In dieser Vorlesung werden vier Wärmeübertragungsmechanismen gegenübergestellt – welches sind diese vier Mechanismen und durch welche Gleichungen lassen sie sich charakterisieren?
• Die vier Wärmeübertragungsmechanismen sind:
- Wärmeleitung: Fourier-Gesetz (q = -λ ∇T)
- Freie Konvektion: Q = α * A * (T1 - T2)
- Erzwungene Konvektion: ähnlich wie freie Konvektion, aber erzwungen durch externe Kräfte
- Strahlung: Stefan-Boltzmann-Gesetz (Q = ε * A * σ * T^4)
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.
• Systemgrenze, bei der die Temperaturdifferenz als treibende Kraft genutzt wird:
- Die Grenzschicht zwischen dem Fluid und einer Wand (Wärmeübergang)
- Hier wird von Wärme gesprochen, da es in der Grenzschicht durch den Temperaturgradienten zur Wärmeleitung kommt.
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.
• Wärmeaufnahme: Verdampfung
- Bei der Verdampfung wird Energie aufgenommen, um das Fluid von flüssig zu gasförmig zu überführen.
• Wärmeabgabe: Kondensation
- Bei der Kondensation wird Energie abgegeben, wenn das Fluid von gasförmig zu flüssig übergeht.
• Große Wärmeübergangskoeffizienten werden erzielt, weil die Energiedifferenzen, die für den Phasenwechsel benötigt werden, sehr groß sind (latente Wärme).
Welches sind die vier wesentlichen Bauformen von Solarkollektoren? Was sind die wesentlichen Unterscheidungsmerkmale und Anwendungen?
• Die vier Bauformen von Solarkollektoren sind:
- Unabgedeckte Kollektoren: Schwimmbadheizungen, niedrige Temperaturen
- Flachkollektoren: Warmwasserbereitung, mittlere Temperaturen
- Vakuumröhrenkollektoren: Heizungsunterstützung, höhere Temperaturen
- Luftkollektoren: Trocknung von Holz und Agrarprodukten
Beschreiben Sie in allgemeiner Form einen Absorber eines Flachkollektors, was ist seine wesentliche Funktion und welche Konstruktionsmerkmale hat er?
• Funktion des Absorbers:
- Der Absorber nimmt die einfallende Strahlung auf und wandelt sie in Wärme um.
• Konstruktionsmerkmale:
- Metallische Oberfläche (oft Aluminium oder Kupfer)
- Beschichtung zur Steigerung der Absorption
- Gute thermische Anbindung an die Rohrleitungen mit der Solarflüssigkeit
Warum erreichen Vakuumröhrenkollektoren bei niedrigen Umgebungstemperaturen tendenziell höhere Wirkungsgrade als gängige Flachkollektoren?
• Vakuumröhrenkollektoren haben einen evakuierten Raum um den Absorber, was Wärmeverluste durch Konvektion stark reduziert.
• Dadurch bleibt die aufgenommene Wärme besser erhalten, besonders bei niedrigen Umgebungstemperaturen.
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?
• Prinzipielle Konstruktionen:
- Direktdurchströmte Kollektoren: Wärme wird direkt von der Solarflüssigkeit aufgenommen, hoher Wirkungsgrad, jedoch hohe Druckverluste und weniger wartungsfreundlich.
- Heat-Pipe-Kollektoren: Wärme wird über eine Heat-Pipe transportiert, wartungsfreundlicher, weniger Druckverluste, geringere Wirkungsgrade bei kleiner Leistungsübertragung.
Wie funktioniert das Heat-Pipe-Prinzip?
• Eine Heat-Pipe besteht aus einer verdampfbaren Flüssigkeit.
- Beim Erwärmen verdampft die Flüssigkeit, der Dampf steigt auf und kondensiert in kühleren Bereichen, wodurch die Wärme übertragen wird.
- Durch Kapillarwirkung fließt die Flüssigkeit zurück und der Prozess beginnt erneut.
Was wird unter einer Sydney-Röhre verstanden und worin besteht ihr Vorteil verglichen mit der „klassischen“ Vakuumröhre?
• Eine Sydney-Röhre ist eine doppelwandige Glasröhre, ähnlich einer Thermoskanne.
• Vorteil: Durch die doppelte Wand kann langfristig das Vakuum aufrechterhalten werden, was die Lebensdauer der Röhre erhöht.
Absorberbereich kann unter Umgebungsdruck entstehen
Wann werden Vakuumröhren als „Compound Parabolic Concentrator“ bezeichnet? Was wird mit CPC bezweckt?
• Vakuumröhrenkollektoren mit Konzentrator (CPC) nutzen Parabolspiegel, um die Solarstrahlung auf den Absorber zu konzentrieren.
• Ziel: Erhöhung der Strahlungsausbeute und Effizienz, besonders bei diffuser Einstrahlung.
Wo werden Luftkollektoren hauptsächlich eingesetzt?
• Luftkollektoren werden hauptsächlich in Trocknungsanwendungen (z. B. Holz, Agrarprodukte) verwendet. • Auch für Gebäudeheizung in speziellen Anwendungen nutzbar.
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.
• Der Wirkungsgrad sinkt mit zunehmender Temperaturdifferenz zwischen Wasser und Umgebung.
• Verluste:
- Optische Verluste durch Reflexion
- Konvektionsverluste durch die Umgebungsluft
- Strahlungsverluste durch Emission des Absorbers.
Was wird unter der Stillstandstemperatur eines Kollektors verstanden?
• Die Stillstandstemperatur ist die maximale Temperatur, die der Kollektor erreicht, wenn keine Energie aus dem System entnommen wird.
• Dies tritt auf, wenn kein Fluid durch den Kollektor fließt und er nur der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist.
• Diese Temperatur ist ein wichtiger Parameter für die Belastungsfähigkeit des Kollektors.
Erklären Sie ausführlich, warum der Kollektorwirkungsgrad bei fallender Bestrahlungsstärke sinkt.
• Der Kollektorwirkungsgrad sinkt bei fallender Bestrahlungsstärke, weil der Anteil der Verluste (wie Konvektions- und Strahlungsverluste) relativ zur nutzbaren Energie steigt.
• Die Verluste sind temperaturabhängig und treten unabhängig von der einfallenden Strahlungsleistung auf.
• Bei schwacher Bestrahlung ist weniger Energie verfügbar, sodass der Einfluss der Verluste auf den Wirkungsgrad stärker spürbar ist.
Was ist eine Zertifizierung nach Solar Keymark?
• Solar Keymark ist ein europäisches Qualitätszertifikat für Solarkollektoren und solarthermische Systeme.
• Es bestätigt, dass Produkte den europäischen Normen und Qualitätsanforderungen entsprechen.
• Die Zertifizierung stellt sicher, dass Produkte auf Langlebigkeit, Effizienz und Sicherheit geprüft wurden.
Wie unterscheiden sich die serielle und die parallele Kollektorverschaltung bezüglich der Wahl der Pumpe?
• Serielle Verschaltung:
- In einer seriellen Verschaltung fließt das Fluid durch alle Kollektoren nacheinander.
- Die Pumpe muss eine höhere Förderhöhe haben, um den Druckverlust auszugleichen, da der Widerstand größer ist.
• Parallele Verschaltung:
- Hier wird das Fluid auf mehrere Kollektoren aufgeteilt.
- Die Pumpe muss ein höheres Volumen fördern, jedoch ist der Druckverlust geringer als bei serieller Verschaltung.
Welche Folgen hat es, wenn Kollektoren ohne weitere Vorkehrungen und nicht nach Tichelmann verschaltet sind?
• Ohne Tichelmann-Verschaltung können ungleichmäßige Durchströmungen auftreten.
• Einige Kollektoren könnten weniger durchströmt werden, was zu einer geringeren Effizienz führt.
• Die Temperaturverteilung innerhalb des Systems wäre ungleichmäßig, was zu Überhitzung in einigen Bereichen führen kann.
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