Eigenschaften des Wärmeträgers und deren Verbesserung der Wärmeübertragung in thermischen Solaranlagen

Transkript

1 Eigenschaften des Wärmeträgers und deren Verbesserung der Wärmeübertragung in thermischen Solaranlagen Eine thermische Solaranlage (Bild 1) besteht aus Wärmeerzeuger, Wärmeabgabe und Wärmetransport im Rohrnetz. Der Wärmeerzeuger kann auch in der geeigneten Funktion als Kälteerzeuger bezeichnet werden. Den Wärmeerzeuger unterscheiden wir nach der Art der Konstruktion als Freiabsorber oder mit Vakuumröhren versehene Sonnenkollektoren. (3) (2) (1) Bild 1: Prinzipschema thermische Solaranlage Im sogenannten Standspeicher (1) befindet sich der Wärmetauscher (2) zur Brauchwassererwärmung. Die Wärme wird an das niedere Temperaturniveau abgegeben. Die Berührung mit der atmosphärischen Umgebung erfordert es, dass das Wärmetransportmedium Wasser mit einem Frostschutzmittel versehen werden muss, um ein Einfrieren zu vermeiden. Alternativ dazu kann das Wasser bei Frosttemperatur im Kollektorbereich beheizt oder entfernt werden. Seite 1 von 5

2 Die Druckhaltung übernimmt eine wesentliche Funktion, um ein Verdampfen der Soleflüssigkeit zu vermeiden. Steigt die Temperatur im Kollektor zu stark an, kann die Sole verdampfen. Darum erscheint es wichtig, dass die Wärme über den Wärmetauscher (3) abgeleitet wird. Bei der Betrachtung der Temperaturen im Kollektor haben wir es hierbei mit der Verdampfungstemperaturen größer als 100 C, Temperaturen kleiner als 100 C sowie mit Kältetemperaturen unter 0 C zu tun. Diese Temperaturen beeinflussen den Aggregatszustand des Wärmetransportmittels von dampfförmig, flüssig bis vereist. Dadurch verändern sich auch die Eigenschaften des Transportmittels. Im Bereich der hohen Temperatur muss ein Verdampfen durch Drucküberlagerung und genügender Wärmeabgabe vermieden werden. Im Bereich der Temperatur unter 100 C erhöht sich die Dichte und somit auch die Absorptionsfähigkeit von Gasen. Sinkt die Temperatur in den Frostbereich steigt das Gaslösungsvermögen (Bild 2)sehr extrem. Hanfverbindungen, Stopfbuchsen, Quetschverbindungen, Gummimembranen lassen in Abhängigkeit des Partialdruckgefälles die Gase aus der Umgebung eindringen. Ein Rohrsystem kann nicht gasdicht sein. Die Betrachtungsweise des Druckes besteht im statischen, dynamischen und partiellen Druckbereich und ist somit einzeln zu betrachten, aber sie wirken gemeinsam auf eine Solaranlage in verschiedenen Zeitphasen. Die Darstellung des Gaslösungsvermögens in Liter Luft/m³ von Wasser (Bild 2) in Abhängigkeit von Druck und Temperatur lässt den Verlauf erkennen. Das Eindringen von Gasen erfolgt nach den Gasgesetzen von Boyle-Mariotte und Gay- Lussac. Bei kalter Temperatur steigt die Absorptionsfähigkeit (-10 C) und bei höherer Temperatur (+30 C) sinkt die Absorptionsfähigkeit von Gasen, entsprechend den Gasgesetzen, so dass das Gaslösungsvermögen so weit sinkt, dass Gasblasen (Bild 4) sichtbar werden. Seite 2 von 5

3 Gasanteile in %, bzw. Liter Luft in m³ Wasser im Sommerfall Gasanteil bei 100 C und 2,0 barü gleich 2,1% im Winterfall Gasanteil bei 10 C und 2,0 barü gleich 15,5% Bild 2: Gaslösungsvermögen von Wasser Mit der Befüllung der Anlagen lassen sich nicht alle Gase austreiben und ein Abscheiden kann manuell, mit Schwimmerentlüfter oder der adiabatischen Elimination erfolgen. die adiabatische Gasabscheidung erscheint als bestes Verfahren. Adiabatisch bezeichnet die Druckentspannung und den Druckaufbau ohne Energieverlust. Nur Luft (Gase) lässt sich im Volumenstrom komprimieren, aber entgastes Wasser nicht. Entgastes Wasser dehnt sich wie Quecksilber, also sehr gering, aus. Das hinzugefügte Frostschutzmittel wirkt alkalisch und bildet ein sogenanntes Luft-Sole-Gemisch. Die erforderliche Umwälzpumpe zerkleinert die Luftblasen und lässt eine Emulsion entstehen. Somit sinkt der Wärmenutzungsgrad der Anlage. Temperaturabhängig entweicht der Weichmacher in Kunststoffteilen, welche dadurch porös werden. Darum sollten nur wenige Gummiteile Verwendung finden. Nur metallische oder Teflon-Verbindungen sind zu empfehlen. Den Verlauf des Wärmeflusses im Kollektorbereich wird im Bild 3 dargestellt. Seite 3 von 5

4 / Sole Bild 3: Darstellung der Isolierschicht im Rohr Mittels der adiabatischen Elimination lässt sich zeitabhängig die Emulsion (Bild 4) und nach der adiabatischen Entgasung (Bild 5) als klare Flüssigkeit erkennen. Bild 4: Wärmetauschflüssigkeit aus der Solaranlage (weiße Emulsion mit Gaseinschlüssen bei einer Temperatur von -9 C) Bild 5: die gleiche Wärmetauschflüssigkeit nach dem Einsatz von AIR- SEP (ohne Gaseinschlüsse mit einer Temperaturanhebung auf +4,5 C) Die Temperaturdifferenz zwischen dem Medium von Bild 4 und Bild 5 betrug 13,5 K. Somit steigt der Nutzungsgrad von 46% (13,5x4=54%) auf 100%. Das Gerät AIR-SEP ermöglicht die adiabatische Entgasung und die Nachspeisung aus einem separaten Solebehälter. Die dynamische Druckhaltung, Expansion, Luftabscheidung bewirkt eine Verbesserung des Wirkungsgrades auf 100%, also gemäß der Auslegung der Solarfläche ohne Sicherheitszuschlag. Seite 4 von 5

5 Der Ausdehnungsbehälter besteht aus Chromstahl, sodass hohe Temperaturen keine Einschränkung bewirken (Bild 6). Bild 6: Prinzipschema Die Druckhaltung vermeidet die Kavitation im Pumpenbereich saugseitig und soll dem Druck der statischen Höhe, zzgl. 1,5 barü, entsprechen. z.b.: statische Höhe: 15mWS = 1,5 barü + 1,5 barü Vordruck = 3,0 barü bauseitiges Sicherheitsventil = 4,0 barü Korex GmbH, Dipl.-Ing. H.-F. Bernstein, Internet: Die Entlüftungsmöglichkeit ermöglicht eine Grobentlüftung im Pumpenstillstand. Mittels des Wärmetauschers (3) kann auch Wärme abgeführt werden oder die Wärme ins Erdreich abfließen. Diese Wärme fließt einer Niedertemperaturnutzung zu. Keine Wärme geht verloren. Im Prinzipschema (Bild 1) ist die Einbindung der AIR-SEP Geräte ersichtlich, welche einen optimalen Wirkungsgrad gewährleisten. Die Expansion kann entsprechend den physikalischen Grundlagen errechnet werden und unterliegt keinen Schätzungen. Natürlich sind Erfahrungen in Abhängigkeit der Art der Anlagen und Materialien einzubeziehen. Aus obiger Darstellung lässt sich die Komplexität einer thermischen Solaranlage erkennen und sollte weiterhin beobachtet und der Austausch von Erfahrungen vorangetrieben werden. Seite 5 von 5