DE2825684A1 - Waermetauscher zur entnahme von waerme aus einem umgebungsmedium fuer ein waermepumpensystem - Google Patents

Description

Patentanwalt Dr. jur. JOACHIM SANDMANN, Dipl.-Ing. 8O14 Neubiberg, Rathausplatz 18, Telefon CO89D 6O 38 oo

Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung Mein Zeichen: 1871

AnmelderCln): Dipl.-Phye. Alfred Seeger

Beschreibung betreffend

Wärmetauscher zur Entnahme von Wärme aus einem Umgebungsmedium für ein Wärmepumpenaystem.

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Entnahme von Wärme aus einem Umgebungsmedium für ein Wärnepumpensysten, mit einer vom zu verdampfenden Kältemittel oder einer mit dem Kältemittel in Wärmeaustausch tretenden Wärmeträgerflüssigkeit durchströmten Rohrleitung, die sich durch das Umgebungsmedium erstreckt.

Bekanntlich wird bei einem Wärmepumpensystera ein im Kreislauf geführtes Kältemittel in einem Verdampfer verdampft, auf einen höheren Druck verdichtet, in einem Verflüssiger verflüssigt und dann in einem Expansionsventil auf den Verdampfungsdruck entspannt. Dabei wird vom Kältemittel im Verdampfer Wärme aufgenommen, und zwar bei einem niedrigeren Temperaturniveau von beispielsweise 10 C, während im Verflüssiger die Wärme bei höherem Temperaturniveau von beispielsweise 60 C wieder abgegeben wird. Auf diese Weise kann die in eine« Umgebungsmedium wie der Luft,des Erdreich oder einem Gewässer vorhandene Wärme zur Erzeugung beispielsweise von heißem Wasser genutzt werden. Brennstoffe oder elektrische Energie werden nicht verbraucht, abgesehen von des vergleicheweise geringen Energieverbrauch für die Ver dichtung und Umwälzung des Kältemittels.

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Trotz dieser Vorteile und der allgemeinen Energieverknappung haben sich Wärmepumpenanlagen, die den Energiebedarf privater Haushalte zu einem großen Teil decken könnten, bisher nicht in dem zu erwartenden Umfang durchgesetzt. Dieses dürfte auf die Anlagekosten und insbesondere darauf zurückzuführen sein, daß die Entnahme von dem Verdampfer des Kältemittelkreislaufs zuzuführender Umgebungswärme bisher in zu aufwendiger Weise erfolgt. Ob der Verdampfer nun direkt vom Umgebungsmedium erwärmt wird und somit den Wärmetauscher zur Entnahme von Umgebungswärme bildet oder aber wie bei der Nutzung der Erdreichwärme üblich durch einen zusätzlichen Kreislauf mit einem im Boden verlegten Wärmetauscher erwärmt wird, stets ist ein Wärmetauscher mit vergleichsweise großer Oberfläche erforderlich, damit in ausreichendem Maße Wärme zum Verdampfen des Kältemittels zugeführt werden kann. Dabei wirkt es sich ungünstig aus, daß im Betrieb die Temperaturdifferenz zwischen der warmen und der kalten Seite des Wärmetauschers abnimmt, weil sich das dem Wärmetauscher benachbarte Umgebungsmedium abkühlt und Wärme aus dem Umgebungsmedium nicht in der zu wünschenden Weise bzw. schnell genug nachgeführt wird. Insoweit kann zwar bei Luft und Wasser als Umgebungseedium durch Zwangsumwälzung ein verbesserter Wärmeaustausch herbeigeführt werden, dadurch werden jedoch ein Ventilator bzw. eine Umwälzpumpe in Verbindung mit Strömungsführungen erforderlich, wobei dieser'Aufwand die Wirtschaftlichkeit gerade kleinerer Wärmepumpenanlagen entscheidend berühren kann.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art so auszubilden und anzuordnen, daß sich eine günstigere Relation zwischen der Wärmeaustauschleistung und dem Aufwand bzw. der Wärmetauschergröße ergibt.

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Diese Aufgabe wird beim Wärmetauscher der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Rohrleitung in ein Bett aus kornförmigem Kohlenstoff—Koks eingebettet ist, das seinerseits in Wärmekontakt zum Umgebungsmedium angeordnet ist.

Koks ist ein billiger Werkstoff, der sich leicht in die gewünschte Korngröße (Kokssand) überführen läßt, der gut tranportabel ist und sich unter guter Anlage beispielsweise an das Erdreich in ein ausgehobenes Boden loch schütten läßt. Es stellt auch keinen wesentlich erhöhten Aufwand dar, wenn das Koksbett in einen Kasten oder dergleichen eingefüllt wird, der in Wasser oder Luft als Umgebungswärmequelle getaucht wird. Dabei kann infolge der Hohlräume im Schüttbett und der Poren des Kokses Wasser und/oder Luft gut in das Schüttbett eindringen, so daß sich ein guter Wärmeübergang zwischen dem Umgebungsmedium und dem Koksbett ergibt.

Der spezifische Vorteil des Koksbetts resultiert daraus, daß wegen der guten Wärmeleitfähigkeit von Kohlenetoff-Koks bzw.Graphit in Verbindung mit seiner vergleichsweise hohen Speicherkapazität der Wärmeübergang zur Rohrleitung bzw. Rohrschlange des Wärmetauschers beträchtlich erhöht wird. An dieser Stelle besteht insbesondere bei den ohne Zwangsumwälzung betriebenen bekannten Anlagen mit direktem Kontakt zwischen der Rohrleitung und dem Umgebungsmedium ein Wärmeleitengpaß, da die allseitig zuströmende Wärme die vom Medium selbst gebildete Querschnittsfläche unmittelbar außerhalb der Rohrleitung passieren muß. Die gute Leitfähigkeit des Kokses vermindert hier den thermischen Wärmeübergangswiderstend, und die hohe WÄrmespeicherkapazitÄt wirkt sich deswegen vorteilhaft aus, weil die während der Betriebsphasen zu entziehende VMaeatng« vollständig bzw. in größerem Umfang als bei den bekannten Anlagen nahe der Rohrleitung vorhanden ist, was eine schnellere WKraenachführunf bedeutet. Insbesondere auch in

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den. Stillstandszeiten der ¥ärmepurapenanlage wird das Koksbett wieder auf die Temperatur des Umgebungsmediums aufgewärait, wozu die große Kontaktfläche zwischen dem Koks und dem Umgebungsmedium beitragen. Dabei führt die Wärmespeicherung im Koksbett auch zu einem Ausgleich hinsichtlich Schwankungen der Temperatur des Umgebungsmediums, also insbesondere beim Umgebungsmedium Luft. Hier wirkt sich auch die Speicherkapazität dahingehend aus, daß nicht während der Betriebsphasen zur Erzielung der erforderlichen Leistung große Luftmengen am Wärmetauscher vorbeibewegt werden müssen, so daß bei Verwendung eines Ventilators dieser klein ausgelegt werden kann.

Der Aufwand für den erfindungsgemäßen Wärmetauscher ist auch deswegen besonders gering, weil das auf Umgebungstemperatur zu bringende bzw. zu haltende Koksbett weder eine Wärmeisolierung noch eine Feuchtigkeitsisolierung erfordert. Es kann sogar vorteilhaft sein, wenn Oberflächenwasser in ein im Erdboden verlegtes Koksbett oder wenn Regenwasser in ein von Luft umgebenes Koksbett eindringt. Dabei wird mit dem Wasser nicht nur dem Koksbett Wärme zugeführt, darüber hinaus erhöht das eingedrungene Wasser die Speicherkapazität und die Wärmeleitfähigkeit des Bettes.

Die vorstehend beschriebenen Umstände führen zu einer erhöhten Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers, so daß mit einer vergleichsweise kurzen Rohrleitung bzw. Rohrschlange mit entsprechend verminderter Oberfläche gearbeitet werden kann. Dieses führt zu einer Verringerung des Aufwandes und erhöht die Einsatzmöglichkeiten. Beispielsweise kann bei einer Verlegung der vergleichsweise kurzen Rohrleitung im Erdboden diese den Verdampfer für das Kältemittel der Wärmepumpe bilden, so daß ein zusätzlicher Kreislauf mit einem Wärmetauscher entfallen kann.

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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Rohrleitung des Wärmetauschers in einer Schicht aus feinkörnigem Kokssand angeordnet, die von gröberem Koks umgeben ist. Durch die der Feinkörnigkeit entsprechende größere Schüttdichte des Kokses im der Rohrleitung unmittelbar benachbarten Bereich wird der thermische Wärmeübergangswiderstand an dieser Stelle weiter vermindert.

Ferner ist es von Vorteil, wenn das Koksbett der direkten Sonnenbestrahlung ausgesetzt ist. Dadurch kann die Sonnenenergie zusätzlich als Wärmequelle genutzt werden. Es hat sich nämlich gezeigt, daß eine Schüttung aus kornförmigera Kohlenstoff-Koks, der eine schwarze Farbe aufweist, Sonnenstrahlen in einem unerwartet hohen Maße absorbiert, was auf die durch die Schütthohlräume und Poren im Koks zurückzuführende in die Tiefe gehende große Oberfläche für die Sonnenstrahlen zurückzuführen ist.

Zweckraäßigerweise ist dem Koksbett ein Ventilator zum Durchströmen mit Umgebungsluft zugeordnet. Hierbei kann mit einem vergleichsweise kleinen Ventilator ein vergleichsweise großer Effekt erzielt werden, weil die durch das Koksbett angesaugte Luft in innigen Kontakt mit dem Koks tritt und daher ein guter Wärmeaustausch stattfindet, wobei im Hinblick auf die Speicherfähigkeit des Koksbettes der Luft auch dann Wärme entzogen werden kann, wenn die Wärmepumpe außer Betrieb ist. Die Aufwärmung des Koksbettes kann aber auch ohne Ventilator durch Luftkonvektion erfolgen.

Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsfor«, bei der das Koksbett in gleichzeitigem Wärmekontakt zu zwei oder Mehreren Umgebungsmedien steht. So kann beispielsweise das Koksbett mit freiliegender Oberfläche in den Erdboden eingelassen sein, so daß ihn sowohl Erdwärme wie Sonnenenergie

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zugeführt wird. In diesem Falle kann ggf. auch noch. Regenwasser und Oberflächenwasser bzw. Grundwasser in das Koksbett eindringen und ihm dadurch Wärme zuführen. Ferner besteht die Möglichkeit, zusätzlich mittels an der Unterseite des Koksbettes verlegten Rohren mit Ansaugöffnungen und mit einem Ventilator auch noch Luft durch das Koksbett zu leiten. Es ist ersichtlich, daß somit das erfindungsgemäße Koksbett die Möglichkeit schafft, Wärme aus verschiedenen Umgebungstaedien zu entziehen, wodurch eine größere Unabhängigkeit von den einzelnen Umgebungsmedien erzielt wird und der Wärmetauscher nicht für die ungünstigsten Verhältnisse bei einem Umgebungsmedium wie beispielsweise die Lufttemperatur im Winter ausgelegt werden muß.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 in einem Vertikalschnitt einen im Erdboden verlegten Wärmetauscher;

Fig. 2 in einem Vertikalschnitt einen Wärmetauscher, der in einem Gewässer angeordnet ist, und

Fig. 3 in einem Vertikalschnitt einen Wärmetauscher, der im Abstand über dem. Erdboden angeordnet ist und von Luft durchströmt wird.

Gemäß Fig. 1 ist aus dem Erdboden 1 ein flaches Erdlooh 2 ausgehoben, das den Wärmetauscher 3 aufnimmt, der aus einem in das Erdloch 2 geschütteten Kokebett k besteht, in das eine Rohrleitung 5 eingebettet ist. Diese Rohrleitung 5 kann eine spiralförmige Rohrschlange sein, die sich in einer im wesentlichen waagerechten Ebene in der Mitte zwischen der Unterseite

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und der Oberseite des Koksschüttbetts h erstreckt. Die Rohrleitung 5 kann aber auch im wesentlichen aus parallelen Rohrleitungsabschnitten 5 bestehen, die sich zwischen einer Verteilerleitung und einer Sammelleitung erstrecken, welche die nicht dargestellten Anschlüsse des Wärmetauschers 3 aufweisen.

Wie angedeutet ist das Bett h in drei Schüttschichten unterteilt, und zwar eine untere Schicht 6 und eine obere Schicht aus gröberem Koks, die eine mittlere Schicht 7 aus feinkörnigem Kokssand einschließen, welche die Rohrleitung 5 aufnimmt. Es ist nicht erforderlich, daß zwischen den Schichten 6, 7 und 8 scharfe Trennebenen ausgebildet sind, da es im wesentlichen nur darauf ankommt, durch Verwendung von feinkörnigem Koks bzw. Kokssand die Schüttdichte in unmittelbarer Nähe rings ua die Rohrleitung 5 zu erhöhen.

Die Rohrleitung 5, die in Vergleich zu bekannten Erdreich-Wärmetauschern eine geringe Länge aufweist und infolge der Einbettung in Koke in geringem Abstand unterhalb der Bodenoberfläche relativ gut zugänglich bleibt, kann ggf. direkt den Verdampfer eines Wärmepumpensystens bilden und dementsprechend aus gegenüber dem Kältemittel beständigem Material wie Kupfer hergestellt sein. Andererseits besteht auch die Möglichkeit, die Rohrleitung 5 mit Wasser als Wärmeträgerflüssigkeit zu durchströmen, die dem getrennt ausgeführten und angeordneten Verdampfer des Wärimipumpensystems die dem Schüttbett h bzw. dem Erdreich entzogene Wärme zuführt. Die Rohrleitung kann auch aus vergleichsweise billigem Werkstoff wie Polyvinylchlorid (PVC) bestehen, wobei eine schlechter· Wärmeleitfähigkeit dieses Werkstoffs wegen des •rfindungsgemäQ verbesserten Wärmeaustausche· in Kauf genommen werden kann.

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Gemäß Fig. 2 ist in das als Wärmequelle bzw. Umgebungsmedium genutzte Wasser 11 eines kleinen Sees, Baches oder dergleichen ein Kasten 12 untergetaucht, der den Wärmetauscher aufnimmt, der aus einem Koksschüttbett \k besteht, in das eine Rohrleitung 15 eingebettet ist, die in zwei Schichten übereinander angeordnet ist und deren Enden in zwei Anschlußleitungen 16 und 17 übergehen, die aus dem Wasser herausfuhren. Wie angedeutet ist in diesem Falle ein Koks von im wesentlichen einheitlicher Körnung verwendet.

Der Kasten 12 besteht aus einem Umfangsrahmen 19 etwa in Höhe des Schüttbetts 1*l· und aus einem Boden in Form einer ■Lochplatte 20, wobei die Lochdurchmesser so gegenüber der Kokskorngröße dimensioniert sind, daß die einzelnen Koksstücke im Kasten 12 zurückgehalten werden. Die Oberseite des Kastens 12 ist durch ein entsprechend feinmaschiges Drahtgeflecht abgedeckt, so daß Koksverluste nicht zu befürchten sind. Wie dargestellt stützt sich der Kasten 12 auf Füßen 22 und 23 am Boden des Gewässers ab. In Anpassung an den Verlauf des Gewässerbodens können die Füße unterschiedlich lang und ggf. längeneinstellbar sein, so daß die Obersaite des Kastens 12 bzw. Wärmetauschers 13 im wesentlichen »it dem Wasserspiegel zusammenfällt. Diese Maßnahme ist nicht nur deswegen von Vorteil, weil die Wassertemperatur infolge thermischer Schichtung im allge-

meinen an der Oberfläche am größten ist, darüber hinaus kann das Koksbett ΛΗ auch durch direkte Sonnenbestrahlung aufgewärmt werden. Insbesondere bei flachen Gewässern . kann jedoch auf eine besondere Abstützung verzichtet werden und dar Kasten 12 direkt auf dem Gewässerboden aufliegen. Sine gewisse Schrägstellung des Kastans ist dabei unschädlich, jedoch müssen übermäßige Belastungen der Rohrleitung 15 bzw. ihrer Anschlußleitungen 16 und 17 vermieden werden, damit es nicht zu Leitungsbrüchen und Undichtigkeiten kommt.

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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 wird im wesentlichen Luft 31 ^al^s värmelieferndes Umgebungsmedium benutzt, ggf. neben direkter Sonnenbestrahlung und Regenwasserwärme. Es ist ein Kasten 32 vorgesehen, der den Wärmetauscher 33 aufnimmt, der wiederum aus einem Koksbett 3^ besteht, in das eine Rohrleitung 35 eingebettet ist.

Der Kasten 32 besteht aus einem geschlossenen Umfangsrahmen 39. der auf dent Erdboden aufsteht und an seinem Innenumfang im Abstand über de« Erdboden einen Auflageflansch aufweist, auf dem eine Lochplatte hO aufliegt, die das Bett 3k trägt. Die Lochplatte kO kann durch zusätzliche Stützen k2 abgestützt sein.

In die i« wesentlichen luftdicht auf dem Boden aufstehende Umfangswand 39 ist unterhalb des Auflageflansches eine Öffnung angebracht, in die ein von eines Elektromotor hh angetriebener Ventilator h$ "t±t einem Ventilatorstutzen 46 eingebaut ist. Der Ventilator k5 bläst die Luft nach außen, so daß während seines Betriebs Luft von oben nach unten durch das Koksbett 3k angesaugt wird.

- Ansprüche -

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Claims (3)

Patentanwalt Dr. jur. J OAC rl· M SANDMANN, Dipl.-Ing. 8014 Neubiberg, Rathausplatz 18, Telefon (Ό89}6Ο38ΟΟ Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung Mein Zeichen: I87I AnmelderfirO: Dipl.-Phys. Alfred Seeger Ansprüche

1. Wärmetauscher zur Entnahme von Wärme aus einen Umgebungsmedium für ein Wärmepumpensystem, mit einer von zu verdampfenden Kältemittel oder einer mit dem Kältemittel in Wärmeaustausch tretenden Wärmeträgerflüssigkeit durchströmten Rohrleitung, die sich durch das Umgebungsmedium erstreckt, dadurch gekennzeichnet , daß die Rohrleitung (5, 15, 35) in ein Bett (h, lU, 3^) aus kornförmigem Kohlenstoff-Koks eingebettet ist, das seinerseits in Wärmekontakt zum Umgebungsmedium (1, 11, 31) angeordnet ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzei eh. net, daß die Rohrleitung (5) des Wärmetauschers (3) in einer Schicht (7) aus feinkörnigem Kokssand angeordnet ist, die von gröberem Koks (Schichten 6, 8) umgeben ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Koksbett (h, 1U, Jk) der direkten Sonnenbestrahlung ausgesetzt ist.

h. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß dem Koksbett (3*0 ein Ventilator (U5) zu« Durchströmen mit Umgebungsluft (31) zugeordnet ist.

5· Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet , daß das Kokabett (U, 1U, 3k) in gleichseitigem Wärmekontakt au zwei oder mehreren Umgebunga«*dien (1, 11, 31) steht.

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