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by Max M.

In dieser Vorlesung werden vier Wärmeübertragungsmechanismen gegenübergestellt – welches sind diese vier Mechanismen und durch welche Gleichungen lassen sie sich charakterisieren?

Bei Konvektion wird die innere Energie eines Fluides mit dessen Masse transportiert. Bei diesem Energietransport ist die Temperaturdifferenz nicht die „treibende Kraft“. Nennen Sie eine Systemgrenze, mit der dennoch in thermodynamisch exakter Weise von Wärme gesprochen werden kann.

Da nur von Wärme gesprochen werden kann, wenn die thermische Energie aufgrund eines Temperaturgefälles transportiert wird, sollte die Systemgrenze vollständig um das Fluid gezogen werden. Sollte das Fluid beispielsweise in einem Rohr fließen, wäre die Systemgrenze zwischen Rohr und Fluid, da dort dann Wärme stattfindet.

Wie wird der Wärmeübergang durch Phasenwechsel für den Fall der Wärmeaufnahme, wie für den Fall der Wärmeabgabe bezeichnet? Erklären Sie detailliert das physikalische Prinzip und warum hierbei große Wärmeübergangskoeffizienten erzielt werden.

Bei der Wärmeaufnahme spricht man von Verdampfung bzw. Schmelzen

Bei der Wärmeabgabe spricht man von Kondensation oder Kristallisation

Welches sind die vier wesentlichen Bauformen von Solarkollektoren? Was sind die wesentlichen Unterscheidungsmerkmale und Anwendungen?

Unverglaste bzw. unabgedeckte Kollektoren
- günstig, einfach zu handhaben; erreicht jedoch keine hohen Temperaturen, bei hohen Temperaturen geringer Wirkungsgrad
- Anwendung für Schwimmbäder oder als Quelle für Wärmepumpen
Flachkollektoren
- Der Kollektor wird mittels Glas von vorne abgedeckt und mit Dämmung an den Seiten; somit sind Wärmeverluste zu reduzieren
Vakuumröhrenkollektoren
- Absorber ist von vakuumiertem Glas umgeben; somit geringere Wärmeverluste als beim Flachkollektor und noch höhere Temperaturen erzielbar
Luftkollektoren
- Luft durchströmt Kollektorröhren; Luft wird erwärmt und kann beispielsweise zur Trocknung von Agrarprodukten verwendet werden

Beschreiben Sie in allgemeiner Form einen Absorber eines Flachkollektors, was ist seine wesentliche Funktion und welche Konstruktionsmerkmale hat er?

Die Umwandlung solarer Strahlung in thermische Energie vollzieht sich an der beschichteten

Oberfläche des Absorbers. Er ist aus Metall, zumeist aus Aluminium oder Kupfer. Die Wärme wird

schließlich an die Solarflüssigkeit abgeben. Absorber haben verschiedene Bauarten, die Kosten und Wirkungsgrad beeinflussen.

Warum erreichen Vakuumröhrenkollektoren bei niedrigen Umgebungstemperaturen tendenziell höhere Wirkungsgrade als gängige Flachkollektoren?

Dies liegt daran, dass in einem Vakuum sehr geringe Wärmeverluste stattfinden. Der Wärmeleitwert von Luft und somit erst recht vom Vakuum ist sehr gering. Im vollständigen Vakuum finden sogar gar keine Konvektion und Leitung statt. Lediglich Verluste durch Wärmestrahlung können bei den Vakuumröhrenkollektoren stattfinden.

Welche prinzipiellen Konstruktionen von Röhrenkollektoren kennen Sie, um die Wärme des Absorbers an die Solarflüssigkeit zu übertragen. Wo sind die Vor- und Nachteile in Bezug auf Wartungsfreundlichkeit, Druckverlust, Wirkungsgrad bei kleiner Leistungsübertragung und Ausrichtbarkeit zur Einstrahlrichtung?

Wie funktioniert das Heat-Pipe-Prinzip?

Im inneren jeder Röhre befindet sich eine Heatpipe (Wärmerohr) mit einer kleinen Menge an verdampfbarer Flüssigkeit

Die Sonnenstrahlung erwärmt die Flüssigkeit, die daraufhin verdampft und nach oben steigt. Dort gibt sie an die Flüssigkeit im Sammelrohr die thermische Energie ab. Die Flüssigkeit in der Heatpipe kühlt ab und verflüssigt sich wieder

Was wird unter einer Sydney-Röhre verstanden und wie worin besteht ihr Vorteil verglichen mit der „klassischen“ Vakuumröhre?

Was ist eine Sydney-Röhre?

Die Sydney-Röhre ist eine spezielle Bauform der Vakuumröhre in Solarthermie-Kollektoren. Im Gegensatz zur klassischen doppelwandigen Glasröhre besteht die Sydney-Röhre aus:

✅ Zwei getrennten Glasröhren:

Eine äußere Glasröhre mit Vakuum zur Wärmedämmung.
Eine innere U-förmige Absorberfläche (Metall oder Glas) mit selektiver Beschichtung zur maximalen Absorption von Sonnenstrahlung.

✅ D-Tube-Design (Halbrund mit flacher Rückseite):

Im Gegensatz zu runden Röhren hat die Sydney-Röhre eine flache Rückseite mit Reflektor.
Dies verbessert die Einstrahlungsaufnahme, da auch indirektes Licht optimal genutzt wird.

✅ Einfacher Austausch:

Die Röhren sind steckbar und lassen sich leicht ersetzen, ohne das gesamte System zu entleeren.

Wann werden Vakuumröhren als „Compound Parabolic Concentrator“ bezeichnet? Was wird mit CPC bezweckt?

Ein Vakuumröhrenkollektor wird als "Compound Parabolic Concentrator" (CPC) bezeichnet, wenn er mit einem parabolisch geformten Reflektor ausgestattet ist, der das Sonnenlicht auf den Absorber konzentriert.

Wo werden Luftkollektoren hauptsächlich eingesetzt?

Hauptsächlich zur Trocknung von Holz und Agrarprodukten
Für den Wohnungsbau sind sie in Erprobung

Wie ist der typischer Verlauf einer Kollektorwirkungsgradkennlinie aufgetragen über die Differenz zwischen mittlerer Wassertemperatur und Umgebungstemperatur?

Machen Sie an einem Wirkungsgraddiagramm deutlich, wie sich die verschiedenen energetischen Verluste auf die Kennlinie auswirken

Was wird unter der Stillstandstemperatur eines Kollektors verstanden?

Die Stillstandstemperatur eines Solarkollektors ist die maximal erreichbare Temperatur des Absorbers, wenn keine Wärme abgeführt wird. Das bedeutet:

Der Kollektor befindet sich unter voller Sonneneinstrahlung,
Es gibt keinen Wärmeverbrauch oder Wärmetransport (z. B. durch die Solarflüssigkeit),
Die Temperatur steigt, bis ein thermisches Gleichgewicht zwischen Absorptions- und Wärmeverlusten erreicht ist.

Erklären Sie ausführlich, warum der Kollektorwirkungsgrad bei fallender Bestrahlungsstärke sinkt.

Dies ist die mathematische Formel für den Wirkungsgrad. G ist die Bestrahlungsstärke. Wenn diese größer ist, werden die ganzen Verluste jedoch kleiner und somit ist der Wirkungsgrad höher. Bei niedriger Einstrahlung ist der relative Wärmeverlust groß und somit wird der Wirkungsgrad kleiner.

Wie unterscheiden sich die serielle und die parallel Kollektorverschaltung bezüglich der Wahl der Pumpe?

Serielle Verschaltung:

—> Höhere Strömungsgeschwindigkeiten und höhere Druckverluste (bei gleichem Durchsatz)

Parallele Verschaltung:

—> Niedrigere Strömungsgeschwindigkeiten und niedrigere Druckverluste (bei gleichem Durchsatz)