DE4023029A1 - Heat exchanger prodn. from thick copper plates - using solar pre-heating, used in solar accumulator - Google Patents
Heat exchanger prodn. from thick copper plates - using solar pre-heating, used in solar accumulatorInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein energiesparendes Verfahren zur Herstellung stabiler, widerstandsfähi ger Absorberelemente aus ganzen, fusionierten, geschmiedeten, gegossenen oder gewalzten sauer stofffreien Kupferplatten mit relativ starker Wanddicke, dessen schmälere Längsränder einen zur Aufnahme eines Arbeitsmediums im Querschnitt birnenförmigen Kanals bildet, der aus der Son nenenergie konzentrierte Wärme über eine Flüssigkeit, temperaturdifferenzabhängig, ohne Fremd energie, akkumuliert und gewichtsbedingt in ein anschließbares Akkumulationsgefäß weiterleitet.The invention relates to an energy-saving method for producing stable, resistant absorber elements made from whole, fused, forged, cast or rolled acid fabric-free copper plates with a relatively thick wall, the narrower longitudinal edges of which for receiving a working medium in cross section forms a pear-shaped channel, which from the Son energy concentrated heat via a liquid, depending on the temperature difference, without foreign energy, accumulated and weight-based in a connectable accumulator.
Bei einer bekannten schwerkraftbetriebenen Solarakkumulationsanlage (G 85 23 387.0) besteht die Absorberfläche in dachziegelartig zusammengelegten Kupferblechen, die mit Legierungen zusam mengeschmolzen werden. Das primäre Akkumulationsrohr aus handelsüblichem Kupferrohr von 50 mm Nennweite und einer Wandstärke von ca. 1,5 mm ist mit derselben vorgenannten Kupferlegierung an den aufeinandergelegten Flächen und Stoßkanten gasverschmolzen.In a known gravity solar accumulator (G 85 23 387.0) the absorber surface in roof tiles folded copper sheets, which together with alloys be melted. The primary accumulation tube made of commercially available copper tube of 50 mm Nominal width and a wall thickness of approximately 1.5 mm is with the same copper alloy mentioned above gas-fused on the superimposed surfaces and abutting edges.
Jedoch ist der Wärmeübergang an den Schmelzstellen durch das geringere Leitvermögen der zuge führten Legierungen nicht optimal. Ganz besonders schwierig gestaltet sich die Herstellung des Absorbers in der Praxis, da relativ enorme Vorwärmeenergien für das ganze Stück von ca. 1600 mm Länge und 700 mm Breite aufgewendet werden müssen. Im Langzeitbetrieb verringert sich nachteilig das Leitvermögen zwischen den unverschmolzenen Metallflächen, durch Abstandsvergrößerung, begünstigt durch das natürliche Korrosionsverhalten edler Metalle, in unedlere Stoffe überzuwechseln.However, the heat transfer at the melting points is due to the lower conductivity alloys were not optimal. Manufacturing is particularly difficult of the absorber in practice, since relatively enormous preheating energies for the whole piece of approx. 1600 mm length and 700 mm width must be used. Reduces in long-term operation disadvantageous the conductivity between the unmelted metal surfaces, by increasing the distance, favored by the natural corrosion behavior of noble metals, in less noble substances to change over.
Nicht anders ergeht es auch den älteren Anmeldungen, z. B. (DE 29 42 756 A1) S. 3, Zeile 12, Fig. 1, 1 und 5 (G 80 11 238.5 U1) S. 1, Anspruch 1-3, S. 4, 1 und 2 (G 88 14 767.3 U1) S. 17, Fig. 11 und 5, dessen Absorberflächen alle aus dünnwandigen Kupferblechen gleicher Wandstärke bestehen. Der verschieden profilierte, mittig angelegte Arbeitsmediumkanal, die beidseitig mit Kupferblechen gleicher Wanddicke, mehr oder wenigen Abständen zum nächsten Kanal zeigen, sind dünnwandig. Diese unterliegen Betriebsstörungen durch innere und äußere Korro sion in Verbindung mechanischer Belastung, hervorgerufen durch langzeitlichen Einfluß betriebs bedingter Anwendung. Diese Schädigungen auf metallurgischer Ebene sind besonders dort am häufig sten, wo Arbeitsmedien mit betriebsbedingten, relativ raschem Temperaturgefälle im Transmissions bereich des Werkstoffes ablaufen. An Schwachstellen fehlt eine gewisse Sollkorrosionsvorgabe, die, falls zustandsverändert, eine weitere relativ langsamere Oxydation bewirken kann. Diese Material zugabe ist schweißtechnisch unerwünscht und wird aus wirtschaftlichen Gründen zum Nachteil einer langlebigen Absorberfläche eingespart.The same applies to older applications, e.g. B. (DE 29 42 756 A1) p. 3, line 12, Fig. 1, 1 and 5 (G 80 11 238.5 U1) p. 1, claims 1-3, p. 4, 1 and 2 (G 88 14 767.3 U1) p. 17, Fig. 11 and 5, whose absorber surfaces all consist of thin-walled copper sheets of the same wall thickness. The differently profiled, centrally positioned working medium duct, which on both sides with copper sheets of the same wall thickness, more or less distances from the next duct, are thin-walled. These are subject to malfunctions due to internal and external corrosion in connection with mechanical stress, caused by long-term influence of operational use. This damage on the metallurgical level is most frequent especially where working media with operationally related, relatively rapid temperature gradients run in the transmission area of the material. Weaknesses lack a certain target corrosion requirement, which, if changed, can cause further relatively slower oxidation. This material addition is undesirable from a welding point of view and is saved for economic reasons to the disadvantage of a long-lasting absorber surface.
In bezug zur Anwendung relativ dickwandiger Absorberflächen muß unterschieden werden zwischen natürlicher oder zwangsweiser (U-Pumpe-)Fortbewegung des Arbeitsmediums, zu einer nahe- oder fernliegenden Speicherung der Solarenergie. Bei der ersten Methode ist der integrierte Boiler mit dem Absorber so angeordnet, daß die natürliche Schwerkraft, vorteilhaft höchst anzustrebende Temperaturdifferenz, im gut leitenden Werkstoff und Arbeitsmediumkreislauf über möglichst widerstandsarme Rohrverbindungen, den Umtriebsdruck bewirkt. Wie eingangs erwähnt, ermöglicht, bis auf die dünnen Kupferbleche (85 23 387.0) den natürlichen Umtrieb zufriedenstellend.With regard to the use of relatively thick-walled absorber surfaces, a distinction must be made between natural or forced (U-pump) movement of the working medium, to a near or remote storage of solar energy. The first method is the integrated boiler arranged with the absorber so that the natural gravity, advantageously highly desired temperature difference in the highly conductive material and working medium circuit pipe connections with as little resistance as possible, which causes the drive pressure. As mentioned at the beginning, apart from the thin copper sheets (85 23 387.0) the natural activity is satisfactory.
Bei der zweiten Methode, der zwangsweisen Führung des Arbeitsmediums, ist abgesehen vom technischen Aufwand, ein praxisbedingter Temperaturabstand für den rascheren Wärmeaustausch von dem ernst zu nehmenden Nachteil begleitet, Kondensate auf der Oberfläche des Absorbers zu bilden. Diese Kondensate aus der Atmosphäre bilden auf der Unterseite der Solarglasflä che Ablagerungen, die einen Kundendienst zur Beseitigung dieser Leistungsminderung be nötigen. In Meeres-, Stadt-, Industrie- oder Landluft sind dünnwandige Absorberflächen der Langzeitbelastung nicht immer gewachsen. Diese zeigen schon nach wenigen Jahren Defekte durch verschiedenstartige chemische Reaktionen auf ihrer Oberfläche oder Innenseite bei Lochfraß. Bezogen auf den Einsatz von Absorbern in schwerkraftzirkulierenden Solarakkumulationsanlagen, ist z. B. auch, wie vor erwähnt, die frühere Anmeldung (G 88 14 767.3 U1) nicht geeignet, da mit externer Umtriebshilfe indirekt über widerständliche Sammler mit Verschraubungen gearbeitet wird. Hermetisch (vakuumiert) hergestellte Absorber sind kostenungünstig in der Herstellung und erschweren eine Instandsetzung und späteres Recycling. In der Warmwasserar maturentechnik ist allgemein bekannt, daß lösbare Verbindungsteile selbst ausgewechselt werden müssen, wenn diese durch "festbacken" der metallenen Dichtflächen unbrauchbar werden. Da es hin und wieder vorkommt, daß eine Solaranlage im "Leerlauf" steht, sind eingelegte Dichtungen, wegen der hohen thermischen Belastung auch nicht günstig. Diese trocknen schnell aus und führen zu Undichtheiten.In the second method, the forced guidance of the working medium, is apart from technical effort, a practical temperature difference for faster heat exchange accompanied by the serious disadvantage of condensates on the surface of the absorber to build. These condensates from the atmosphere form on the underside of the solar glass surface deposits that can be used by a customer service to eliminate this reduction in performance compel. In sea, city, industrial or rural air, thin-walled absorber surfaces are the Long-term exposure does not always grow. These show defects after only a few years various chemical reactions on their surface or inside if pitting. In relation to the use of absorbers in gravity-circulating solar accumulation systems, is z. B. Also, as mentioned before, the earlier application (G 88 14 767.3 U1) is not suitable, as with external rotation aid indirectly through resistant collectors with screw connections is worked. Absorbers manufactured hermetically (vacuumed) are inexpensive to produce Manufacture and complicate maintenance and later recycling. In the hot water arena Maturentechnik is generally known that removable connecting parts themselves replaced must be if they become unusable due to "stuck" of the metal sealing surfaces. Since it happens from time to time that a solar system is in "idle", are inserted Seals, not cheap because of the high thermal load. These dry quickly and lead to leaks.
Anzustreben ist daher eine möglichst verschraubungslose Verbindung vom Absorber zum schwer kraftzirkulierenden Speicher. Für einen Einsatz in abgelegenen Gebieten, auf Dächern, allen Formen möglichen mobilen Gebrauchs, sollten diese Wärmetauscher so robust wie nur möglich ausgeführt sein, da ein früher Ausfall der Anlage nicht nur Kosten verursacht.The aim should therefore be a screwless connection from the absorber to the hardest possible force-circulating storage. For use in remote areas, on roofs, All forms of mobile use, these heat exchangers should be as robust as possible possible because an early failure of the system does not only cause costs.
Eine zunehmende Verpflichtung der heutigen Zeit, wegen der knapper werdenden Rohstoffe, ruft zur Gewinnung von Edelmetallen aus verbrauchten Produkten. Unsere Nachfahren zwingt unsere Generation dazu, wertvolle Werkstoffe so zu formen, daß diese neben einer amortisierbaren Anlage, kostengünstig, der Wiederverwendung zugeführt werden können.An increasing obligation today, due to the scarcity of raw materials, is calling for the extraction of precious metals from used products. Our descendants force ours Generation to form valuable materials so that they are next to an amortisable one Plant, inexpensive, can be recycled.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem relativ dickwandige Kupfertafeln kostengünstig und unter den vorbeschriebenen Krite rien zu leistungsfähigen Wärmetauschern produziert werden können.The present invention is based on the object of specifying a method with which relatively thick-walled copper plates inexpensive and under the criteria described above rien to efficient heat exchangers can be produced.
Lösung: a) Verwendung von stapelbaren Kupferplatten von relativ großer Plattenstärke, wobei ein dünnerer Bereich zur Bildung des Arbeitsmediumkanals vorgesehen ist. Vorteile der großen Plattenstärke 1) Langlebigkeit, 2) Speicherung von Wärme bei Betriebsbedingungen, 3) im Herstellungsprozeß wieder einsetzbar.Solution: a) Use of stackable copper plates of relatively large plate thickness, whereby a thinner area is provided to form the working medium channel. Advantages of big Panel thickness 1) durability, 2) storage of heat under operating conditions, 3) in Manufacturing process can be used again.
b) Die vorgereinigten Kupferplatten passieren über eine Schleuse, eine gegenüber der Umgebung isolierte, mit einer Glasplatte zum Durchtritt der Sonnenstrahlung abgedeckten Kammern, in der die Kupferplatten mit Hilfe der Sonnenenergie sowie durch rückführbare Prozeßwärme vorgewärmt werden.b) The pre-cleaned copper plates pass through a lock, one opposite the environment insulated chambers covered with a glass plate for the passage of solar radiation, in which the copper plates with the help of solar energy as well as through process heat be preheated.
c) Danach gelangen die vorgewärmten Platten in einen ebenfalls gegen die Umgebung isolier ten Raum, in dem sie mittels vorgewärmten Werkzeugen, gerichtet, der Kanal geformt, einge spannt und traditionell geschweißt oder gelötet werden.c) Then the preheated plates are placed in an insulator that is also insulated from the environment The room in which they were shaped using preheated tools, the channel formed clamped and traditionally welded or soldered.
d) Die fertigen Platten werden innerhalb des Verarbeitungsraumes gestapelt und ihr Wärme inhalt einerseits zum Vorwärmen der ankommenden Platten rückgeführt, und andererseits dient ihr Wärmeinhalt zur Überbrückung und Pufferung differierender Solareinstrahlung.d) The finished panels are stacked inside the processing room and their heat content returned on the one hand for preheating the incoming plates, and on the other hand serves their heat content for bridging and buffering differing solar radiation.
Verfahren: In der schematischen Darstellung Fig. 4 gelangen die vorgereinigten Kupferplat ten 2 über die Schleuse 1 in den primären Vorwärmeraum 7. Hier werden die vorgestapelten Kupferplatten aus der aufsteigenden Solarüberschuß- 38 und Prozeßwärme aus der Kammer 13 angewärmt. Die Prozeßwärme aus dem Schweißvorgang, der solaren Einstrahlung durch die Glasplatte 39 und auskühlenden fertigen Wärmetauschern von 26, 29, gelangen über thermostatisch steuerbare Schleusen 14, 3 aus dem Verarbeitungsraum 28, 13 zum Vorwärmeraum 7. Der Abgaskanal 19 mündet am Stutzen 5 an die Umgebung und führt bedarfsgemäß mit thermostatisch geregelten Ventilatoren Gase ab. Nacheinander gelangen die Kupferplatten über die Schleuse 3 in den gegen die Umgebung isolierten Sonnenwärmeraum 38. Die flächig hinter einander liegenden Kupferplatten 4, 8, 9 nehmen die solare Energie über die Glasplatte 12 teilweise zusammen mit der überschüssigen Prozeßwärme aus dem Raum 13 auf. Eine segmentierte Transportwalze 41, 42 übernimmt die Platte 9 bei 21 und wird von der Rundungseinrichtung 43 zum Kanal geformt. Bedarfshalber kann der Kanal bei 22 im Lichtbogenschmelzverfahren punktiert werden. Bei 23 wird mit den Klemmrollen und Spannvorrichtung der Wärmetauscher mittels Mehrfachinjektoren 17 durch seitliches Verschieben verschmolzen. Ein Gasfeuerungsge misch übernimmt die innere Kanalhocherhitzung über einen weiteren Injektor, der simultan den gegenüberliegenden Schmelzherd begleitet. Über Monitore kann eine Aufsicht den Fortgang der Gasschmelzschweißung über eine Steuerungsanlage optisch kontrollieren und im Bedarfsfall re gulierend eingreifen.Method: In the schematic representation in FIG. 4, the pre-cleaned copper plates 2 pass through the lock 1 into the primary preheating room 7 . Here, the pre-stacked copper plates from the rising solar excess 38 and process heat from the chamber 13 are heated. The process heat from the welding process, the solar radiation through the glass plate 39 and cooling heat exchangers 26, 29 , reach the preheating room 7 via thermostatically controllable locks 14, 3 from the processing room 28, 13 . The exhaust duct 19 opens into the environment at the nozzle 5 and, as required, discharges gases with thermostatically controlled fans. The copper plates pass one after the other via the lock 3 into the solar heating room 38 which is insulated from the surroundings. The copper plates 4, 8, 9 lying flat behind one another absorb the solar energy via the glass plate 12 partly together with the excess process heat from the room 13 . A segmented transport roller 41, 42 takes over the plate 9 at 21 and is shaped by the rounding device 43 into a channel. If necessary, the channel can be punctured at 22 using the arc melting method. At 23 , the heat exchanger is melted by means of multiple injectors 17 by lateral displacement with the pinch rollers and tensioning device. A gas firing mixture takes over the internal duct high-temperature heating via another injector, which simultaneously accompanies the opposite melting range. A monitor can visually monitor the progress of the gas fusion weld via monitors and intervene in a regulatory manner if necessary.
Der verschweißte Wärmetauscher mit seinem hohen Wärmegehalt bleibt in der Position 24, um durch direkte Abstrahlung den Nachfolger 23 zu unterstützen. Bei 25 verläßt der Wärme tauscher das Transportrad und wird bei 28 gestapelt. Jeweils das obenaufliegende Werkstück wird an Ort und Stelle an den beiden Enden des Kanals gepreßt und durch eine Öffnung von außen 45 mit der Gasflamme gemäß Fig. 5 und 6 mit den Anschlußstutzen hartgelötet. Dieselbe Arbeit kann auch auf der Unterseite bei 29 wahlweise ausgeführt werden. Dementsprechend sind an der Anlage Schleusen mit Schutzraum für den Ausführer konstruktierbar.The welded heat exchanger with its high heat content remains in position 24 in order to support the successor 23 by direct radiation. At 25 the heat exchanger leaves the transport wheel and is stacked at 28 . In each case the workpiece lying on top is pressed in place at the two ends of the channel and brazed through an opening from the outside 45 with the gas flame according to FIGS. 5 and 6 with the connecting pieces. The same work can optionally be done on the bottom at 29 . Correspondingly, locks with a protective space for the operator can be constructed on the system.
Die nach unten beförderten Wärmetauscher geben ihre Restwärme nach oben durch den natür lichen Auftrieb ab und verlassen nach Auskühlung über die Schleusen 30, 31 die Anlage.The heat exchangers conveyed downwards give off their residual heat upwards through the natural lift and leave the system after cooling down via locks 30, 31 .
In der morgendlichen Startphase kann die Anlage über die Scheibe 32 der Sonne optimiert werden. Abends werden die Isolierklappen 37 und 10 geschlossen und gemäß dem Gesamt wärmeinhalt der Anlage mehr oder weniger die Vorlage im Solarkanal aufgearbeitet. Das Gasgemisch wird über die Stutzen 15 zugeführt. Aus Sicherheitsgründen erhalten die Seitenwände der Anlage gut dimensionierte Verpuffungsklappen zur freien Umgebung und entsprechende Türschleusen für die Begehbarkeit.In the morning start-up phase, the system can be optimized via the sun's disk 32 . In the evening, the insulating flaps 37 and 10 are closed and the template in the solar duct is more or less worked up according to the total heat content of the system. The gas mixture is supplied via the nozzle 15 . For safety reasons, the side walls of the system have well-sized deflagration flaps for the free environment and appropriate door locks for access.
Zusammenfassung: Bei einem Verfahren und Anlage zur Herstellung von stabilen, gut leitfähi gen Wärmetauschern zum Einsatz in schwerkraftbetriebenen Solarakkumulatoren werden stapel bare Kupferplatten mit relativ großer Plattenstärke in einem Solarkanal 38, der gegen die Umgebung isoliert ist 36, flächig zur Aufnahme der Solarenergie durchtransportiert und anschließend in einem größeren Raum 13, der ebenfalls gegen die Umgebung isoliert ist 18, mit Hilfe direkter und indirekter Solarwärme verschweißt oder gelötet. Dabei werden solarvorgewärmte Werkzeugeinrichtungen eingesetzt. Zur differenten Solarstrahlung dient als Puffer einerseits die gestapelte Kupferplattenmasse aus der Schweißbehandlung 28 und anderseits die Prozeß wärme für die Vorwärmung ankommender, gereinigter Kupferplatten im Bereitstellungsraum 7. Eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens weist eine Vorbereitungskammer 7 mit dem Solarenergie-Aufnahmekanal 38 und den Verarbeitungsraum 13 mit der Transport- 41, Form- 43, Schweißanlage 16, 17, und Festhaltevorrichtung 44 aus, wo direkt die Solarstrahlung über die Solarverglasung 39 sich auf Material und Geräte konzentriert und der Vorwärmprozeß Anwendung findet.Summary: In a method and system for the production of stable, highly conductive heat exchangers for use in gravity-operated solar accumulators, stackable copper plates with a relatively large plate thickness are transported in a solar channel 38 , which is insulated from the environment 36 , flat for the absorption of the solar energy and then in a larger room 13 , which is also isolated from the environment 18 , welded or soldered using direct and indirect solar heat. Solar preheated tool facilities are used. The stacked copper plate mass from the welding treatment 28 and, on the other hand, the process heat for preheating incoming, cleaned copper plates in the preparation room 7 serve as a buffer for the different solar radiation. A system for carrying out the method has a preparation chamber 7 with the solar energy intake channel 38 and the processing room 13 with the transport device 41 , form 43 , welding system 16, 17 , and holding device 44 , where the solar radiation directly via the solar glazing 39 is located Material and equipment are concentrated and the preheating process is used.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8181 | Inventor (new situation) |
Free format text: ERFINDER IST ANMELDER |
|
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |