Experimental investigations of water filled drainback systems

Selbstentleerende- bzw. Drainback-Anlagen (DBA) bieten einen einfachen Schutz vor Stagnation und Einfrieren des Wärmeträgerfluids und des gesamten Solarthermiesystems. Im Vergleich zu konventionell betriebenen Solaranlagen beinhalten DBA zudem weniger hydraulische Komponenten im Solarkreis. Dies führt zur Reduzierung sowohl der Investitions- als auch der Wartungskosten. Trotz der vielen Vorteile sind DBA bisher nur selten wissenschaftlich untersucht. Im Fokus der vorliegenden Dissertation liegen die grundlegenden Funktionsprinzipien von wasserbetriebenen DBA. Zusätzlich zur Literatur- wurde eine globale Marktrecherche durchgeführt, in der 50 Drainback-Hydrauliken identifiziert und analysiert wurden, um die konstruktiven Besonderheiten und die Betriebsunterschiede zu erfassen. Für weitere Untersuchungen des Betriebsmodus wurde ein Prüfstand für Drainback-Anlagen aufgebaut. Der Betrieb einer Drainback-Anlage wurde auf drei sich wiederholende Abläufen aufgeteilt: Befüll-, Betriebs- und Entleerungsvorgang. Jeder dieser Abläufe wurde für unterschiedliche Hydraulik¬konfigurationen und verschiedene Entleerungs-mechanismen einzeln untersucht. Mehrere Phänomene wurden hierbei genauer betrachtet: Luftmitführung und -entfernung beim Befüllvorgang, eintauchender Freistrahl während des Betriebs sowie der Siphoneffekt und mögliches Einfrieren während und nach dem Entleerungsvorgang. Die Untersuchung des Befüllvorgangs zeigte, dass Zuschlagen und Wechselsprung die wesentlichen relevanten Phänomene sind. Hierzu wurden minimale Befüllvolumenstromgrenzen für siphonische und nicht-siphonische Regime in DBA experimentiell ermittelt. Dabei wurden verschiedene Einflussparameter wie Verrohrungsmaterial, Durchflussmesser, hydraulische Verschaltung und Wassertemperatur berücksichtigt. Darüber hinaus wurde der eintauchende Freistrahl untersucht, um die Eindringtiefe von Luftblasen im Drainback-Auffangbehälter zu ermitteln. Zudem wurden der siphonische Effekt und Gefriervorgänge nach dem Entleerungsvorgang untersucht. Für wasserbetriebene Drainback-Anlagen mit Glatt- und Wellrohren wurden Konstruktions- und Betriebsempfehlungen für einen sicheren Betriebs-, optimalen Befüll- und zuverlässigen Entleerungsvorgang abgeleitet. Im Besonderen wurden neue semi-empirischen Korrelationen für die Ausprägung von siphonischen und nicht-siphonischen Strömungsregimen entwickelt. Minimale Volumenstromgrenzen wurden ermittelt, die die Freistrahlstabilität in Glatt- und Wellrohren garantieren. Darüber hinaus wurde eine Regelungsstrategie entwickelt, die eine zuverlässige Entleerung sicherstellt.