DE102008061416B4

DE102008061416B4 - Wärmeleitendes Rohr

Info

Publication number: DE102008061416B4
Application number: DE102008061416.5A
Authority: DE
Inventors: Ronald Lau
Original assignee: R & H Umwelt GmbH
Current assignee: R & H Umwelt GmbH
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2014-11-20
Anticipated expiration: 2028-12-11
Also published as: DE102008061416A1

Abstract

Wärmeleitendes Rohr zur Führung eines Fluids, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (3) an seiner Innenwand wenigstens eine Drahtstruktur (4) aufweist, die an der von dem Fluid durchströmten Innenwand der Rohrs (3) anliegt und dass die wenigstens eine Drahtsturktur (4) als Drahtgestrick oder Drahtgeflecht oder Drahtgewebe ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein wärmeleitendes Rohr zur Führung eines Fluids.
Aus der DE 600 05 865 T2 ist Doppelwandrohr bekannt, das ein Innenrohr und ein Außenrohr aufweist, zwischen denen sich eine dünne Schicht aus Zinn befindet. Zur Erhöhung der Wärmeübertragung sind auf der äußeren Seite des Außenrohrs oder der inneren Seite des Innenrohrs Lamellen oder Rippen vorgesehen. Im Innenrohr kann ein wendelförmig gewickelter Draht vorgesehen sein, der um ein Trägerrohr gewickelt ist, das konzentrisch in das Innenrohr eingesetzt ist.
Aus der DE 195 47 565 C1 ist ein Fluidführungselement mit schalldämpfenden Eigenschaften bekannt. Das Fluidführungselement umfasst eine Außenschlauchhülle, die aus zwei spiralförmigen Materialbahnen besteht.
Aus der DE 29 49 726 C2 ist ein Gaskanal bekannt, der einen Heißgaskanal und einen Kaltgaskanal umfasst, wobei der Heißgaskanal aus einer Tragstruktur und einer innen auf dieser angeordneten thermischen Isolierung besteht.
Die DE 416 816 A betrifft eine Rohrleitung aus mit Drahteinlage armierten Eisenbetonrohren. Als Armierung ist dort eine Drahthülle vorgesehen, die die Form eines schraubenförmig gewundenen Drahtes hat.
Bei wärmepumpengekoppelten oder oberflächennahen Geothermiesystemen wird zur Wärmeübertragung wenigstens ein Rohr in den Erdboden eingebracht. In diesem Rohr wird die Temperatur des Untergrunds, die ab einer Tiefe von ca. 10 m jahreszeitenunabhängig ist, auf ein in dem Rohr befindliches Fluid übertragen, um die so gewonnene Wärme oder Kälte dann an die Erdoberfläche zu transportieren, um sie in einem thermodynamischen Kreislaufprozess in einer Wärmetauscheranlage zu benutzen. Eine Abhängigkeit der Temperatur des Untergrunds besteht hinsichtlich der geographischen Lage und der Tiefe. Das Rohr kann als U-Rohr oder als Flachkollektor ausgebildet sein.
Wärmeübertragung umfasst sowohl die Erwärmung als auch die Abkühlung des Fluids. Je nach Ausgestaltung des Systems ist das Fluid wärmer oder kälter als der Untergrund, sodass die Wärmeübertragung in beide Richtungen möglich ist.
Es ist bekannt, dass die Wärmeübertragung oder der Wärmetransport von der Umgebung über das Rohr auf das Fluid abhängig von der im Rohr befindlichen Strömung ist. Bei einer laminaren Strömung ist der Wärmetransport vom Rohr in das Fluid geringer als bei einer turbulenten Strömung. Bei einer turbulenten Strömung ist normalerweise eine erhöhte Pumpleistung der an das Rohr angeschlossenen Pumpe erforderlich, da die turbulente Strömung einen größeren Strömungswiderstand als eine laminare Strömung erzeugt. Da bei einer turbulenten Strömung häufig eine wirtschaftlichere Wärmeübertragung stattfindet, ist bei herkömmlichen Anlagen eine erhöhte Pumpleistung erforderlich, die die Wirtschaftlichkeit verringert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein wärmeleitendes Rohr anzugeben, mit dem ein effizienter Wärmetransport möglich ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein wärmeleitendes Rohr mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
Die Drahtstruktur bewirkt, dass in der laminaren Strömung Mikroturbulenzen induziert werden. Diese Mikroturbulenzen treten allerdings nur in dem für den Wärmetransport vom Rohr zum Fluid relevanten laminaren Bereich auf, wodurch keine oder eine nur geringfügig gesteigerte Pumpleistung benötigt wird. Daher soll die Drahtstruktur nah an der Innenwand des Rohrs positioniert sein. Dadurch wird im gesamten Rohr eine laminare Strömung erzeugt, die allerdings einen vergleichbar guten Wärmetransport wie eine turbulente Strömung bewirkt. Die höher erwärmte Randströmung wird über die langen Strömungswege im Rohr mit der Mittelströmung vermischt, weshalb das Fluid beim Erreichen der Erdoberfläche eine homogene, erhöhte Temperatur aufweist.
Mit besonderem Vorteil kann die wenigstens eine Drahtstruktur im Wesentlichen die gesamte Innenwand des Rohrs bedecken. Zwar soll die Drahtstruktur die Innenwand bedecken, jedoch beansprucht der Draht der Drahtstruktur nur einen Bruchteil der bedeckten Fläche. Durch die vollständige Bedeckung können Mikroturbulenzen über die gesamte Rohrlänge induziert werden.
Die wenigstens eine Drahtstruktur ist als Drahtgestrick oder Drahtgeflecht oder Drahtgewebe ausgebildet. Maschendraht stellt beispielsweise ein Drahtgeflecht dar, das aus mehreren Drähten geflochten wird. Die Maschen können dabei beliebig dimensioniert sein, um die Mikroturbulenzen definiert beeinflussen zu können.
Mit besonderem Vorteil kann eine als Drahtgestrick ausgebildete Drahtstruktur ein im Rundstrickverfahren gefertigter Maschenschlauch sein. Dieser Maschenschlauch hat im Querschnitt eine im Wesentlichen zylindrische Form, weshalb er sich sehr gut in ein Rohr einführen lässt. Außerdem hat der Maschenschlauch eine hohe Eigenstabilität, weshalb er sich nach dem Einbringen in das Rohr nicht verformt. Des Weiteren ist der Maschenschlauch in einem begrenzten Bereich elastisch, weshalb er sich im Durchmesser etwas reduzieren lässt. Aufgrund der Eigenstabilität neigt das Drahtgestrick allerdings dazu, wieder seine Ursprungsform anzunehmen, weshalb sich ein derart im Durchmesser reduzierter und in das Rohr eingeführter Maschenschlauch wieder ausdehnt. Dadurch liegen die einzelnen Drähte an der Innenwand des Rohres an, wodurch der Maschenschlauch ohne zusätzliche Halterungen oder Befestigungen allein aufgrund der Reibungskräfte im Rohr gehalten wird. Die Rückstellkräfte können über die Drahtdicke und das verwendete Material variiert werden. Da ein derartiges Rohr bei entsprechender Länge aufgerollt gelagert und ausgeliefert wird, ist der Maschenschlauch dahingehend vorteilhaft, dass er diese Lagerung und diesen Transport erlaubt.
Vorzugsweise kann die Drahtstruktur des erfindungsgemäßen Rohrs aus nicht rostendem Stahl oder Kunststoffmonofilen bestehen. Zur Herstellung der Drahtstruktur ist die Verwendung von nicht rostendem Stahl vorteilhaft, um Korrosion zu vermeiden. Alternativ lassen sich auch Kunststoffmonofile verwenden, die eine hohe Bruchlast und damit eine lange Lebensdauer garantieren.
Vorzugsweise kann das Rohr aus Kunststoff bestehen. Kunststoffrohre sind kostengünstig herstellbar und leicht verarbeitbar. Es ist allerdings auch möglich, die Rohre aus Metall herzustellen. Metallrohre sind beispielsweise in Rohrbündelwärmetauschern vorteilhaft.
Daneben betrifft die Erfindung eine Wärmetauscheranlage, die ein Rohr der beschriebenen Art aufweist, um ein durch das Rohr strömendes Fluid zu erwärmen oder abzukühlen.
Abgesehen von der Verwendung in Geothermiesystemen werden Rohre als Wärmetauscher auch bei Rohrbündelwärmetauschern, Rohrheizkörpern, Solarkollektoren, Flachkollektoren für Wärmepumpenanlagen, Fußbodenheizungen und Wand- oder Deckenkühlungen eingesetzt. Der Wärmeaustausch erfolgt dabei über eine Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser oder ein Gas. Wärmeaustausch ist dabei als Übertragung von Wärme in beide Richtungen zu verstehen. Abhängig vom Aufbau können derartige Anlagen zum Heizen oder zum Kühlen verwendet werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Wärmetauscheranlage;
2 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Rohr;
3 eine teilweise geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Rohres; und
4 eine Drahtstruktur.
1 zeigt in schematischer Weise eine Wärmetauscheranlage, die in einer Geothermieanlage zum Einsatz kommt. In einem Gebäude 1 befindet sich eine Wärmepumpe 2, an die ein Rohr 3, das vertikal in die Erde eingebracht ist, angeschlossen ist.
Das in der Wärmetauscheranlage verwendete Rohr 3 weist eine Drahtstruktur 4 an seiner Innenwand auf, wie in 2 gezeigt ist. Dadurch ist es möglich, im Randbereich der laminaren Strömung im Rohr 3 Mikroturbulenzen zu induzieren, wodurch die Wärmeübertragung von der Umgebung auf das im Rohr 3 befindliche laminar strömende Fluid verbessert wird. Die verbesserte Wärmeübertragung wird in dem Rohr 3 ohne merkliche Steigerung der Pumpleistung erzielt, wodurch Energie eingespart und ein wirtschaftlicher und umweltfreundlicher Betrieb ermöglicht wird, da keine turbulente Strömung vorliegt.
In 3 ist der im Rohr 3 angeordnete Maschenschlauch in einer teilweise geschnittenen Ansicht gezeigt. Durch die Herstellung im Rundstrickverfahren weist der Maschenschlauch eine Hohlzylinderform auf und lässt sich gut in das Rohr 3 einführen. Der Durchmesser des Maschenschlauchs ist so gewählt, dass dieser dem Einführen in das Rohr 3 aufgrund der in ihm wirkenden Rückstellkräfte an der Rohrinnenwand anliegt. Die dadurch entstehenden Reibungskräfte verhindern eine Verschiebung des Maschenschlauchs im Rohr 3.
4 zeigt ein Drahtgestrick eines Maschenschlauchs. Die Rückstellkräfte des Maschenschlauchs entstehen durch die Beweglichkeit der einzelnen Drahtglieder gegeneinander. Die Pfeile 5 deuten dabei die Beweglichkeit der einzelnen Drahtglieder gegeneinander an, wobei der Draht nach einer Bewegung aus der Ruhelage in diese zurückkehrt. Zusätzlich ist der Maschenschlauch oder eine andere Drahtstruktur am Rohrende befestigt.

Claims

Wärmeleitendes Rohr zur Führung eines Fluids, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (3) an seiner Innenwand wenigstens eine Drahtstruktur (4) aufweist, die an der von dem Fluid durchströmten Innenwand der Rohrs (3) anliegt und dass die wenigstens eine Drahtsturktur (4) als Drahtgestrick oder Drahtgeflecht oder Drahtgewebe ausgebildet ist.
Wärmeleitendes Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Drahtstruktur (4) im Wesentlichen die gesamte Innenwand des Rohrs (3) bedeckt.
Wärmeleitendes Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine als Drahtgestrick ausgebildete Drahtstruktur (4) ein im Rundstrickverfahren gefertigter Maschenschlauch ist.
Wärmeleitendes Rohr nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtstruktur (4) aus nicht rostendem Stahl oder Kunststoffmonofilen besteht.
Wärmeleitendes Rohr nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (3) aus Kunststoff oder Metall besteht.
Wärmetauscheranlage, umfassend ein wärmeleitendes Rohr (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche zum Erwärmen oder Abkühlen eines durch das Rohr (3) strömenden Fluids.