DE2552102A1

DE2552102A1 - Sonnenkessel

Info

Publication number: DE2552102A1
Application number: DE19752552102
Authority: DE
Inventors: Giovanni Prof Francia
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-11-22
Filing date: 1975-11-20
Publication date: 1976-05-26
Also published as: ES442835A1; FR2292200A1; JPS5173646A; FR2292200B1; CH609436A5; US4220140A; DE7536921U; IT1023927B; JPS5530184B2

Description

Ql

PATENTANWÄLTE Dr.-lng. Wolff

Dipl.-Chem. Dr. Brandes Dr.-lng. Held
Dipl.-Phys. Wolff

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18.11.1975

Reg.-Nr, 124 884
Unsere Ref.: 84 09acf

Prof. Giovanni FRANCIA,' Genua - Italien

Sonnenkessel

609822/0752 Telefonische Auskünfte und

Aufträge sind nur nach schriftlicher Bestätigung verbindlich

Die Möglichkeit, die Sonnenenergie zur großtechnischen Herstellung von hochwertigen Energieträgern wie z.B. Elektrizität oder Wasserstoff auszunutzen, die imstande sein sollen, den modernen technologischen Erfordernissen gerecht zu werden, hängt von der Entwicklung der direkten bzw. photoelektrischen und photochemischen Konversionsverfahren oder von der Umwandlung der Sonnenenergie in Wärmeenergie mit den hochgradigen, heutzutage von den modernen thermoelektrischen Anlagen und von den Wasserdissoziationsverfahren geforderten Temperaturen ab.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Sonnenkessel, der die einfallenden Sonnenstrahlen, d.h. die einfallende Sonnenenergie, in Wärmeenergie umwandeln kann, die eine geeignete Flüssigkeit bis auf die für die oben erwähnten Anlagen und Verfahren benötigten Temperaturen erhitzt.

Bekanntlich ist die Betriebstemperatur eines Sonnenenergie-Sammlers diejenige, bei welcher die Summe der durch Ausstrahlung, Wärmeleitung und Konvektion verlorengegangenen Energie der Differenz zwischen der vom Sammler absorbierten, einfallenden Energie und der verbrauchte! Energie gleich ist, da die Summe der Verluste eine zunehmende Punktion der Temperatur ist. Es gibt demzufolge drei Möglichkeiten, die Betriebstemperatur eines Sonnerienergiesaramlers bei gleichem Wirkungsgrad zu steigern:

1. durch Steigerung der einfallenden Sonnenenergiemenge;

2. durch Steigerung des. Absorptionskoeffizienten dieser einfallenden Sonnenenergie durch den Sammler;

3. durch Verminderung der sich bildenden Verluste.

Die auf den Sammler einfallende Sonnenenergie kann dadurch gesteigert v/erden, daß auf der Oberfläche des Sammlers die einfallende Energie mittels Spiegeln oder Linsen auf einer größeren Oberfläche konzentriert wird. Doch bleibt der Einsatz von Linsen auf Anlagen kleineren Ausmaßes und geringerer Leistung beschränkt, während bei ein bestimmtes Ausmaß und eine bestimmte Leistung übersteigenden Anlagen ausschließlich von Spiegeln gebildete Konzentrationssysteme angewendet werden.

Der Kessel, Gegenstand der vorliegenden Erfindung,kann einem beliebigen der bisher bekannten Konzentrationssysteme angeschlossen

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werden, wie z.B. einem aus einer Mehrzahl bewegbarer Spiegel gebildeten System, bei dem jeder einzelne Spiegel so bewegt wird, daß in jedem Augenblick die auf den jeweiligen Spiegel einfallenden Sonnenstrahlen in Richtung auf den im Raum feststehenden Kessel reflektiert werden.

Ein Konzentrationssystem dieser Art ist in der IT-PS 756 844 und der IT-ZPS 833 428 vorgeschlagen worden.

Die einfallende Sonnenenergiedichte kann folglich durch eine Struktur (durch ein Konzentrationssystem) erhöht v/erden, die außerhalb des eigentlichen Sonnenkessels steht. Eine Zunahme des Absorptionskoeffizienten und eine Verminderung der Verluste können dagegen nur dann erreicht werden, wenn man auf die Eigenschaften des Kessels und der für dessen Bau verwendeten Materialien einwirkt.

Was einen Sonnenkessel kennzeichnet und von einem herkömmlichen Kessel unterscheidet, ist dessen verschiedenes Verhalten gegenüber der Strahlungsenergie. Bei einem Kessel herkömmlicher Art befindet sich die Wärmeenergiequelle (die Flamme) in dem Kessel selbst, der in einem gegen die Strahlung abgeschirmten Mantel enthalten sein kann. Unter diesen Voraussetzungen kann die von der Flamme, dem Rohrbündel und dem Mantel ausgestrahlte Energie vollständig absorbiert werden.

Im Sonnenkessel aber befindet sich die aus der Sonne und gegebenenfalls aus dem Konzentrationssystem gebildete Energiequelle außerhalb des Kessels, dessen Mantel folglich eine öffnung aufweisen muß. Unter solchen Umständen ist die von dem Rohrbündel, der Flamme und dem Mantel ausgestrahlte Strahlungsenergie und auch die von den Rohren und dem Mantel gestreute bzw, reflektierte Sonnenenergie nicht in einem geschlossenen Raum, weshalb ein Teil davon, und zwar der innerhalb des festen Winkels, unter dem von jedem Punkt aus die Mantelöffnung gesehen wird, ausgestrahlte, gestreute bzw. reflektierte Teil, verloren geht.

Ein solcher Strahlungsenergieverlust stellt vielleicht die negativste Seite der Sonnenenergiesammler dar, weshalb sich Wissenschaftler und Techniker seit geraumer Zeit eifrig mit der

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Frage befassen, wie dieser Nachteil behoben werden kann. Tatsächlich bilden solche Verluste einen bedeutenden Teil der Gesamtverluste und werden desto bedeutender, je höher die Betriebstemperatur ist. Verschiedene Methoden zur Verminderung dieser Verluste sind bereits bekannt. Als die erste und älteste ist diejenige anzusehen, die einen aus einem Material wie Glas gebildeten Schirm vorsieht, d.h. einen Stoff, welcher für die von der Sonne ausgestrahlte Energie durchlässig ist und im Infrarot die von Körpern mit niedrigerer Temperatur erzeugte Strahlungsenergie absorbiert. Es ist bereits 1961 in Rom anläßlich der unter der Aegyde der UNO organisierten Tagung über neue Energiequellen eine zweite Methode vorgeschlagen worden, die wabenartige Zellenstrukturen aus zweckmäßige optische Eigenschaften aufweisenden Materialien vorsieht.

Bei einer dritten bekannten Methode werden für den Bau des Sammlers Materialien verwendet, die einen hohen Absorptionskoeffizienten gegenüber Sonnenenergie und ein niedriges Ausstrahlungs— vermögen für die Strahlungsenergie größerer Wellenlänge aufweisen, die. nach dem bekannten Wien'sehen Gesetz der vorgesehenen Betriebstemperatur entspricht.

Allen diesen Methoden ist jedoch ein Nachteil gemeinsam: Die durch Rückstrahlung oder Streuungen des einfallenden Lichtes an der Sammleroberfläche zustandegekommenen Verluste werden auf keine Weise beeinflußt. Bisher ist dieser Umstand allgemein vernachlässigt worden; man beschränkte sich lediglich darauf, "schwarze" Materialien mit einem guten Absorptionskoeffizienten für das einfallende Licht zu verwenden. Zweifelsohne genügt diese Maßnahme, wenn es sich um Sammler mit niedriger Temperatur von 6O⁰C bis 9O°C handelt, wie es bei den bekannten Sonnentafeln für die Erzeugung von Warmwasser der Fall ist. Keinesfalls reicht aber diese Maßnahme aus, wenn es darum geht, Temperaturen im Bereich von 4OO°C bis 6OO°C zu erzeugen, bei welchen keiner der wie üblich verwendeten Anstriche standhält, was dadurch bewiesen wird, daß alle Materialien ihre optischen Eigenschaften und ihre "Farbe" ändern.

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Der Sonnenkessel, Gegenstand der vorliegenden Erfindung, hat einen Absorptionskoeffizienten der auf die Mantelöffnung einfallenden Sonnenenergie, der noch viel größer ist als jener, den die für seinen Aufbau benützten Stoffe haben. Dies wird durch zweckmäßige Konstruktion und richtige Berechnung der Dimensionen der einzelnen, den Kessel, den Mantel und die zu wärmende Flüssigkeit enthaltenden Rohre sowie ihre Stützen bildenden Teile erreicht. Ein solches Vorgehen ermöglicht den Bau eines Sonnenkessels mit hohem Absorptionskoeffizienten der Sonnenenergie unter Verwendung von normalen Baustoffen, ohne deren "optischen" Eigenschaften Rechnung tragen zu müssen.

Zur Erreichung dieses Resultats werden zunächst erfindungsgemäß alle Bahnen des einfallenden Lichtes kontrolliert, damit diese erst dann wieder durch die Mantelöffnung austreten können, wenn

sie die größtmögliche Zahl von Reflexionen an den den Kessel bilden
denden Teilen, und zwar/Rohren, Rohrstützen und Mantelwänden,

ausgeführt haben.

Diese Voraussetzung erfordert aber die Durchführung von zwei Maßnahmen: Als erstes müssen die Flächen der vom einfallenden Licht getroffenen Teile zweckmäßig behandelt werden, damit die Menge des diffusen Lichtes, auf die offensichtlich keine Kontrolle ausgeübt werden kann, auf ein Mindestmaß reduziert wird, was durch Blankpolieren der Oberflächen erreicht werden kann. Zweitens müssen die Oberflächen eine bestimmte Form erhalten und so orientiert werden, daß die von ihnen reflektierten Strahlen andere Teile des Kessels treffen. Durch dieses Verfahren und durch Einsatz von Materialien mit einem niedrigen Absorptionskoeffizienten von z.B. 0,5 in einem Kessel, dessen Bauart derart ist, daß ein Lichtstrahl, bevor er vom Kessel hinausreflektiert wird, im Durchschnitt eine vierfache Reflexion erfährt, ist es möglich, einen Kessel mit einem totalen Abscrptionskoeffizienten von

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1-0,5 = 0,9375 zu erhalten.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Mittel zur Erhöhung des Absorptionskoeffizienten der Sonnenenergie sieht vor, im Kesselinneren Platten so anzuordnen, daß sie wenigstens teilweise vom einfallenden !ficht getroffen werden und so orientiert sind, daß das von ihnen

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reflektierte Licht auf andere Kesselteile fällt; ein Teil ihrer Oberfläche wird außerdem so behandelt, daß ein niedriges Emissionsvermögen im Infrarotbereich erreicht wird, wodurch die ganze von ihnen absorbierte Energie nur vom übrigbleibenden Teil ihrer Oberfläche wieder ausgestrahlt wird.

Es liegt auf der Hand, daß es durch eine zweckmäßige Wahl der Form, Größe und Lage dieser Strahlerplatten und durch richtige Wahl ihrer wie oben beschrieben zu behandelnden Oberfläche möglich ist, die Verteilung der Strahlungsenergie im Kessel zu beeinflussen, indem die Platten die einfallende Sonnenenergie in einem bestimmten Raumwinkel absorbieren und ihre Strahlungsenergie in einem verschiedenen Raumwinkel wieder ausstrahlen, beispielsweise in der Art, daß das meiste dieser wiederausgestrahlten Energie auf die Rohre und auf andere Kesselteile trifft. Verschiedene Oberflächenbehandlungsarten zur Herabsetzung des Emissionsvermögens im Infrarotgebiet sind bereits bekannt veworden; eine dieser bekannten Methoden besteht darin, die betroffene Oberfläche mit einem dünnen Film aus Gold oder mit anderen im Infrarotgebie't reflektierenden Metallen oder Oxiden zu überziehen.

Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Sonnenkessels besteht darin, daß er einen Strahlungsenergieemissionskoeffizienten hat, der sogar viel niedriger ist als jener, der sich bei den verschiedenen Temperaturen aus den Emissionsspektren der Materialien ergib^ mit welchendie einzelnen Kesselteile gebaut worden sind.

Zur Erreichung eines solchen Resultats sind besondere Kunstgriffe bei der Planung und beim Bau erforderlich, was erfindungsgemäß dadurch gelöst wird, daß die Rohre im Kessel eine geometrische Anordnung erhalten, wodurch man allmählich der zu erwärmenden Flüssigkeitsströmung folgend von kalten zu warmen Stellen gelangt und der Raumwinkel, unter welchem die Mantelöffnung hindernislos vom Rohr bzw. von den Rohren sichtbar ist, abnimmt. Folglich ist es möglich, einen Kessel mit niedrigem Strahlungsenergieverlust mit normalen Materialien zu bauen, und zwar ohne Einsatz von Materialien mit selektiven "optischen" Eigenschaften, wie hohes Absorptionsvermögen im Sichtbaren und niedri <7°~ Uü.issionsvermögen im Infrarotgebiet, die schwel Lesohaifbar und außerdem für Be-

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triebstemperaturen von'40O⁰C bis 6OO°C und mehr zu teuer sind.

Eine Methode zur konkreten Realisierung einer solchen geometrischen Anordnung der Rohre im Kesselinneren besteht darin, die Rohre auf parallelen Flächen anzuordnen, deren Form der Öffnungsform ähnlich ist, und die in nach und nach zunehmendem Abstand von der öffnung anzuordnen sind.

Bei einer solchen Ausführung ist die Verkleinerung des Raumwinkels, unter dem das Rohr hindernislos die Kesselöffnung sieht, teilweise der größeren Entfernung von der öffnung selbst, aber insbesondere der abschirmenden Wirkung zuzuschreiben, die die Rohrteile ausüben, die sich auf den der öffnung am nächsten liegenden Flächen befinden. Die beschriebene Anordnung der Rohre auf zur Kesselöffnung parallel liegenden Flächen ermöglicht eine interessante Ausnutzung der für Sonnenenergie durchlässigen oder wenigstens teilweise infrarotabsorbierenden Medien. Solche Medien, die beispielsweise aus Quarz- bzw, Pyrexrohrbündeln mit zu den erwähnten Flächen senkrechter Achse gebildet sein können, können erfindungsgemäß in den Räumen zwischen zwei Flächen oder zwischen einer Fläche und der Kesselöffnung angeordnet werden. Man erhält dadurch nicht nur eine weitere Verminderung der wegen der Ausstrahlung verlorengegangenen Energie, sondern auch eine bessere Kontrolle der Energieverteilung in den verschiedenen Rohrteilen, was eine leichtere und präzisere Dimensionierung des Kessels zur Folge hat.

Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Kessels besteht darin, daß die Intensität des Sonnenenergiestromes, der auf ein Rohr einfällt, abnimmt, wenn man sich längs diesem Rohr, der Strömungsrichtung der zu erwärmenden Flüssigkeit folgend, fortbewegt, d.h.,wenn man von den kalten zu den warmen Stellen des Rohres fortschreitet. Auch dieses Merkmal kann durch einfache Planungs- und Konstruktionsmaßnahmen erzielt werden, nämlich durch eine zweckmäßig durchdachte geometrische Anordnung der Rohre im Kessel, und zwar auch in Bezug auf die räumliche und zeitliche Verteilung der vom verwendeten Konzentrationssystern ausgehenden Energieströmung. Besonders interessant ist dabei, daß eine solche geometrische Anordnung der Rohre im Kessel nicht in Widerspruch zu derjenigen steht, die es erlaubt, dem Gesetz gerecht zu werden,

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welches einen Raumwinkel fordert, unter welchem von jeder Stelle aus die Kesselöffnung gesehen werden kann - ja, daß sie mit dieser Forderung sogar übereinstimmt. Ein weiteres kennzeichnendes Merkmal des erfindungsgemäßen Kessels besteht darin, daß mindestens ein Rohrabschnitt, nämlich der erste, durch den die zu erwärmende Flüssigkeit fließt, auf der Mantelaußenseite der öffnung nahe liegt. Dieser Rohrabschnitt dient dazu, die Flüssigkeit vorzuwärmen, wozu sowohl die vom Konzentrationssystem kommende Energie, die irrtümlich nicht auf die öffnung einfällt, als auch ein Teil der von den Mantelwänden absorbierten Energie verwendet wird. Gegen AusstrahlungsVerluste kann dieser Rohrabschnitt durch einen zweckmäßigen, beispielsweise aus normalem Glas oder aus Pyrex hergestellten, Schirm geschützt werden. Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung und der beiliegenden Zeichung näher erläutert, wobei

Fig .j 1 eine schematische, perspektivische Ansicht eines

erfindungsgemäßen Sonnenkessels und eines spiegelartigen Konzentrationssystems ist, Fig. 2a ein Schnitt nach einer durch die Symmetrieachse

eines Sonnenkessels verlaufenden Ebene ist, Fig. 2B ein vergrößertes Detail der Fig. 2A zeigt, Fig. 3A bis F schematische Ansichten von verschiedenen Rohrabschnitten für einen erfindungsgemäßen Sonnenkessel sind,

Fig. 3G ein Schema zur Darstellung der geforderten geometrischen Eigenschaften der in den zuvor genannten Figuren dargestellten Rohrabschnitte ist, und

Fig. 4A bis D schematische Ansichten der verschiedenen möglichen Querschnitte und Formen der Mantelwände und der Rohrstützen in einem erfindungsgemäßen Sonnenkessel sind,

Aus Fig. 1 ist ein mittels einer Stütze 2 über einem durch eine Vielzahl von Spiegeln 3 gebildeten Konzentrationssystem aufgehängter Sonnenkessel 1 ersichtlich.
Jeder einzelne d^r Spiegel 3 wird derart bewegt, daß in federn

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Augenblick die einfallenden Strahlen 4 in Richtung 5 des Kessels reflektiert werden.

Der Steuermechanismus zur Bewegung der Spiegel 3 kann von jeder beliebigen Art sein und ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Fig, 2A zeigt den Schnitt in einer durch die Symmetrieachse 6 (Fig. 2B) gehenden Ebene durch eine der möglichen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sonnenkessels.

Mit 7a bis F sind die verschiedenen, den Kessel bildenden Rohre bzw. Rohrabschnitte bezeichnet.

Diese Rohre sind für den Durchfluß einer Flüssigkeit - im vorliegenden Fall Wasser - die es zu erwärmen gilt, vorgesehen. Durch zweckmäßige Elemente, z.B. durch eine normale Pumpe, wird aus einem Wasserreservoir kaltes Wasser durch ein Zuflußrohr 8 mit dem erwünschten Druck, der erwünschten Temperatur und Durchflußmenge entnommen, um damit den Kessel zu speisen. Das Wasserreservoir und die Umlaufpumpe sind, weil nicht erfindungswesentlich, in der Zeichnung nicht dargestellt.

Das im Rohr 8 zufließende Kaltwasser wird durch einen Sammler 9 und Rohre 10 auf die parallel angeordneten Äste verteilt, in welche der Rohrabschnitt 7A unterteilt werden kann: Im dargestellten Ausfhrungsbeispiel sind es zwei Äste, aber das zweite Rohr 10 ist einfachheitshalber in der Zeichnung nicht dargestellt. Die zwei Rohräste 7A sind in kegelförmigen Wendeln außerhalb des kegelförmigen Teiles 11 der Gehäusewand angeordnet und auf der Außenseite mittels einer ebenfalls kegeIstumpfförmigen Scheibe 12 aus normalem Glas oder Pyrex geschützt.

Die untere Fläche eines Vorsprungs 13 ist spiegelnd. Die Rohre 7A ermöglichen in Verbindung mit den Teilen 11 und 13 die Ausnutzung der von den einfallenden Strahlen 14 bis 16 erzeugten Energie. Die Glasscheibe 12 dient dazu, die von den Rohren 7A und dem Wandteil 11 verursachten StrahlungsVerluste zu verringern. Jeder Rohrabschnitt 7B bis F ist ebenso in mehrere parallel angeordnete Äste unterteilt, deren Zahl gleich der Anzahl der Äste des RohrabSchnitts 7A ist: Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind es zwei. Ein jeder dieser Rohrabschnitte 7B bis F liegt auf einer kreisförmigen, der Kesselöffnung 17 ähnlichen, ebenen Fläche,

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« AQ .
während jeder der zwei parallel angeordneten, einen Rohrabschnitt bildenden Äste die Form einer ebenen Spirale hat. Jeder der zwei den Rohrabschnitt 7A bildenden Äste liegt in Reihe mit einem der zwei Äste des Rohrabschnitts 7C und so weiter für die Rohrabschnitte 7C, 7E und 7F. Der Einfachheit halber sind die Verbindungsstücke zwischen dem einen und dem darauffolgenden Ast in der Zeichnung nicht dargestellt.

Schließlich sind die parallel angeschlossenen Äste des Rohrabschnitts 7F mittels Verbindungsstücken 18 an einem Sammler -19 und ejnam Ab lauf rohr 20 angeschlossen, durch welches der im Kessel erzeugte Dampf zu seiner Verwendung hinausbefördert wird. Jeder einzelne Rohrabschnitt 7B bis F wird im Kessel durch Elemente 21 gestützt, von denen, immer einfachheitshalber, nur die Stütze des letzten RohrabSchnitts 7F in der Zeichnung dargestellt ist. . Alle Stützelemente der Rohre sind an dem Kesselmantel befestigt, der aus zwei einen mit wärmeisolierendem Material 24 gefüllten Zwischenraum bildenden Wänden 22 und 23 besteht. Der Kessel kann mittels eines Flansches 25, der durch ein Rohrstück 26 und einen zweiten Flansch 27 mit dem Mantel mechanisch verbunden ist, in der zweckmäßigsten Lage gehalten werden.

Im Kessel sind Strahlerplatten 28 vorgesehen. Aus. Fig. 2B sind die Innenwand 22 des Mantels, dessen Außenwand 23, das darin enthaltene Isoliermaterial 24 und eine der erwähnten Strahlerplatten 28 ersichtlich.

Die Platte 28 wird von Haltern 29 in einer der Wand 22 benachbarten Position gehalten und die Plattenseite 28A ist zur Wand 22 gerichtet, die mit einer dünnen Goldschicht überzogen ist. Die auf die Platte 28 einfallenden Sonnenstrahlen 3O werden ÄOn dieser entsprechend dem Absorptionskoeffizienten des die Platte bildenden Materials absorbiert. Die Platte 28 wird dabei warm und strahlt Strahlungsenergie ab; aber, da die Seite 28A wie bereits beschrieben behandelt worden ist, erfolgt die ganze Ausstrahlung Von der entgegengesetzten Seite aus in die Richtungen 31.

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Wie in Fig. 2A dargestellt, haben die Rohre im Kessel und auch die Rohrabschnitte. 7B bis F einen zweckmäßig geformten und derart orientierten Querschnitt, daß die einfallenden Sonnenstrahlen in jene Richtungen reflektiert werden, in welchen sie andere Rohre

die
oder Kesselteile treffen. Auch die/Rohre stützenden Teile wie die Elemente 21 sind zweckmäßig geformt, um die gleiche Wirkung zu erzielen.

Zwiscnen den Rohrabschnitten 7B bzw. 7F und der öffnung 17 und auch zwischen den Rohrabschnitten 7C bzw. 7B sind Rohre 32 aus Glas, Pyrex oder Quarz angeordnet, deren Achsen senkrecht zu den von diesen Rohrabschnitten bestimmten Flächen liegen und welche die Aufgabe haben, in diesen Zonen die übertragung von Stahlungsenergie iiu Infrarotgebiet zu reduzieren. Ähnliche Rohre könnten wenn gewünscht - auch in den zwischen den anderen Rohrabschnitten eingeschlossenen Räumen vorgesehen werden.

Die Fig. 3A bis F zeigen einige der möglichen Rohrformen und -querschnitte für den Einsatz in einem Sonnenkessel und mit der Eigenschaft, bei zweckmäßiger Anordnung und Orientierung die einfallenden Sonnenstrahlen in eine solche Richtung zu reflektieren, daß sie auf andere Rohre oder Kesselteile treffen. Fig. 3A zeigt ein Rohr 33 mit kreisförmigem Querschnitt und mit einer einen dreieckförmigen Querschnitt aufweisenden Längsrippe 34A. Das in Fig. 3B dargestellte Rohr 33 mit kreisförmigem Querschnitt weist dagegen mehrere Längsrippen 34B mit Dreieckquerschnitt auf. In Fig. 3C hat das kreisförmige Rohr 33 Querrippen 34C mit Dreieckquerschnitt, die in zur Rohrachse orthogonalen Ebenen angeordnet sind. Fig. 3D zeigt ein Rohr 33 mit kreisförmigem Querschnitt, dessen dreieckförmige Querrippen 34D eine zylindrische Wendel bilden. Das in Fig. 3E dargestellte Rohr 33 mit kreisförmigem Querschnitt hat eine Längsrippe 34 mit dreieckförmigem Querschnitt, die auf ihrer Außenfläche Furchen 35 mit dreieckförmigem Querschnitt aufweist, wobei die Richtung der Furchen 35 senkrecht zur Rippenkante « verläuft,

Fig. 3F zeigt ein Rohr 33 mit kreisförmigem Querschnitt, dessen Außenfläche ein Gewinde 36 mit Windungen von dreieckförmigem Querschnitt aufweist,

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Durch Fig. 3G sollen die für die in den Fig* 3A bis F dargestellten Rohre erförderlichen geometrischen Eigenschaften und insbesondere die sich auf die Größi¹ äer von den Rippenkanten gebildeten Winkel und der Windung mit dreieckigem Querschnitt an den Rohren beziehenen Voraussetzungen gezeigt werden. Fig. 3G zeigt das gleiche Rohr wie Fig. 3A, aber die Resultate können leicht auf einen allgemeinen Fall übertragen werden. Hieraus sind ein kreisförmiges Rohr 35 mit Längsrippe 34A- mit dreieckigem Querschnitt - und zwei Spiegel 3A und B des verwendeten Konzentrationssystems ersichtlich, wobei die zwei Spiegel 3Ä und B so ausgewählt sind, daß der von den beiden gegen das betroffene Rohr reflektierten Strahlen 5A bzw. 5ß gebildete Winkel« der größtmögliche unter allen von ähnlichen, von irgendeinem Spiegelpaar reflektierten Strahlen 5 gebildeten Winkeln ist; 37A und B sind die durch die Reflexion der Strahlen 5A und B an die Außenflächen der Rippen 34A erzeugten Strahlen. 38A und B kennzeichnen die Winkelhalbierenden, 39 die Richtung, in welcher sich der maximale Wert der Intensität der auf das Rohr einfallenden Sonnenenergieströmung ergibt;/ den Winkel an der Kante der dreieckförmigen Rippe 34a. Die Richtung 39 wird aus Symmetriegründen nahe der Halbierenden des WinkelsO6 liegen und erfindungsgemäß mit der Halbierenden des Winkels Y zusammenfallen.

Die gesuchte Voraussetzung, d.h. daß die Richtung der reflektierten Strahlen 37A und B derart sei, daß andere Rohre bzw. Kesselteile, ausgenommen die Mantelöffnung, von den Strahlen getroffen werden, kann dadurch verwirklicht werden, daß die reflektierten Strahlen mit der Richtung "^ einen Winkel bilden, der bedeutend kleiner ist als ein rechter Winkel; er soll z.B. 2/3 eines rechten Winkels nicht übersteigen.

Unter Berücksichtigung der bekannten Reflexionsgesetze lautet eine solche Voraussetzung wie folgt;
2

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. 2b52102

Die Fig. 4A bis D zeigen einige der möglichen Formen und Querschnitte der Mantelwände und der Rohrstützen in dem Kessel, wie sie beim Aufbau eines erfindungsgemäßen Kessels eingesetzt werden. Sie dienen dem Zweck, zu vermeiden, daß das einfallende Licht in eine Richtung reflektiert wird, in welcher es verloren gehen würde. In Fig. 4A ist ein Blech 40 mit sägezahnförmigern Querschnitt dargestellt, das sowohl für die Innenwände des Mantels als auch für die Rohrstützen verwendet werden kann. Fig. 4B zeigt ein Profileisen 41 mit messerklxngenförmigem Querschnitt, während Fig. 4C ein Profileisen 41 auch mit messerklxngenförmigem Querschnitt, aber mit einer Reihe von dreieckförmigen Zähnen 42 längs seiner Kante zeigt; Fig. 4D zeigt wiederum ein messerklingenförmiges Profileisen 41 mit einer seiner Kante entlang angeordneten Reihe von Profilen 43, die jeweils eine Auszackung ähnlichen Querschnitts bilden, wobei diese Profileisen in zur Kante senkrechter Richtung angeordnet sind.

Die in den Fig. 4B bis D dargestellten Profileisen 41 sind als Rohrstützelernente besonders geeignet.

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Claims

- tar-

1); Sonnenkessel rait einem oder mehreren für den Durchfluß einer —' zu erwärmenden Flüssigkeit in einer bestimmten Richtung geeigneten Rohren, die im Inneren eines Kesselmantels angeordnet und gestützt sind, welcher eine Öffnung aufweist, die derart in einer bestimmten Richtung orientiert ist, daß die durch ein aus bewegbaren Spiegeln gebildetes System reflektierte Sonnenstrahlung in die öffnung eindringt, und im übrigen geschlossen und thermisch isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß besondere Elemente und bauliche Maßnahmen den Absorptionskoeffizienten des Materials, aus welchem die Rohre hergestellt sind, steigern und gleichzeitig Elemente und bauliche Maßnahmen die Emission von Strahlungsenergie aus der Mantelöffnung im Vergleich zu der Emission vermindern, die sich aus den Emissionsspektren bei den ver-

er er eben schiedenen Betriebstemperaturen der Materialien/, aus welchen die Rohre, der Mantel und die die Rohre stützende Struktur gefertigt sind.

2) Sonnenkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bauliche Maßnahme, die den Absorptionskoeffizienten der auf. die Mantelöffnung einfallenden Sonnenenergie im Vergleich zu jenem steigern, der sich aus dem Absorptionsspektrum des Materials ergibt, aus welchem die Rohre hergestellt sind, in der Verwendung von Rohren mit einem Querschnitt und mit einer Orientierung gegenüber der Richtung der einfallenden Sonnenenergie bestehen, die derart sind, daß jener Teil dieser einfallenden Sonnenenergie, welcher von der Rohroberfläche weder absorbiert noch gestreut wird, in eine Richtung reflektiert wird, in der er wieder auf andere Röhre, Mantelteile oder Rohrstützen trifft.

3) Sonnenkessel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der derart ausgebildete und gegenüber den Richtungen der einfallenden Sonnenenergie derart orientierte Rohrquerschnitt, daß der von der Rohroberfläche weder absorbierte noch gestreute Teil dieser einfallenden Sonnenenergie in eine solche Richtung reflektiert wird, daß er andere Roitre and Teile des Man-

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• Λ? »

tels und der Stützstruktur der Rohre trifft, durch Rohre

■ mit kreisförmigem Querschnitt und mit einer oder mehreren, einen dreieckigen Querschnitt aufweisenden Längsrippen gebildet ist, wobei diese Rippen mit dem erwähnten Rohr längs einer Seite des dreieckigen Querschnitts verbunden und in thermischem Kontakt sind und außerdem an jeder Stelle so angeordnet und orientiert sind, daß sie von der einfallenden Sonnenstrahlung getroffen werden und die Orientierung dabei von der Halbierenden des Winkels bestimmt ist, der von den anderen zwei Seiten des erwähnten dreieckigen Querschnitts gebildet ist, der mit jenem der höchsten Strömungsintensität der einfallenden Sonnenenergie zusammenfällt.

4) Sonnenkessel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der derart ausgebildete und gegenüber den Richtungen der einfallenden Sonnenenergie derart orientierte Rohrquerschnitt, daß jener Teil der einfallenden Sonnenenergie, der von der Rohroberfläche weder absorbiert noch gestreut wird, in eine solche Richtung reflektiert wird, daß er auf andere Rohre oder Teile des Mantels oder der Stützstruktur der Rohre trifft, durch Rohre mit kreisförmigem Querschnitt und mit einer Vielzahl von Querrippen mit dreieckförmigem Querschnitt gebildet ist, wobei jede einzelne dieser Rippen auf eine zur Rohrachse orthogonale Ebene ausgerichtet ist sowie längs einer Seite des dreieckigen Querschnitts mit dem Rohr verbunden und in thermischem Kontakt mit diesem gehalten ist.

5) Sonnenkessel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der derart ausgebildete und gegenüber den Richtungen der einfallenden Sonnenenergie derart orientierte Rohrquerschnitt, daß jener Teil der einfallenden Sonnenenergie, der von der Rohroberfläche weder absorbiert noch gestreut wird, in eine solche Richtung reflektiert wird, daß er auf andere Rohre oder Teile des Mantels oder der Stützstruktur trifft, durch Rohre mit kreisförmigem Querschnitt gebildet ist, die eine oder mehrere Querrippen tragen, wobei jede Rippe als das Rohr umgehende zylindrische Wendel oder Schraube ausgebildet

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und mit dem Rohr längs einer Seite dieses dreieckförmigen Querschnitts verbunden und in thermischem Kontakt ist.

6) Sonnenkessel nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe bzw. Rippen auf ihrer Außenseite Furchen mit dreieckigem Querschnitt aufweisen, deren Richtung senkrecht zur Außenkante der Rippe(n) verläuft.

7) Sonnenkessel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der derart ausgebildete und den Richtungen der einfallenden Sonnenenergie gegenüber derart orientierte Rohrquerschnitt, daß jener Teil der einfallenden Sonnenenergie, der von der Rohroberfläche weder absorbiert noch gestreut wird, in eine Richtung reflektiert wird, in der er auf a"ndere Rohre, Teile des Mantels oder der Stützstruktur der Rohre trifft, durch Rohre mit kreisförmigem Querschnitt gebildet ist, deren Außenseite ein Gewinde mit Windungen aufweist, deren Querschnitt dreieckförmig ist.

8) Sonnenkessel nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen mit dreieckigem Querschnitt bzw. das einen dreieckigen Querschnitt aufweisende Gewinde an der Außenkante einen solchen Winkel bilden, daß die Summe des Doppelten dieses Winkels und des größten unter allen Winkeln, unter dem eine Stelle des Kessels zwei beliebige Spiegel sieht, die die Lichtstrahlung auf den Kessel reflektieren, einen Bruchteil, der viel kleiner als 1 ist / vorzugsweise 2/3 beträgt, eines gestreckten Winkels ausmacht.

9) Sonnenkessel nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche der Rohre eine Behandlung, vorzugsweise eine Blankpolierung erfahren hat, weshalb der Anteil der von dieser Oberfläche gestreuten eingefallenen Sonnenenergie vernachlässigbar klein ist.

10) Sonnenkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die baulichen Maßnahmen zur Erhöhung des Absorptionskoeffizienten dar auf die Mantelöffnung einfallenden Sonnenenergie gegenübwi. jenem, der sich aus dem Absorptionsspektrum des Materials ergibt, aus welchem die Rohre hergestellt sind,

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in einer besonderen Formgebung der Mantelteile und der Stützstruktur der Rohre bestehen, die von der einfallenden Sonnenenergie getroffen werden, wodurch jener Teil der einfallenden Sonnenenergie, der von der Oberfläche der obenerwähnten Teile des Mantels und der Stützstruktur der Rohre weder absorbiert noch gestreut wird, in eine Richtung reflektiert wird, in der er auf andere Rohre oder Teile des Mantels oder der Stützstruktur der Rohre trifft.

11) Sonnenkessel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung der Teile des Mantels und der Stützstruktur der Rohre durch, auch gleichzeitig 'Einsatz von Profileisen oder Platten mit sägezahnförmigem Querschnitt, Profileisen mit einem messerklingendünnen Querschnitt, Profileisen mit Dreieckquerschnitt, Profileisen mit ausgezacktem Messerklingenquerschnitt und messerklingenartigen Profileisen mit Querverzahnung ausgeführt ist.

12) Sonnenkessel nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, _daß die von der einfallenden Sonnenenergie getroffene Oberfläche der Mantelteile und der Stützstruktur der Rohre behandelt, vorzugsweise blankpoliert, ist, wodurch der Anteil der von dieser Oberfläche ausgestrahlten eingefallenen Sonnenenergie vernachlässigbar klein geworden ist.

13) Sonnenkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 12,dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente, die den Absorptionskoeffizienten der auf die Mantelöffnung einfallenden Sonnenenergie gegenüber demjenigen erhöhen, der sich aus dem Absorptionsspektrum des Materials ergibt, aus welchem die Rohre gefertigt wurden, aus einer Vielzahl von in dem Mantel mittig und parallel zur Manteloberfläche angeordneten Strahlerplatten bestehen, die von der inneren Oberfläche durch einen schmalen Zwischenraum getrennt sind, und daß die diesen Zwischenraum begrenzenden Plattenseiten eine Oberflächenbehandlung erfahren haben, wodurch die Emission von Strahlungsenergie im ganzen Bereich der während des normalen Betriebes des Kessels erreichbaren Temperaturen vernachlässigbar klein geworden ist.

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14) Sonnenkessel nach Anspruch 13/ dadurch gekennzeichnet, daß die den Strahlerplatten zugewandte Mantelinnenfläche eine Behandlung erfahren hat, wodurch die Emission von Strahlungsenergie im ganzen Bereich der während des normalen Betriebes des Kessels erreichbaren Temperaturen vernachlässigbar klein geworden ist.

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15) Sonnenkessel nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenbehandlung, die die Emission von Strahlungsenergie im ganzen Bereich der während des normalen Betriebes des Kessels erreichbaren Temperaturen unterdrückt, durch Aufbringung eines dünnen Metallfilms, £.B. aus Gold oder Metalloxiden, ausgeführt ist, welcher die Eigenschaft hat, im Infrarotgebiet zu reflektieren.

16) Sonnenkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch, gekennzeichnet, daß die baulichen Maßnahmen, wodurch die Emission von Strahlungsenergie aus der Mantelöffnung gegenüber der, die sich aus den Emissionsspektren bei den verschiedenen Betriebstemperaturen der Materialien ergibt, aus welchen die Rohre, der Mantel und die Stützstrukturen der Rohre hergestellt sind, vermindert wird, in einer geometrischen Anordnung des Rohres . bzw. der Rohre im Mantelinneren in der Art bestehen, daß für jedes Rohr der Raumwinkel, unter dem die Mantelöffnung von einer Stelle eines orthogonalen Querschnittes dieses Rohres aus gesehen werden kann, kleiner wird, v/enn sich dieser orthogonale Querschnitt längs des Rohres von einem zum anderen Ende verschiebt, wobei das Ende des Rohres, das den größten Wert dieses Raumwinkels ergibt, die Eintritts öffnung für die zu erwärmende Flüssigkeit darstellt, während das Ende, das den kleinsten Wert des Raumwinkels ergibt, die Austrittsöffnung für die erhitzte Flüssigkeit bildet, und die Verkleinerung des Raumwinkels teilweise dem größeren Abstand des Rohres von der Mantelöffnung und teilweise der Tatsache zuzuschreiben ist, daß ein immer größer werdender Teil dieses Raumwinkels von anderen Rohrteilen erfaßt wird.

17) Sonnenkessel nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Anordnung der Rohre innerhalb des Mantels derart ist, daß für jedes Rohr die Verkleinerung des Raumwinkels, unter dem die Mantelöffnung von einer Stelle eines orthogonalen Querschnitts des Rohres aus dann gesehen wixd, wenn sich der orthogonale Querschnitt dem Rohr entlang von

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dem einen zum anderen Ende verschiebt, nicht kontinuierlich für alle Rbhrquerschnitte, sondern nur im Mittel für diejenigen Werte des Raumwinkels verifiziert ist, die aufeinanderfolgende Rohrabschnitte betreffen.

18) Sonnenkessel nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleinerung der Mittelwerte des Raumwinkels für aufeinanderfolgende Rohrabschnitte dadurch erzielt ist, daß jeder Rohrabschnitt auf einer zur Mantelöffnung parallelen und eine der Mantelöffnung ähnliche Form aufweisenden Fläche angeordnet ist, wobei diese Rohrabschnitte in Reihenanordnung miteinander verbunden sind und die sie enthaltenden Flächen in zunehmendem Abstand von der Mantelöffnung liegen, daß die Flächen aufeinander und in Bezug auf die Mantelöffnung in der Richtung der höchsten Strömungsintensität der auf die Öffnung einfallenden Sonnenenergie ausgerichtet sind, wobei der Raumwinkel, unter welchen die Mantelöffnung von dem auf einer der erwähnten Flächen liegenden Rohrabschnitt aus gesehen wird, teilweise von den Rohrabschnitten'eingenommen ist, die auf den Flächen liegen, welche weniger entfernt von der öffnung sind, und daß die öffnung vorzugsweise kreisförmig ist und die Rohre in jeder Ebene spiralförmig angeordnet sind,

19) Sonnenkessel nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der zwischen zwei Flächen, auf welchen die Rohrabschnitte angeordnet sind, eingeschlossenen Räume oder der zwischen einer dieser Flächen und der Mantelöffnung gelegene Raum sonnenlichtdurchlässige Elemente enthält, die mindestens teilweise Strahlungsenergie größerer Wellenlänge absorbieren, die von den Rohren, dem Mantel und den Rohrstützen bei den normalen Betriebstemperaturen ausgestrahlt wird.

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20) Sonnenkessel nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß diese für die Sonnenenergie durchlässigen Elemente, die mindestens teilweise die Strahlungsenergie größerer Wellenlänge absorbieren, die Rohre, die Mantelöffnung und die Rohrstützen ausstrahlen, aus Glas, Quarz oder Pyrex hergestellt sind, d.h. aus Stoffen, die für Sonnenenergie durchlässig sind und Strahlungsenergie größerer Wellenlänge absorbieren, und ihre Achse jeweils senkrecht zu den Flächen verläuft, auf welchen die den eigentlichen Kessel bildenden Rohre liegen.

21) Sonnenkessel nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Anordnung der Rohre im Kesselmantel so getroffen ist, daß die Stromungsintensität der auf jedes Rohr einfallenden Sonnenenergie bei dem Durchfluß von dem einen zum anderen Ende kleiner wird, wobei das Rohrende, das dem größten Wert dieser Stromungsintensität der einfallenden Sonnenenergie zugeordnet ist, die Eintrittsöffnung für die zu erhitzende Flüssigkeit bildet, während das dem kleinsten Wert der Stromungsintensität zugeordnete Rohrende die Austrittsöffnung für die erhitzte Flüssigkeit darstellt, und daß die Abnahme der Strömungsintensität der einfallenden Sonnenenergie teilweise der geometrischen Lage des Rohres gegenüber der Mantelöffnung und der Verteilung der von den Spiegeln reflektierten Sonnenenergie im Raum und außerdem teilweise auch dem Abschirmeffekt anderer Rohrteile zuzuschreiben ist.

22) Sonnenkessel nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnahme der Stromungsintensität der auf jedes Rohr einfallenden Sonnenenergie nicht kontinuierlich für alle Stellen des Rohres, sondern nur für die Mittelwerte dieser Intensität in Bezug auf die aufeinanderfolgenden Rohrabschnitte verifiziert ist.

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23) Sonnenkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß jedes den eigentlichen Kessel bildende Rohr einen Abschnitt aufweist, der auf der Außenseite des Mantels in der Nähe seiner Öffnung angeordnet ist und in thermischem Kontakt mit dem Mantel steht sowie mit dem anderen, im Mantel angeordneten Rohrteil verbunden ist, so daß die zu erhitzende Flüssigkeit zunächst durch den auf der Mantelaußenseite liegenden Abschnitt und dann durchfden bzw. durch die im Mantel angeordneten Rohrabschnitte fließt.

24) Sonnenkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenteil des Mantels, der diesen bzw. diese Rohrabschnitte trägt, durch Elemente geschützt ist, die für Sonnenlicht durchlässig sind und mindestens teilweise die Strahlungsenergie größerer Wellenlänge absorbieren, die von den Rohren und von den Außenteilen des Mantels bei normalen Betriebstemperaturen ausgestrahlt wird.

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