Werking en voordelen heatpipes

De meeste zonneboiler systemen in Nederland worden uitgevoerd met zogenaamde vlakke-plaat collectoren. Dit is vaak een donkere plaat waar het water of glycol doorheen stroomt in buisjes die er achter zitten en zodoende door de zon opgewarmd wordt.

Een geheel andere techniek is die van de heatpipes met een vacuümbuis collector. Deze bestaat uit een serie dubbelwandige glazen buizen, voorzien van een vacuüm, waarbij de binnenste buis een donkere coating heeft. Wij zullen uitleggen hoe dit pecies werkt, maar om daar te komen eerst een paar belangrijke punten.

De volgende vijf fysicawetten zijn voor de werking van vacuumbuizen belangrijk:
1. Een zwart vlak neemt van nature veel warmte op;
2. Vacuüm is de beste isolator die er bestaat (denk aan een thermoskan);
3. Efficient warmtetransport door alcohol te verdampen en te condenseren (de heatpipe);
4. Metalen geleiden warmte zeer goed;
5. Een gas onder druk heeft een verhoogd kookpunt

De werking van heatpipes ofwel vacuümbuizen:

werking heatpipes zonneboiler

Zonlicht valt op de vacuümbuis van dubbelwandig glas en gaat door de eerste glaslaag heen die transparant is;
Dit UV licht wordt geabsorbeerd door de binnenste glaslaag waar een zwarte warmte absorberende coating op aangebracht is en die de straling omzet in warmte;
Deze warmte kan niet meer naar buiten door de super isolerende vacuümlaag tussen de twee glazen wanden (thermosfles principe) en wordt afgegeven aan een kopen buis gevuld met alcohol; (de heatipe)
De warmte wordt binnen in de heatpipe afgegeven aan een alcohol-oplossing, die reeds kookt bij 35°C (hoe warmer, hoe hoger de druk, hoe hoger het kookpunt). Door deze versterkende werking haalt de heatpipe-collector zelfs in de winter nog een temperatuur van 35°C;
De verdampte alcohol stijgt op en als het boven in de kop van de schuinstaande heatpipe komt, geeft het zijn warmte af aan de collectorkop, condenseert en druppelt naar beneden, waardoor de cyclus opnieuw kan beginnen;
De warmte van de heatpipe stijgt zo naar boven en geeft zijn warmte af aan de koperen collectorkop gevuld met glycol. Dit reservoir kan een temperatuur 220°C bereiken;
De heatpipes geven in de collectorkop hun warmte af aan een antivriesmiddel (glycol), maar komen er niet mee in contact.
Het opgewarmde glycol wordt door de zonnecollectorkop via flexibele geïsoleerde RVS buizen gepompt naar het boilervat;
Het glycol geeft via een spiraal in dit boilervat zijn warmte af aan het water in de boiler. Afhankelijk van de grootte en het type is dit kraanwater en/of CV-water.

De voordelen van vacuümbuizen ten opzichte van vlakke-plaat collectoren:

Dankzij de dubbelwandige vacuümbuizen is de absorptie (=warmteopname) maximaal en de emissie (= verlies naar de omgeving) minimaal, hetgeen leidt tot bijzonder fraaie rendementen;
Dankzij de ronde buizen wordt zowel direct als diffuus zonlicht (op 60% van alle dagen per jaar in Nederland) – zelfs bij ongunstige plaatsing tov het zuiden – optimaal geabsorbeerd;
De ingestraalde warmte van een groot oppervlak wordt door de heatpipe geconcentreerd naar een klein oppervlak (boven in de heatpipe) waar deze geaccumuleerde warmte kan worden overgedragen aan het te verwarmen glycol;
Een heatpipe heeft een hele lage soortelijke warmte, doordat deze voornamelijk gevuld is met alcoholdamp. Hierdoor werkt hij al bij lage temperaturen.
Een vlakke plaat heeft nauwelijks opbrengst in de maanden rondom de winter omdat deze de versterkende werking mist van de vacuümbuis met heatpipe collector.
Doordat de verdamper en condensor van de heatpipe (net als bij een warmtepomp) in de goed geïsoleerde vacuümbuis hogere temperaturen bereiken, heeft dit type collector nog steeds een behoorlijke opbrengst in het voor- en najaar.
Hierdoor is de heatpipe collector prima geschikt voor het ondersteunen van het CV verwarming circuit.

Heatpipes