Eigenschaften des Wärmeträgers in thermischen Solaranlagen

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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.
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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 GayLussac. 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.
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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.
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/ 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 AIRSEP (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.
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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.
1109.07.11 - 26.07.2011 Korex GmbH,
Dipl.-Ing. H.-F. Bernstein, Internet: www.korex.de
z.B.:
statische Höhe: 15mWS = 1,5 barÜ + 1,5 barÜ Vordruck = 3,0 barÜ
bauseitiges Sicherheitsventil = 4,0 barÜ
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.
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