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WO2004111559A1 - Vorrichtung zum erwärmen eines im kreislauf einer wärmepumpe geführten kältemittels - Google Patents

Vorrichtung zum erwärmen eines im kreislauf einer wärmepumpe geführten kältemittels Download PDF

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WO2004111559A1
WO2004111559A1 PCT/AT2004/000206 AT2004000206W WO2004111559A1 WO 2004111559 A1 WO2004111559 A1 WO 2004111559A1 AT 2004000206 W AT2004000206 W AT 2004000206W WO 2004111559 A1 WO2004111559 A1 WO 2004111559A1
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condenser
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refrigerant
jacket
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Karl Mittermayr
Klemens Mittermayr
Dominik Mittermayr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24T10/10—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground
    • F24T10/13—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground using tube assemblies suitable for insertion into boreholes in the ground, e.g. geothermal probes
    • F24T10/15—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground using tube assemblies suitable for insertion into boreholes in the ground, e.g. geothermal probes using bent tubes; using tubes assembled with connectors or with return headers
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    • F25B30/06—Heat pumps characterised by the source of low potential heat
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/10—Geothermal energy

Definitions

  • the invention relates to a device for heating a refrigerant conducted in the circuit of a heat pump with a probe tube which can be inserted into the ground and forms an evaporator for a heat carrier and with a condenser connected to the upper end of the probe tube, comprising an inner jacket and an outer jacket, the heat carrier of the probe tube flows through the inner jacket and the refrigerant flows through the annular space between the inner and the outer jacket.
  • the object of the invention is therefore to improve a device for heating a refrigerant of the type described at the outset in such a way that the heating of the refrigerant is not essentially shaped by the length of the condenser.
  • a small size of the capacitor is to be made possible and simple constructional relationships are to be created for inexpensive manufacture of the device.
  • the invention achieves the stated object in that the inner jacket of the condenser, which preferably has a straight axis, is divided at least in sections by chambers which form parallel flow paths for the heat transfer medium. If the inner jacket of the condenser is divided at least in sections by chambers which form parallel flow paths for the heat transfer medium, then the inner tube has further condensation surfaces for giving off heat to the inner tube. However, it is essential that the parallel flow paths of the heat transfer medium are not hindered in their flow, so that with a higher circulation quantity of the heat transfer medium in the probe tube, more heat can also be extracted from the ground.
  • This device therefore achieves the same efficiency compared to the prior art with a shorter overall length of the condenser, or can heat the refrigerant of the heat pump higher with the same length of the condenser.
  • This also means that additional devices in the refrigerant circuit can advantageously be dispensed with if the refrigerant is to be heated to a high degree, which results in a great cost advantage.
  • the chambers thermally connected to the inner tube have a particularly good thermal conductivity to the inner tube cooled by the refrigerant, so that more heat energy can be extracted from the heat transfer medium.
  • the device is therefore not only characterized by high efficiency, but it is also possible due to the reduced length of the condenser to provide the inner jacket of the condenser with a straight axis, which further reduces the flow resistance for the heat transfer medium. This also creates simple conditions for relocating the device and also reduces the effort required to manufacture the device and thus the costs.
  • the efficiency of the condenser is further increased because the refrigerant has a larger surface area on the inner tube.
  • Fig. 1 is a partially broken view of the device inserted into the ground.
  • Fig. 2 shows a section of the device along the line M-II in a plan view
  • Fig. 3 shows a schematic section through a preferred embodiment of the invention
  • Fig. 4 shows a section according to AA in Fig. 3.
  • FIGS. 1 and 2 of the device for heating a refrigerant filled in the circuit of a heat pump has one in the ground 1 inserted probe tube 2.
  • the probe tube 2 is connected at its upper end to a condenser 3, which consists of a tubular inner jacket 4 and a tubular outer jacket 5, the refrigerant of the heat pump to be heated being guided in the annular space between the inner and outer jacket 4 or 5.
  • the part of the probe tube 2 inserted into the ground 1 forms an evaporator for a heat transfer medium which can be filled in via a valve 6 at the upper end of the probe tube 2.
  • the heat transfer medium rising from the evaporator of the probe tube reaches the condenser 3 in the upper end region of the probe tube 2, the condenser 3 connecting laterally to the probe tube 2.
  • the inner jacket 4 of the condenser 3 Due to the refrigerant, the inner jacket 4 of the condenser 3 has a temperature difference that is comparatively large compared to the heat transfer medium, so that there
  • the heat transfer medium condenses and releases its heat to the refrigerant.
  • the inner jacket 4 is through
  • the flow resistance of the heat transfer medium can thus be kept comparatively low, the flow resistance also being reduced by a straight axis or course of the inner jacket 4 of the condenser 3 compared to known condensers.
  • the chambers 8 of the inner jacket 4 are formed by tubes 8 inserted into the inner jacket 4, which reduces the construction costs of the condenser 3.
  • Radially projecting heat-conducting ribs 9 are provided on the inner surface 4 of the condenser 3, as a result of which the heat transfer to the refrigerant is improved.
  • the inner jacket 4 and the outer jacket 5 of the device are formed by tubes, in particular copper tubes.
  • the tubes forming the chambers 8 of the inner jacket 4 are advantageously also formed by copper tubes. These pipes are thermally connected to the inner pipe.
  • the tubes lie against the inner wall of the inner jacket 4 and against one another. The better the heat transfer, the better this is for the function or the efficiency of the device.
  • the chambers 8 or the chambers formed by the inner wall and outer wall surfaces of the tubes extend in the longitudinal direction of the inner jacket or the tube forming the same.
  • the tubes inserted into the inner jacket 4 are inserted with the formation of at least one snug fit, preferably a press fit. At least 3 pipes are used in the inner jacket 4.
  • Probe tube 2 in which it evaporates again by the external heat supply.
  • the refrigerant is led through the tube forming the outer jacket 5 via connections 10.
  • This tube surrounds the straight probe tube 2, on or with which the heat conducting fins 9 are connected or arranged.
  • the tube area of the probe tube 2 located in the area of the outer jacket forms the inner jacket 4 of the condenser and is cooled by the refrigerant.
  • Inside the probe tube 2 or its inner jacket 4 there are chambers or tubes 8 defining the flow paths 7.
  • the construction of the condenser according to FIGS. 1 and 3 is comparable. 1, the inner jacket 4 is formed by a branch 12 or a connecting tube 12, which is connected to the probe tube 2 with the two end regions in a heat-conducting manner. 3, the inner jacket 4 is formed by the probe tube 2 itself.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Erwärmen eines im Kreislauf einer Wärmepumpe geführten Kältemittels mit einem in ein Erdreich (1) einsetzbaren und einen Verdampfer für einen Wärmeträger bildenden Sondenrohr (2) und mit einem an das obere Ende des Sondenrohrs (2) angeschlossenen Kondensator (3), aus einem Innenmantel (4) und einem Außenmantel (5), wobei der Wärmeträger des Sondenrohrs (1) den Innenmantel (4) und das Kältemittel den Ringraum zwischen dem Innen- und dem Außenmantel (4 bzw. 5) durchströmt. Um einfache Konstruktionsverhältnisse zu schaffen wird vorgeschlagen, dass der vorzugsweise eine gerade Achse aufweisende Innenmantel (4) des Kondensators (3) zumindest abschnittsweise durch Kammern (8) unterteilt ist, die parallele Strömungswege (7) für den Wärmeträger bilden.

Description

Vorrichtung zum Erwärmen eines im Kreislauf einer Wärmepumpe geführten Kältemittels
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen eines im Kreislauf einer Wärmepumpe geführten Kältemittels mit einem in ein Erdreich einsetzbaren und einen Verdampfer für einen Wärmeträger bildenden Sondenrohr und mit einem an das obere Ende des Sondenrohrs angeschlossenen Kondensator, aus einem Innenmantel und einem Außenmantel, wobei der Wärmeträger des Sondenrohrs den Innenmantel und das Kältemittel den Ringraum zwischen dem Innen- und dem Außenmantel durchströmt.
Um das bei Wärmepumpen in einem Kreislauf geführte Kältemittel erwärmen zu können, ist es bekannt (DE 201 20 401 U1 ), im Kreislauf der Wärmepumpe eine Vorrichtung vorzusehen, die mit Erdwärme das Kältemittel beaufschlagt. Diese Vorrichtung entzieht hiezu über ein Sondenrohr dem Erdreich Wärme und gibt diese Wärme über einen an das Sondenrohr angeschlossenen Kondensator an das Kältemittel ab. Damit nun der Kondensator eine hohe Wärmeübertragung auf das Kältemittel gewährleistet, sind nach dem Stand der Technik derartige Kondensatoren vergleichsweise lang ausgebildet und bestehen für eine geringe Baugröße aus einem spiralförmig gewickelten Innen- und Außenrohr. Zwar kann damit der Wärmeübergang vom Wärmeträger auf das Kältemittel verbessert werden, jedoch hat sich überraschender Weise gezeigt, dass mit einer zunehmenden Länge des Kondensators eine geringere Erwärmung des Kältemittels auftritt. Derartige Vorrichtungen sind daher in ihrer maximalen Wärmeübertragung beschränkt, sodass für eine geforderte hohe Erwärmung des Kältemittels mehrere Vorrichtungen in den Kältemittelkreislauf eingebracht werden müssen, was insbesondere aufgrund des Vorsehens von weiteren Sondenrohren im Erdreich kostenintensiv ist.
Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zum Erwärmen eines im Kreislauf einer Wärmepumpe geführten Kältemittels der eingangs geschilderten Art so zu verbessern, dass die Erwärmung des Kältemittels nicht im Wesentlichen von der Länge des Kondensators geprägt ist. Außerdem soll eine geringe Baugröße des Kondensators ermöglicht sowie einfache Konstruktionsverhältnisse für eine kostengünstige Herstellung der Vorrichtung geschaffen werden.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass der vorzugsweise eine gerade Achse aufweisende Innenmantel des Kondensators zumindest abschnittsweise durch Kammern unterteilt ist, die parallele Strömungswege für den Wärmeträger bilden. Ist der Innenmantel des Kondensators zumindest abschnittweise durch Kammern unterteilt, die parallele Strömungswege für den Wärmeträger bilden, so weist das Innenrohr weitere Kondensationsflächen zur Abgabe an Wärme an das Innenrohr auf. Wesentlich ist jedoch, dass mit den parallelen Strömungswegen der Wärmeträger nicht in seiner Strömung behindert wird, sodass mit einer höheren Zirkulationsmenge des Wärmeträgers im Sondenrohr auch mehr Wärme dem Erdreich entzogen werden kann. Diese Vorrichtung erreicht daher gegenüber dem Stand der Technik mit einer geringeren Baulänge des Kondensators den gleichen Wirkungsgrad, oder kann mit der selben Länge des Kondensators das Kältemittel der Wärmepumpe höher erwärmen. Womit auch auf vorteilhafte Weise bei einer geforderten hohen Erwärmung des Kältemittels auf zusätzliche Vorrichtungen im Kältemittelkreislauf verzichtet werden kann, was einen großen Kostenvorteil mit sich bringt. Hinzu kommt, dass die mit dem Innenrohr thermisch verbundenen Kammern eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit zum vom Kältemittel gekühlten Innenrohr aufweisen, sodass dem Wärmeträger mehr Wärmeenergie entzogen werden kann. Die Vorrichtung zeichnet sich daher nicht nur durch einen hohen Wirkungsgrad aus, sondern es ist auch aufgrund der verringerten Länge des Kondensators möglich, den Innenmantel des Kondensators mit einer geraden Achse zu versehen, was weiter den Strömungswiderstand für den Wärmeträger vermindert. Auch entstehen dadurch einfache Verhältnisse für ein Verlegen der Vorrichtung sowie ist auch der Aufwand zur Herstellung der Vorrichtung und damit die Kosten hiefür geringer.
Einfache Konstruktionsverhältnisse zur Herstellung der Vorrichtung ergeben sich weiter dadurch, dass die Kammern durch in den Innenmantel eingesteckte Rohre gebildet werden.
Mit auf der Außenfläche des Innenmantels des Kondensators radial abstehenden Wärmeleitrippen wird weiters der Wirkungsgrad des Kondensators vergrößert, weil eben dem Kältemittel eine größere Oberfläche am Innenrohr zur Verfügung steht.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 eine teilweise aufgerissenen Ansicht der in das Erdreich eingesetzten Vorrichtung Fig. 2 einen Schnitt der Vorrichtung nach der Linie M-Il in einer Draufsicht, Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung und Fig. 4 einen Schnitt gemäß A-A in Fig. 3.
Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Erwärmen eines im Kreislauf einer Wärmepumpe gefüllten Kältemittels weist ein in das Erdreich 1 eingesetztes Sondenrohr 2 auf. Das Sondenrohr 2 ist an seinem oberen Ende mit einem Kondensator 3 verbunden, der aus einem rohrförmigen Innenmantel 4 und einem rohrförmigen Außenmantel 5 besteht, wobei im Ringraum zwischen dem Innen- und Außenmantel 4 bzw. 5 das zu erwärmende Kältemittel der Wärmepumpe geführt wird. Der in das Erdreich 1 eingesetzte Teil des Sondenrohrs 2 bildet einen Verdampfer für einen Wärmeträger, der über ein Ventil 6 am oberen Ende des Sondenrohrs 2 einfüllbar ist. Der vom Verdampfer des Sondenrohrs aufsteigende Wärmeträger gelangt im oberen Endbereich des Sondenrohrs 2 in den Kondensator 3, wobei der Kondensator 3 seitlich am Sondenrohr 2 anschließt.
Es ist aber auch denkbar, den Kondensator 3 in Verlängerung des Sondenrohrs 2 vorzusehen, so wie dies in Fig. 3 und 4 dargestellt ist.
Der Innenmantel 4 des Kondensators 3 weist aufgrund des Kältemittels eine zum Wärmeträger vergleichsweise große Temperaturdifferenz auf, sodass dort im
Wesentlichen der Wärmeträger kondensiert und seine Wärme an das Kältemittel abgibt.
Zur Erhöhung der Kondensationsrate des Wärmeträgers ist der Innenmantel 4 durch
Kammern 8 unterteilt, welche Kammern 8 parallele Strömungswege 7 für den
Wärmeträger ausbilden. Damit kann auf vorteilhafte Weise der Strömungswiderstand des Wärmeträgers vergleichsweise gering gehalten werden, wobei der Strömungswiderstand auch durch eine gerade Achse bzw. Verlauf des Innenmantels 4 des Kondensators 3 gegenüber bekannten Kondensatoren vermindert wird.
Die Kammern 8 des Innenmantels 4 werden durch in den Innenmantel 4 eingesteckte Rohre 8 gebildet, was den Bauaufwand des Kondensator 3 verringert.
Am Innenmantel 4 des Kondensators 3 sind an seiner Außenfläche radial abstehende Wärmeleitrippen 9 vorgesehen, wodurch der Wärmeübergang auf das Kältemittel verbessert ist.
Der Innenmantel 4 und der Außenmantel 5 der Vorrichtung werden von Rohren, insbesondere Kupferrohren, gebildet. Die die Kammern 8 des Innenmantels 4 ausbildenden Rohre sind vorteilhafterweise ebenfalls von Kupferrohren gebildet. Diese Rohre stehen mit dem Innenrohr thermisch in Verbindung. Die Rohre liegen an der Innenwand des Innenmantels 4 und aneinander an. Je besser der Wärmeübergang ist, umso besser ist dies für die Funktion bzw. den Wirkungsgrad der Vorrichtung. Die Kammern 8 bzw. die von den Innenwand- und Außenwandflächen der Rohre gebildeten Kammern erstrecken sich in Längsrichtung des Innenmantels bzw. des diesen bildenden Rohres.
Die in den Innenmantel 4 eingefügten Rohre werden unter Ausbildung zumindest eines Passsitzes, vorzugsweise eines Presssitzes eingefügt. Es werden in den Innenmantel 4 zumindest 3 Rohre eingesetzt.
Durch die nebeneinander liegenden Kammern 8 steigt das im unteren Bereich bzw. im Bodenbereich der Sonde verdampfende CO2 in den oberen Bereich des Sondenrohres
2 und wird in dem Bereich, in dem sich die eingesetzten Rohre bzw. Kammern 8 befinden, durch das diesen Bereich des Sondenrohres 2 umspülende Kältemittel abgekühlt, bis es kondensiert. Das Kondensat tropft in den unteren Bereich des
Sondenrohres 2 ab, in welchem es wieder durch die von außen erfolgende Wärmezufuhr verdampft.
Entsprechend Fig. 3 wird über Anschlüsse 10 das Kältemittel durch das den Außenmantel 5 bildende Rohr geführt. Dieses Rohr umgibt das gerade Sondenrohr 2, auf dem bzw. mit dem die Wärmeleitrippen 9 verbunden bzw. angeordnet sind. Der im Bereich des Außenmantels befindliche Rohrbereich des Sondenrohres 2 bildet den Innenmantel 4 des Kondensators und wird vom Kältemittel gekühlt. Im Inneren des Sondenrohres 2 bzw. dessen Innenmantel 4 befinden sich die Strömungswege 7 definierenden Kammern bzw. Rohre 8. Der Aufbau des Kondensators gemäß Fig. 1 und Fig. 3 ist vergleichbar. Gemäß Fig. 1 wird der Innenmantel 4 von einer Abzweigung 12 bzw. eine Anschlussrohr 12 gebildet, die bzw. das mit den beiden Endbereichen wärmeträgerleitend mit dem Sondenrohr 2 verbunden ist. Gemäß Fig. 3 wird der Innenmantel 4 vom Sondenrohr 2 selbst gebildet.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e :
1. Vorrichtung zum Erwärmen eines im Kreislauf einer Wärmepumpe geführten Kältemittels mit einem in ein Erdreich einsetzbaren und einen Verdampfer für einen
Wärmeträger bildenden Sondenrohr und mit einem an das obere Ende des Sondenrohrs angeschlossenen Kondensator, aus einem Innenmantel und einem Außenmantel, wobei der Wärmeträger des Sondenrohrs den Innenmantel und das Kältemittel den Ringraum zwischen dem Innen- und dem Außenmantel durchströmt, dadurch gekennzeichnet, dass der vorzugsweise eine gerade Achse aufweisende
Innenmantel (4) des Kondensators (3) zumindest abschnittsweise durch Kammern (8) unterteilt ist, die parallele Strömungswege (7) für den Wärmeträger bilden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (8) durch in den Innenmantel (4) eingesteckte Rohre (8) gebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (4) des Kondensators (3) an seiner Außenfläche radial abstehende Wärmeleitrippen (9) aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (4) von einer Abzweigung bzw. einem Anschlussrohr (12) gebildet ist, die bzw. das an das Sondenrohr (2) in dessen oberen Bereich, insbesondere Endbereich, angeschlossen ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Bereich, insbesondere Endbereich, des Sondenrohres (2) den Innenmantel (4) des Kondensators (3) bildet und vom Außenmaήtel (5) umgeben ist.
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