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Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Maschinenbaus und betrifft eine Vorrichtung zur Abführung von Wärme und/oder Wärmeenergiespeicherung und/oder Energieerzeugung, die beispielsweise in Gebäuden zur Heizung, Kühlung und/oder Energieerzeugung eingesetzt werden kann.
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Es sind zahlreiche Lösungen bekannt, die unter Nutzung von Solarenergiegewinnungsanlagen und Wärmepumpenanlagen die Heizung und Warmwasserversorgung für ein Gebäude realisieren.
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Aus der
DE 103 00 427 B4 ist ein Solarsystem mit Wärmepumpe bekannt, die aus einem Sonnenkollektor und einer Wärmepumpe besteht, wobei das in dem Sonnenkollektor erwärmte Medium einen Wärmetauscher zur Erwärmung des Heizkreises durchströmt oder über einen zweiten Leitungsstrang durch den Verdampfer der Wärmepumpe geleitet wird, und die Solarwärme für die Warmwassergewinnung in einem Wärmespeicher zwischengespeichert wird, der Innenraum des Solarkollektors mit der Außenluft verbindbar ist, und das im Sonnenkollektor erwärmte Medium einen mit Wasser bzw. Eis gefüllten Speicher durchströmt, um in Perioden mit geringem Wärmeangebot durch Phasenwechsel frei werdende Latentwärme zu nutzen, wobei die Solaranlage nur dann den Wärmespeicher direkt erwärmt, wenn dabei der gesamte Wärmebedarf gedeckt werden kann.
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Weiterhin ist aus der
DE 101 02 041 A1 eine Heizanlage mit Wärmequelle, Wärmespeicher und Wärmepumpe bekannt. Dabei wird die in den Sonnenkollektoren gewonnene Wärme einer Wärmepumpe zugeführt, wobei bei Vorliegen von mehr Wärmemenge ein Teilwärmestrom in einen Erdspeicher geleitet werden kann, der selbst oder auch durch das umliegende Erdreich die Wärmeenergie speichern kann. Diese so gespeicherte Wärmeenergie kann in Zeiten der nicht ausreichenden Versorgung durch Solarenergie allein wieder abgegeben werden und so den Heizbedarf mit decken.
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Allen Lösungen nach dem Stand der Technik ist nachteilig gemeinsam, dass sie nicht effizient genug arbeiten und einen hohen Verbrauch an Hilfsenergie aufweisen.
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Ebenfalls sind thermische Schwerkraft-Solaranlagen bekannt, in denen ebenfalls das Fluid erwärmt, aber ohne Pumpen zum Energiespeicher transportiert wird. Dazu muss aber der Energiespeicher bezüglich der Schwerkraft immer oberhalb der Solaranlage angeordnet sein, damit der Schwerkraftprozess in Gang kommt und mittels der Schwerkraft im Kreislaufbetrieb bleibt.
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Insbesondere sind auch Vorrichtungen zur autarken Stromerzeugung mittels solarthermischer Kopplung an den ORC-Prozess bekannt (
DE 20 2006 017 581 U1 ). Danach ist eine Vorrichtung bekannt, die einen Solarkollektor und einen Kältekreis umfasst. Der Kältekreis besteht aus einer Kältemittelpumpe zum Antrieb des Kältemittels, einem Trockner, einem Verdampfer, einem Entspannungsorgan mit angekoppeltem Generator, und einem Kondensator. Der Verdampfer kann dabei mit dem Solarkollektor thermisch gekoppelt sein oder der Solarkollektor ist der Verdampfer. Die Bauteile des Kältekreises sind als Standardbaugruppen ausgeführt, so dass die Vorrichtung im Sinne eines Baukastens schnell und kostengünstig aus Standardbaugruppen, wie Plattenwärmetauscher, Verdichter, Kältemittelpumpen und Generatoren aus dem jeweiligen Industriezweig aufbaubar ist. In dem Solarkollektorkreis zirkuliert Thermalöl. Dem Kältekreis ist ein Vorwärmer vorgeschaltet und er ist mit dem Kollektorkreis thermisch gekoppelt.
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Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass eine große Anzahl an verschiedenen Bauteilen benötigt werden, die teilweise kostenintensiv sind und Wartung benötigen. Weiterhin sind zwei getrennte Kreisläufe vorhanden, so dass sowohl Thermalöl als auch Kältemittel verwendet werden müssen.
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Weiterhin sind sogenannte CO2-Sonden für die Wärmeversorgung von Wärmepumpen bekannt (Fa. Heliotherm).
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Nachteilig ist hier auch, dass zwei Kreisläufe erforderlich sind. Ebenso dient diese Anlage ausschließlich zur Wärmeversorgung. Die Realisierung einer Energiegewinnung ist für diese Anlagen nicht bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Abführung von Wärme und/oder Wärmeenergiespeicherung und/oder Energieerzeugung anzugeben, die einfach und kostengünstig aufbaubar ist, und insbesondere keine Bauteile mit hohen Kosten und Wartungsintensität, die außerdem noch Hilfsenergie verbrauchen, benötigt.
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Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abführung von Wärme und/oder Wärmeenergiespeicherung und/oder Energieerzeugung besteht mindestens aus einem Verdampfer und einem Kondensator, die durch Rohrleitungen in einem geschlossenen Kreislauf miteinander verbunden sind, wobei der Kreislauf ein Kältemittel enthält, und eine Menge an Kältemittel im Kreislauf vorhanden ist, die mindestens dem Volumen des Kondensators entspricht, und der Verdampfer bezüglich der Schwerkraft über oder neben dem Kondensator angeordnet ist, und im Kreislauf vom Verdampfer zum Kondensator in Höhe des Verdampferauslasses mindestens eine Rückschlagklappe angeordnet ist, und weiterhin im Kreislauf vom Kondensator zum Verdampfer unmittelbar vor dem Verdampfer mindestens eine Flüssigkeitsfalle angeordnet ist, und der Querschnitt der Rohrleitung des Kreislaufes vom Kondensator zum Verdampfer deutlich kleiner ist, als der Querschnitt der Rohrleitung des Kreislaufes vom Verdampfer zum Kondensator.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abführung von Wärme und/oder Wärmeenergiespeicherung und/oder Energieerzeugung besteht weiterhin mindestens aus einem Verdampfer und einem Kondensator oder einem Generator, die durch Rohrleitungen in einem geschlossenen Kreislauf miteinander verbunden sind, wobei der Kreislauf ein Kältemittel enthält, und eine Menge an Kältemittel im Kreislauf vorhanden ist, die mindestens dem Volumen des Kondensators entspricht, und der Verdampfer im Erdreich in einer solchen Tiefe angeordnet ist, dass die umgebende Wärme zur Verdampfung des Kältemittels ausreicht, und der Kondensator in jedem Fall bezüglich der Schwerkraft über dem Verdampfer angeordnet ist, und die Durchmesser der Rohrleitungen des Kreislaufes und ihre Wärmeisolierung so ausgeführt ist, dass das Kältemittel im Kreislauf vom Kondensator zum Verdampfer flüssig bleibt, erst im Verdampfer verdampft und im Kreislauf vom Verdampfer zum Kondensator im dampfförmigen Zustand verbleibt, und weiterhin unmittelbar vor dem Verdampfer mindestens eine Flüssigkeitsfalle angeordnet ist.
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Vorteilhafterweise ist im Kreislauf zwischen Verdampfer und Kondensator ein Bauelement zur Energieerzeugung, noch vorteilhafterweise ein Dampfturbinengenerator angeordnet.
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Ebenfalls vorteilhafterweise sind im Kreislauf vom Verdampfer zum Kondensator ein oder mehrere Vorkondensatoren angeordnet.
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Weiterhin vorteilhafterweise sind im Kreislauf vom Kondensator zum Verdampfer ein oder mehrere Nachkondensatoren angeordnet.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn an den Kondensator weitere Kreisläufe mit weiteren Kondensatoren angeschlossen sind.
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Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn der Verdampfer eine Solaranlage ist.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn der Verdampfer eine Abwärmenutzung eines Kamins oder eines anderen Wärmeerzeugers ist.
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Und auch vorteilhaft ist es, wenn ein Vorkondensator auf Höhe des Verdampferauslasses oder bezüglich der Schwerkraft höher angeordnet ist.
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Von Vorteil ist es auch, wenn der Kondensator ein Schichtenspeicher ist.
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Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn der Querschnitt der Rohrleitung im Kreislauf vom Kondensator zum Verdampfer maximal 50 % des Querschnittes der Rohrleitung im Kreislauf vom Verdampfer zum Kondensator beträgt.
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Weiterhin von Vorteil ist es, wenn ein Kältemittel mit einer möglichst niedrigen Verdampfungstemperatur vorhanden ist.
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Und auch von Vorteil ist es, wenn das gesamte Volumen der Rohrleitung vom Kondensator zum Verdampfer bis 10% des Volumens der Rohrleitung vom Verdampfer zum Kondensator beträgt.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es erstmals möglich, eine Vorrichtung zur Abführung von Wärme und/oder Wärmeenergiespeicherung und/oder Energieerzeugung anzugeben, die ohne Bauteile, die Hilfsenergie benötigen, sicher arbeitet und neben der Wärmeenergiespeicherung auch zur Energieerzeugung eingesetzt werden kann.
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Da die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne Pumpen arbeitet, wird der Kältemittelkreislauf nur durch den Druck, der durch die Verdampfung des Kältemittels entsteht und durch die Schwerkraft angetrieben. Dementsprechend gibt es zwei unterschiedliche Anordnungen, je nachdem, ob der Verdampfer, beispielsweise in Gebäuden bezüglich der Schwerkraft über oder neben dem Kondensator angeordnet ist, oder ob der Verdampfer im Erdreich und der Kondensator bezüglich der Schwerkraft über dem Verdampfer angeordnet ist. Spezielle Ausgestaltungen des Kreislaufes sind je nach Anordnung erforderlich.
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Erfindungsgemäß ist in einem geschlossenen Rohrleitungskreislauf ein Verdampfer, vorteilhafterweise eine Solaranlage auf einem Dach eines Gebäudes, bezüglich der Schwerkraft über oder neben einem Kondensator angeordnet, vorteilhafterweise ein Schichtenspeicher. Für eine solche Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es erforderlich, dass in Höhe des Verdampferauslasses mindestens eine Rückschlagklappe angeordnet ist, die ein Rückkondensieren des Kältemittels in den Verdampfer verhindert. Das im Verdampfer verdampfte Kältemittel wird durch den bei der Verdampfung entstehenden Druck über die Rohrleitung zum Kondensator transportiert. Im Kondensator wird das Kältemittel wieder verflüssigt und die gewonnene Wärme wird beispielsweise in einem Schichtenspeicher zur Erwärmung von Wasser eingesetzt. Das nun wieder verflüssigte Kältemittel wird aus dem Kondensator durch eine hinsichtlich des Querschnitts deutlich kleinere Rohrleitung nach oben zum Verdampfer transportiert. Dieser Transport wird durch die Menge an Kältemittel und durch den durch die Verringerung des Volumens des Kältemittels entstehenden Saugunterdruck nach oben zum Verdampfer angetrieben. Dabei ist es wiederum erforderlich, dass unmittelbar vor dem Eintritt der Rohrleitung in den Verdampfer eine Flüssigkeitsfalle in der Rohrleitung angeordnet ist, um einerseits ein Rückströmen von Kältemittel zum Kondensator zu verhindern und andererseits die Bildung von Gasblasen zu verhindern. Mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine sichere Arbeitsweise zur Abführung von Wärme aus einem Verdampfer, zur Wärmeenergiespeicherung über einen Kondensator in einen Speicher und/oder eine Energiegewinnung realisierbar.
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Im Falle, dass eine Energiegewinnung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgen soll, ist in den Bereich der Rohrleitung zwischen Verdampfer und Rückschlagklappe eine Energieerzeugungsvorrichtung, vorteilhafterweise ein Dampfturbinengenerator, zu integrieren.
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Für die ebenfalls erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der der Verdampfer im Erdreich und der Kondensator bezüglich der Schwerkraft über dem Verdampfer angeordnet ist, ist es erforderlich, dass die Durchmesser der Rohrleitungen des Kreislaufes und ihre Wärmeisolierung so ausgeführt ist, dass das Kältemittel im Kreislauf vom Kondensator zum Verdampfer flüssig bleibt, erst im Verdampfer verdampft und im Kreislauf vom Verdampfer zum Kondensator im dampfförmigen Zustand verbleibt. Dazu wird die Rohrleitung, die zum Verdampfer führt im Bereich bis zum Verdampfer möglichst mit großem Querschnitt und unisoliert ausgeführt, wodurch das Kältemittel in diesem Bereich flüssig bleibt und dann erst im Verdampfer verdampft wird. Die Rohrleitung vom Verdampfer zum Kondensator ist dann im Querschnitt deutlich kleiner ausgeführt und isoliert, damit einerseits das Kältemittel im verdampften Zustand verbleibt und ein möglichst großer Druck aufgebaut wird und bleibt, damit das verdampfte Kältemittel bis zum Kondensator, dem vorteilhafterweise über dem Erdreich angeordnet ist, verbleibt. Zur Energieerzeugung wird vor oder an Stelle des Kondensators ein Energieerzeugungsbauteil, vorteilhafterweise ein Dampfturbinengenerator in den Kreislauf integriert. Dabei ist es wiederum erforderlich, dass unmittelbar vor dem Eintritt der Rohrleitung in den Verdampfer eine Flüssigkeitsfalle in der Rohrleitung angeordnet ist, um die Bildung von Gasblasen zu verhindern. Zur Verbesserung des Kreislaufes des Kältemittels und zur möglichst vollständigen Energieausnutzung des verdampften Kältemittels können in den Kreislauf vor und/oder nach dem Kondensator Vor- und Nachkondensatoren integriert werden.
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Mit den erfindungsgemäßen Anordnungen wird ein selbstlaufender Kreisprozess realisiert, in welchem das Kältemittel durch Phasenwechsel von flüssig zu dampfförmig einen Druck erzeugt, der das verdampfte Kältemittel und damit die darin gebundene Energie vom Verdampfer zum Kondensator transportiert.
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Als mögliche Anwendungen kommen thermische Solaranlagen in Frage, die als Phasenwechselanlage ohne die Verwendung von Hilfsenergien mit Stromerzeugungsoption ausgeführt sind.
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Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass keine Hilfsenergie benötigt wird und der gesamte Prozess ohne Steuerungselement sicher realisiert werden kann.
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Vorteilhafterweise kann in den Kreislauf der Vorrichtung ein Bauteil zur Energieerzeugung, beispielsweise ein Generator integriert werden, welcher den entstehenden Volumenstrom zur Stromerzeugung nutzt.
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Ebenso können handelsübliche Solarmodule als Verdampfer verwendet werden. Für die notwendigen Rohrleitungen können normale Standard-Cu-Leitungen eingesetzt werden. Das Gesamtsystem kann in der Preisrelation wie normale thermische Solaranlagen am Markt positioniert werden.
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Durch die Verwendung eines Kondensators in der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt der Wärmeübergang zur Wärmeenergiespeicherung immer mit Phasenwechsel, das heißt das Kältemittel gibt seine Energie an einen zweiten wassergefüllten Kreislauf ab. Für die erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist es wichtig, dass das Fluid kein Wasser ist, sondern ein Kältemittel mit einer möglichst niedrigen Verdampfungstemperatur.
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Der Kondensator kann auch so ausgeführt werden, dass beide beaufschlagte Seiten Kältemittel beinhalten.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt die Solarwärme oder andere Abwärme oder Erdwärme, die im Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels sehr effizient aus, da bereits geringe Temperaturdifferenzen zur Verdampfung des Kältemittels ausreichen. Die Direktverdampfung des Kältemittels nimmt die Energie aus der Solaranlage oder Abwärme oder Erdwärme auf und führt diese dem Kondensator zur Direktkondensation zu. Dabei wird keine Hilfsenergie wie für Pumpen und Steuerungselemente benötigt.
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Nachfolgend soll die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abführung von Wärme und Wärmeenergiespeicherung und Energieerzeugung
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2 die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieerzeugung
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Beispiel 1
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In der 5m2-Solaranlage 1 mit 2 m Sammelrohr (22 × 1 mm) und 34 m Rohrleitung (10 × 1 mm) als Absorberfläche und einem Volumeninhalt von 2 l befindet sich ein Kältemittel (R410A), welches bei Sonneneinstrahlung erwärmt wird. Das Kältemittel hat eine kritische Temperatur von 71 °C. Das Kältemittel verdampft in der Absorberfläche und durch die Volumenvergrößerung erfolgt ein Druckanstieg, wobei die Ausdehnung des Volumens bezüglich der Schwerkraft nur nach oben erfolgt. Dies ist der Grund, warum Solaranlagen 1 immer schräg nach oben installiert werden. Mit Beginn der Verdampfung des Kältemittels drückt das verdampfte Kältemittel in die Rohrleitung am oberen Ende der Absorberfläche, die über eine Rückschlagklappe 3 in der waagerecht ausgeführten Rohrleitung verfügt. Das dampfförmige Kältemittel wandert weiter bis zum Kondensator 4, 6, der als Schichtenspeicher 7 ausgebildet ist. Er enthält 25 m Rohrleitung mit 19 mm Durchmesser, welche wendelförmig angeordnet sind. Der Volumeninhalt der Rohrleitung im Kondensator beträgt 6 l. Die Kondensatorrohrleitung ist von 400 l Wasser des Schichtenspeichers 7 umgeben. Im Kondensator 6 gibt das dampfförmige Kältemittel seine Energie an das Wasser ab und kondensiert. Aufgrund des großen Energiegehaltes des Kältemittels ist gemäß diesem Beispiel in der Rohrleitung 5 vor dem Kondensator ein Vorkondensator 4 und nach dem Kondensator ein Nachkondensator 9 zur vollständigen Ausnutzung der Wärmeenergie installiert.
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Das Kältemittel verlässt den Nachkondensator 9 am unteren Ende wieder in flüssiger Form. Durch die Verflüssigung des Kältemittels erfolgt auch eine Reduktion des Volumens und es entsteht ein Saugunterdruck, der für das Aufsteigen des flüssigen Kältemittels in der Rohrleitung 10 zur Solaranlage 1 führt. Die 5 m lange Rohrleitung 10 zur Solaranlage 1 hat die Abmessungen 6 mm Durchmesser und ein Volumen von 0,2 Liter. In dieser Rohrleitung 10 befindet sich in einem waagerecht angeordneten Stück der Rohrleitung direkt vor dem Eingang in die Solaranlage 1 eine Flüssigkeitsfalle 11, als U-förmige Ausführung.
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Der Prozess läuft selbstständig, sicher und ohne Steuerungselemente, solange das Kältemittel in der Solaranlage 1 verdampft wird. Auch wenn die Verdampfung in der Solaranlage 1 nachts unterbrochen wird, beginnt der Kreislauf selbsttätig und sofort mit Wiederbeginn der Verdampfung des Kältemittels in der Solaranlage 1. Durch die Verwendung des Kältemittels R410A kommt der Prozess selbstständig zum Stillstand, wenn die kritische Temperatur von 71°C im Kondensator 6 erreicht ist.
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Beispiel 2
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In ein mittels geothermischer Bohrung erzeugtes Loch von 1000 m Tiefe wird eine Rohrleitung 1.1, 1.2, 5.1, 5.2, 6 eingeführt. In 1000 m Tiefe betragen die Umgebungsbedingungen des Erdreichs ca. 40°C. Die Rohrleitung 1.1, 1.2, 5.1, 5.2, 6 im Bohrloch ist insgesamt 2000 m lang und geschlossen ausgeführt. Der Durchmesser der Rohrleitung 5.2, 6 für den Teil, der das Kältemittel (R134A) in die Tiefe bis 500m führt beträgt 35 mm. Dieser Teil der Rohrleitung ist nicht isoliert. Der 2. Teil der Fallleitung (501m–1000m) 5.1 ist isoliert und hat eine NW von 18mm um ein Vorverdampfen zu verhindern. In einer Tiefe von 800 m, 900 m und 950 m sind je kreisförmige Schlingen in der Rohrleitung 5.1, 5.2 angeordnet, die Flüssigkeitsfallen darstellen. Die Steigleitung 1.1 mit einer NW von 35 mm bis 600m vor Erdoberfläche dient als Verdampfer. Aufgrund der Erdwärme verdampft das Kältemittel und steigt in der Steigleitung nach oben. Dabei ist diese Rohrleitung 1.2 mit einer NW von 18 mm ab einer Tiefe von 600 m bis zur Erdoberfläche mit wasserdichter Isolierung umgeben, so dass nur eine geringe Temperaturdifferenz auftritt und eine Kondensation verhindert wird. Das verdampfte Kältemittel steigt aufgrund der Volumenausdehung nach oben und wird in einen Dampfturbinengenerator 2 geführt, der Strom erzeugt. Das Kältemittel verlässt den Generator 2 noch dampfförmig und wird über einen Schichtenspeicher 4 zur Hauswärmeversorgung teilkondensiert. Im Hauptkondensator 6 (Fallleitung im Erdreich bis 500m Tiefe) wird das noch nicht kondensierte Kältemittel soweit abgekühlt, dass es den Hauptkondensator 6 in flüssiger Form verlässt. Der Prozess läuft selbstständig, sicher und ohne Steuerungselemente, solange das Kältemittel in der Erde verdampft wird. Auch wenn die Verdampfung in der Erde unterbrochen werden sollte, beginnt der Kreislauf selbsttätig und sofort mit Wiederbeginn der Verdampfung des Kältemittels.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdampfer Solaranlage
- 1.1
- Verdampfer Rohrleitung
- 1.2
- Verdampfer Rohrleitung
- 2
- Generator
- 3
- Rückschlagklappe
- 4
- Vorkondensator
- 5
- Fallleitung
- 5.1
- Fallleitung
- 5.2
- Fallleitung
- 6
- Hauptkondensator
- 7
- Energiespeicher
- 8
- Zwischenleitung
- 9
- Nachkondensator
- 10
- Steigleitung
- 11
- Flüssigkeitsfalle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10300427 B4 [0003]
- DE 10102041 A1 [0004]
- DE 202006017581 U1 [0007]
