Wärmerohre in Sonnenkollektoren – Wärmetechnische Grundlagen und Bewertung sowie neue Ansätze für die Integration
Vakuumröhrenkollektoren (VRK) lassen sich in „direkt durchströmte Kollektoren“ und „Kollektoren mit Wärmerohren“ unterteilen. Wärmerohre (engl. heat pipes) dienen dem Wärmetransport vom Absorber zum Wärmeträgerfluid, welches in diesem Fall nur durch die Sammelleitung des Kollektors fließt. Gegenüber direkt durchströmten solarthermischen Kollektoren ist ihr Vorteil eine einfachere hydraulische Verschaltung mit geringerem Druckverlust bei gleichzeitiger Minderung der Anlagenbelastung im Stagnationsfall. Wärmerohre können jedoch nur eine begrenzte Menge an thermischer Leistung effizient übertragen und stellen für das System Wärmerohr und Wärmeübertrager (Sammler) einen zusätzlichen thermischen Widerstand im Nutzwärmestrompfad eines Kollektors dar.
Dieser zusätzliche thermische Widerstand führt zu einer Wirkungsgradminderung von VRK von zwei bis vier Prozent. Durch geeignete Untersuchungen sollen die Wärmetransporteigenschaften des Systems Wärmerohr – Wärmeübertrager bewertet werden und Schwachstellen sowie Optimierungspotenziale aufgezeigt werden. Zusätzlich sind die Leistungsgrenzen von Wärmerohren interessant, da sie temperaturabhängig sind und somit durch Leistungsbegrenzung bei höheren Temperaturen eine Minderung der Stagnationstemperatur ermöglichen können. Die Haupteinflussgrößen auf das Wärmetransportvermögen eines Wärmerohrs sind
- die übertragene Leistung,
- das Temperaturniveau
- sowie der Neigungswinkel.
Komponenten und thermische Widerstände im Nutzwärmestrompfad von solarthermischen Kollektoren mit Wärmerohren
Wärmerohr-Prüfstand
Zur Bestimmung des Einflusses dieser Parameter wurde ein Prüfaufbau entwickelt, mit dem eine elektrische Leistung direkt auf das Wärmerohr aufgebracht wird; die Wärmequelle befindet sich dabei auf der Verdampferseite. Ein Fluidkreis auf der Kondensatorseite dient als Wärmesenke. Durch die Aufprägung einer thermischen Leistung auf den Verdampfer des Wärmerohres bei festgelegter Kondensator- bzw. Senkentemperatur und dem Neigungswinkel wird der thermische Leitwert des Wärmerohres bzw. des Systems Wärmerohr – Wärmeübertrager für einen Betriebszustand innerhalb des Arbeitsbereichs bestimmt. Durch Steigerung der Leistung kann die Leistungsgrenze für gesetzte Temperaturniveaus und Neigungswinkel bestimmt werden.
Prüfstand zur Bestimmung der Wärmetransporteigenschaften von Wärmerohren für solarthermische Kollektoren
Leistungsübertragungsgrenzen von Wärmerohren
Es wurden marktübliche Wärmerohre für Sonnenkollektoren mit unterschiedlichen Füllgraden und Arbeitsmedien untersucht. Messtechnisch ist es möglich zwischen den beiden für diese Wärmerohre relevanten Leistungsübertragungsgrenzen - Wechselwirkungsgrenze und Austrocknungsgrenze - zu unterscheiden. Haupteinflussgröße auf die Wechselwirkungsgrenze ist der Innendurchmesser des Wärmerohres und Haupteinflussgrößen auf die Austrocknungsgrenze sind der Füllgrad sowie Art des Arbeitsmediums.
Experimentell bestimmte Wechselwirkungs- und Austrocknungsgrenze von vier verschiedenen Wärmerohren für Sonnenkollektoren
Thermische Leitwerte des Nutzwärmestrompfades
Innerhalb der Leistungsgrenzen überträgt das Wärmerohr sehr effizient Wärme. Verschiedene Wärmerohre wurden auf ihre thermische Leitfähigkeit hin untersucht. Die Vermessungen ergaben, dass der thermische Leitwert der Wärmerohre innerhalb zulässiger Aufstellwinkel der Kollektoren von 15° bis 90° relativ konstant ist. Des Weiteren wurde ermittelt, dass der thermische Leitwert für die Anbindung des Wärmerohr-Kondensators an den Fluidkreislauf (Sammler) ähnlich groß ist wie der Leitwert des Wärmerohres selbst. Offensichtlich spielt die Verbesserung der thermischen Eigenschaften des Wärmeübertragers neben der Optimierung der Wärmerohre ebenfalls eine Rolle. Der thermische Leitwert des Absorberbleches als weitere Hauptkomponente im Nutzwärmestrompfad ist dagegen nur von untergeordneter Bedeutung.
Experimentell bestimmte Interne Leitwerte von Vakuumröhrenkollektoren mit Wärmerohren
Modellierung und Optimierung
Im Rahmen des Forschungsprojekts werden Studien durchgeführt, die die Einflüsse der wesentlichen Parameter auf die Wärmetransporteigenschaften aufzeigen. Damit werden Auslegungsverfahren entwickelt, um die Vorteile einer durch Wärmerohre entkoppelten Wärmeübertragung von Absorber zu Wärmeträgerfluid vollständig nutzbar zu machen.
Zum einen werden mit aus der Literatur sowie selbst erstellter theoretischer Modelle der Leistungsgrenzen von Wärmerohren die Wärmerohrparameter sowie der Füllgrad und Art des Arbeitsmediums angepasst. Die dadurch mögliche Anpassung der Austrocknungsgrenze liefert eine gewünschte Abschalttemperatur und damit ein Beitrag zur Stagnationssicherheit thermischer Solaranlagen. Des Weiteren werden mittels CFD-Simulationen Parameterstudien zu Einflussgrößen auf die thermischen Leitwerte der Komponenten im Nutzwärmestrompfad durchgeführt, um einen optimalen Gesamtwirkungsgrades des Kollektors zu erreichen.
Steffen Jack, Nils Katenbrink and Felix Schubert: Evaluation Methods for Heat Pipes in Solar Thermal Collectors - Test Equipment and First Results. in Proceedings of ISES SWC 2011 
Nils Katenbrink: Wärmerohre in Sonnenkollektoren – Wärmetechnische Grundlagen und Bewertung sowie neue Ansätze für die Integration. in Forschungsjahrbuch Erneuerbare Energien 2010
Das Projekt „Wärmerohre in Sonnenkollektoren – Wärmetechnische Grundlagen und Bewertung sowie neue Ansätze für die Integration“ (FKZ: 0325962A) wird vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
