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Dokumentenidentifikation DE202007011116U1 20.12.2007
Titel Sammler für Solarkollektoren mit Vakuumröhren
Anmelder Moré, Wolfgang, Dr.-Ing., 21521 Wohltorf, DE
DE-Aktenzeichen 202007011116
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 20.12.2007
Registration date 15.11.2007
Application date from patent application 09.08.2007
IPC-Hauptklasse F24J 2/04(2006.01)A, F, I, 20070809, B, H, DE

Beschreibung[de]
Technische Beschreibung Solarthermische Kollektoren mit Vakuumröhren

  • 1 zeigt ein übliches Anordnungsschema –

    bestehen aus mehreren evakuierten Glasröhren 3
  • – von denen 3 zwei Beispiele im Querschnitt zeigt –

    mit Absorberstreifen 5, welche auftreffendes. Licht in Wärme wandeln und mit Transportröhren für diese Wärme, die parallel oder in Reihe geschaltet direkt von einem Fluid, einer Wärmeträgerflüssigkeit, z. B. in den Rohren 6 und 7 durchströmt werden -EDF

    oder als Wärmerohr (Heatpipe) 8 -EHP- die Wärme als Verdampfungswärme zum Röhrenkopf transportieren, der als Kondensator 10 ausgebildet ist, wo diese Wärme an das Fluid übertragen wird.

Der Anschluss erfolgt in beiden Fällen an eine von Wärmeträgerflüssigkeit durchströmte Armatur 1, die in der Regel an einer Seite der Vakuumröhren-Gruppe 2 im rechten Winkel zu den Vakuumröhren 3 angebracht ist und diese gewonnene Wärme über einen Flüssigkeitskreislauf zu einem Wärmespeicher abführt.

Diese Armatur, die zum Verteilen und Sammeln der Wärmeträgerflüssigkeit beim System EDF bzw. als Wärmetauscher beim System EHP dient, bezeichnen wir als „Sammler".

Der Sammler 1 muss gut wärme-isoliert sein. Er dient gleichzeitig zusammen mit einer – hier nicht dargestellten – elastischen Halterung am anderen Röhrenende zur mechanischen Befestigung der einzelnen Vakuumröhren 3.

Der Sammler ist durch die je nach Sonneneinstrahlung und Wärmeabnahme in weitem Bereich schwankenden Temperaturen der in ihm befindlichen Rohre für die kalte und die erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit temperaturbedingten Längenänderungen ausgesetzt, die nur in eingeschränktem Maße auf die Vakuumröhren übertragen werden dürfen.

Im normalen Betrieb ändern sich täglich die Temperaturen um ca. 100 K.

Am Anschluss der Vakuumröhren können, wenn keine Wärmeabnahme erfolgt (Stagnation), Temperaturen bis 320 °C erreicht werden. Das entspricht gegenüber z.B. 20°C einer relativen Längenänderung bei Kupferrohr (&agr;Cu = 16,8·10–6 K–1) von ca. 0,5 %.1

1
Bei einem Elastizitätsmodul von 125 kN/mm für Kupfer ergäbe bei Stagnation eine starre Behinderung dieser Dehnung eine nicht mehr zulässige Druckspannung &sgr; = E·&egr; = 125 kN/mm·5·10 = 625 N/mm.

Die Konstruktion muss diese Längenänderungen elastisch auffangen können.

Während das System EDF beliebige Anordnung des Sammlers 1 erlaubt, müssen beim System EHP die Vakuumröhren 3 geneigt angeordnet sein, und der Sammler 1 liegt in der Regel oberhalb der Vakuumröhrengruppe 2.

Die üblicherweise verwendeten Sammler 1 liegen in der Ebene der Vakuumröhrengruppe 2 quer zu den Vakuumröhren 3 und hindern dadurch auf schrägen Dächern, dass Schnee, aber auch Verschmutzung durch Laubfall abrutschen.

Vielfach sind solarthermische Kollektoren nur als ganzes Gerät montierbar; das Auswechseln beschädigter Vakuumröhren an montierten Kollektoren erweist sich als schwierig.

Die in den Schutzansprüchen beschriebene Erfindung soll folgende Merkmale bieten:

  • 1. architektonische Freiheit bei der Wahl des Winkels zwischen Sammler und Vakuumröhren

    – wie in 2 dargestellt –
  • 2. Einstellbarkeit des Winkels der Absorberfinne (des Absorberstreifens) 5 zum optimalen Energie-Einfang, falls die Vakuumröhre 3 materialsparend mit einer flachen Absorberfinne 5 und konzentrisch angeordneter Wärmeableitung (6 und 7 bei EDF bzw. 8 bei EHP) ausgerüstet ist,

    – entsprechend 3
  • 3. Ankopplung von Vakuumröhrengruppen 2 auch zugleich nach beiden Seiten des Sammlers 1

    – wie in 4 und 5 für Dach- und Fassadenanlagen bespielhaft gezeigt –
  • 4. Winkelausgleich zur Längsachse der Vakuumröhren 3 bzw. Wärmeleiter 6/7 oder 8 bei Montagen auf Dächern oder an Fassaden,
  • 5. Vermeidung des Schnee- und Schmutzfangens auf Schrägdächern am Sammler 1,
  • 6. Ausgleich thermischer Längenänderungen,
  • 7. Vielfalt der Anwendungen und Entwürfe mit nur wenigen Bauteilvarianten,
  • 8. Austauschbarkeit der Vakuumröhren,
  • 9. leichte Montage – ohne Kran – möglich,
  • 10. Nutzung des Vakuumröhrenkollektors als zusätzliche Wärmedämmung.

Stand der Technik ist,

dass Merkmal 1 nur mit Sonderanfertigungen erreichbar ist,

dass Merkmal 2 allein üblicherweise mit zylindrischen Einspannungen ermöglicht wird,

dass Merkmal 3 – wenn überhaupt – dann mit zwei Sammlerkästen ausgeführt wird,

dass Merkmal 4 mit zylindrischen Kopplern die Verwendung flexibler Wellrohre erfordert, welche eine teure Behebung dieses Problems aber zugleich auch eine Lösung für die Merkmale 1 und 6 bieten,

dass Merkmal 5 üblicherweise vernachlässigt wird und die Folgen den Betreiber der Anlage beschäftigen,

dass Merkmal 6 – der Ausgleich der thermischen Längenänderungen – auf verschiedene Weise konstruktiv gelöst werden muss und kann, aber z. B. mit nachteiligen Beschränkungen bei der Zusammenschaltung mehrerer Kollektoren verbunden ist,

dass die Merkmale 8 und 9 bei einigen Konstruktionen erheblichen Aufwand erfordern oder aus Kostengründen entfallen. – Wenn Austauschen einzelner Vakuumröhren nicht vorgesehen ist, wird davon ausgegangen, dass es weder beim Transport noch bei der Montage und erst recht während des Jahrzehnte dauernden Betriebs nicht zu Schäden an den Glasröhren kommt; für eine große Zahl von Anlagen eine zu optimistische Annahme.

Merkmal 10 wird bekanntermaßen leider von wenigen Anwendern genutzt.

  • – In 5 wird es in Verbindung mit Wärmedämm-Matten dargestellt. –

    Es wird von den Sammlern 1 durch deren wärmedämmende Konstruktion und die dicht benachbarte und beidseitig mögliche Röhrenankopplung unterstützt.

Die Erfindung erreicht Merkmal 5 durch Sammler 1, welche näher an der Dachhaut liegen als die Vakuumröhren 3, wobei es vorteilhaft ist, durch eine elastische, wärme-isolierende und -reflektierende Unterlage 4 unter der Röhrengruppe 2, die mit möglichst geringem Abstand der Vakuumröhren 3 untereinander ausgeführt werden sollte, das Merkmal 10 ebenfalls zu nutzen.

  • – Dies zeigt 5 für einige Dachanlagen im Schnitt und in der Ansicht einer Wand, bei welcher auch unterschiedliche Längen von Vakuumröhren 3 in den Gruppen 2 dargestellt werden.

    Diese schematische Darstellung unterscheidet nicht, ob mit Dachhaut ein vorhandenes Ziegel- oder Schieferdach, oder eine Folie mit Dachlattung gemeint ist, denn beides, Aufdachmontage und Dachintegration, ist mit dafür geeigneten dichtend verbundenen Dämm-Matten möglich, aber nicht Gegenstand dieser Erfindung.

    Für derartige Anwendungen ist zur Anpassung an die Gegebenheiten des Gebäudes (Dachhöhe, Fensterverteilung) ein Baukastensystem von vielseitig einsetzbaren und ausrichtbaren Kollektorbestandteilen aus wirtschaftlichen Gründen erforderlich.

    Die Kombination der Merkmale 5 und 10 ist besonders für an Wänden angebrachte Kollektoren eine zusätzliche Verbesserung der Wärmebilanz von Gebäuden.

Die Erfindung erreicht die Merkmale 1 bis 4, 8 und 9 durch eine Ankopplung der Vakuumröhren 3 mittels kugelförmiger, an der Sammlerarmatur dichtend angepresster Anschlussköpfe 9 der Vakuumröhren – wie in 6 (nicht maßstäblich) dargestellt.

Zu jeder Vakuumröhre gehört an der Sammlerarmatur eine mit ihrem Innenradius passende kugelige Aufnahmeschale 15.

Je Vakuumröhre verbinden zwei kurze dünne Rohre

13 für das kalte zufließende Fluid und 14 für das erwärmte abfließende Fluid –

bei direkt durchflossenen Vakuumröhren (EDF) in 7

die Verteiler- 11 bzw. Sammler-Rohre 12 elastisch mit den Aufnahmeschalen 15 für die Anschlusskugeln 9.

Ein Verteiler- 11 bzw. Sammler-Rohr 12 für eine Vakuumröhrengruppe 2 hat beispielsweise 5 bis 12 Anschlüsse, die – bei Bedarf gegeneinander versetzt – zu den Aufnahmeschalen 15 führen.

Für zweiseitigen Anschluss können so zwei Aufnahmeschalen 15 Rücken an Rücken angeschlossen werden, wenn man nicht vorzieht, diese zu einem Stück zusammenzufassen.

Bei schräg angeschlossenen Vakuumröhren ist ein vergrößerter Abstand dieser Anschlüsse zu berücksichtigen.

Da die Kopplung der Kugeln 9 an ihre Aufnahmeschalen 15 bestimmungsgemäß bei unterschiedlichen Winkeln erfolgen kann, sind die Öffnungen der Rohre 13 in den Aufnahmeschalen 15 zu den Rohren 6 als Kanäle ausgebildet, welche von den Kugeln 9 ausreichend abgedichtet werden.

Die Öffnungen der Kugeln 9 von den Rohren 7 zu den Rohren 14 liegen in der Drehachse zur Ausrichtung der Vakuumröhren 3. Die zulässige Montagewinkel-Toleranz wird durch Aufweitung der Öffnung des Rohrs 14 in der Aufnahmeschale 15 erreicht.

Vollständige Abdichtung zwischen den beiden Fluid-Übergängen in der Aufnahmeschale ist nicht erforderlich, aber nach außen muss die Abdichtung vollständig sein.

Das wird dadurch erreicht, dass die Kugel 9 in der Gegend ihres Äquators gegen den Dichtungsflansch 16 der Kugelschale 15 gepresst wird. Die metallische Dichtung erfolgt somit an einem Flansch unter ähnlichen Verhältnissen wie bei einer Schneidring-Dichtung.

Die Elastizität der Ankopplungskonstruktion (13, 14, 15) soll Merkmal 6 für kleine Anschlussgruppen ermöglichen, während längenausgleichende Elemente zwischen den Anschlussgruppen der Sammlerrohre den thermischen Längenausgleich für den gesamten Sammler 1 sichern.

  • 7 zeigt den unteren Teil der Sammlerarmatur mit dem Verteilrohr 11 für das kalte Fluid und dem Sammelrohr 12 für das erwärmte Fluid.

    Rohr 11.1 dient üblicherweise zum Transport des kalten Fluids auf die dem einseitigen Anschluss des Sammlers 1 entgegengesetzte Seite, damit die parallel geschalteten Strömungen in den Rohren 6 und 7 durch insgesamt gleich lange Wege annähernd gleiche Strömungswiderstände erhalten.

Bei Vakuumröhren mit Wärmerohr (EHP)

  • – in 8 und 9

    dient der Anschlusskopf als Kondensator 10 des Wärmerohrs, er wird

    a) trocken bzw. unter Verwendung einer Wärmeleitpaste an die Armatur des Sammlers 1 angekoppelt

    oder b) nass angekoppelt.

In beiden Fällen ist auch hier die Kugelform vorteilhaft, um die Merkmale 1 bis 5, 8 und 9 zu erreichen; ausreichender Wärmeübergang auf etwa der halben Kugeloberfläche erfordert allerdings einen größeren Durchmesser der Kugeln 10 als bei direkt durchströmten Vakuumröhren.

Bei der nassen Ankopplung wird

  • – wie 9 zeigt –

    die Kugel 10 dichtend an den Flansch 16 der wannenförmig erweiterten Aufnahmeschale 15 des Sammlers 1 angepresst.

    Die trockene Anbindung unterscheidet sich davon dadurch, dass der dichtende Flansch entfällt und dafür die Aufnahmeschale 15 mit einer metallischen Membran abgedeckt ist, gegen welche die Kugel 10 gepresst wird.
  • 10 zeigt eine andere Ausführung der nassen Ankopplung. Sie verwendet ebenso kleine dichtende Kugelköpfe 9.1 wie beim System EDF, durch welche das Wärmerohr zu einem davor liegenden zylindrischen Kondensator 10.1 hindurchgeführt wird, der in einen erweiterten Abschnitt der Armatur des Sammlers 1 eintaucht.

Der Ausgleich thermischer Längenänderungen innerhalb der Anschlussgruppe muss bei Ausführungen nach 10 durch das ausreichend lang und elastisch bemessene Ende des Wärmerohrs zwischen Vakuumröhre 3 und Anschlusskugel 9.1 erfolgen.

Die Kugeln 9 bzw. 9.1 bzw. 10 werden über Verschraubungen mit für die gewünschte Winkeleinstellbarkeit ausreichend großer Ringmutter oder über Spannbänder oder federnde Bügel mit der Anpresskraft F gegen den Flansch 16 bzw. die Membran von 15 gepresst.

Der Sammler 1 ist in allen Beispielen zwischen seinen Armaturen und seiner Wandung wärmeisoliert, auch die obere Abdeckung 17, die der gewählten Anordnung angepasst ist und der Kontur der Vakuumröhren folgt. Dazu kann diese obere Abdeckung auch aus Teilstücken für jede angeschlossene Vakuumröhre 3 bzw. jedes gegenständige Vakuumröhrenpaar bestehen.

Zeichnungen zur Gebrauchsmusteranmeldung Sammler für Solarkollektoren mit Vakuumröhren Blatt 1:

1 Beispiel der üblichen Anordnung der Vakuumröhrengruppe

2 Beispiel einer Winkelanordnung der Vakuumröhrengruppe

3 Übliche Querschnitte von Vakuumröhren EDF und EHP (evacuated direct flow, evacuated heat pipe)

4 Beispiele für zweiseitigen Anschluss von Vakuumröhren

Blatt 2:

5 Beispielhafte Kollektor-Anordnungen als zusätzliche Wärme-Isolation

Blatt 3:

6 Kugelförmiger Anschlusskopf einer Vakuumröhre EDF

7 Querschnitt durch einen Sammler mit Vakuumröhre EDF

Blatt 4:

8 Kugelförmiger Anschlusskopf einer Vakuumröhre EHP

9 Querschnitt durch einen Sammler mit Vakuumröhre EHP

Blatt 5:

10 Querschnitt durch ein weiteres Beispiel Sammler mit Vakuumröhre EHP


Anspruch[de]
Sammler für Solarkollektoren mit Vakuumröhren verschiedener Bauarten, dadurch gekennzeichnet, dass bei diesen Sammlern eine Winkeleinstellbarkeit und Montagewinkeltoleranz durch kugelförmig ausgebildete Anschlussköpfe der Vakuumröhren erzielt wird, Sammler für Solarkollektoren mit Vakuumröhren verschiedener Bauarten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammler – von der Ebene der Vakuumröhrengruppen aus betrachtet – tiefer angeordnet sind und die obere Kontur der Vakuumröhren nicht überragen, damit sie kein Hindernis für das Abgleiten von Schnee oder das Abwaschen von Verschmutzungen bilden. Sammler für Solarkollektoren mit Vakuumröhren verschiedener Bauarten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Vakuumröhren mit direktem Durchfluss an elastisch angebrachten Aufnahmeschale angekoppelt sind, welche eine Winkeleinstellbarkeit in der Ebene der Vakuumröhrengruppen ermöglichen, Sammler für Solarkollektoren mit Vakuumröhren verschiedener Bauarten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Vakuumröhren mit nass angeschlossenen Wärmerohren an elastisch angebrachten Aufnahmewannen angekoppelt sind, welche eine Winkeleinstellbarkeit in der Ebene der Vakuumröhrengruppen ermöglichen, Sammler für Solarkollektoren mit Vakuumröhren verschiedener Bauarten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Vakuumröhren mit trocken angebundenen Wärmerohren elastisch angekoppelt sind Sammler für Solarkollektoren mit Vakuumröhren verschiedener Bauarten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Ankopplung lösbar über Verschraubungen, Spannbänder oder federnde Bügel erfolgt, Sammler für Solarkollektoren mit Vakuumröhren verschiedener Bauarten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Ankopplung der Vakuumröhren zugleich nach zwei Seiten des Sammlers erfolgen kann, Sammler für Solarkollektoren mit Vakuumröhren verschiedener Bauarten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumröhrengruppen zusammen mit einer am – üblicherweise wärmegedämmten – Sammler anschließenden elastischen Wärmedämmatte eine zusätzliche Wärmedämmung bilden, Sammler für Solarkollektoren mit Vakuumröhren verschiedener Bauarten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Sammler mit den Vakuumröhren sowohl auf Dächern als auch an Wänden montiert werden können.






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