DE102018000896A1 - Wärmegewinnung aus Umgebungsluft über einen regelbaren Rieselkörperkondensator zur Regeneration eines Eisspeichers oder anderer niedrigtemperaturiger Speicher - Google Patents

Abstract

Offenbart wird ein Rieselkörperkondensator (1,10) und ein Verfahren zu seinem Betrieb zur Erwärmung kalten Wassers oder kalter Flüssigkeit, welcher mit sehr hoher spezifischer Wärmeleistung auch schon bei geringen Umgebungslufttemperaturen über 0 °C bei der üblichen hohen Feuchte solcher Luft (12) Eiswasser und anderes niedrigtemperaturiges Wasser (11) erwärmt, womit dann Erdspeicher über Erdsonden oder insbesondere Eisspeicher erwärmt werden können. Über die Erwärmung des Wassers kann aber auch Umgebungsluft gekühlt werden, insbesondere kann Umgebungsluft hoher Temperatur gekühlt werden, so dass diese Luft (12) auch zum Kühlen von Gebäuden während der warmen Jahreszeit genutzt werden kann. Da auch während der kalten Jahreszeit in Deutschland und anderen Ländern, die in vergleichbaren Klimazonen liegen, auch während des Winterhalbjahres immer wieder Umgebungstemperaturen herrschen, die eine Wärmeerzeugung durch den Rieselkörperkondensator (1,10) ermöglichen, können Wärmespeicher, insbesondere Eisspeicher, deutlich kleiner dimensioniert werden, da auch während des Winterhalbjahres immer wieder Eis mit einer hohen Wärmeleistung, bezogen auf den Ansaugquerschnitt eines Rieselkörperkondensators (1,10) geschmolzen werden kann. Zudem ist die elektrische Leistung, bezogen auf die Wärmeleistung der Vorrichtung, relativ gering, so dass auch bei niedrigen Umgebungslufttemperaturen schon COP Werte von weit über 50, bis hin zu mehreren Hundert bei höheren Außentemperaturen, erreicht werden.Insbesondere wird der stufenlos nach mehreren Zielgrößen wie maximaler Leistung, hohem COP, maximaler Leistung bei bestimmter Wasseraustrittstemperatur etc. betriebene Rieselkörperkondensator (1,10) offenbart, der in bestimmten Ausbildungen auch mit der neuartigen Verwendung von Tropfenabscheiderprofilen (16) und einem stufenlos regelbaren aerodynamischen rohrartigen Wasserverteiler (13) und einem stufenlos regelbaren Wasserverteiler (4) arbeitet.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines Eisspeichers oder einer Erdwärmesonde mit Hilfe eines regelbaren Rieselkörperkondensators.
• In der DE 10 2015 000 238 A1 wird der Einsatz eines Verfahrens beschrieben, mit welchem bei relativ hohen Temperaturen bei knapp unter 0 °C Eis erzeugt und abgeschieden werden kann, um damit Heizwärme mittels einer Wärmepumpe zu erzeugen und einen Speicher mit Eis zu füllen. Wenn Anlagen dieser Art wärmegeführt sind und das Eis als Produkt nicht weiter verwertbar ist, muss der Eisspeicher immer wieder regeneriert werden, d.h. es muß das Eis wieder zu Wasser gewandelt werden. Für die Wandlung sollte regenerativ verfügbare Umweltwärme genutzt werden. Auch wenn im Sinne der CO₂ Vermeidung bei der Nutzung von vielen benachbarten Erdwärmesonden eine immer stärkere Auskühlung des Bodens nicht mehr durch den Wärmestrom aus dem Erdinneren oder durch von der Erdoberfläche nachströmende Wärme kompensiert werden kann, muss dem ausgekühlten Boden immer wieder Wärme über die Erdsonden außerhalb oder auch während der Heizsaison zugeführt wird.
• Der Stand der Technik, der in vielen Patentanmeldungen genannt wird, um regenerativ verfügbare Umweltwärme in Eisspeicher oder Erdwärmesonden einzubringen, besteht darin, über Solarkollektoren das Wasser im Eisspeicher anzuwärmen und damit das Eis zu schmelzen. Hierbei wird nur Strahlungswärme genutzt, die aber in den Wintermonaten nur eingeschränkt zur Verfügung steht und gerade dann nur einen niedrigen Wärmestrom von nur wenigen hundert Watt pro Quadratmeter aufweist, aber auch immer Sommer immer deutlich weniger als 1000 Watt/m2 generiert, selbst zur Mittagszeit und nur während des Tages. Ein anderer Weg bestände in der Nutzung eines konventionellen Luft-Wasser Lamellenwärmetauscher, der im Winter bei Temperaturen unter 8-10 °C nur mit relativ viel elektrischer Energie für den Ventilator, wenn man die Ventilatorleistung ins Verhältnis zur gewonnenen Wärme setzt, Wärme aus der Luft zur Erwärmung niedrigtemperaturigen Wassers nutzen kann; bei Lufttemperaturen geringer als 5 °C funktioniert dieses Verfahren praktisch nicht mehr, um in 0 °C kaltes Wasser Wärme einzubringen.
• Der Stand der Technik bei thermischen Anwendungen bei der Verwendung von Rieselkörpern besteht darin, dass ein Typ von Rieselkörpern, sogenanntes „structured media“, bestehend aus verformten wasserfesten Celluloselagen oder aus verformtem Glasfasergewebe, vorwiegend in Verdunstungskühlern verwendet wird, um Luft von einem gegebenen Umgebungsluftzustand Richtung seiner Feuchtkugeltemperatur zu kühlen, indem ein Teil der Kopffläche des structured media bewässert wird und damit Wasser durch den Rieselkörper zirkuliert wird. Ein anderer Typ von Rieselkörper aus geprägten, miteinander verklebten Plastikfolien wird in Kühltürmen zur Wasserkühlung genutzt. Die Verwendung beider Rieselkörper dient bisher nur der Wasserkühlung (herkömmlicher Kühlturm, Gegenstrombetrieb), bzw. der Luftkühlung (herkömmlicher Verdunstungskühler, Kreuzstrombetrieb) durch Nutzung von Verdunstungskühlung, mit einem Stoffübergang vom Wasser in die Luft. Beide Verfahren laufen ungeregelt ab.
• Es ergibt sich die Frage, wie mit Umweltwärme das Eis eines Eisspeicher geschmolzen werden kann, bzw. sehr stark ausgekühlte Erdsonden, welche auf Temperaturen von ca. 0-5 oC abgekühlt wurden, vorzugsweise mit einem niedrigen Aufwand an Material und Hilfsenergie wieder erwärmt werden können, insbesondere auch im Winter, um den Eisspeicher so klein wie möglich dimensionieren zu können. Der energetische Aufwand ist insbesondere für die Gesamtbilanz der Wärmegewinnung aus Eisbildung oder aus Erdsonden wichtig, weil am Ende für jedes nicht auf fossilen Brennstoffen, welche in Zukunft nicht mehr benutzt werden sollten, beruhende Heizsystem der elektrische Gesamtaufwand wichtig ist, um eine bestimmte Wärmemenge zu erzeugen. Ein hoher COP (coeffizient of performance, der den elektrischen Aufwand Qel ins Verhältnis zum thermischen Resultat Qth setzt, COP = Qth/Qel) ist daher notwendig bei Regeneration des Eisspeichers oder der Erdwärmesonde, um den elektrischen Aufwand der gesamten Wärmeerzeugung, also der Wärmegewinnung durch Eisbildung oder der Auskühlung des Bodens durch eine Erdwärmesonde plus der Regeneration des beiden Speicher, niedrig zu halten. Der COP der Regeneration sollte daher mindestens eine Größenordnung, also größer 40-50, vorzugsweise 2 Größenordnungen, höher liegen als der COP bei der reinen Wärmeerzeugung durch eine Wärmepumpe, um den COP der gesamten Wärmeerzeugung, bestehend aus dem COP der primären Wärmeerzeugung durch die Wärmepumpe und dem COP der Regeneration des Wärmespeichers, nicht deutlich zu mindern.
• Aufgabe
• Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches mindestens einen Nachteil der vorstehend erwähnten Verfahren (Solarthermie, Wärmeentzug der Umgebungsluft durch konventionellen Luft-Wasserwärmetauscher) deutlich mittels einer einfachen und preiswerten Vorrichtung verbessert.
• Lösung
• Zur Lösung des Problems stellt die Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bereit. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand weiterer abhängiger und unabhängiger Schutzansprüche.
• Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines regelbaren Rieselkörperkondensators vorgeschlagen, der mit kaltem Wasser, bzw. Flüssigkeit, z.B. Sole, welche kälter als die Feuchtkugeltemperatur der Luft ist, bevorzugt kälter als die Taupunkttemperatur der Luft, betrieben wird, um die hindurchgeleitete Luft, vorzugsweise Umgebungsluft, abzukühlen und vor allem nach Möglichkeit den darin enthaltenen Wasserdampf zu kondensieren, wodurch das hindurchgeleitete kalte Wasser, bzw. die Flüssigkeit, erwärmt wird. Das Eiswasser eines Eisspeichers hat 0 °C und die Flüssigkeit einer Erdwärmesonde kann dieser Temperatur auch sehr nahe kommen, so dass sowohl die Flüssigkeit einer Erdwärmesonde als auch das Eiswasser eines Eisspeichers mit diesem Verfahren erwärmt werden können und damit beide Speicher wieder regeneriert werden können. Wie im folgenden genauer ausgeführt wird, kann mit einem geringen Energieverbrauch an elektrischer Energie auch bei niedrigen Umgebungslufttemperaturen grösser ca. 3 °C und den üblichen hohen relativen Luftfeuchten im Winterhalbjahr in Deutschland und ähnlichen Klimazonen eine hohe Wärmeleistung von mehreren tausend Watt/m2 Anströmfläche des Rieselkörperkondensators erzielt werden, bei höheren Umgebungslufttemperaturen auch mehreren Zehntausend Watt/m2, auch nachts und ohne Sonnenschein. Als niedrige Temperatur werden hier Temperaturen von weniger als 0-8 °C verstanden, insbesondere Temperaturen zwischen 0-2 °C.
• Ein Rieselkörperkondensator besteht im wesentlichen aus Rieselkörper, umgebendem Gehäuse, Wassserzuführung, Wasserverteilung zur Aufbringung von Wasser auf den Rieselkörper, einer vorzugsweise regelbaren Pumpe, welche Wasser zur Wasserzuführung befördert, einer Auffangvorrichtung mit Abfluss, die das erwärmte Wasser sammelt und ableitet, einem bevorzugt regelbaren Ventilator, der Luft, vorzugsweise Umgebungsluft, durch den Rieselkörper saugt oder auch drückt, und optional einer Feuchtkugeltemperaturmessung, mittels derer gemessen werden kann, ob die Feuchtkugeltemperatur der Luft unter 0 °C liegt oder nicht, weil bei Feuchtkugeltemperaturen unter 0 °C das Verfahren nicht funktioniert und sich je nach Güte des Rieselkörperkondensators eine bestimmte minimale Einschalttemperatur empfiehlt, um die elektrische Energie zum Betrieb für Pumpe und Ventilator, effizient einzusetzen. Vorzugsweise fügt man noch eine Taupunkttemperaturmessung der Luft vor Durchtritt durch den Rieselkörperkondensator hinzu, weil die Wärmeleistung des Rieselkörperkondensators umso höher ist, je größer die Differenz der Taupunkttemperatur der Luft und des Wassers ist, wobei die Wassertemperatur niedriger sein muß als die Taupunkttemperatur der Luft. Die Eingangszustände der beiden Medien, der Flüssigkeit und der Luft und deren Massenströme bestimmen, zusammen mit der Güte des Rieselkörpers, die übertragene Wärme in einem Rieselkörperkondensator.
• Wenn man im h,x Diagramm für feuchte Luft, siehe 1, den Zustand für 0 °C kaltes Wasser einzeichnet, ferner die Zustände für verschiedene typische Wetterzustände im Winterhalbjahr und im Sommerhalbjahr (siehe 1), erkennt man, das zwischen dem Zustand für 0 °C, 100 % gesättigte Luft (Wasseroberfläche von Eiswasser) mit einem Energiegehalt von 9.44 kJ/kg und einer absoluten Feuchte von 4,63 g/kgtrLuft und Luft von 4 °C und einer typischen Winterfeuchte von 92 %, Energiegehalt 15.63 kJ/kg, absolute Feuchte von 3.77 g/kg _trLuft , schon eine Feuchtedifferenz von über einem Gramm pro kg_trLuft Luft herrscht. Wenn man jetzt genügend Wasser, mit mehreren Wasserzuführungen oder stufenloser oder annähernd stufenloser Bewässerung über die Tiefe eines Rieselkörpers, also in Richtung der Luftströmung , zuführt, kann man 80 % Temperaturwirkungsgrad_Luft , definiert als $$\begin{array}{l}\left({\text{Lufttemperatur}}_{\text{vor Rieselkörper}}-{\text{Lufttemperatur}}_{\text{nach Rieselkörper}}\right)/({\text{Lufttemperatur}}_{\text{vor}}\\ {}_{\text{Rieselkörper}}-\text{Wassereintrittstemperatur})\end{array}$$

  

  und mehr erreichen, so dass die Luft den Rieselkörper für den vorstehenden Eingangszustand mit 0.8 °C wieder verlässt. Dieses gilt, wenn die Luft und das Wasser im Kreuzstrom geführt werden. Der Temperaturwirkungsgrad des Wassers hängt von der Menge des eingesetzten Wassers ab und der Art des eingesetzen Rieselkörpers und beträgt etwa 0.1-0.15, definiert als $$\begin{array}{l}{\text{Temperaturwirkungsgrad}}_{\text{Wasser}}=({\text{Wassertemperatur}}_{\text{nach Rieselkörper}}-\\ {\text{Wassertemperatur}}_{\text{vor Rieselkörper}})/({\text{Lufttemperatur}}_{\text{vor Rieselkörper}}-\\ {\text{Wassertemperatur}}_{\text{vor Rieselkörper}}).\end{array}$$

  
• Bekannte handelsübliche Rieselkörper ermöglichen einen Durchtritt von 1.5 m3/s an Luft pro Quadratmeter Rieselkörperanströmfläche, bei einem Druckverlust von nur etwa 20-25 Pa und bei einer Tiefe (in Luftrichtung der Luft) von 30-35 cm. Mit einer Dichte der Luft von 1.28 kg/m3 auf Meereshöhe (0.8 °C) ergibt sich damit ein Massenstrom von 1.92 kg/s Luft pro Quadratmeter und damit eine übertragbare Leistung von ca. 1.92 kg/s x (15.63-9.44) kJ/kg x 0.8 = 9.5 kW, wofür eine Wassermenge von ca. 3.7 kg/s bei einer Erwärmung von 0 °C auf 0.6 °C benötigt wird. Für diese Wärmeübertragung benötigt man bei einer freien Fallhöhe von ca. 50 cm über den Rieselkörperkondensator mit dem Wassermassenstrom von 3.7 kg/s nur 30 Watt an Pumpenergie bei einem Wirkungsgrad der Pumpe von 65 %. Hinzu kommen weitere 70 Watt, wenn man von einem Ventilatorwirkungsgrad von 43 % ausgeht, um die Luft durch den Kühler zu befördern. Das sind zusammen dann 100 Watt, was einem COP von 95 entspricht. Selbst wenn man einen durchschnittlichen Ventilatorwirkungsgrad von nur 30 % ansetzt, ergeben sich maximal 150 Watt, wodurch sich ein COP von immer noch 63 ergibt. Alternativ kann man die Anströmfläche des Rieselkörperkondensators einfach um 10 % vergrößern, womit die benötigte Ventilatorleistung um ca. 20 % sinkt, wobei die Wärmeleistung auch um ca. 10 % absinkt, der COP sich allerdings erhöht.
• Bei höheren Lufttemperaturen als den angenommenen 4 °C ergibt sich bei einem annähernd gleichbleibenden Einsatz von 100 Watt eine höhere Wärmegewinnung. Dazu kann man einen Umgebungsluftzustand mit 20 °C und 66 % relativ Feuchte betrachten (2), wie er im Frühjahr oder Sommer oft vorkommt. Die Enthalpie der Luft beträgt dann 44.74 kJ/kg. Mit einem Temperaturwirkungsgrad von 80 % gerechnet, ergibt sich jetzt eine Temperatur der Luft von 4 °C nach Kühler mit einer Enthalpie von 16.5 kJ/kg bei einer Dichte von 1.27 kg/m3. Damit ergibt sich ein Wärmestrom von 53.8 kW/m2. Für diesen Fall müsste errechnet sich ein COP von ca. 500 (333 bei ca. 30 % Ventilatorwirkungsgrad). Analog müsste man bei einem Wirkungsgrad von 80 % und 1000 Watt Einstrahlung/m2 für diese Leistung über 67 m2 an Solarkollektoren installieren, die zudem mehr Pumpenergie zur Erzielung dieser Leistung benötigen.
• Bei sommerlichen Temperaturen, z.B. 32 °C und 52.3 % relativer Feuchte (2) errechnet sich dann analog ein COP von über 800 (533). Im Sommerhalbjahr, bzw. bei hohen Umgebungslufttemperaturen, kann man außerdem die gekühlte Luft auch dazu verwendet werden, Gebäude zu kühlen, insbesondere, wenn diese sehr schnell gekühlt werden sollen, weil durch die hohe Kälteleistung bei diesem Verfahren die Luft in einem Raum sehr schnell auf das erforderliche Maß gekühlt werden kann. Ferner kann man durch eine einfache Variation des Wasser- und Luftmassenstroms die Kühlleistung stufenlos in weitem Maße variieren.
• In Abhängigkeit von der Feuchtkugeltemperatur der Umgebungsluft kann das Wasser im Eisspeicher oder der Erdwärmesonde mit dem Rieselkörperkondensator bis kurz unter die Feuchtkugeltemperatur, die z.B. in Deutschland im Sommer mit 20-21 °C ihr Maximum erreicht, angehoben werden. Da auch im Winterhalbjahr in vielen Ländern zwischenzeitlich immer wieder Umgebungslufttemperaturen von 3 °C und mehr auftreten, ermöglicht der Rieselkörperkondensator eine deutliche Reduzierung der Eisspeichergröße, bzw. der Erdwärmesonde, weil insbesondere Eisspeicher, aber auch Erdwärmesonden immer wieder nachgewärmt werden können, und das mit hohen spezifischen Wärmeleistungen.
• Wenn das Wasser des Eisspeichers oder die Flüssigkeit aus der Erdwärmesonde nicht direkt den Rieselkörperkondensator durchfließen sollen, so kann durch einen Wärmetauscher, vorzugsweise einen Gegenstromwärmetauscher mit geringen Temperaturgradienten, die den Rieselkörperkondensator durchfließende Flüssigkeit von dem den Eisspeicher durchfließenden Wasser oder der die Erdwärmesonde durchfließenden Flüssigkeit getrennt werden.
• Wenn ein System aus Wärmepumpe, Eisspeicher oder Erdwärmesonde mit zugehörigem Rieselkörperkondensator installiert ist, kann man, insbesondere im Sommerhalbjahr, natürlich auch den Rieselkörperkondensator direkt als Wärmequelle für die Wärmepumpe nutzen, d.h. man leitet dann Flüssigkeit oder Wasser, welches aus dem Rieselkörperkondensator austritt, zum Verdampferwärmetauscher der Wärmepumpe, wo Flüssigkeit oder Wasser ihre Wärme an die Wärmepumpe abgeben. Je nach Umweltbedingungen kann dieses Wasser natürlich noch gefiltert, bzw. gereinigt werden.
• Ausführungsbeispiel
• Um einen guten Stoff- und Wärmeaustausch zwischen dem Wasser und der Luft zu erreichen, kann man die Luft in einer Ausbildung der Erfindung im Kreuzstrom zum Wasser führen. Da das Wasser immer vertikal, bzw. je nach Strukturierung des Rieselkörpers vertikal mit einer leichten horizontalen Komponente, strömt, strömt die Luft dann horizontal durch den Rieselkörperkondensator 1 (2). Da das Wasser sich auf dem Weg durch den Rieselkörper 2 erwärmt, darf der Rieselkörper für einen hohen Temperaturwirkungsgrad der Luft, der proportional mit einer hohen Wärmeleistung einhergeht, nicht allzu hoch gemessen an seiner Tiefe, d.h. der Durchströmungsrichtung der Luft, sein. Die Höhe des Rieselkörpers beträgt in erster Näherung ca. das 1-1.5 fache der Tiefe. Es ist sehr vorteilhaft, den Temperaturwirkungsgrad des Wassers über den Wassermassenstrom regeln zu können, insbesondere um z.B. weniger Wasser auf eine höhere Temperatur zu erwärmen oder durch mehr Wasser eine maximale Wärmeleistung zur Aufwärmung des Wassers zu erzielen, was durch eine Regelung des Wassermassenstroms erreicht wird. Eine Variation der Luftmenge steigert diese Flexibilität in noch größerem Maße.
• Um den Rieselkörperkondensator 1 unter den vorgenannten Bedingungen zu betreiben, bedarf es eines Ventilators 7, um die Luft durch den Rieselkörper 2 in Luftrichtung 8 zu ziehen, alternativ kann man die Luft auch durch den Rieselkörper 2 drücken, ferner einer Wasserzufuhr 3 zu einem Wasserverteiler 4 , durch den die Wassermassenstrom für verschiedene Betriebszustände variiert werden kann. Er besteht in einer einfachen Form aus einer Platte 5 mit Löchern 6, die ansteigend zur Horizontalen über dem Rieselkörper angeordnet ist, wodurch der sich bildende Wasserlevel über der Schräge je nach zugeführter Wassermenge mehr oder weniger ansteigt und damit mehr oder weniger Wasser über die Löcher 6 auf den Rieselkörper 2 aufgebracht wird. Damit kann man bei verschiedenen Wasser-/Lufttemperaturen z.B. COP optimiert oder wärmeleistungsoptimiert fahren, insbesondere bei einer zusätzlichen Variation des Luftdurchsatzes durch den vorzugsweise drehzahlgesteuerten Ventilator 7. Da letztlich der statische Druck des Wassers über den Löchern 6 dafür sorgt, wieviel Durchfluss sich einstellt, ist im Sinne einer hohen Variabilität des Wassermassenflusses darauf zu achten, dass der minimale Wassermassenfluss erreicht wird, indem die vorgesehene Mindestmenge mit einer Mindestanzahl der Löcher 6 mit wenigen Millimeter an Wasserlevel über den Löchern 6 erreicht wird, um dann den maximalen Wassermassenfluss mit einem Level knapp unter dem oberen Rand der Umrandung zu erreichen, damit der maximale Wassermassenfluss ein Vielfaches des minimalen Wassermassenflusses erreichen kann. Das Wasser wird unterhalb des Rieselkörpers 2 durch eine Auffangvorrichtung 9 aufgefangen und abgeleitet.
• Das Maß der Schräge, Dichte und Durchmesser der Löcher 6 werden in Abhängigkeit von den extremen und den durchschnittlichen Umgebungslufttemperaturen und - feuchten, unter denen der Rieselkörperkondensator arbeiten soll, ermittelt, unter Berücksichtigung der zugeführten variablen Wassermenge und der durchgesetzten Luft. Die Schräge der Platte 5 verläuft dabei entweder in Richtung der Luftrichtung 8 oder entgegen der Luftrichtung 8. Wenn der Durchfluss des Wassers durch den Riseselkörper nicht nur vertikal verläuft, sondern auch mit einer horizontalen Komponente gegen Luftrichtung 8, dann sollte die Schräge in Luftrichtung 8 abfallen, um mehr Wasser durch die Löcher 6 in der Platte 5 im hinteren Teil zu drücken und damit einen längeren Weg des Wassers im Gegenstrom zur Luft zu führen. Dabei ist darauf zu achten, dass auch bei maximaler Luftgeschwindigkeit durch den Rieselkörper im Mittel nicht mehr Wasser aus diesem mit der Luft austritt, als kondensiert wird, damit die Masse zirkulierten Wassers mindestens konstant bleibt, ansonsten muss Wasser nachgespeist in den Kreislauf nachgespeist werden. Das erreicht man vorzugsweise dadurch, dass das Wasser kleiner oder gleich der Taupunkttemperatur der Luft ist. Überschüssiges Kondensat wird über einen Überlauf im Eisspeicher oder einen Überlauf an der Auffangvorrichtung 9 abgeführt, im Falle des Betriebs an einer Erdwärmesonde wird der Überlauf an der Auffangvorrichtung 9 angebracht. Denkbar sind auch kompliziertere Formen des Wasserverteilers 4, z.B. eine in drei Dimensionen verformte Fläche anstelle der dargestellten Platte oberhalb des Rieselkörpers 2, die mit Löchern 6 verschiedenen Durchmessers und verschiedener lokaler Dichte ausgestattet sind, um den Wasserfluss lokal variabel einzustellen und über den Wasserlevel über der Fläche mehr oder weniger Wasser auf den Rieselkörper 2 aufzugeben.
• Eine zweite Möglichkeit der Wasseraufgabe für diesen im Kreuzstrom betriebenen Rieselkörper 2 besteht im Verwenden einer oder mehrerer Düsen, die vorzugsweise ein rechtwinkliges oder quadratische Sprühbild aufweisen und die oberhalb des Rieselkörpers 2 anstelle des Wasserverteilers 4 eingebaut werden und die die Verteilung des Wassers durchführen. Jedoch benötigt man dafür eine höhere Pumpleistung als für die vorstehend beschriebene Methode und außerdem ist die Regelbarkeit des Massenstroms deutlich begrenzter als vorstehend beschrieben.
• In einer weiteren Ausbildung der Erfindung werden zum Zwecke eines besseren Wärmetausches als zuvor beschrieben die beiden Stoffströme Wasser 11 und Luft 12 in einem Gegenstromrieselkörperkondensator 10 im Gegenstrom geführt wie in 3 gezeigt. Auch hier ist das umgebende Gehäuse des Gegenstromrieselkörperkondensators 10 aus Darstellungsgründen nicht gezeigt. Der Rieselkörper 2 wird von oben mit Wasser 11 bewässert, dass nach unten durch den Rieselkörper 2 strömt. Die Luft 12 strömt dabei von unten nach oben, weil der Ventilator 7 sie durch den Rieselkörper 2 saugt. Alternativ kann die Luft 12 natürlich auch unten seitlich eingeblasen werden, so dass sie über den gesamten freien Querschnitt zwischen Auffangvorrichtung 9 und Rieselkörper 2 strömt und dann in den Rieselkörper 2 eintritt. Das Wasser 11 wird durch einen rohrartigen Wasserverteiler 13 je nach angestrebtem Temperaturwirkungsgrad der Luft 12, Druckverlust und COP auf den Rieselkörper 2 verteilt. Der Rieselkörper 2 kann dabei aufgrund des Gegenstroms von Wasser 11 und Luft 12 bei gleicher Leistung im Volumen kleiner als der im Kreuzstrom betriebene Rieselkörper 2 dimensioniert werden, was zu verringertem energetischem Aufwand von Ventilator 7 und der Pumpe führt, weswegen diese Anordnung eine bevorzugte Anordnung darstellt. Der rohrartige Wasserverteiler 13 weist im Querschnitt bevorzugt eine strömungsgünstige Form auf, um den Druckverlust der durchströmenden Luft 12 gering zu halten. Hier empfehlen sich z.B strömungsgünstige Profile 11, z.B. symmetrische NACA Profile, die ggf. noch einen Turbulator erhalten, um den Druckverlust weiter zu minimieren. Insbesondere weisen diese Profile 14 auf der der Luftströmung zugewandten Seite genügend zu perforierende Fläche auf, um das Wasser 11 in genügender Menge zu verteilen.
• Das Wasser 11 tritt nach Durchströmung des Rieselkörpers 2 in erwärmten Tropfen 11A aus dem Rieselkörpers 2 aus und wird in einer Auffangvorrichtung 9 gesammelt und von dort aus zu seiner Verwendung weitergeleitet. Natürlich kann der rohrartige Wasserverteiler 13 auch aus runden Rohren aufgebaut werden und außerdem kann auch die bereits erwähnte Verdüsung von Wasser durch vorzugsweise Düsen mit einem rechteckigen Strahlbild oberhalb des Rieselkörper 2 anstelle durch den rohrartigen Wasserverteiler 13 stattfinden, worauf hierbei darauf zu achten ist, dass die erzeugten Tropfen so groß sind, dass sie im aufsteigenden Luftstrom noch nach unten fallen können.
• In einer weiteren Ausbildung der Erfindung als Gegenstromrieselkörperkondensator 10 kann auch ein Tropfenabscheider 15 (4), vorzugsweise bestehend aus parallel eingebauten Tropfenabscheiderprofilen 16, die unterhalb des Rieselkörpers eingebaut werden, mit einer leichten Schräge 17 gegenüber der Horizontalen. Im Detail ist der Tropfenabscheider 15 so beschaffen, dass er die Luft 12 mit einem geringen Druckverlust durch den Tropfenabscheider 15 strömen lässt und gleichzeitig die herabfallenden Tropfen 11A abfängt oder weitestgehend abfängt, was durch einen entsprechenden Abstand zwischen den Tropfenabscheiderprofilen 16 erreicht wird.
• In 5 ist die neuartige Verwendung der Tropfenabscheiderprofile 16 genauer dargestellt. Die Wasserabscheidung wird dadurch erreicht, dass die Tropfenabscheiderprofile 16 die herabfallenden Wassertropfen 11A beim senkrechten Fall seitlich ablenken und dann über sogenannte Nasen 18 abscheiden und das Wasser 11 dadurch kontrolliert durch Taschen 19 ableiten, in denen sich ein Wasserlevel 20 ausbildet; dass die Tropfenabscheiderprofile 16 entweder horizontal oder bevorzugt mit einer Schräge 17 (siehe 4) eingebaut werden, die das Wasser dann seitlich aus dem durchströmten Querschnitt der Luft 12 heraus ableitet zu einer Auffangvorrichtung 9 (4).
• Das Neuartige an dieser Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass ähnliche Tropfenabscheiderprofile 16 zwar bekannt sind, normalerweise im Gleichstrom von Wasser 11 und Luft 12 angeströmt werden und das Wasser 11 abscheiden, hier nimmt nur das Wasser 11 die übliche Anströmungsrichtung, während die Luft 12 von der anderen Seite die Tropfenabscheiderprofile 16 anströmt, was sogar zu einem geringeren Druckverlust der Luft 12 führt, da die Durchströmung aerodynamisch günstiger gestaltet ist. Über die gegenüber der Horizontale geneigte Anordnung, der Schräge 17, wird das Wasser abgeführt. Um größere Mengen von Wasser 11 abzuführen, kann auch die Wasserabführung in eine Auffangvorrichtung 9 nicht nur zu einer Seite, sondern zu allen 4 Seiten hin erfolgen.
• Zudem ist der jetzige Stand der Technik nicht in der Lage, in dieser Anordnung um die 5 Liter pro Sekunde und Quadratmeter und mehr an Wasser abzuführen, weil die Taschen 18 nicht genügend Querschnitt aufweisen und sich dementsprechend kein genügend hoher Wasserlevel 20 in diesen ausbilden kann. Der Stand der Technik bei der Nutzung von Tropfenabscheiderprofilen 17 besteht darin, dass bekannte Tropfenabscheiderprofile 17 sowohl vom Wasser 11, bzw. den Wassertropfen 11A, als auch von der Luft 12 im Gleichstrom durchströmt werden und die Taschen 19, die sich zwischen den Nasen 18 und dem eigentlichen Profil bilden, weit weniger stark ausgebildet sind, weil sie nur viel weniger Wasser - und dieses senkrecht nach unten, also zwangsläufig mit höherer Geschwindigkeit - abführen müssen; hier jedoch sind die Tropfenabscheiderprofile 17 von der Luft 12 in der einen Richtung und vom Wasser 11, bzw. den Wassertropfen 11A in dazu entgegengesetzter Richtung durchströmt und weisen sehr viel größere Taschen 19 auf als bekannte Tropfenabscheider dieser Art. Diese sind nämlich so bemessen, dass sie 4 Liter pro Sekunde und Quadratmeter und mehr abführen können. Ein Vorteil gegenüber der herkömmlichen Abscheidung ist, dass der Druckverlust der Luft 12 über die Tropfenabscheiderprofile 17 geringer als bei der üblichen Durchströmung ist, da die Luftführung strömungsgünstiger erfolgt.
• Bei dieser Anordnung kann der Ventilator 7 nicht nur oberhalb des Wasserverteilers 4,13, sondern auch unterhalb des Tropfenabscheiders 15 eingebaut werden.
• Auch bei dieser Ausbildung der Erfindung besteht die Möglichkeit der Wasseraufgabe für diesen im Gegenstrom betriebenen Rieselkörper 2 im Verwenden einer oder mehrerer Düsen, die vorzugsweise ein rechtwinkliges oder quadratische Sprühbild aufweisen und die oberhalb des Rieselkörpers 2 anstelle des rohrartigen Wasserverteilers 13 oder des Wasserverteilers 4 eingebaut werden.
• Wenn man die vorstehenden Ausbildungen des Rieselkörperkondensators 1 oder 10 mit zusätzlichen Mess- und Regeleinrichtungen wie
• - Feuchtkugeltemperatursensor für die eintretende Luft
• - Taupunkttemperatursensor zur Messung der Taupunkttemperatur der in den Rieselkörperkondensator (1,10) eintretenden Luft
• - Wasseraustrittstemperatursensor
• - Und/oder Trockenkugeltemperatursensor
• - Und/oder Wassereintrittstemperatursensor
• - Und oder Luftmassenstromsensor
• - Und/ oder Wassermassenstromsensor
• - Regeleinheit zur Regelung des Wassermassenstroms (Pumpenregelung) zur Regelung der Wassertemperatur nach Rieselkörperkondensator (1,10)
• - Regeleinheit zur Regelung des Luftmassenstroms (Ventilatorregelung) zur Regelung der Lufttemperatur nach Rieselkörperkondensator (1,10)
• - Regeleinheit unter Verwendung der Wassermassen- und Luftstrommassenregelung zur Regelung nach verschiedenen Zielgrößen wie maximalem COP bei der Wassererwärmung oder
maximaler Wärmeleistung oder maximaler Wärmeleistung der Anlage durch eine kombinierte Wassermassen- und Luftmassenstromregelung ausrüstet, kann man den Rieselkörperkondensator 1,10 stufenlos innerhalb dessen, was physikalisch möglich ist, nach verschiedenen Zielgrößen wie
• - maximalem COP bei der Wassererwärmung
• - maximaler Wärmeleistung
• - maximaler Wärmeleistung bei einer bestimmten Wasseraustrittstemperatur
• - maximalem COP bei einer bestimmten Wasseraustrittstemperatur
• - bestimmte Luftaustrittstemperatur eines bestimmten Luftmassenstroms
• - weiterer Zielgrössen, die ähnlich der vorgenannten Zielgrössen aus dem geregelten Wassermassen- und Luftmassenstrom abgeleitet werden können, betreiben.
• Bezugszeichenliste

• 1	Rieselkörperkondensator
  2	Rieselkörper
  3	Wasserzufuhr
  4	Wasserverteiler
  5	Platte
  6	Löcher
  7	Ventilator
  8	Luftrichtung
  9	Auffangvorrichtung
  10	Gegenstrom Rieselkörperkondensator
  11	Wasser
  	11A	Tropfen
  12	Luft
  13	Rohrartiger Wasserverteiler
  14	Profile
  15	Tropfenabscheider
  16	Tropfenabscheiderprofi le
  17	Schräge
  18	Nasen
  19	Taschen
  20	Wasserlevel

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102015000238 A1 [0002]

Claims (13)

1. Verwendung eines Rieselkörperkondensators (1,10) zur Erwärmung einer kalten Flüssigkeit, deren Temperatur geringer als die Feuchtkugeltempe - ratur, möglichst sogar geringer als die Taupunkttemperatur der den Rieselkörperkondensator (1) durchströmenden Luft (12) ist, wobei die Luft (12) im Kreuz- oder Gegenstrom mit der kalten Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird.
2. Verwendung eines Rieselkörperkondensators (1,10) nach Anspruch 1 zur Erwärmung von Eiswasser aus Eisspeichern oder kalter Flüssigkeit aus Erdwärmesonden oder anderen Speichern, wobei die Erwärmung direkt oder indirekt durch einen zwischengeschalteten Wärmetauscher erfolgt.
3. Verwendung eines Rieselkörperkondensators (1,10) nach Anspruch 1 oder 2, zur Kühlung der in den Rieselkörperkondensator (1,10) eintretenden Luft (12) unter die Feuchtkugeltemperatur dieser Luft (12) insbesondere in Kombination mit einer Erdwärmesonde oder einem Eisspeicher.
4. Rieselkörperkondensator (1,10), umfassend - Mindestens einen Wasserverteiler (4,13) - Mindestens einen Rieselkörper (2) - Ein Gehäuse mit Wasserauffangvorrichtung (9) - Mindestens eine Wasserpumpe - Mindestens einen Ventilator (7)
5. Rieselkörperkondensator (1,10) nach Anspruch 4, zusätzlich umfassend - Feuchtkugeltemperatursensor für die eintretende Luft - Taupunkttemperatursensor zur Messung der Taupunkttemperatur der in den Rieselkörperkondensator (1,10) eintretenden Luft - Wasseraustrittstemperatursensor - Und/oder Trockenkugeltemperatursensor - Und/oder Wassereintrittstemperatursensor - Und oder Luftmassenstromsensor - Und/ oder Wassermassenstromsensor - Regeleinheit zur Regelung des Wassermassenstroms (Pumpenregelung) zur Regelung der Wassertemperatur nach Rieselkörperkondensator (1,10) - Regeleinheit zur Regelung des Luftmassenstroms (Ventilatorregelung) zur Regelung der Lufttemperatur nach Rieselkörperkondensator (1,10) - Regeleinheit unter Verwendung der Wassermassen- und Luftstrommassenregelung zur Regelung nach verschiedenen Zielgrößen wie maximalem COP bei der Wassererwärmung oder maximaler Wärmeleistung oder maximaler Wärmeleistung der Anlage durch eine kombinierte Wassermassen- und Luftmassenstromregelung nach verschiedenen Zielgrößen wie - maximalem COP bei der Wassererwärmung - maximaler Wärmeleistung - maximaler Wärmeleistung bei einer bestimmten Wasseraustrittstemperatur - maximalem COP bei einer bestimmten Wasseraustrittstemperatur - bestimmte Luftaustrittstemperatur eines bestimmten Luftmassenstroms - weiterer Zielgrössen, die ähnlich der vorgenannten Zielgrössen aus dem geregelten Wassermassen- und Luftmassenstrom abgeleitet werden können.
6. Rieselkörperkondensator (1,10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass er zusätzlich einen Tropfenabscheider (16) aufweist, bevorzugt auf der Wasseraustrittsseite des Rieselkörpers (2).
7. Rieselkörperkondensator (1,10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er einen oder mehrere der folgenden Merkmale aufweist: - Tropfenabscheider, horizontal oder schräg zur Horizontalen eingebaut - Tropfenabscheider, im Gegenstrom betrieben, d.h. dass Wasser, bzw. Flüssigkeit von der einen Seite eintritt und abgeschieden wird während die Luft von der anderen Seite eintritt - das von den Nasen (18) der Tropfenabscheiderprofile (17) abgeschiedene Wasser wird nach außen über die Taschen (19) abgeleitet - die Taschen (19) können bei schrägem Einbau gegenüber der Horizontalen 4 Liter pro Sekunde und Quadratmeter oder mehr ableiten
8. Rieselkörperkondensator (1) nach Anspruch 4, wobei der Wasserverteiler (4) einen oder mehrere der folgenden Ansprüche erfüllt: - Wasserverteilung eines in Abhängigkeit vom Betriebszustand variierenden oder nicht variierenden Flüssigkeitsmassenstroms über einem Rieselkörper (2) - bestehend aus einer gelochten Platte (5), bzw. dreidimensional verformten gelochten Fläche, mit einem begrenzenden Rand, ggf. mit einer Stützstruktur für diese Fläche, so dass diese oberhalb des Rieselkörpers (2) sitzt, bzw. auf diesen geklemmt wird, dessen gelochte Fläche so gestaltet wird, dass ein über die Strömungsrichtung der Luft (8) und möglicherweise auch quer dazu variierender Flüssigkeitsmassenstrom in Abhängigkeit vom Wasserlevel über der gelochten Fläche auf den Rieselkörper (2) aufgegeben werden kann, indem bevorzugt über einen regelbare Pumpe oder eine nicht regelbare Pumpe in Zusammenarbeit mit einem Drosselventil ein variierender Flüssigkeitsmassenstrom auf die gelochte Fläche gefördert wird. Die Lochung kann dabei lokal unterschiedlich in Bezug auf den Lochdurchmesser und die Lochdichte sein.
9. Rieselkörperkondensator (1,10) nach Anspruch 4-7, wobei der Wasserverteiler (4) im Betrieb mit Kreuz- oder Gegenstrom aus einer oder mehreren Wasserdüsen bestehen, die ihre Tropfen bevorzugt rechteckig auf die rechteckige Kopffläche des Rieselkörpers (2) verteilen. Der Flüssigkeitsmassenstrom kann über den Wasserdruck vor den Düsen variiert werden.
10. Rieselkörperkondensator (1,10) nach Anspruch 4-7, wobei der rohrartige Wasserverteiler (13) eines oder mehrere der nachfolgenden Merkmale aufweist: - der rohrartige Wasserverteiler (13) besteht aus Rohren, bevorzugt aus Rohren, die ein aerodynamisches Profil (14) haben, z.B. ein symmetrisches NACA Flügelprofil, bevorzugt mit Turbulator, um den Luftwiderstand für die hindurchtretende Luft zu minimieren - diese Rohre verlaufen in Abständen horizontal oder auch schräg zur Horizontalen nahe der obersten Fläche des Rieselkörpers (2) und verteilen Wasser (11), bzw. Flüssigkeit, bevorzugt aus mehreren Öffnungen in verschiedenen Richtungen nach unten, bzw. schräg nach unten, gleichmäßig oder ungleichmäßig, auf den Rieselkörper (2) - die Menge der Wassers (11), bzw. der Flüssigkeit kann dabei über Änderungen des absoluten Vordrucks in dem rohrartigen Wasserverteiler (13) um das Mehrfache des minimalen Durchflusses variiert werden.
11. Rieselkörperkondensator (1,10), der als Wärmequelle für eine Wärmepumpe dient, indem das aus dem Rieselkörperkondensator (1,10) austretende Wasser (11) direkt dem Verdampfer der Wärmepumpe zugeführt wird.
12. Verfahren zur Erwärmung einer kalten Flüssigkeit, vorzugsweise Eiswasser oder kalter Flüssigkeit aus Erdwärmesonden, umfassend die folgenden Schritte: a) Verteilung der zu erwärmenden Flüssigkeit mit Hilfe eines Wasserverteilers (4,13) über den Rieselkörper (2) b) Führung von Luft (12), vorzugsweise Umgebungsluft, mit einer Feuchtkugeltemperatur grösser der Flüssigkeitstemperatur, durch den Rieselkörper (2), im Kreuz- oder Gegenstrom zur Flüssigkeit, so dass die Luft (12) in Kontakt mit der Flüssigkeit gebracht wird. c) Auffangen der Flüssigkeit unterhalb des Rieselkörpers (2) und Ableiten derselben durch eine Auffangvorrichtung (9), optional durch einen Tropfenabscheider (15)
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rieselkörperkondensator (1,10) nach den Ansprüchen 4-10 verwendet wird.

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