Projekt 14950/01

Untersuchungen zu Druckstößen in thermischen Solaranlagen

Projektträger

Deutsches Kupferinstitut e. V.
Am Bonneshof 5
40474 Düsseldorf
Telefon: (0211)4796-300

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Vorhabens ist es, quantifizierbare Aussagen über maximal von Rohrverbindungen (außerhalb des Kollektors) aufzunehmende Druck und Temperaturbelastungen bei thermischen Solaranlagen zu erarbeiten. Diese Aussagen sollen den Herstellern von Rohrverbindungen als Grundlage dienen, um festzustellen, ob die von ihnen angebotene Technik für Solaranlagen geeignet ist.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie vorgesehenen Arbeiten sollen für die Praxis relevante Fragen klären. Maßgeblich beteiligen sich deshalb Firmen, die Rohrverbindungstechniken anbieten, die für den Einsatz in thermischen Solaranlagen denkbar sind. Um den Bezug zur Praxis der Solartechnik zu behalten, beteiligt sich auch ein namhafter Hersteller von Solaranlagen an dem Projekt.
An einer Referenz-Solaranlage sollen unter künstlicher Bestrahlung Stagnationsbedingungen hergestellt und dann gezielt Wärmeträger in den Kollektor gepumpt werden. Mit zeitlich hoch aufgelösten Druckmessungen an den Kollektoranschluss-Stutzen sollen die auftretenden Druckstöße erfasst werden. Auch die Entwicklung der Temperaturverteilung im Kollektor und an den Anschluss-Stutzen soll mit möglichst hoher zeitlicher Auflösung erfasst werden.
Die in realen Anlagen möglichen Materialbeanspruchungen unterscheiden sich voneinander aufgrund unterschiedlicher Randbedingungen. Von Anlage zu Anlage variierende Parameter sind: Kollektorfläche, Kollektorneigung, Einströmgeschwindigkeit, Anlagenvordruck, Rohrdurchmesser, Verrohrung bzw. Verschaltung der Kollektoren. Diese Anlagenparameter sollen bei den oben skizzierten Messungen syste-matisch variiert werden und die Abhängigkeiten explizit erfasst werden.


Ergebnisse und Diskussion

Die experimentellen Untersuchungen wurden mit dem Innenkollektorteststand mit Solarsimulator durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass in Stillstandssituationen fraktionierte Destillation in den Kollektoren auftritt und dadurch wesentlich höhere Temperaturen an den Verbindungsstellen auftreten als bis-lang angenommen worden war. Die hochfrequenten Druckbelastungen lagen unter 0.5 bar und sind damit unkritisch für die Belastungsgrenzen von Verbindungstechniken.
Die Temperaturbelastungen im trockenen Zustand (Messungen ohne Fluid) können folgendermaßen zu-sammengefasst werden:
Ø Gemessen wurde am Vakuumröhrenkollektor der Fa. Wagner: TAnschluss=175°C bei TAbsor-ber=283°C.
Ø Gemessen wurde am Flachkollektor der Fa. Wagner: TAnschluss=157°C bei TAbsorber=210°C. (sehr guter Flachkollektor mit Antireflexverglasung)
Ø Die maximalen Belastungen im trockenen Zustand sind geringer als die Belastungen im gefüllten Zustand.
Ø Die auftretenden Temperaturen können (insbesondere bei Vakuumröhrenkollektoren) stark abhängig von der Absorber- und Rahmenkonstruktion sein. Die oben angegebenen Werte sind gleichwohl aussagekräftige Richtwerte für die maximalen Temperaturbelastungen (sehr guter Flachkollektor mit AR-Glas und üblicher Rahmenkonstruktion, guter Vakuumröhrenkollektor mit üblicher Sammelkastenkonstruktion und Verrohrung.
Die Temperaturbelastungen mit Fluid können folgendermaßen zusammengefasst werden:
Ø Die maximalen Temperaturbelastungen der Rohrverbindungsstellen im Solarkreis hängen vom Systemdruck ab. Die auftretenden Temperaturen müssen deshalb in Relation zur Sattdampftemperatur des Ausgangsfluids bei dem maximal eingestellten Systemdruck betrachtet werden. Aufgrund der im Projekt nachgewiesenen fraktionierten Destillation sind auftretenden Temperaturen teilweise allerdings höher als die Sattdampftemperatur des Ausgangsfluids.
Ø An der Rohrleitung bis 200 cm vom Kollektoranschluss wurden Temperaturen gemessen, die der Sattdampftemperatur des Ausgangsfluids entsprechen.
Ø An den Anschlüssen des Kollektorfeldes wurden Temperaturen gemessen, die höher als die Sattdampftemperaturen des Ausgangsfluids liegen:
- 190 bis 210°C wurden gemessen bei 160°C Sattdampftemperatur (6 bar Systeme)
- 160 bis 190°C wurden gemessen bei 130°C Sattdampftemperatur (3 bar Systeme)
Ø An den Verbindungsstellen zwischen zwei Kollektoren des Kollektorfeldes wurden deutlich höhere Temperaturen als die Sattdampftemperatur gemessen:
- 210 bis 220°C wurden gemessen bei 160°C Sattdampftemperatur (6 bar Systeme)
- 180 bis 190°C wurden gemessen bei 130°C Sattdampftemperatur (3 bar Systeme)
Ø Am Absorber wurden Temperaturen gemessen, die der Sattdampftemperatur von reinem Glykol entsprechen, bis zur maximalen Absorbertemperatur (250 bis 280°C)
Die Ergebnisse zu den Untersuchungen der auftretenden Druckstöße sind:
Ø Die hochfrequent gemessenen Druckstöße liegen im Bereich von ca. 0.5 bar (am Kollektoranschluss gemessen).
Ø Alle schnellen Druckstöße konnten messtechnisch erfasst werden.
Ø Es konnten keine akustischen Schläge während der Messungen festgestellt werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse des Projekts wurden in Form eines Workshops im Januar 2003, zu dem die Firmen der Solarthermie-Branche in Deutschland, Österreich und der Schweiz eingeladen wurden, veröffentlicht und diskutiert. Außerdem wurden die Projektergebnisse in einem Tagungsbeitrag zum 13. Symposium Ther-mische Solarenergie, 14.-16- Mai 2003, in Kloster Banz, Staffelstein, veröffentlicht. Die Folien der Workshop-Präsentation und der Tagungsbeitrag sind im Internet unter http://www.kollektortest.de, -> Veröffentlichungen verfügbar.


Fazit

Durch die Verdampfungsvorgänge in Stagnationsfällen dringt Dampf in die Rohrleitungen des Solarkreises vor und es treten Temperaturbelastungen der Rohrverbindungen auf. Durch fraktionierte Destillation des Wärmeträgers sind die Temperaturbelastungen deutlich höher als bislang angenommen wurde. Die maximal auftretenden Druckbelastungen sind als unkritisch zu bewerten. Die Projektergebnisse ermöglichen es Herstellern von Rohrverbindungen festzustellen, ob die von ihnen angebotene Technik für Solaranlagen geeignet ist.