DE20210841U1

DE20210841U1 - Wärmerohr

Info

Publication number: DE20210841U1
Application number: DE20210841U
Authority: DE
Original assignee: FKW HANNOVER FORSCHUNGSZENTRUM
Current assignee: Fku - Forschungszentrum fur Kaelte- und Umwel De; Fkw Hannover Forschungszentrum fur Kaeltetech De
Priority date: 2002-07-17
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2002-10-02
Anticipated expiration: 2012-07-18

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmerohr gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs

In jüngster Zeit treten Heizungen mit Wärmepumpen immer häufiger in Konkurrenz zu mit fossilen Brennstoffen betriebenen Heizanlagen. Durch diesen zunehmenden Einsatz regenerativer Energien, kann den Problemen der fossilen Energieversorgung entgegengewirkt werden. Die Ausnutzung der regenerativen Energiequellen erfordert den Einsatz von Wärmenpumpen unterschiedlicher Bauweisen.

Das Prinzip der Wärmepumpen besteht darin, daß Wärme aus der Umgebung aufgenommen und auf ein höheres Temperaturniveau transformiert wird. Die Leistungszahl bzw. die Heizzahl einer Wärmepumpe hängt entscheidend von der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ab. Da die Temperatur der Wärmesenke meist vorgegeben ist, bestimmt die Qualität der Wärmequelle die Einsatzmöglichkeiten und die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe.

Da die Nutzung der Luft als Wärmequelle aufgrund erheblicher Nachteile, wie beispielsweise große Apparatevolumina, akkustische Probleme, stark schwankende Außentemperaturen und der ausgeprägten Divergenz zwischen Heizleistung der Wärmepumpe und Heizenergiebedarf des Gebäudes noch erhebliche Schwierigkeiten bereitet, sind bereits einige Anwendungen bekannt, bei denen das Erdreich aufgrund seiner Temperaturkonstanz und hohen Wärmekapazität als Wärmequelle verwendet wird. Der Entzug der Wärme aus dem Erdreich erfolgt mit Hilfe von Wärmeübertragern, wobei grundsätzlich zwei Systeme unterschieden werden.
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Bei direkten Systemen werden die Wärmetauscher eines Verdampfers direkt im Erdreich verlegt und vom Kältemittel des Wärmepumpenkreislaufes durchströmt.

Bei indirekten Systemen erfolgt der Energietransport vom Boden zum Verdampfer der Wärmepumpe über einen Wärmeträger, der in im Erdreich verlegten Rohren strömt. Diese Rohre sind thermodynamisch mit dem Verdampfer der Wärmepumpe gekoppelt, so daß dem Wärmeträger die zur Verdampfung des Kältemittels erforderliche Wärmemenge entziehbar ist.

Bei den Wärmeübertragern werden Erdkollektoren und Erdsonden unterschieden. Die Erdkollektoren werden großflächig in vergleichsweise geringer Tiefe (zwischen einem und zwei Metern) im Erdreich verlegt. Erdwärmesonden, auch Wärmerohr oder Heatpipe genannt, werden vertikal oder schräg in den Boden eingebracht und erfordern daher eine wesentlich geringere Grundfläche als Erdkollektoren. Derartige Erdwärmesonden sind beispielsweise in der

[File:ANM\FK0108K1.DOC] Beschreibung^ 09.07.02

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DE 42 11 576 Al beschrieben. Bei dieser bekannten Lösung ist die Erdwärmesonde mit einem Kältemittel als Wärmeträger gefüllt, das im unteren Teil aufgrund der Erdwärme verdampft wird. Der Kältemitteldampf steigt auf und kondensiert im oberen, kalten Teil der Sonde. Die dabei freiwerdende Kondensationswärme wird zum Verdampfen des Kältemittels des Wärmepumpenkreislaufes verwendet. Das kondensierte Kältemittel der Sonde fließt dann wieder in den unteren Teil und wird dort wiederum verdampft - der innere Kreislauf der Erdwärmesonde ist geschlossen.

In der DE 298 24 676 wird ein Wärmerohr beschrieben, bei dem als Wärmeträger für das Wärmerohr an Stelle der Kältemittel FCKW, Ammoniak oder Kohlenwasserstoffe CO2 verwendet wird. Der wesentliche Vorteil von CO2 liegt zum einen in der guten Umweltverträglichkeit, so dass bei einer Leckage des Wärmerohrs keine Umweltgefährdung zu befürchten ist. Des Weiteren ist CO2 nicht brennbar, nicht giftig und weist ein gegenüber den herkömmlichen Kältemitteln

vernachlässigbares Treibhauspotenzial bei bestimmten prinzipiellen

Leistungsgrenzen auf.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Wärmerohr zu schaffen, das mit einer zufriedenstellenden Leistungszahl betreibbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Wärmerohr mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß hat das Wärmerohr ein Innenrohr, das von einem Außenrohr umgriffen ist. Der Ringmantel zwischen Innen- und Außenrohr bildet einen Strömungsraum für den kondensierten Teilstrom des Wärmeträgers, der an den Umfangswandungen als Flüssigkeitsfilm durch Schwerkraftwirkung nach unten strömt. In Gegenrichtung steigt der durch die Erdwärme verdampfte gasförmige Teilstrom im Innenrohr nach oben, so dass der strömende Gasstrom strömungstechnisch vom Kondensatstrom getrennt ist. Auf diese Weise kann sich der Flüssigkeitsfilm im Wesentlichen ungehindert bis zum unteren Ende des Wärmerohrs aufbauen, so dass die Gefahr einer Verringerung der Leistungszahl auf Grund einer Behinderung der Flüssigkeitsströmung minimal ist.

Bei einer besonders bevorzugten Variante ist das Innenrohr zumindest abschnittsweise mit Durchbrüchen versehen, die beispielsweise als Lochgitter oder als Schlitzformation ausgebildet sind. Über diese Durchbrüche kann die gasförmige Phase vom Ringraum in das Innenrohr eintreten, so dass sich der Flüssigkeitsfilm auch bei hohen Gasgeschwindigkeiten ungehindert aufbauen kann.

Zur Verbesserung der Wärmeaustauschleistung können an der Außenumfangsfläche des Außenrohrs Rippen ausgebildet werden, so dass die Wärmeaustauschfläche vergrößert ist.

[File:ANM\FK0108K1.DOC] Beschreibung, 09.07.02

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Das erfindungsgemäße Wärmerohr wird vorzugsweise mit CO2 als Wärmeträger, aber auch mit anderen verdampfbaren Stoffen betrieben.

Dem erfindungsgemäßen doppelwandigen Wärmerohr kann ein Wärmetauscher zugeordnet werden, dessen Eingang mit dem die dampfförmige Phase führenden Innenrohr und dessen Ausgang mit dem das Kondensat aufnehmenden Ringraum des Wärmerohr verbunden ist. Dieser Wärmetauscher steht dann seinerseits in Wirkverbindung mit einem Verdampfer eines Kältemittelkreislaufes.
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Prinzipiell ist es auch möglich, das Wärmerohr direkt, d.h. ohne den vorgenannten Wärmetauscher an einen Kältemittelkreislauf anzuschließen. In diesem Fall müssen geeignete Maßnahmen zur Erhaltung des Ölhaushaltes der Kälteanlage getroffen werden, wie zum Beispiel ein Absaugen des sich im unteren Bereich ansammelnden Öles zum Beispiel durch eine mechanische oder eine Dampf- oder Flüssigkeitsstrahlpumpe.

Der Wärmetauscher wird vorzugsweise als Platten-, Rohrbündel-, Koaxialoder Rohrschlangenwärmetauscher ausgeführt.
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Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.

Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Wärmepumpensystems mit einem erfindungsgemäßen Wärmerohr und

Figur 2 einen schematische Darstellung des Wärmerohrs aus Figur 1.

In Figur 1 ist schematisch ein Wärmepumpensystem 1 dargestellt, wie es beispielsweise für eine Heizanlage eines Wohnhauses eingesetzt werden kann. Bei einem derartigen Wärmepumpensystem wird ein Kältemittel über einen Verdichter 2 isentrop verdichtet und einem Wärmetauscher 4 zugeführt. In diesem Wärmetauscher 4 wird das verdichtete Kältemittel kondensiert wobei die Kondensationswärme im Wärmeaustausch mit der Umgebung zum Aufheizen eines Mediums oder der Umgebung ausgenützt wird. Das kondensierte Kältemittel wird in einer Drossel 6 oder einer Expansionsmaschine entspannt und in einem Verdampfer 8 verdampft, so daß am Ausgang des Verdampfers 8 wiederum der Ausgangszustand des Kältemittels vorliegt. Die für die Verdampfung des Kältemittels erforderliche Verdampfungswärme muß dem Verdampfer 8 extern zugeführt werden. Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt dies über ein Wärmerohr 10.

[File:ANM\FK0108K1.DOC] Beschreibung 09.07.02 . ; : .:

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Derartige Wärmerohre 10 sind prinzipiell bereits aus dem Stand der Technik bekannt, so daß hinsichtlich der Funktion und des Aufbaus auf die vorhandenen Literatur, beispielsweise auf die eingangs genannte DE 42 11 576 und die darin zitierte Literatur verwiesen wird.
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In Figur 2 ist eine schematisierte Schnittdarstellung eines Wärmerohrs 10 dargestellt, wie es bei dem vorbeschriebenen Wärmepumpensystem einsetzbar ist. Ein derartiges Wärmerohr 10 wird in Vertikalrichtung oder schräggestellt in das Erdreich 12 eingesetzt, wobei die wirksame Länge zwischen 5 und 25 Meter betragen kann. Besonders gute Ergebnisse konnten mit Wärmerohren mit einer Länge von 18 Metern erzielt werden. Für den Fall, dass besonders hohe Leistungen erfordert sind, können mehrere Wärmerohre parallel geschaltet werden.

Das Wärmerohr 10 ist gemäß Figur 2 als Doppelrohr ausgeführt und hat ein Außenrohr 14, das ein koaxial dazu angeordnetes Innenrohr 16 umgreift. Letzteres ist zumindest über einen Teilabschnitt mit Durchbrüchen versehen, wobei bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die Durchbrüche Radialbohrungen oder anders geformte Öffnungen 18 sind, die ein Lochgitter bilden. Außen- und Innenrohr 14, 16 begrenzen einen Ringraum 20, in dem das Kondensat 22 als Film nach unten strömt. Das Innenrohr 16 begrenzt einen Strömungsraum 24 für den verdampften Wärmeträger (dampfförmige Phase 26).

Der Ringraum 20 ist über eine Kondensatleitung 28 mit dem Ausgang eines Zwischenwärmetauschers 30 verbunden, während der Strömungsraum 24 über eine Dampfleitung 32 mit dem Eingang des Zwischenwärmetauschers 30 verbunden ist. In dem Zwischenwärmetauscher 30 wird die gasförmige Phase des Wärmeträgers kondensiert und die frei werdende Verdampfungsenthalpie im Verdampfer 8 des Kältemittelkreislaufs verwendet, um das Kältemittel zu verdampfen.

Prinzipiell ist es auch möglich, das Wärmerohr ohne Zwischenwärmetauscher direkt an den Kältemittelkreislauf anzuschließen, dabei sind jedoch geeignete Maßnahmen zur Erhaltung des Ölhaushaltes der Kälteanlage zu treffen.

Der Zwischenwärmetauscher kann in herkömmlicher Konstruktion, beispielsweise als Platten-, Rohrbündel- oder Koaxialwärmetauscher ausgeführt sein, es können auch eingebaute Rohrschlangen als Wärmetauscher verwendet werden.

Zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche können am Außenumfang des Außenrohrs 14 Rippen oder Lamellen ausgebildet sein.

Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Wärmeträger CO2 verwendet, das mit einem Druck von etwa 40 bar im Wärmerohr 10 aufgenommen ist. Auf Grund der Erdwärme wird das sich im Fuß 34 befindliche flüssige CO2 durch Wärmeübertragung mit dem umgebenden Erdreich verdampft. Der Dampf 26 steigt mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit in dem vom Innenrohr 16 begrenzten Strömungsraum 24 auf zum Kopf 36 und tritt über die

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Dampfleitung 32 in den Zwischenwärmetauscher 30 ein. Der Dampf wird durch Wärmeaustausch mit dem Kältemittel kondensiert und das Kondensat über die Kondensatleitung 28 in den Ringraum 20 eingeleitet. Das Kondensat strömt als Flüssigkeitsfilm an den Umfangswandungen des Ringraums nach unten zum Fuß 34 hin und wird dabei verdampft - der Wärmeträgerkreislauf im Inneren des Wärmerohrs ist geschlossen. Bei dieser Konstruktion wirkt die Innenumfangsfläche das Außenrohrs 14 als Wärmeaustauschfläche für eine Filmverdampfung, wobei die Filmverdampfungsstrecke durch die Länge des Wärmerohrs vorgegeben ist. Der Dampf kann durch die Radialbohrungen 18 in das Innenrohr 16 eintreten, so dass der Aufbau des Flüssigkeitsfilms nicht durch den in Gegenrichtung strömenden Dampf behindert wird. Das heißt, der Kondensatfilm kann sich ungehindert bis zum Fuß des Wärmerohrs aufbauen, ohne dass die Gasgeschwindigkeit den Film in der Länge durch den Dampf strom eingeschränkt. Dies ermöglicht es, das Wärmerohr 10 mit einer grösseren Länge auszuführen als beispielsweise bei Konstruktionen wie in der DE 298 24 676 oder dem deutschen Gebrauchsmuster DE 201 20 401.

[File:ANM\FK0108K1.DOC] Beschreibung, 09.07.02

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Bezuqszeichen liste

	1	Wärmepumpensystem
	2	Verdichter
5	3	Wärmetauscher
	6	Drossel
	8	Verdampfer
	10	Wärmerohr
	12	Erdreich
10	14	Außenrohr
	16	Innenrohr
	18	Radialbohrung
	20	Ringraum
	22	Kondensat
15	24	Strömungsraum
	26	dampfförmige Phase
	28	Kondensatleitung
	30	Zwischenwärmetauscher
	32	Dampfleitung
20	34	Fuß
	36	Kopf

[File:ANM\FK0108K1.DOC] Beschreibung, 09.07.02 .

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Claims

1. Wärmerohr mit einem Aufnahmeraum für einen Wärmeträger, der durch Erdwärme verdampfbar ist und durch Wärmeaustausch mit einer Wärmesenke kondensierbar ist, gekennzeichnet durch ein Innenrohr (16) und ein dieses umgreifendes Außenrohr (14), wobei der kondensierte Teilstrom (22) des Wärmeträgers im Wesentlichen im Ringraum (20) zwischen Außen- und Innenrohr (14, 16) und der dampfförmige Teilstrom im Wesentlichen im Innenrohr (16) geführt ist.

2. Wärmerohr nach Anspruch 1, wobei das Innenrohr (16) ganz oder zumindest abschnittsweise mit Durchbrüchen (18) versehen ist.

3. Wärmerohr nach Anspruch 2, wobei die Durchbrüche (I8) ein Lochgitter bilden.

4. Wärmerohr nach Anspruch 2, wobei die Durchbrüche Schlitze sind.

5. Wärmerohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Umfangsfläche des Außenrohrs (14) Rippen ausgebildet sind, die vorzugsweise in Rohrlängsrichtung verlaufen.

6. Wärmerohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmeträger CO₂ ist oder einen anderen verdampfbaren Stoff enthält.

7. Wärmerohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Zwischenwärmetauscher (30), dessen Eingang mit dem Innenrohr (16) und dessen Ausgang mit dem Ringraum (20) verbunden ist.

8. Wärmerohr nach Anspruch 7, wobei der Zwischenwärmetauscher (30) ein Platten-, Rohrbündel-, Koaxial- oder Rohrschlangenwärmetauscher ist.

9. Wärmerohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Wärmerohre mit Innen- und Außenrohr (16, 14) parallel geschaltet sind.