DE20108682U1 - tube collector - Google Patents
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Die vorliegende betrifft einen Röhrenkollektor mit mehreren im wesentlichen parallel zueinander angeordneten, an einer Endseite verschlossenen doppelwandigen Vakuumröhren, deren Innenrohr mit einem Absorber versehen ist und in denen ein ein Wärmetransportfluid führendes Wärmeleitrohr enthalten ist.The present invention relates to a tube collector with a plurality of double-walled vacuum tubes arranged essentially parallel to one another, closed at one end, the inner tube of which is provided with an absorber and in which a heat conducting tube carrying a heat transport fluid is contained.
Ein derartiger Röhrenkollektor ist beispielsweise aus dem auf die Anmelderin der vorliegenden Erfindung zurückgehende DE-U-299 20 618.2Such a tube collector is known, for example, from DE-U-299 20 618.2, which goes back to the applicant of the present invention.
Sonnenkollektoren sollen insbesondere in Mitteleuropa die einfallende Sonnenenergie möglichst vollständig in nutzbare Wärmeenergie umsetzen. Dementsprechend werden den einzelnen Röhren von Röhrenkollektoren regelmäßig Parabolspiegel zugeordnet, welche das pro Flächenelement einfallende Sonnenlicht auf die Vakuumröhre fokussieren sollen. Dadurch entsteht an besonders heißen Tagen das Problem einer übermäßigen Erhitzung des Wärmetransportfluids. Dieses Problem wird dann besonders auftreten, wenn die in dem Röhrenkollektor gesammelte Sonnenenergie nicht abgeführt wird, d.h. kein Verbraucher angeschaltet wird, der die gesammelte Energie verbraucht.Solar collectors, particularly in Central Europe, are designed to convert the incoming solar energy into usable heat energy as completely as possible. Accordingly, parabolic mirrors are regularly assigned to the individual tubes of tube collectors, which are designed to focus the sunlight falling on each surface element onto the vacuum tube. This creates the problem of excessive heating of the heat transport fluid on particularly hot days. This problem will occur particularly if the solar energy collected in the tube collector is not dissipated, i.e. no consumer is switched on that uses the collected energy.
Darüber hinaus wird bei intensiver Sonnenbestrahlung, für den Fall dass ein Verbraucher angeschaltet ist, die gesammelte Sonnenenergie nur mit Verzögerung von dem Wärmetransportfluid aufgenommen und an einen Soiarflüssigkeitskreislauf weiter gegeben. In addition, in the event of intensive solar radiation, in the event that a consumer is switched on, the collected solar energy is only absorbed with a delay by the heat transport fluid and passed on to a solar fluid circuit.
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen Röhrenkollektor anzugeben, der die obigen Nachteile nicht aufweist. Insbesondere soll eine Überhitzung des Wärmetransportfluids bei übermäßiger Sonnenstrahlung vermieden werden. Auch soll die einfallende Sonnenenergie möglichst umgehend an den Soiarflüssigkeitskreislauf übertragen werden.The present invention is based on the technical problem of specifying a tube collector which does not have the above disadvantages. In particular, overheating of the heat transport fluid in the event of excessive solar radiation should be avoided. The incident solar energy should also be transferred to the solar fluid circuit as quickly as possible.
Zur Lösung des obigen Problems wird mit der vorliegenden Erfindung der eingangs genannte Röhrenkollektor dadurch weitergebildet, dass das Wärmeleitrohr ein endseitig jeweils verschlossenes Wärmerohr ist, in dem das Wärmetransportfluid bei ErwärmungTo solve the above problem, the present invention further develops the tube collector mentioned at the outset in that the heat conducting pipe is a heat pipe that is closed at each end, in which the heat transport fluid when heated
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verdampft, wobei ein Ende des Wärmerohres in der Vakuumröhre aufgenommen ist und das andere Ende das offene Ende der Vakuumröhre endseitig überragt und wärmeleitend mit einem Solarflüssigkeitskreislauf gekoppelt ist.evaporated, with one end of the heat pipe being accommodated in the vacuum tube and the other end projecting beyond the open end of the vacuum tube and being thermally coupled to a solar fluid circuit.
Bei dem erfindungsgemäßen Röhrenkollektor ist das Wärmeleitrohr durch ein Wärmerohr gebildet. Dieses Wärmerohr, welches allgemein bekannt ist und auch als „heat pipe" bezeichnet wird, hat ein Wärmetransportfluid, welches in dem Wärmerohr bei Erwärmung verdampft und sich an dem kalten Ende niederschlägt. Dementsprechend wird der Röhrenkollektor derart angeordnet, dass das in der jeweiligen Vakuumröhre aufgenommene Ende des Wärmerohres tiefer als das andere, mit dem Wärmetauscher zu dem Solarflüssigkeitskreislauf in Verbindung stehende Ende des Wärmerohres ist. Das Wärmetransportfluid findet sich danach im kalten Zustand zunächst in den Vakuumröhren. Es verdampft bei Erwärmung von hieraus und kondensiert unter Abgabe der Wärme. Die hierbei ablaufenden Wärmeübertragungsvorgänge zwischen dem inneren Teil der Vakuumröhre und dem Wärmetransportfluid sind effektiver als bei der Verwendung von glycolhaltigem Wasser als Wärmetransportfluid.In the tube collector according to the invention, the heat pipe is formed by a heat pipe. This heat pipe, which is generally known and is also referred to as a "heat pipe", has a heat transport fluid which evaporates in the heat pipe when heated and condenses at the cold end. Accordingly, the tube collector is arranged in such a way that the end of the heat pipe accommodated in the respective vacuum tube is lower than the other end of the heat pipe which is connected to the heat exchanger to the solar fluid circuit. The heat transport fluid is then initially found in the vacuum tubes in the cold state. It evaporates from here when heated and condenses while releasing heat. The heat transfer processes which take place here between the inner part of the vacuum tube and the heat transport fluid are more effective than when using glycol-containing water as the heat transport fluid.
Die Wärmeübertragung und darüber hinaus die Herstellung des erfindungsgemäßen Röhrenkollektors kann dadurch weiter verbessert werden, dass gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung das Wärmeleitblech mit dem Wärmerohr mittels Ultraschweißen verschweißt ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass zum einen das sich erwärmende Wärmeleitblech direkten Kontakt mit dem Wärmerohr hat. Zum anderen können Wärmeleitblech und Wärmerohr bei der Montage als Einheit in die Vakuumröhre eingeschoben werden. Alternativ kann das Wärmeleitblech in konventioneller Weise eine Einsackung aufweisen, in welche das Wärmerohr eingelegt ist. Diese aus dem Stand der Technik bekannte Alternative führt jedoch zu einer verschlechterten Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Wärmerohr und dem Wärmeleitblech.The heat transfer and, moreover, the manufacture of the tube collector according to the invention can be further improved by welding the heat conducting plate to the heat pipe using ultrasonic welding according to a preferred embodiment of the present invention. This ensures that, on the one hand, the heating heat conducting plate has direct contact with the heat pipe. On the other hand, the heat conducting plate and heat pipe can be inserted into the vacuum tube as a unit during assembly. Alternatively, the heat conducting plate can have a recess in the conventional manner, into which the heat pipe is inserted. However, this alternative known from the prior art leads to a deterioration in the thermal conductivity between the heat pipe and the heat conducting plate.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Röhrenkollektors lässt sich dadurch weiter verbessern, dass das Wärmeleitblech ein einteiliges Bauteil ist, welches nach dem Schweißen zu einem Bauteil mit kreisrundem Querschnitt umbogen wird.The production of the tube collector according to the invention can be further improved by the fact that the heat conducting plate is a one-piece component which, after welding, is bent into a component with a circular cross-section.
Praktische Versuche haben gezeigt, dass der Röhrenkollektor einerseits bestmöglichPractical tests have shown that the tube collector is the best
gegen Überhitzung geschützt ist, andererseits aber auch bei geringen Erwärmungen schon eine gute Wärmeausbeute hat, wenn die Füllmenge und der Innendruck des Wärmetransportfluids in dem Wärmerohr derart eingestellt ist, dass das Wärmetransportfluid erst ab einer Temperatur von zwischen 25 und 45 °C an einer beliebigen Stelle in dem Wärmerohr verdampft und bei Erreichen einer Temperatur von zwischen 170 und 19O0C an jeder Stelle des Wärmerohres das gesamte Wärmetransportfluid verdampft ist.is protected against overheating, but on the other hand has a good heat yield even at low temperatures if the filling quantity and the internal pressure of the heat transport fluid in the heat pipe are set in such a way that the heat transport fluid only evaporates at any point in the heat pipe from a temperature of between 25 and 45 °C and when a temperature of between 170 and 19O 0 C is reached at every point in the heat pipe, the entire heat transport fluid has evaporated.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigen:Further details, advantages and features of the present invention will become apparent from the following description of an embodiment in conjunction with the drawing. In this drawing:
Figur 1 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Röhrenkollektors undFigure 1 is a schematic plan view of an embodiment of a tube collector according to the invention and
Figur 2 eine perspektivische Ansicht einer Vakuumröhre zu dem in Figur 1 gezeigten Röhrenkollektor.Figure 2 is a perspective view of a vacuum tube for the tube collector shown in Figure 1.
Der in Figur 1 gezeigte Röhrenkollektor hat einen unteren Röhrensupport 1 und einen oberen Sammelkasten 2. Zwischen diesen Bauteilen 1, 2 erstrecken sich eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Vakuumröhren 3. In jeder Vakuumröhre 3 ist ein Wärmeleitrohr 4 vorgesehen, welches an seinen beiden Enden verschlossen ist. Das eine Ende des Wärmerohres 4 befindet sich in der Vakuumröhre 3, etwa auf Höhe des Röhrensupports 1. Das andere Ende des Wärmerohres 4 überragt die Vakuumröhre 3 und ist mit seinem die Vakuumröhre überragenden Längenabschnitt in einem Wärmetauscher 5 aufgenommen. Dieser Wärmetauscher 5 befindet sich in dem Sammelkasten 2 und weist zwei parallele Rohrstränge 6a, 6b auf, welche über mehrere Rohrabschnitte 7 miteinander verbunden sind, die jeweils das die Vakuumröhre 3 überragende Ende eines Wärmeleitrohres 4 aufnehmen.The tube collector shown in Figure 1 has a lower tube support 1 and an upper collecting box 2. A plurality of vacuum tubes 3 arranged parallel to one another extend between these components 1, 2. In each vacuum tube 3 there is a heat conducting tube 4 which is closed at both ends. One end of the heat pipe 4 is located in the vacuum tube 3, approximately at the level of the tube support 1. The other end of the heat pipe 4 projects beyond the vacuum tube 3 and is accommodated in a heat exchanger 5 with its length section projecting beyond the vacuum tube. This heat exchanger 5 is located in the collecting box 2 and has two parallel pipe strands 6a, 6b which are connected to one another via a plurality of pipe sections 7, each of which accommodates the end of a heat conducting tube 4 projecting beyond the vacuum tube 3.
Am Austritt der Vakuumröhre 3 ist das Wärmerohr 4 durch eine von dem Wärmerohr 4 durchsetzte Dichtung abgedichtet, so dass in den Rohrsträngen 6 bzw. in den Rohrabschnitten 7 strömende Solarflüssigkeit nicht in die Vakuumröhre 3 gelangen kann.At the outlet of the vacuum tube 3, the heat pipe 4 is sealed by a seal penetrated by the heat pipe 4, so that solar fluid flowing in the pipe strands 6 or in the pipe sections 7 cannot get into the vacuum tube 3.
In den Wärmerohren befindet sich jeweils ein Wärmetransportfluid. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wurde Wasser gewählt. Es sind jedoch auch Wasser-Alkohol-Gemische oder Kältemittel-Gemische möglich. Dieses Wärmetransportfluid ist zunächst im flüssigen Zustand in dem Wärmerohr 4 enthalten, und zwar in dem unteren Bereich, welcher von der Vakuumröhre 3 umgeben ist. Aufgrund von Sonneneinstrahlung erwärmt sich das Wärmetransportfluid in dem Wärmerohr 4 und verdampft.Each heat pipe contains a heat transport fluid. In the embodiment shown, water was chosen. However, water-alcohol mixtures or coolant mixtures are also possible. This heat transport fluid is initially contained in the liquid state in the heat pipe 4, specifically in the lower area which is surrounded by the vacuum tube 3. Due to solar radiation, the heat transport fluid in the heat pipe 4 heats up and evaporates.
Sofern über den Solarflüssigkeitskreislauf 6, 7 keine Wärme abgeführt wird, steigt die Temperatur in dem gesamten Wärmerohr 4 allmählich an. Zunächst steigt die Temperatur des unteren Längenabschnittes des Wärmerohres 4, welcher in der Vakuumröhre 3 aufgenommen ist. Mit zunehmender Erwärmung des Wärmetransportfluids steigt auch die Temperatur des in dem Rohrabschnitt 7 aufgenommen Längenabschnitts des Wärmeleitrohres 4. Dort kondensiert zunächst das verdampfte Wärmetransportfluid unter Abgabe von Wärme. Dieser Wärmetransportmechanismus kommt zum Erliegen und einstrahlende Sonnenenergie führt im wesentlichen zu keiner weiteren Erwärmung in dem Wärmeleitrohr, wenn das gesamte Wärmetransportfluid verdampft ist. Diese Bedingung lässt sich durch geeignete Auswahl der Füllmenge und des Innendruckes des Wärmetransportfluids in dem Wärmerohr 4 steuern. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Füllmenge und der Innendruck des Wärmetransportfluids derart gewählt, dass dieses vollständig bei einer Temperatur von 1800C an jeder beliebigen Stelle des Wärmerohres verdampft ist. Das Wärmerohr 4 kann damit auch bei übermäßiger Sonneneinstrahlung und bei fehlender Wärmeabfuhr durch den Solarflüssigkeitskreislauf 6, 7 nicht zu einer Überhitzung desselben führen.If no heat is dissipated via the solar fluid circuit 6, 7, the temperature in the entire heat pipe 4 gradually increases. First, the temperature of the lower length section of the heat pipe 4, which is accommodated in the vacuum tube 3, rises. As the heat transport fluid heats up, the temperature of the length section of the heat pipe 4 accommodated in the pipe section 7 also rises. There, the evaporated heat transport fluid initially condenses, releasing heat. This heat transport mechanism comes to a standstill and incoming solar energy essentially leads to no further heating in the heat pipe when all of the heat transport fluid has evaporated. This condition can be controlled by appropriately selecting the filling quantity and the internal pressure of the heat transport fluid in the heat pipe 4. In the exemplary embodiment shown, the filling quantity and the internal pressure of the heat transport fluid are selected such that it is completely evaporated at a temperature of 180 ° C at any point on the heat pipe. The heat pipe 4 can therefore not lead to overheating even in the case of excessive solar radiation and in the case of a lack of heat dissipation through the solar fluid circuit 6, 7.
Details der Vakuumröhre zu dem in Figur 1 gezeigten Röhrenkollektor sind der Darstellung in Figur 2 zu entnehmen. Die Vakuumröhre 3 ist doppelwandig und weist eine innere Glasröhre 3a und eine äußere Glasröhre 3b auf. Die innere Glasröhre 3a ist mit einem Absorber 3c beschichtet, welcher die einfallende Sonnenstrahlung möglichst vollständig absorbieren soll.Details of the vacuum tube for the tube collector shown in Figure 1 can be seen in the illustration in Figure 2. The vacuum tube 3 is double-walled and has an inner glass tube 3a and an outer glass tube 3b. The inner glass tube 3a is coated with an absorber 3c, which is intended to absorb the incident solar radiation as completely as possible.
Vorzugsweise die innere Röhre 3a innenseitig berührend ist in der inneren Glasröhre 3a ein Wärmeleitblech 8 aufgenommen. Dieses Wärmeleitblech wird als flaches Blech imPreferably, the inner tube 3a touches the inside and a heat conducting plate 8 is accommodated in the inner glass tube 3a. This heat conducting plate is provided as a flat plate in the
mittleren Bereich mit dem Wärmerohr 4 mittels Ultraschweißen verschweißt (Schweißnaht mit Bezugszeichen 9). Das Wärmeleitblech wird danach zu einem Bauteil kreisrunder Kontur umbogen. Die freien Enden 8a des Wärmeleitblechs sind nach innen umbogen und liegen gegenüberliegend zu dem Wärmeleitrohr 4 vorzugsweise zur radialen Wärmeübertragung durch das Wärmeleitblech 8 aneinander an.middle area is welded to the heat pipe 4 by means of ultrasonic welding (weld seam with reference number 9). The heat conducting plate is then bent to form a component with a circular contour. The free ends 8a of the heat conducting plate are bent inwards and lie against one another opposite the heat conducting pipe 4, preferably for radial heat transfer through the heat conducting plate 8.
Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass auf das Umbiegen der freien Enden 8a des Wärmeleitbleches verzichtet werden kann. Die freien Enden können auf Stoß, voneinander geringfügig beabstandet oder einander überlappend enden.For the sake of completeness, it should be noted that bending the free ends 8a of the heat conducting plate can be omitted. The free ends can end in abutment, slightly spaced apart from one another, or overlapping one another.
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