Interne thermische Kopplung in direkt durchströmten Koaxial-Vakuumröhrenkollektoren

In direkt durchströmten Vakuumröhrenkollektoren mit Metall-Glas-Verbindung werden heutzutage oftmals Absorberrohre in Koaxialbauweise eingesetzt. Ein solches Rohr-in-Rohr System zeigt der obere Teil von Abb. 51. Diese haben gegenüber Absorberrohren in U-Rohr-Ausführung, dargestellt im unteren Teil der Abb. 51, den konstruktiven Vorteil, dass die Vakuumröhre nur einmal durchdrungen wird

Innen- und Außenrohr des Koaxialrohres sind nur durch die innere Rohrwand voneinander getrennt, so dass ein interner Wärmeaustausch zwischen beiden Rohren stattfindet. Die Auswirkungen dieser internen thermischen Kopplung, vor allem auf den Kollektorwirkungsgrad, sind mit Messungen und mit Hilfe eines theoretischen Modells untersucht worden.

Das theoretische Modell beschreibt den Temperaturverlauf innerhalb einer Koaxial-Vakuumröhre. Hierzu wird die Röhre in Fließrichtung in einzelne Elemente aufgeteilt und für jedes Element die Energieströme bilanziert. Durch iterative Lösung des aufgestellten Gleichungssystems ist die Temperatur in jedem der Elemente in Abhängigkeit von den vorgegebenen Umgebungsbedingungen berechenbar. In Abb. 52 sind beispielhaft die Temperaturverläufe in einem Betriebspunkt bei drei unterschiedlichen Massenströmen aufgetragen.

Der Temperaturverlauf zeigt eine deutliche Abhängigkeit vom Massenstrom. Bei 78 kg/m²h ist nur eine geringe Abweichung von einem linearen Verlauf feststellbar, die maximale Temperatur tritt kurz vor dem Röhrenaustritt auf. Bei 31 kg/m²h zeigt sich bereits im inneren Rohr ein deutlicher Temperaturanstieg. Die maximal auftretende Temperatur liegt in der Mitte des äußeren Rohres, zum Austritt der Röhre hin sinkt die Temperatur wieder auf einen Wert ab, der unterhalb der Temperatur an der Röhrenspitze liegt. Die im Vergleich zu einem linearen Verlauf höheren Temperaturen im äußeren Rohr führen zu größeren Wärmeverlusten und verringern somit den Wirkungsgrad der Röhre. Bei einer weiteren Reduktion des Massenstromes auf 17 kg/m²h verschiebt sich die höchste Temperatur weiter zur Röhrenspitze und übersteigt dabei die in Abb. 52 eingezeichnete Siedetemperatur bei einem angenommenen Überdruck von 1,6 bar. Eine Verdampfung des Fluids während des Betriebs, auch als partielle Stagnation bezeichnet, findet bei Koaxialröhren somit nicht erst kurz vor Erreichen des Röhrenaustritts, sondern deutlich vorher statt.

Um die Auswirkungen des Koaxialeffektes auf den Wirkungsgrad zu bestimmen, wird die Austrittstemperatur einer Kollektorgruppe von 60 Röhren bestimmt, indem jeder Röhre die Kollektoreintrittstemperatur und der entsprechende Röhrenmassenstrom vorgegeben werden. Hierzu wird eine gemessene Strömungsverteilung für einen einseitigen bzw. eine berechnete Strömungsverteilung für einen beidseitigen Kollektoranschluss verwendet. Zur Validierung des Modells sind Outdoor-Versuche an einer Kollektorgruppe aus zwei Modulen mit 60 parallel verschalteten Röhren bei horizontaler Kollektorneigung und einseitigem Kollektoranschluss durchgeführt worden. Dabei betrugen die Massenströme 500 kg/h (78 kg/m²h) und 200 kg/h (31 kg/m²h). Messung und Modell zeigen eine gute Übereinstimmung, die maximale Abweichung beträgt 4%, wie aus Abb. 53 hervorgeht.

Der Wirkungsgrad bei einem Massenstrom von 31 kg/m²h ist um etwa 10% geringer als bei 78 kg/m²h. Damit zeigen sowohl Simulation als auch Messungen einen erheblichen Einfluss der thermischen Kopplung auf den Wirkungsgrad. Die Wirkungsgradminderung erhöht sich umso mehr, je geringer die Röhrenmassenströme in der Kollektorgruppe sind. Diese werden von dem gesamten Kollektormassenstrom, aber auch von der Strömungsverteilung beeinflusst. In Abb. 54 sind die simulierten Wirkungsgrade bei unterschiedlichen Strömungsverteilungen und fünf Gesamtmassenströmen für die Kollektorgruppe mit 60 parallelen Röhren dargestellt. Neben dem ein- und beidseitigen Kollektoranschluss (Variante D und C) ist eine ideale gleichmäßige Durchströmung als Variante B, und als Referenz die Simulation der Wirkungsgrade ohne thermische Kopplung (Variante A) dargestellt. In Variante A hat sich der Wirkungsgrad als unabhängig von der Strömungsverteilung herausgestellt.

Bei einem Massenstrom von 500 kg/h liegen die Wirkungsgrade durch die thermische Kopplung etwa 2% unterhalb des Wertes ohne Kopplung, die Unterschiede zwischen den einzelnen Strömungsverteilungen sind sehr gering. Bei geringeren Massenströmen vergrößert sich die Differenz zwischen Simulationen mit und ohne Kopplung. Bei einem Massenstrom von 100 kg/h beträgt die Differenz zwischen Variante A und B 25%. Die Unterschiede zwischen den Strömungsverteilungen bleiben dagegen klein - bei einem Massenstrom von 100 kg/h beträgt die Differenz zwischen B und D 6%. Der Einfluss der Strömungsverteilung auf die Wirkungsgradminderung ist nicht zu vernachlässigen, die Abhängigkeit vom Gesamtmassenstrom ist jedoch deutlich höher.

Neben Koaxialröhren werden oft zusätzlich Koaxial-Sammler eingesetzt. Dies entspricht einer Verlängerung des Koaxialbereiches in den unbestrahlten Bereich. Dadurch vergrößert sich der Kopplungseffekt, so dass hier noch höhere Wirkungsgradminderungen zu erwarten sind. Unter diesem Gesichtspunkt ist der Einsatz von Koaxial-Sammlern kritisch zu bewerten.

Die Untersuchungen zeigen, dass der Kopplungseffekt in Koaxial-Vakuumröhren zu einer schneller einsetzenden Verdampfung führt und einen negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad haben kann. Kommen Koaxial-Vakuumröhren zur Anwendung, können die Auswirkungen des Kopplungseffektes reduziert werden durch:

• Erhöhen des Gesamtmassenstromes
• Sicherstellen einer gleichmäßigeren Strömungsverteilung, z.B. durch Wechsel von ein- auf beidseitigen Anschluss
• Erhöhen der Siedetemperatur durch Steigerung des Betriebsdruckes