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Thermosyphon Solaranlagen

Thermosyphon Solaranlagen

Solarthermosiphonsysteme sind Sonnenenergieanlagen, die eine natürliche Zirkulation des Arbeitsmediums aufweisen. Diese Zirkulation basiert auf Konvektionsströmen, die sich in Flüssigkeiten bei unterschiedlichen Temperaturen bilden.

Der Thermosiphon ist das physikalische Phänomen, bei dem in einem Hydraulikkreislauf aufgrund des einzigen Dichteunterschieds zwischen Flüssigkeitsvolumina bei unterschiedlichen Temperaturen eine konvektive Zirkulation hergestellt wird. Das Thermosiphon-Prinzip wird in einigen solarthermischen Energiesystemen angewendet, wenn die Struktur der Rohre dies zulässt, dh wenn der Kältemittelweg auf mehreren Ebenen verläuft und nicht zu lang ist (wie in der dargestellten Installation). Die Verlagerung der Wärmeträgerflüssigkeit zwischen Sonnenkollektor und Warmwasserspeicher erfolgt nur durch Konvektion

Wenn wir einen Wassertank am Boden aufheizen, verliert das Wasser beim Aufheizen an Dichte und steigt an die Oberfläche, wo es abkühlt. Dann geht es zurück zum Boden des Behälters und somit wird ein natürlicher Kreislaufstrom erzeugt.

Dies ist das Funktionsprinzip einer Thermosiphonanlage, bei der es darauf ankommt, dass:

  • Der Sonnenkollektor (Wärmequellen) befindet sich immer auf einem niedrigeren Niveau als der Speicher.
  • Der Primärkreis der Solarthermieanlage ist so kurz wie möglich und weist eine kontinuierliche Neigung auf, die die natürliche Zirkulation erleichtert.

Bedienung des Thermosiphonsystems

Solaranlage mit ThermosiphonDer Zyklus eines Thermosiphonsystems beginnt in dem Moment, in dem Sonnenstrahlung mit Werten über 200 Watt / m2 auf den Sonnenkollektor trifft. Die Flüssigkeit in Sonnenkollektoren steigt in der Temperatur. Aufgrund dieser Temperaturerhöhung variiert die Strömungsdichte geringfügig. Diese Variation reicht aus, damit das Fluid durch den Primärkreis zum Akkumulator zirkuliert. Die kalte Flüssigkeit ist dichter und neigt dazu zu fallen, ebenso wie die heiße Flüssigkeit dazu neigt, aufzusteigen. Sobald sich das Fluid im Speicher befindet, wird ein Wärmeaustausch unter Verwendung eines thermodynamischen Konvektionsprozesses durchgeführt.

Der Betrieb im Primärkreis dieses erneuerbaren Energiesystems erfolgt durch Thermosiphon. Der übliche Temperaturunterschied zu den Mündungen des Kollektors (T2-T1) beträgt je nach Hitzschlag normalerweise 5 bis 15 Grad Celsius.

Während der Erwärmung wird das Wasser im Akkumulator nach der Temperatur geschichtet, dh der obere Teil ist mit heißem Wasser besetzt und der untere Teil ist das kälteste Wasser. In vertikalen Akkumulatoren kann dieser Temperaturunterschied 15 ° C erreichen. Bei horizontalen Akkumulatoren sinkt diese Differenz auf nur 4 bis 5 Grad Celsius.

Das im Speicher gespeicherte Wasser erhöht die Wärmeenergie und steht bereits als Heiz- oder Warmwasser zur Verfügung.

Horizontaler Thermosiphon und vertikaler Thermosiphon

Da der Betrieb des Thermosiphonsystems von der Schichtung des Wassers im Speichertank abhängt, sind die vertikalen Tanks effektiver. Es ist auch vorzuziehen, die Zusatzheizung so hoch wie möglich im Speichertank zu haben, um den oberen Teil des Tanks nur dann mit Hilfsenergie zu erwärmen, wenn dies erforderlich ist. Dies ist aus drei Gründen wichtig:

  • Verbessert die Schichtung
  • Die Wärmeverluste des Speichers nehmen linear mit der Lagertemperatur zu.
  • Der Solarkollektor arbeitet effizienter bei einer niedrigeren Kollektoreintrittstemperatur.

Um die Gesamthöhe der Einheit zu verringern, werden häufig horizontale Tanks verwendet. Die Leistung der horizontalen Behälterthermosiphonsysteme wird durch die Leitung zwischen der Hochtemperaturhilfszone am oberen Ende des Behälters und der Solarzone sowie durch die Mischung der Einspritzpunkte beeinflusst.

Die Leistung dieser Systeme kann durch die Verwendung separater Solar- und Hilfstanks oder durch die Trennung der Hilfs- und Vorheizzonen mit einer isolierten Schallwand verbessert werden. Ein Nachteil der beiden Systeme von Tanks oder segmentierten Tanks besteht darin, dass der Eingang die Hilfszone nicht heizen kann, bis Bedarf besteht.

Grundelemente eines Thermosiphonsystems

Solarthermische Anlagen von thermosiphon sind mit wenigen Elementen sehr einfach zu konfigurieren. Die wichtigsten Elemente sind der Sonnenkollektor und der Akkumulator. 

In diesen Systemen wird die Zirkulation von Wasser, das durch die Sonnenkollektoren zirkuliert, nicht erzwungen. Da es sich nicht um eine Zwangsumwälzung handelt, sollte der Lastverlust minimal sein, dh die Rohre, die den Auffanggrill bilden, sollten den maximal möglichen Durchmesser haben.

Für die Anzahl der anzuschließenden Solarkollektoren wird empfohlen, nicht mehr als 10 m 2Kollektoren anzuschließen . Der Grund dafür, nicht zu viele Sonnenkollektoren anzuschließen, besteht darin, den Ladungsverlust des Aufnehmerkreises zu vermeiden und eine erhebliche Verringerung der Installationsleistung zu vermeiden.

Der in Geräten mit Thermosiphon-Betrieb im indirekten Kreislauf verwendete Akkumulator ist normalerweise vom Typ Doppelhülle. Die Doppelhüllenspeicher haben eine größere thermodynamische Austauschfläche bei minimalem Ladungsverlust im Stromkreis.

Die Anordnung des Speichertanks erleichtert die natürliche Zirkulation. In diesem Fall wäre die beste Konfiguration, vertikale Akkumulatoren zu verwenden, um die Temperaturschichtung auszunutzen. Aufgrund der ästhetischen Integrationsfaktoren enthalten die meisten Geräte jedoch horizontale Akkumulatoren.

Eine weitere zu berücksichtigende Eigenschaft ist, dass die Wasserzufuhr der Komponenten des Primärkreislaufs einen Durchmesser aufweist, der dem des Verbindungsrohrs ähnlich ist, um die durch die Durchflussreduzierungen verursachten Druckverluste zu vermeiden.

Es ist auch wichtig, dass sich der Kaltwassereinlass am Boden des Tanks befindet, um zu verhindern, dass er die Warmwasserzone abkühlt, wenn der neue Wassereinlass erfolgt.

Sicherheitselemente einer Solaranlage durch Thermosiphon

Um den Primärkreis vor Überdruck zu schützen, muss ein Sicherheitsventil (VS) installiert werden, das kein Trenn- oder Schneidelement aufweist, das die Installation hydraulisch trennt.

Dies ist das einzige notwendige Sicherheitselement in Anlagen, die unter Umgebungsdruck arbeiten. In druckbeaufschlagten Anlagen müssen unbedingt ein Ausdehnungsgefäß (VE) und ein Manometer hinzugefügt werden.

Aufgrund der besonderen Eigenschaften dieser Einrichtungen ist es nicht möglich, aktive Schutzelemente gegen niedrige Temperaturen (Frost) oder hohe Temperaturen (Überhitzung) zu installieren.

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Geändert am: 16. September 2019