT" auf, welcher durch zwei Trennwände T1",T2" in drei Kammern K1",K2",K3" unterteilt ist. Eine Nutzwärmeflüssigkeit strömt über einen Zulauf ZL" in die erste Kammer K1" ein, von dort durch einen Durchbruch B1" ist die zweite Kammer K2" und von dort über einen weiteren Durchbruch B2" in die dritte und letzte Kammer K3". Von dort tritt die Nutzwärmeflüssigkeit über einen Auslass oder Ablauf AL" aus dem Wärmetauscher WT" aus. Der Wärmetauscher WT" bildet somit einen Strömungskanal für die Nutzwärmeflüssigkeit.
Die Fließrichtung der Nutzwärmeflüssigkeit ist in Figur 6 mit Pfeilen angedeutet. Die Vakuumröhren V" mitsamt den darin angeordneten Rohren R" sind über je einen Stutzen ST" am Wärmetauscher WT" befestigt.
Jeder Kondensator K" weist eine Vielzahl von ringförmigen Rippen RP" auf, welche alle parallel zur Strömungsrichtung der Nutzwämeflüssigkeit ausgerichtet sind und welche die Wärmeübergangsfläche vom Kondensator K" zur Nutzwärmeflüssigkeit (z.B. Wasser oder Öl) um ein Mehrfaches vergrößern und somit den Wärmewiderstand für die Wärmeabgabe vom Kondensator zur Nutzträgerflüssigkeit stark verringern. Die Effektivität des Wärmetauschers WT" wird hierdurch erheblich verbessert.
Jeder Kondensator ,K" steht erfindungsgemäß mit der Nutzwärmeflüssigkeit in direktem mechanischem Kontakt, so dass sich zwischen dem Kondensator K" und der Nutzwärmeflüssigkeit kein festes Material befindet und der Kondensator K" von der Nutzwärmeflüssigkeit somit direkt umströmt ist. Hierdurch wird der Wärmewiderstand für die Wärmeabgabe vom Kondensator K" zur Nutzträgerflüssigkeit nochmals stark verringert und der Wirkungsgrad des Solarkollektors S" gesteigert.
Der Wärmetauscher W' und die Kondensatoren K" mitsamt den Rippen RP" bestehen vorzugsweise aus Edelstrahl.
Gewerbliche Anwendbarkeit: Die Erfindung ist gewerblich anwendbar insbesondere im Bereich der Technik der erneuerbaren Energien und in der Haustechnik Liste der Bezugszeichen:
A Aufnahme
B1 ,B2,B11,B21 Durchbrüche
AL1AU1AL11 Ablauf
D Wärmedämmung
K1 K1 ,K",^11 Kondensatoren
KM1.KM2.KM3 Kammern in WT
KM1'1KM21,KM31 Kammern in WT1
KM1",KM2",KM311 Kammern in WT"
P Parabolrinne
R Rohr
RP,RP",RP'" Rippe oder Finne
S Vakuumröhren-Solarkollektor
ST1, ST" Stutzen
T1.T1" Trennwand
T2.T2" Trennwand
V1V1V" transparente Vakuumröhre
W Wärmerohr (Heat-Pipe oder Zwei-Phasen-Thermosiphon) wr.wr.wr Wärmetauscher
ZL1ZU1ZL" Zulauf

Claims

Patentansprüche:
1. Solarkollektor (S"), insbesondere Vakuumröhren-Solarkollektor (S"), welcher mindestens ein Wärmerohr, nämlich eine Heatpipe oder einen Zwei-Phasen- Thermosiphon, mit einem Kondensator (K, K1, K", K'") aufweist, wobei das Wärmerohr ein teilweise in gasförmiger und teilweise in flüssiger Phase vorliegendes Wärmeträgermedium enthält, und die gasförmige Phase imstande ist, latente Wärme zu dem Kondensator (K.K'.K".^") zu transportieren und diese dort durch Kondensation an den Kondensator (K,K',K",K"') abzugeben, und der Kondensator (K1K1, K", K"1) imstande ist, Wärme durch Wärmeleitung an eine den Kondensator (K1K1, K", K1") innerhalb eines Strömungskanals (WT1WT1WT") umströmende, nach außerhalb des Solarkollektors (S") strömende Nutzwärmeflüssigkeit abzugeben, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (K1K1, K", K1") mit der Nutzwärmeflüssigkeit innerhalb des Strömungskanals (WT1WT', WT") in direktem mechanischem Kontakt steht, so dass der Kondensator (K,K',K",K"') von der Nutzwärmeflüssigkeit direkt umströmt ist und sich zwischen dem Kondensator (K1K', K", K1") und der Nutzwärmeflüssigkeit kein festes Material befindet.
2. Solarkollektor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (WT, WT1, WT") mindestens zwei oder mindestens drei Kammern (KM1 ,KM2,KM3, KM1',KM2',KM3') aufweist, welche nacheinander von der Nutzwärmeflüssigkeit durchströmbar sind.
3. Solarkollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator innerhalb einer Hülse, insbesondere Metallhülse, angeordnet ist.
4. Solarkollektor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (K,K',K",K'") zur Verbesserung des Wärmeübergangs vom Kondensator (K.K'.K".^") zur Nutzwärmeflüssigkeit Vorsprünge, Rippen (RP, RP", RP'") oder Finnen aufweist, welche von der Nutzwärmeflüssigkeit umströmt sind, die Kontaktfläche zwischen dem Kondensator (K,K') und der Nutzwärmeflüssigkeit vergrößern und somit den Wärmewiderstand zwischen Kondensator (K1K1, K", K"1) und Nutzwärmeflüssigkeit herabsetzen, wobei die Vorsprünge, Rippen (RP1RP", RP1") oder Finnen parallel zur Strömungsrichtung der Nutzwärmeflüssigkeit orientiert sind.
5. Solarkollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Wandung jeder der Kammern (K1 IK2,K31K1',K21,K31,K1",K2",K3"1) Teil der Wärmeübergangsfläche zwischen Kondensator (K) und Nutzwärmeflüssigkeit ist.
6. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (K1 ,K2,K3,K11,K21,K3'1K1"1K2",K3"1) so angeordnet sind, dass die Temperatur desjenigen Bereichs des Kondensators (K.K'.K".^"), welcher von der Nutzwärmeflüssigkeit in einer Kammer (K1 ,K2,K3,K1l,K2l,K3l,K1",K2",K3m) umströmt wird, von Kammer zu Kammer monoton zunimmt, so dass die Nutzwärmeflüssigkeit in der von ihr zuerst durchflossenen Kammer (K1 ,Kr,K1",K1 "') den kühlsten Bereich des Kondensators (K.K'.K".^"), und in der von ihr zuletzt durchflossenen Kammer (K3,K3',K3",K3"1) den wärmsten Bereich des Kondensators (K1K1, K^K1") umströmt.
7. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 2, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (K.K'.K".^") in mindestens eine der Kammern (K3,K3',K3") hineinragt und mindestens eine der übrigen Kammern (K1 ,K2,K1I,K2',K1",K2") durchragt.
8. Solarkollektor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator mit einer Wärmedämmung (D) versehen ist, welche die Wärmeverluste durch Wärmestrom vom Kondensator nach außerhalb der Nutzwärmeflüssigkeit herabsetzt, wobei ein Nanogel als wärmedämmendes Material Teil der Wärmedämmung (D) ist oder die Wärmedämmung (D) durch Nanogel gebildet ist.
9. Solarkollektor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarkollektor (S") eine Reflektorrinne aufweist, deren Innenfläche Sonnenlicht auf das Wärmerohr zu reflektieren imstande ist, wobei die Innenfläche eine Verspiegelung aufweist, welche durch eine Nanobeschichtung hergestellt ist oder mit einer Nanobeschichtung beschichtet ist oder durch eine Nanobeschichtung versiegelt ist.
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