| 1. | 1• Einrichtung zum solaren Erwärmen einer Flüssigkeit (1) mit einem Solarkollektor (7) und Flüssigkeitstrans¬ port durch Naturkonvektion, dadurch gekennzeichnet, daß sich jenseits des Solarkollektors (7) in der Ableitung der solar erwärmten Flüssigkeit eine Überlau strecke (5) befindet und daß das Überlaufniveau (4) der Überlau strek ke (5) um einen vorzugebenden Abstand (15) über dem Ni veau (14) einer außerhalb des Solarkollektors (7) ste henden, durch den Zulauf der durch den Solarkollektor zu erwärmenden Flüssigkeit hindurch kommunizierenden Flüssigkeitssäule liegt. |
| 2. | Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlaufstrecke (5) zu einem auf etwa gleicher Höhe wie der Solarkollektor (7) stehenden Behälter (3) führt, daß das Überlaufniveau (4) der Überlaufstrecke (5) über dem Niveau (14) der im Behälter (3) bzw. in einem im Behälter befindlichen Wärmetauscher (17) stehenden Flüssigkeitssäule liegt und daß die Flüssigkeitssäule mit derjenigen im Solarkollektor (7) durch dessen untere Zuleitung (9) hindurch kommuniziert. |
| 3. | Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kommunizierenden Flüssigkeitssäulen Teil eines Kreislaufs bilden, in welchem sich im Bereich der Über laufstrecke (5) eine Gasblase (16) vorzugebender Größe befindet. |
| 4. | Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasblase (16) vom Solarkollektor (7) aus gesehen jenseits der Überlaufstrecke (5) ein bei thermischer Aus dehnung der Flüssigkeit von dieser ganz oder teilweise *g JSE_5 Ul ϊ Ϊ auszufüllendes Volumen umfaßt. 5« Einrichtung nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch je einen Luft und/oder Flüssigkeitszu bzw. |
| 5. | ablauf ober¬ halb der Überlaufstrecke im Flüssigkeitskreislauf sowie in dessen unterem Teil. |
| 6. | Einrichtung nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch Mittel zum Variieren des Niveauunterschieds zwischen Über¬ laufstreeke (5) und der jenseits des Solarkollektors (7) liegenden Flüssigkeitssäule zwischen 0,5 und 10 cm. |
| 7. | Einrichtung nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch die Ausbildung des" Solarkollektors (7) als VakuumKollektor. |
| 8. | Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der VakuumKollektor (7) mit Boosterspiegeln eines Konzentrationsfaktors zwischen 1,5 und 4,5 unterlegt istc 9« Einrichtung nach Anspruc 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei indirektem Erhitzen des im Behälter (3) vorhan¬ denen Flüssigkeitsvolumens (1) durch einen Wärmetauscher (17) dessen Wärmetauscherfläche zu 35 % oder mehr im obe¬ ren Viertel des Behältervolumens untergebracht ist. OMPI ". |
Die Erfindung " betrifft eine Einrichtung zum solaren Er¬ wärmen einer Flüssigkeit mit einem Solarkollektor und -Flüssigkeitstransport durch Naturkonvektion. Der Begriff "Solarkollektor" umfaßt hier und im folgenden sowohl den Einzelkollektor als auch ein Kollektorsystem.
Heute übliche Anlagen dieser Art " bestehen aus einem Flüs¬ sigkeitsvolumen in einem thermisch isolierten Behälter, das mit dem Solarkollektor bzw β Kollektorsystem direkt oder durch einen geschlossenen Kreislauf indirekt ver¬ bunden ist. Der Transport einer im Kollektor erwärmten Flüssigkeit in den Behälter erfolgt entweder mit Hilfe einer Pumpe oder durch Thermosyphonwirkung, In beiden Fällen sind wesentliche Nachteile in Kauf zu nehmen:
a) Die Verwendung von Pumpen ist unmöglich in Gegenden ohne elektrische Energieversorgung und aufwendig, zu¬ mal diese Geräte einer automatisch arbeitenden Regu¬ lierung bedürfen, welche in Zeiten geringer oder feh- lender Sonneneinstrahlung das Pumpen warmer Flüssig¬ keit aus dem Behälter in die Kollektoren verhindert, da die Flüssigkeit andernfalls abgekühlt statt er¬ wärmt würde.
b) Thermosyphon-Strömungen können in Zeiten unzureichen- der Sonneneinstrahlung ihre Richtung umkehren und da¬ durch eben alls zur Abkühlung bereits erwärmter Flüs-
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sigkeit führen. Außerdem ist es bei Einrichtungen mit Flüssigkeitstransport durch Thermosy honwirkung ästhe¬ tisch nachteilig, daß die mit der solar erwärmten Flüs¬ sigkeit zu füllenden Behälter räumlich oberhalb der Kollektoren anzuordnen sind.
c) Bei bekannten Einrichtungen wird die geforderte Soll¬ temperatur der solar erwärmten Flüssigkeit auch in deren oberen Schicht im Behälter erst nach längerer Einstrahlungszeit, insbesondere bei intermittierender . Einstrahlung, erreicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die -Nachteile bisheriger Einrichtungen zum solaren Erwärmen einer Flüs¬ sigkeit zu überwinden und eine Einrichtung eingangs ge¬ nannter Art zu schaffen, die ohne Flüssigkeitspumpe aus- kommt und in der eine Richtungsumkehr der Flüssigkeits¬ strömung, wie sie bei Anwendung der Thermosyphonwirkung möglich ist, nicht eintritt und die darüber hinaus bei Betrieb in kurzer Zeit eine Flüssigkeit der vorgesehenen Endtemperatur bzw. Solltemperatur zu liefern in der Lage ist. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß sich jenseits des Solarkollektors in der Ableitung der solar erwärmten Flüssigkeit eine Überlau strecke befindet und daß das Überlauf iveau der Überlaufstrecke um einen vor¬ zugebenden Abstand über dem ϊTiveau einer außerhalb des Solarkollektors stehenden, durch den Zulauf der durch den Solarkollektor zu erwärmenden Flüssigkeit hindurch kommu¬ nizierenden Flüssigkeitssäule liegt.
Erfindungsgemäß wird von dem bekannten Prinzip kommuni¬ zierender Röhren Gebrauch gemacht: Die im Kollektorsy- ste stehende Flüssigkeitssäule ist durch eine auf der Austrittsseite der erwärmten Flüssigkeit nachgeschaltete
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Überlaufstrecke von dem Flüssigkeitsniveau im nachgeεchal- teten Speicherbehälter, in welchem in üblicher Weise ein näherungsweise konstantes Flüssigkeitsniveau gehalten wird, getrennt. Der Flüssigkeitszulauf am unteren Ende des Solarkollektors bzw. Kollektorsystems kann dabei vom unteren Ende des Warmwasserbehälters oder von einem geson¬ derten Flüssigkeitsbehälter mit auf dem erforderlichen Niveau gehaltenem Flüssigkeitsspiegel aus erfolgen.
Anh-and der schematischen Darstellung von Ausführungsbei¬ spielen werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläu¬ tert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Einrichtung zum solaren Erwärmen einer Flüs- sigkeit mit einem von der Flüssigkeit im Kreis¬ lauf durchströmten Warmwasserbehälter;
Fig. 2 eine Einrichtung nach Fig. 1 jedoch mit getrenn¬ tem Speicher für die aus dem Kollektor kommende erwärmte Flüssigkeit; und
Fig. 3 eine Einrichtung entsprechend Fig. 1 mit einem
-von der erwärmten Flüssigkeit zu durchströmenden Wärmetauscher in dem Warmwasserbehälter.
Im Falle einer direkten Erhitzung der Flüssigkeit 1 gemäß Fig. 1 liegt deren Niveau 2 im Behälter 3 unterhalb des Niveaus 4 der Überlaufstrecke 5. Bei frisch gefülltem Behälter 3 wird vor Beginn der solaren Einstrahlung 6 am Solarkollektor 7 das Niveau 2 der Flüssigkeit 1 im Kollektor 7 und im Behälter 3 gleich hoch sein. Befindet sich im Behälter 3 warme Flüssigkeit 1 und fällt keine Sonnenstrahlung 6 auf den Kollektor 7, wird die im Kol- * lektor 7 stehende Flüssigkeit bei entsprechenden Außen¬ temperaturen abkühlen und eine niedrigere Temperatur als diejenige im Behälter 3 und damit eine höhere Dichte ha¬ ben. Dadurch wird das Flüssigkeitsniveau im Kollektor 7 etwas niedriger liegen als im Behälter 3. In keinem der beiden Fälle findet eine nennenswerte Strömung von einer zur anderen Flüssigkeitssäule statt.
Sobald jedoch Sonnenstrahlung 6 auf den Kollektor 7 trifft, wird die auf der Kollektorseite stehende Flüssigkeit lau-
fend erwärmt, wodurch ihre Dichte abnimmt. Damit steigt das Flüssigkeitsniveau auf der Kollektorseite, bis es das Niveau 4 der Überlau strecke 5 erreicht. Von diesem Augenblick -an fließt bei fortlaufender Einstrahlung lau- fend warme Flüssigkeit durch die Überlau strecke 5 in den Behälter 3 und gleichzeitig kältere Flüssigkeit vom Boden 8 des Behälters 3 über eine Rohrleitung 9 ih den unteren Einlauf 10 des Kollektors 7. Die Temperatur der zum Behälter 3 fließenden Flüssigkeit wird durch den Ab- stand des Niveaus 4 der Überlaufstrecke 5 von dem Niveau 2 der Flüssigkeit 1 im .Behälter 3 sowie durch Stoffkon¬ stanten der Flüssigkeit bestimmt.
Bei spezifisch hoher Einstrahlung auf den jeweiligen So¬ larabsorber kann die in den Kollektoren 7 enthaltene Flüssigkeit, insbesondere bei Serienschaltung mehrerer Kollektoren, zum Sieden kommen. In diesem Falle wird die Strömung vom Kollektor 7 .zu Behälter 3 durch Dampfbla¬ sen beschleunigt, so daß nicht mehr die Höhe der Über¬ laufstrecke 5 sondern der Siedepunkt der Flüssigkeit die Temperatur der in den Behälter 3 überlaufenden Flüssig¬ keit bestimmt.
Wenn der Niveauabstand so eingestellt wird, daß in den Behälter 3 fließende Flüssigkeit bereits die gewünschte Solltemperatur hat, kann wegen des geringen Volumens der strömenden Flüssigkeit .durch Einbauten im Behälter eine gute Temperaturschichtung erreicht werden. Gemäß Fig. 2 wird eine Rückvermischung erwärmter und kalter Flüssig¬ keit völlig vermieden, wenn die aus dem Kollektor 7 austretende Flüssigkeit in einen abgetrennten, thermisch isolierten Behälter 11 fließt und wenn der Nachlauf von Flüssigkeit zum Kollektor 7 aus einer von dem Behälter 11 getrennten Flüssigkeitssäule 12 mit Speicherbehälter
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13 erfolgt und das Niveau 14 der getrennten Flüssigkeits¬ säule 12 ihrerseits konstant gehalten wird. Eine solche .Anordnung bietet sich besonders zum solaren Erwärmen von Brauchwasser an, da auf diese Weise schon nach kurzen Einstr.ahlungsinterva2.len Brauchwasser der durch den Ni¬ veauabstand 15 vorgegebenen Solltemperatur zur Verfügung steht. Nur die Brauehwassermenge nicht aber seine Tempe¬ ratur hängt von der Höhe der Einstrahlung, der Kollektor¬ fläche und deren Wirkungsgrad ab.
Der Vorteil der Erfindung wird dann besonders gravierend, wenn Vakuum-Solarkollektoren eingesetzt werden. Bei in¬ termittierender Einstrahlung, wie sie bei teilweiser Be¬ wölkung häufig auftritt, enthält das Kollektorsystem Flüssigkeit dicht unter der zum Überlauf führenden Soll- te peratur. Diese Isttemperatur stagniert so lange, bis die Einstrahlung wieder einsetzt. Die Wärmeverluste der Flüssigkeit sind bei Vakuum-Kollektoren au grund deren Konstruktionsprinzips besonders klein, so daß im strah¬ lungsarmen Intervall Verluste kaum auftreten. Auch der -für Vakuum-Kollektoren charakteristische, relativ gute Wirkungsgrad bei niedriger Einstrahlung kommt bei Anwen¬ dung im Rahmen der erfindungsgemäßen Einrichtung voll zur Wirkung. Weiterhin wird wegen des für Vakuum-Kollektoren typischen, geringen Flüssigkeitsinhalts pro -Quadratmeter die Solltemperatur schon nach sehr kurzen Einstrahlungs¬ intervallen erreicht. Dieser Vorteil wird bei Erhöhung der Flächendichte der Einstrahlung mit Hilfe von Spiegel- boostern noch wesentlich verstärkt. Solche Booster füh¬ ren auch dann zu einer optimalen Erhöhung der Kollektor- leistung bei gleichzeitigem Verringern der spezifischen Investitionskosten, wenn sie einen Konzentrationsfaktor zwischen 1,5 und 4,5 haben und wenn auf ein kontinuierli¬ ches Nachführen verzichtet wird.
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Fig. 3 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Prin¬ zips auf einer Anlage mit indirekter Plüssigkeitserwär- ung durch einen die Wärme übertragenden geschlossenen Kreislauf. Auch bei diesem vorteilhaften Auεführungsbei- spiel befindet sich im Bereich der Überlaufstrecke eine Gasblase 16, die den Niveauabstand 15 bestimmt und deren Volumen durch Gas- bzw. Flüssigkeitszu- und ablaufventile (nicht gezeichnet) zu ändern ist. Bei Verwendung von Was¬ ser im geschlossenen Kreislauf wird Luft als regulieren- des Gasvolumen bevorzugt. TJ den Niveauabstand 15 durch die Volumenausdehnung der Flüssigkeit bei steigenden Tem¬ peraturen nicht zu stark zu ändern, wird vorzugsweise ein Gaspuffervolumen 16 vom Kollektor 7 aus gesehen jen¬ seits der Überlaufstrecke 5 eingebaut. Das erfindungsge- mäße Prinzip, bei dem Flüssigkeit hoher Temperatur in den oberen .Teil eines im Behälter 3 befindlichen Wärme¬ tauschers 17 eintritt, führt dann zu einer besonders ra¬ schen Erwärmung eines Teils der im Behälter 3 befindli¬ chen Nutzflüssigkeit 18 auf die angestrebte Endtempera- tur, wenn im oberen Teil des Behälters spezifisch deut¬ lich mehr Wärmetauscherfläche untergebracht wird als im unteren Teil.
Der Behälter 3 besitzt im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 im unteren Bereich einen Zulauf 19 und im oberen Be- reich einen zum Verbraucher führenden Abfluß 20. In ähn¬ licher Weise werden Zufluß 19 "und Abfluß 20 im Ausfüh¬ rungsbeispiel nach Fig. 1 angeordnet. Demgegenüber kann der zum Verbraucher führende Abfluß 21 im Ausführungs¬ beispiel nach Fig. 2 am unteren Ende des Behälters 11 angebracht werden, weil in diesem Fall die im Behälter befindliche Flüssigkeit 2 systembedingt im wesentlichen überall gleiche Temperatur aufweist.
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Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Niveau¬ unterschied 15 zwischen Überlaufstrecke 5 und der den Kollektorzulauf liefernden äußeren Flüssigkeitssäule 1 bzw. 12 durch Variation der absoluten Höhe der Überlauf- strecke geändert werden. Eine Änderung erfolgt automa¬ tisch bei Erwärmung der Flüssigkeitssäule im Behälter oder im Wärmetauscherkreislauf.
Das erfindungsgemäße Prinzip ist sowohl bei Vakuum-Kol¬ lektoren mit direktem Flüssigkeitsdurchgang als auch bei Kollektoren mit Wärmeauskopplung durch ein Wärmerohr vor¬ teilhaft.
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