DE102021108225A1

DE102021108225A1 - Flow control element for cold heating networks

Info

Publication number: DE102021108225A1
Application number: DE102021108225.0A
Authority: DE
Inventors: Markus Pröll; Florian Dönges
Original assignee: Dynamic Blue Holding GmbH
Current assignee: Dynamic Blue Holding GmbH
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2021-03-31
Publication date: 2022-10-06
Also published as: EP4067670A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Strömungsleitelement (44) einer Versorgungsleitung (22) eines Kaltwärmenetzes (20) in dem ein Fluidstrom geleitet wird. Das Strömungsleitelement (44) weist mindestens eine Leitfläche (21) auf, die den Fluidstrom umleitet.The invention relates to a flow guide element (44) of a supply line (22) of a cold heating network (20) in which a fluid flow is conducted. The flow guide element (44) has at least one guide surface (21) which redirects the fluid flow.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Versorgungsleitung eines Kaltwärmenetzes in dem ein Fluidstrom geleitet wird.The present invention relates to a supply line of a cold heating network in which a fluid flow is conducted.

Kaltwärmenetze, auch als Anergienetze bezeichnet, werden zunehmend zur Versorgung von Wohngebieten, Gewerbegebieten und öffentlichen Gebäuden mit Energie bzw. Wärme genutzt.Cold heat networks, also known as anergy networks, are increasingly being used to supply residential areas, commercial areas and public buildings with energy or heat.

Durch eine intelligente und ganzheitliche Nutzung verschiedenster Wärmequellen stellt diese Art der Wärme- und Kälteversorgung einen ausgesprochen effizienten und umweltfreundlichen Beitrag zur wirtschaftlichen und ökologischen Versorgung von Gebäuden dar.Through the intelligent and holistic use of a wide variety of heat sources, this type of heating and cooling supply represents an extremely efficient and environmentally friendly contribution to the economical and ecological supply of buildings.

Kaltwärmenetze sind als Nahwärme- und Fernwärmenetze bekannt. Als technische Variante eines Wärmeversorgungsnetzes, das mit niedrigen Übertragungstemperaturen in der Nähe der Umgebungstemperatur arbeitet, können diese Wärme und Kälte bereitstellen. Bei üblichen Übertragungstemperaturen im Bereich von ca. -10-35 °C arbeiten solche Systeme mit Temperaturen deutlich unterhalb herkömmlicher Fern- oder Nahwärmesysteme, wodurch verschiedene Verbraucher unabhängig voneinander gleichzeitig heizen und kühlen können. Produzierte Kälte kann als Abwärme ins Wärmenetz zurückgespeist werden.Cold heating networks are known as local heating and district heating networks. As a technical variant of a heat supply network that works with low transmission temperatures close to the ambient temperature, these can provide heat and cold. With normal transmission temperatures in the range of approx. -10-35 °C, such systems work with temperatures well below conventional district or local heating systems, which means that different consumers can heat and cool independently of one another. The cold produced can be fed back into the heating network as waste heat.

Warmwassererzeugung und Gebäudeheizung erfolgen meist nicht direkt über Wärmetauscher, sondern meist über Sole/Wasser-Wärmepumpen, die ihre Wärmeenergie aus dem Wärmenetz gewinnen. Die Kühlung kann entweder direkt über das Kaltwärmenetz oder ggf. indirekt über die Wärmepumpen erfolgen. Die Sammelbezeichnung in der wissenschaftlichen Fachterminologie für derartige Systeme lautet auch „5th generation district heating and cooling“, also „Fernwärme und -kälte der Fünften Generation“.Hot water generation and building heating are usually not carried out directly via heat exchangers, but mostly via brine/water heat pumps, which obtain their thermal energy from the heating network. The cooling can be done either directly via the cold heating network or, if necessary, indirectly via the heat pumps. The collective term in scientific terminology for such systems is also "5th generation district heating and cooling".

Als Energielieferant für das Kaltwärmenetz kommen diverse Wärmequellen in Frage, insbesondere erneuerbare Quellen wie das Gewässer, Solarthermie, Geothermie und Umgebungsluft sowie gewerbliche und industrielle Abwärme, die einzeln oder in Kombination genutzt werden können. Aufgrund des modularen Aufbaus können bei weiterem Ausbau des Netzes weitere Wärmequellen erschlossen werden, sodass größere Kaltwärmenetze letztendlich über unterschiedliche Quellen gespeist werden können.Various heat sources can be considered as energy suppliers for the cold heating network, in particular renewable sources such as water, solar thermal energy, geothermal energy and ambient air as well as commercial and industrial waste heat, which can be used individually or in combination. Due to the modular structure, further heat sources can be tapped as the network expands, so that larger cold heat networks can ultimately be fed from different sources.

Kaltwärmenetze erlauben eine Vielzahl von Netzkonfigurationen, die sich grob in offene und geschlossene Systeme unterscheiden lassen. Bei offenen Systemen wird Wasser in das Kaltwärmenetz eingespeist, durch die Versorgungsleitungen geleitet, wo es dann die jeweiligen Verbraucher versorgt, und schließlich wieder in die Umwelt abgegeben. Bei geschlossenen Systemen zirkuliert eine Überträgerflüssigkeit, meist Sole , in einem Kreislauf.Cold heat networks allow a variety of network configurations, which can be roughly divided into open and closed systems. With open systems, water is fed into the cold heating network, routed through the supply lines, where it then supplies the respective consumers, and finally released back into the environment. In closed systems, a transfer liquid, usually brine, circulates in a circuit.

Weiter lassen sich die Systeme nach der Anzahl der verwendeten Rohrleitungen unterscheiden. Abhängig von den jeweiligen Gegebenheiten sind Konfiguration mit einer bis vier Rohrleitungen möglich:

Einrohrsysteme werden üblicherweise bei offenen Systemen verwendet, die beispielsweis Oberflächen- oder Grundwasser als Wärmequelle nutzen und dieses nach Durchströmen des Wärmenetzes wieder in die Umwelt abgeben.

The systems can also be differentiated according to the number of pipes used. Depending on the respective circumstances, configurations with one to four pipes are possible:

One-pipe systems are usually used in open systems that use, for example, surface or groundwater as a heat source and release it back into the environment after it has flowed through the heating network.

In Zweirohrsystemen werden Versorgungsleitungen mit unterschiedlichen Temperaturen betrieben. Im Heizbetrieb dient die wärmere der beiden als Wärmequelle für die Wärmepumpen der Abnehmer, die kältere nimmt das durch die Wärmepumpe abgekühlte Übertragungsmedium wieder auf. Im Kühlbetrieb dient die kältere als Quelle, die von der Wärmepumpe erzeugte Wärme wird in die wärmere Leitung eingespeist.In two-pipe systems, supply lines are operated at different temperatures. In heating mode, the warmer of the two serves as a heat source for the consumers' heat pumps, while the colder one absorbs the transfer medium that has been cooled by the heat pump. In cooling mode, the colder line serves as the source, the heat generated by the heat pump is fed into the warmer line.

Abhängig von der Temperatur erfolgt die Rückspeisung nach Nutzung in die wärmere oder kältere Versorgungsleitung. Alternativ kann die dritte Leitung auch als Kälteleitung zur direkten Kühlung via Wärmetauscher genutzt werden. Die Leitungen unterscheiden sich durch ihr Tempearaturniveau. Je nach Temperaturniveau werden die Leitungen zum Einspeisen/Entnehmen für Heiz- und Kühlzwecke eingesetzt.Depending on the temperature, the energy is fed back into the warmer or colder supply line after use. Alternatively, the third line can also be used as a cooling line for direct cooling via a heat exchanger. The lines differ in their temperature level. Depending on the temperature level, the feed/extraction lines are used for heating and cooling purposes.

Unter dem Begriff Versorgungsleitung werden im Sinne der Erfindung sämtliche Rohrleitungen verstanden, die zur Nutzung der Energie notwendig sind. Bei offenen Systemen sind dies beispielsweise eine Hauptversorgungsleitung, gegebenenfalls Stichleitungen, um z.B. Straßenzüge oder Untersektoren zu versorgen, und Verbraucheranschlussleitungen. Geschlossene Systeme weisen je nach Konfiguration eine oder mehrere als Ring ausgeführte Hauptversorgungsleitungen auf, von der Stichleitungen oder Verbraucheranschlussleitungen abgehen. Als Ring ausgeführte Hauptversorgungsleitungen werden auch als Ringleitungen bezeichnet.In the context of the invention, the term supply line means all pipelines that are necessary for using the energy. In the case of open systems, these are, for example, a main supply line, possibly stub lines, e.g. to supply streets or sub-sectors, and consumer connection lines. Depending on the configuration, closed systems have one or more main supply lines designed as a ring, from which branch lines or consumer connection lines branch off. Main supply lines designed as a ring are also referred to as ring lines.

Grundsätzlich sind Kaltwärmenetze effizient und ihre Bedeutung im Bereich der Energieversorgung nimmt stetig zu. Allerdings hat sich gezeigt, dass der energetische Wirkungsgrad der Gesamtanlage noch steigerungsfähig ist.Basically, cold heating networks are efficient and their importance in the field of energy supply is constantly increasing. However, it has been shown that the energy efficiency of the entire system can still be increased.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Möglichkeiten zur Steigerung der energetischen Effizienz eines Kaltwärmenetzes zu schaffen. Die Steigerung der energetischen Effizienz soll dabei mit möglichst geringen zusätzlichen Kosten bewirkt werden, die Wirtschaftlichkeit des Kaltwärmenetzes soll möglichst erhöht werden.The object of the present invention is ways to increase the to create energetic efficiency of a cold heating network. The increase in energy efficiency should be achieved with the lowest possible additional costs, and the economic efficiency of the cold heating network should be increased as much as possible.

Die Aufgabe wird durch ein Strömungsleitelement einer Versorgungsleitung eines Kaltwärmenetzes mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.The object is achieved by a flow guide element of a supply line of a cold heating network with the features of patent claim 1.

Weiterhin die Aufgabe durch eine Versorgungsleitung und ein Kaltwärmenetz mit einem erfindungsgemäßen Strömungsleitelement gelöst.Furthermore, the object is achieved by a supply line and a cold heating network with a flow guide element according to the invention.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, die Versorgungsleitung selbst nicht nur zur Weiterleitung des Fluids, sondern auch energetisch zu nutzen. Die Energie- bzw. Wärmeaufnahme durch die Versorgungsleitung selbst, insbesondere durch die Ringleitung, kann erheblich zur Energieaufnahme des Systems beitragen. Es hat sich gezeigt, dass je nach Konfiguration des Gesamtsystems über die Versorgungsleitung bzw. Ringleitung bis zu ca. 20 % an zusätzlicher Energie gewonnen werden können. Dem Erdreich als Wärmereservoir wird ein Wärmestrom oder eine Wärmeleistung, kurz Wärme, über die Versorgungsleitung entnommen bzw. wird Wärme abgegeben, wenn das Erdreich zur Kühlung genutzt wird. Voraussetzung hierfür ist, dass der Wärmeaustausch mit dem umgebenden Erdreich optimiert ist. Dies wird durch das erfindungsgemäße Strömungsleitelement gelöst.An essential aspect of the invention consists in using the supply line itself not only to forward the fluid, but also to use it energetically. The energy or heat absorption by the supply line itself, in particular by the ring line, can contribute significantly to the energy consumption of the system. It has been shown that, depending on the configuration of the overall system, up to approx. 20% additional energy can be gained via the supply line or loop. A heat flow or heat output, or heat for short, is taken from the ground as a heat reservoir via the supply line or heat is released if the ground is used for cooling. The prerequisite for this is that the heat exchange with the surrounding soil is optimized. This is solved by the flow guide element according to the invention.

Insbesondere zu Spitzenlastzeiten können die Anergiequellen, wie z.B. Erdwärme, erheblich entlastet werden, wenn die Versorgungsleitung durch Wärmeaustausch mit dem Erdreich oder der Umgebungsluft zur Wärme-/Kälteversorgung beiträgt. Damit ergeben sich wesentlich ökonomische Entlastungen bei der Quelldimensionierung.Anergy sources, such as geothermal heat, can be significantly relieved, particularly at peak load times, if the supply line contributes to the heating/cooling supply through heat exchange with the ground or the ambient air. This results in significant economic relief when dimensioning the source.

Erfindungsgemäß weist das Strömungsleitelement mindestens eine Leitfläche auf, über die der ansonsten im Wesentlichen laminar und sich kaum vermischende Fluidstrom zumindest abschnittsweise aus seiner natürlichen Strömungsrichtung abgelenkt wird. In einer ersten Ausführungsvariante wird in Bezug auf einen Querschnitt der Rohrleitung der Fluidstrom beispielsweise aus der Rohrmitte nach außen in Richtung der Rohrinnenwand geleitet, die an das wärmere oder kältere Erdreich angrenzt. Dadurch wird die Wärmeübertragung zwischen dem Fluidstrom und dem Erdreich deutlich verbessert. Im späteren Strömungsverlauf vermischen sich die wärmeren und kälteren Strömungspfade in der Rohrleitung wieder, sodass sich Temperaturunterschiede ausgleichen können. Das Strömungsleitelement kann beispielsweise rund, oval oder vorzugsweise eiförmig ausgeführt sein. Das Strömungsleitelement kann im Prinzip jeden beliebigen Querschnitt aufweisen, beispielsweise kreisförmig, oval, aber auch polygonal, dreieckig usw.. Wesentlich ist, dass der Querschnitt in Strömungsrichtung zunimmt, das Strömungsleitelement also in Strömungsrichtung zumindest abschnittsweise konisch ausgeführt ist.According to the invention, the flow guide element has at least one guide surface, via which the fluid flow, which is otherwise essentially laminar and hardly mixes, is deflected at least in sections from its natural flow direction. In a first embodiment variant, the fluid flow is directed, for example, from the center of the pipe outwards in the direction of the inner wall of the pipe, which adjoins the warmer or colder ground, in relation to a cross section of the pipeline. This significantly improves the heat transfer between the fluid flow and the ground. In the later course of the flow, the warmer and colder flow paths in the pipeline mix again so that temperature differences can even out. The flow-guidance element can, for example, be round, oval or preferably egg-shaped. In principle, the flow guide element can have any desired cross section, for example circular, oval, but also polygonal, triangular, etc. It is essential that the cross section increases in the direction of flow, i.e. the flow guide element is designed at least partially conical in the direction of flow.

Bei diesen Ausführungsvarianten ist die Leitfläche durch die gesamte Außenfläche des Strömungsleitelements gebildet.In these design variants, the guiding surface is formed by the entire outer surface of the flow guiding element.

Es kann ein einziges zentrales Strömungsleitelement im Bereich der Rohrmitte angeordnet sein, denkbar sind aber auch mehrere kleinere Strömungsleitelemente, die entweder nebeneinander oder in Strömungsrichtung hintereinander bzw. versetzt zueinander angeordnet sind. Denkbar ist auch ein einziges Strömungsleitelement, das nicht in der Rohrmitte, sondern dezentral, also seitlich versetzt zu einer Zentralachse der Rohrleitung angeordnet ist.A single central flow guide element can be arranged in the region of the center of the pipe, but several smaller flow guide elements are also conceivable, which are arranged either next to one another or one behind the other in the direction of flow or offset from one another. A single flow guide element is also conceivable, which is not arranged in the middle of the pipe but decentralized, that is to say offset laterally with respect to a central axis of the pipeline.

Im Bereich der Rohrmitte angeordneten Strömungsleitelemente können in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante auch inhomogene als Leitflächen wirkende Außenflächen aufweisen. Beispielsweise können die Strömungsleitelemente in ihrer Außenfläche Mulden oder Erhöhungen aufweisen, die Einfluss auf die Umlenkung der Strömungspfade haben. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante erstreckt sich entlang der Außenfläche des Strömungsleitelements in Strömungsrichtung eine helixartige Struktur, die den Fluidstrom in Rotation versetzt.In a particularly preferred embodiment variant, flow guide elements arranged in the area of the center of the pipe can also have inhomogeneous outer surfaces acting as guide surfaces. For example, the flow guide elements can have troughs or elevations in their outer surface, which influence the deflection of the flow paths. In a particularly advantageous embodiment variant, a helical structure extends along the outer surface of the flow guide element in the direction of flow, which causes the fluid flow to rotate.

Grundsätzlich ist es erfindungsgemäß auch möglich, die Strömungsleitelemente derart auszuführen, dass sie den Fluidstrom nicht von der Rohrmitte nach außen, sondern von der Rohrinnenwand in Richtung Rohrmitte umleiten. Zu diesem Zweck sind die Strömungsleitelemente nahe der Rohrinnenwand angeordnet.In principle, it is also possible according to the invention to design the flow guide elements in such a way that they do not divert the fluid flow from the center of the tube outwards, but rather from the inner wall of the tube in the direction of the center of the tube. For this purpose, the flow guide elements are arranged close to the inner wall of the pipe.

Die erfindungsgemäßen Strömungsleitelemente weisen in einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante als Leitfläche zumindest einen Verwirbelungskörper auf, der in den Fluidstrom hineinragt. Die Form der Verwirbelungskörper kann dabei sehr unterschiedlich sein, beispielsweise können sie ringförmig ausgeführt sein. In einer besonders einfachen Ausführungsvariante ist die Leifläche durch eine Art Flügelkörper gebildet, der mit seinem freien Ende vom Strömungsleitelement absteht, entweder im Wesentlichen in Richtung der Rohrinnenwand oder in Richtung des Rohrinnern. Um die Strömungsgeschwindigkeit nicht zu sehr zu reduzieren, können die Verwirbelungskörper vorzugsweise schräg zu einer Orthogonalebene der Längsachse ausgerichtet sein. Durch die Schrägstellung wird außerdem eine rotatorische Strömungskomponente bewirkt.In a particularly advantageous embodiment variant, the flow guide elements according to the invention have at least one turbulence body as the guide surface, which protrudes into the fluid flow. The shape of the turbulence bodies can be very different, for example they can be ring-shaped. In a particularly simple embodiment variant, the guide surface is formed by a type of wing body, the free end of which protrudes from the flow guide element, either essentially in the direction of the inner wall of the pipe or in the direction of the pipe interior. In order not to reduce the flow velocity too much, the turbulence bodies can preferably be inclined to a plane orthogonal to the longitudinal axis be aligned. The inclined position also causes a rotational flow component.

Das Strömungsleitelement kann den Fluidstrom zumindest bereichsweise in eine turbulente Strömung versetzen, wodurch der Wärmeaustausch mit der Innenwand der Rohrleitung und damit mit dem umgebenden Erdreich ebenfalls deutlich verbessert wird.The flow guide element can set the fluid flow into a turbulent flow at least in some areas, which also significantly improves the heat exchange with the inner wall of the pipeline and thus with the surrounding soil.

Erfindungsgemäß können die Strömungsleitelemente als Verwirbelungskörper bzw. Leitflächen auch wenigstens zwei Teilringscheiben mit einem Außenrand, einem Innenrand und je zwei freien Enden, die eine Teilringfläche begrenzen aufweisen. Der Innenrand grenzt an die Innenwand des Versorgungsrohres an oder ist mit der Innenwand verbunden.According to the invention, the flow guide elements, as turbulence bodies or guide surfaces, can also have at least two partial annular disks with an outer edge, an inner edge and two free ends each, which delimit a partial annular surface. The inner edge abuts or connects to the inner wall of the service pipe.

Je eines der freien Enden einer Teilringscheiben ist beabstandet zu einem der freien Enden einer benachbarten Teilringscheibe angeordnet. Zusätzlich sind benachbarte Teilringscheiben unterschiedlich schräg zur Orthogonalebene der Längsachse ausgerichtet. Im Wesentlichen beabstandet bedeutet, dass sich zwischen je einem der freien Enden zweier benachbarter Teilringscheiben eine Öffnung ausbildet, durch die ein Strömungspfad des Fluids entlang der Längsachse der Versorgungsleitung führt.One of the free ends of a partial annular disk is arranged at a distance from one of the free ends of an adjacent partial annular disk. In addition, adjacent partial ring disks are oriented at different angles to the orthogonal plane of the longitudinal axis. Substantially spaced apart means that an opening is formed between one of the free ends of two adjacent partial ring disks, through which a flow path of the fluid leads along the longitudinal axis of the supply line.

Beispielsweise können die Teilringflächen als Halbringflächen so ausgestaltet sein, dass jeweils die freien Enden einer Teilringscheibe einen Winkel von 180° miteinander einschließen. Denkbar sind aber auch andere Varianten eines Kreissegmentabschnitts. Beträgt der Winkel, der von den freien Enden einer Teilringscheibe eingeschlossen wird, weniger als 180° so vergrößert sich der Anteil des Strömungspfades, der direkt entlang der Innenwand führt.For example, the partial ring surfaces can be designed as half ring surfaces in such a way that the free ends of a partial ring disk enclose an angle of 180° with one another. However, other variants of a segment of a circle are also conceivable. If the angle enclosed by the free ends of a partial ring disk is less than 180°, the proportion of the flow path that runs directly along the inner wall increases.

Die schräg stehenden Teilringscheiben bewirken einen weiteren Strömungspfad mit einer rotatorischen Komponente über die Teilringflächen und entlang der Innenwand der Versorgungsleitung. In einer Draufsicht, in Strömungsrichtung auf den Vermischungskörper, fließt das Wärmeübertragungsfluid, je nach Anordnung der Teilringscheiben im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn. Bevorzugt sind die Teilringscheiben der verschiedenen Vermischungskörper jeweils so angeordnet, dass sich die Richtung der rotatorischen Komponente der Strömung benachbarter Vermischungskörper unterscheidet.The slanting partial ring disks cause a further flow path with a rotational component over the partial ring surfaces and along the inner wall of the supply line. In a plan view, in the flow direction of the mixing body, the heat transfer fluid flows clockwise or counterclockwise, depending on the arrangement of the partial ring disks. The partial ring disks of the various mixing bodies are preferably each arranged in such a way that the direction of the rotational component of the flow of adjacent mixing bodies differs.

Ein vorteilhafter Effekt stellt sich bei den erfindungsgemäßen an der Rohrinnenwand angeordneten Strömungsleitelementen im Übrigen auch dadurch ein, dass sich in der Rohrmitte die Maximalgeschwindigkeit der laminaren Strömung einstellt. Dies bewirkt eine relativ starke Verwirbelung des an der Innenwand strömendem Strömungsanteils, der durch die Ablenkung an den erfindungsgemäßen Strömungsleitelementen quer in Richtung des Rohrinnern geleitet wird.An advantageous effect is also achieved with the flow guide elements according to the invention arranged on the inner wall of the pipe because the maximum speed of the laminar flow is set in the middle of the pipe. This causes a relatively strong turbulence of the flow component flowing on the inner wall, which is guided transversely in the direction of the inside of the pipe by the deflection at the flow guide elements according to the invention.

Ob eine Strömung laminar strömt, hängt von der Geometrie des Strömungspfads, der Viskosität des Wärmeübertragungsfluids und von der Strömungsgeschwindigkeit ab. Daraus ergibt sich die sogenannte Reynolds-Zahl, die ein Maß dafür ist, zu welchem Grad Turbulenzen in einer Strömung auftreten. Generell gilt, je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist, desto eher wird die kritische Reynolds-Zahl überschritten. Eine geringe Strömungsgeschwindigkeit gewährleistet eine (annähernd) laminare Strömung. Zusätzlich hat das Wärmeübertragungsfluid durch die geringe Strömungsgeschwindigkeit mehr Zeit die Wärme an der Einströmrohrinnenfläche aufzunehmen. Eine laminare Strömung ist aber deswegen nachteilig, weil sich innerhalb einer (annähernd) laminaren Strömung ungleich temperierte Schichten ausbilden und somit der Wärmetransport des Fluids in seiner Gesamtheit an die Rohrwand nur unvollständig ausgeprägt ist.Whether a flow is laminar depends on the geometry of the flow path, the viscosity of the heat transfer fluid, and the flow velocity. This results in the so-called Reynolds number, which is a measure of the degree to which turbulence occurs in a flow. In general, the higher the flow velocity, the more likely it is that the critical Reynolds number will be exceeded. A low flow rate ensures an (approximately) laminar flow. In addition, due to the low flow rate, the heat transfer fluid has more time to absorb the heat on the inner surface of the inflow pipe. However, a laminar flow is disadvantageous because within an (approximately) laminar flow, layers of unequal temperature are formed and thus the heat transport of the fluid in its entirety to the pipe wall is only incomplete.

Es hat sich herausgestellt, dass gerade ein sich wiederholender Wechsel von fast laminarer Strömung und umgeleiteter bzw. vermischter Strömung einen effektiven Wärmeaustausch bewirkt. Dementsprechend sollte eine ausreichende Anzahl an in Strömungsrichtung des Fluids beabstandeten Strömungsleitelementen in der Versorgungsleitung vorhanden sein. Der Abstand zwischen den Strömungsleitelementen ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass sich das Wärmeübertragungsfluid, nachdem es ein Strömungsleitelement passiert hat, wieder beruhigt und sich erneut nahezu laminare Strömung einstellt, bevor es auf das nächste Strömungsleitelement trifft. Es ist aber zu beachten, dass diese Werte lediglich als Größenordnung anzusehen sind und zur Ermittlung der idealen Abstände die Strömungsgeschwindigkeit und insbesondere auch die Durchmesser der entsprechenden Versorgungsleitungen zu berücksichtigen sind. Es kann in Einzelfällen durchaus zielführend sein, deutlich weniger Strömungsleitelemente vorzusehen, so dass deren Abstand voneinander also deutlich mehr als 2 m beträgt. Die Durchmesser von Versorgungsleitungen sind sehr unterschiedlich, sie beginnen bei ca. DA25 bis DA110 (DN100) und sind nach oben offen (DN300; DN400 oder sogar mehr).It has been found that it is precisely a repetitive alternation of almost laminar flow and diverted or mixed flow that causes an effective heat exchange. Accordingly, there should be a sufficient number of flow guide elements spaced apart in the flow direction of the fluid in the supply line. The distance between the flow guide elements is preferably chosen so that the heat transfer fluid, after it has passed a flow guide element, calms down again and almost laminar flow is restored before it meets the next flow guide element. It should be noted, however, that these values are only to be regarded as an order of magnitude and that the flow velocity and, in particular, the diameter of the corresponding supply lines must be taken into account to determine the ideal distances. In individual cases, it can be expedient to provide significantly fewer flow guide elements, so that their distance from one another is significantly more than 2 m. The diameters of supply lines are very different, they start at about OD25 to OD110 (DN100) and are open at the top (DN300; DN400 or even more).

An dieser Stelle sei angemerkt, dass es in der Praxis keine rein laminare, also wirbelfreie Strömung gibt, weshalb im Folgenden von fast laminarer Strömung, oder im Wesentlichen laminarer Strömung die Rede ist. Für den wesentlichen Aspekt der Erfindung ist es auch nicht nötig, dass sich die Strömung zwischen den Strömungsleitelementen wieder vollständig beruhigt, es genügt, dass sie sich beruhigt und wieder fast laminar wird. Die Erfindung führt im Wesentlichen zu einer Strömung im laminaren Übergangsbereich in den Versorgungsleitungen.At this point it should be noted that in practice there is no purely laminar, i.e. turbulence-free flow, which is why in the following we will speak of almost laminar flow or essentially laminar flow. For the essential aspect According to the invention, it is also not necessary for the flow between the flow guide elements to calm down completely again; it is sufficient for it to calm down and become almost laminar again. The invention essentially leads to a flow in the laminar transition region in the supply lines.

Erfindungsgemäß es sind drei unterschiedliche Varianten zur Anordnung von Strömungsleitelementen in einer Versorgungsleitung vorgesehen.According to the invention, three different variants for arranging flow guide elements in a supply line are provided.

In einer ersten Variante sind die Strömungsleitelemente einer Versorgungsleitung integraler Bestandteil der Rohrleitungen. Dementsprechend weist eine Rohrleitung an ihrer Innenwand einen oder mehrere an dieser befestigte oder an diese angeformte Strömungsleitelemente auf. Die Strömungsleitelemente können also mit der Innenwand beispielsweise verklebt oder verschweißt sein, alternativ können die Rohrleitung und die jeweiligen Strömungsleitelemente auch einstückig ausgeführt, beispielsweise im Spritzgussverfahren gemeinsam hergestellt sein. Bei der erfindungsgemäßen Variante mit in der Rohrmitte angeordneten Strömungsleitelementen können diese beispielsweise über Haltearme mit der Rohrinnenwand verbunden sein. Die Haltearme erstrecken sich dann im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung und sollten aus diesem Grund ebenfalls strömungsoptimiert ausgeführt sein, beispielsweise konisch. In der Ausführungsvariante kann auch ein einziger Haltearm je Strömungsleitelement ausreichend sein.In a first variant, the flow guide elements of a supply line are an integral part of the pipelines. Accordingly, a pipeline has on its inner wall one or more flow guide elements attached to it or molded onto it. The flow guide elements can thus be glued or welded to the inner wall, for example; alternatively, the pipeline and the respective flow guide elements can also be made in one piece, for example produced together using an injection molding process. In the variant according to the invention with flow guide elements arranged in the middle of the pipe, these can be connected to the inner wall of the pipe via holding arms, for example. The holding arms then extend essentially transversely to the direction of flow and for this reason should also be designed to be flow-optimized, for example conical. In the variant embodiment, a single holding arm for each flow guide element can also be sufficient.

Weiterhin kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Strömungsleitelemente in Verbinder integriert sind, mit denen einzelne Rohrleitungen der Versorgungsleitung jeweils endseitig verbunden werden. Grundsätzlich sind Verbinder, beispielsweise Muffen (Schweißmuffen), Flanschverbindung usw. aus dem Stand der Technik bekannt. Sie sind ringförmig ausgeführt, sodass von jeder Seite jeweils ein Ende einer benachbarten Rohrleitung einführbar ist und werden fest und fluiddicht mit den Rohrleitungen verbunden. Schweißmuffen werden zu diesem Zweck mit den Rohrenden verschweißt, vorzugsweise vor Ort. Ein erfindungsgemäßer Verbinder weist nun zumindest ein mit seiner Innenwand verbundenes Strömungsleitelement auf. Somit können handelsübliche Rohrleitungen verwendet werden, die Integration erfindungsgemäßer Strömungsleitelemente in die Versorgungsleitung bzw. das Kaltwärmenetz erfolgt über die Verbinder.Furthermore, it can be provided according to the invention that the flow guide elements are integrated in connectors with which individual pipelines of the supply line are connected at the ends. In principle, connectors, for example sockets (weld sockets), flange connections, etc. are known from the prior art. They are ring-shaped so that one end of an adjacent pipeline can be inserted from each side and are firmly and fluid-tightly connected to the pipelines. Welding sockets are welded to the pipe ends for this purpose, preferably on site. A connector according to the invention now has at least one flow guide element connected to its inner wall. Commercially available pipelines can thus be used, and the flow guide elements according to the invention are integrated into the supply line or the cold heating network via the connectors.

In der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsvariante sind die Strömungsleitelemente als in die Versorgungsleitung einsetzbare Elemente ausgeführt. Solche Strömungsleitelemente können nachträglich, vorzugsweise vor Ort in bereits gefertigte Rohrleitungen oder Verbinder eingeführt und in diesen befestigt werden.In the third embodiment variant according to the invention, the flow guide elements are designed as elements that can be inserted into the supply line. Such flow-guiding elements can be subsequently introduced, preferably on site, into already manufactured pipelines or connectors and fastened in them.

Die Befestigung kann dabei derart erfolgen, dass die Strömungsleitelemente nach der Befestigung in der Rohrleitung unlösbar und dauerhaft in dieser befestigt bleiben. Insbesondere bietet sich hierfür ein Verkleben oder Verschweißen der Strömungsleitelemente in der Versorgungsleitung vor Ort an.The fastening can take place in such a way that the flow guide elements remain permanently fastened in the pipeline after being fastened. Gluing or welding the flow guide elements in the supply line on site is particularly suitable for this purpose.

Alternativ kann eine lösbare Befestigung vorgesehen sein. Diese ermöglicht ein späteres Lösen des Strömungsleitelements und gegebenenfalls eine Anpassung der Position. Als Befestigungsmöglichkeit bietet sich beispielsweise eine reibschlüssige Verbindung an, das Strömungsleitelement kann vorzugsweise in einer Versorgungsleitung oder auch einem Verbinder verspannt werden. Hierfür bieten sich Spreizelemente an, die ein Verspannen des Strömungsleitelements durch Aufspreizen der Spreizelemente in der Versorgungsleitung bewirken.Alternatively, a detachable attachment can be provided. This enables the flow guide element to be released later and the position to be adjusted if necessary. A frictional connection, for example, is a possibility for attachment; the flow guide element can preferably be braced in a supply line or also in a connector. Spreading elements are available for this purpose, which cause the flow guide element to be braced by spreading the spreader elements in the supply line.

Die letztgenannte Ausführungsvariante erlaubt es, die Strömungsleitelemente variabel in der Versorgungsleitung anzuordnen, um deren Abstände zueinander auf die jeweiligen Bedingungen und Aufgaben des Kaltwärmenetzes abstimmen zu können.The last-mentioned variant allows the flow guide elements to be variably arranged in the supply line in order to be able to adjust their distances from one another to the respective conditions and tasks of the cold heating network.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Diese sind nur beispielhaft zu verstehen und sollen die Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränken. Es zeigen:

1: eine Prinzipskizze eines Kaltwärmenetzes,
2: eine Versorgungsleitung mit einer ersten Variante eines Strömungsleitelements,
3: eine Versorgungsleitung mit einer zweiten Ausführung eines Strömungsleitelements,
4: einen Verbinder mit einem Strömungsleitelement,
5: ein Strömungsleitelement mit Spreizvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsvariante der Erfindung,
6: ein Strömungsleitelement mit Teilringscheiben,
7: eine Anordnung der Strömungsleitelemente aus 6 in einer Versorgungsleitung.

The invention is explained in more detail with reference to the following figures. These are only to be understood as examples and are not intended to limit the invention to the exemplary embodiments shown. Show it:

1 : a basic sketch of a cold heat network,
2 : a supply line with a first variant of a flow guide element,
3 : a supply line with a second embodiment of a flow guide element,
4 : a connector with a flow directing element,
5 : a flow guide element with a spreading device according to a third embodiment of the invention,
6 : a flow control element with partial annular discs,
7 : an arrangement of the flow guide elements 6 in a supply line.

1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Kaltwärmenetzes 20. Dargestellt ist ein Zweirohrsystem mit Versorgungsleitungen 22. Die Versorgungsleitungen 22 beinhalten Ringleitungen, einen Kältering 24 und einen Wärmering 26, sie können weiterhin, nicht gezeigte andere Rohrleitungen, beispielsweise Abzweigungen, Verbindungsleitungen, Stichleitungen oder ähnliches aufweisen. 1 shows a simplified representation of a cold heating network 20. A two-pipe system with supply lines 22 is shown. The supply lines 22 contain ring lines, a cold ring 24 and a warming ring 26;

Symbolisch dargestellt sind als Energiequellen eine Solarthermieanlage 28 und ein oberflächennaher Flächenkollektor 30. Über beide Energiequellen kann Wärmeenergie in den Wärmering 26 eingebracht werden, sie sind dementsprechend über Verbindungsleitungen 32 mit dem Wärmering 26 verbunden. Weiterhin weist der Flächenkollektor 30 eine Verbindungsleitung 32 zum Kältering 24 auf.A solar thermal system 28 and a near-surface surface collector 30 are shown symbolically as energy sources. Furthermore, the surface collector 30 has a connecting line 32 to the cooling ring 24 .

Als Abnehmer bzw. Nutzer des Kaltwärmenetztes 20 sind beispielhaft ein Mehrfamilienhaus 34, Einfamilienhäuser 36 und ein Industriegebäude 38 symbolisch dargestellt. Weiterhin ist ein Kältespeicher 40 und ein Wärmespeicher 42 gezeigt, die der Bedarfspufferung des Systems dienen. Die Abnehmer bzw. Nutzer sind ebenfalls über Verbindungsleitungen 32 an die Ringleitungen 24,26 angeschlossen. In den 2 bis 7 sind drei bevorzugte Ausführungsvarianten für die Anordnung gezeigt.A multi-family house 34, single-family houses 36 and an industrial building 38 are shown symbolically as consumers or users of the cold heating network 20 by way of example. Furthermore, a cold accumulator 40 and a heat accumulator 42 are shown, which serve to buffer the system as required. The buyers or users are also connected via connecting lines 32 to the ring lines 24,26. In the 2 until 7 three preferred variants for the arrangement are shown.

2 zeigt eine erste Ausführungsvariante, bei der ein erfindungsgemäßes Strömungsleitelement 44 zentral im Innern im Bereich einer Zentralachse X-X angeordnet ist. Über Haltearme 43 ist das Strömungsleitelement 44 an einer Innenwand 48 einer Versorgungsleitung 22 angeordnet ist. Die Verbindung des Strömungsleitelements 44 mit der Versorgungsleitung 22 erfolgt bereits werksseitig, so dass die mit Strömungsleitelementen 44 ausgerüsteten Versorgungsleitungen 22 vor Ort lediglich miteinander verbunden werden müssen. Die Befestigung der Strömungsleitelemente 44 bzw. der Haltearme 43 an der Innenwand 48 kann dabei beispielsweise durch Schweißen oder Kleben erfolgen, insbesondere können aber die Versorgungsleitungen 22 und die darin angeordneten Strömungsleitelemente 44 aber auch einstückig ausgeformt sein. Bei dieser Ausführungsvariante bildet eine Außenfläche des Strömungsleitelements 44 eine Leitfläche 21. Das Strömungsleitelement 44 kann beispielsweise rund, oval oder vorzugsweise auch eiförmig ausgeführt sein 2 shows a first variant in which a flow guide element 44 according to the invention is arranged centrally in the interior in the area of a central axis XX. The flow guide element 44 is arranged on an inner wall 48 of a supply line 22 via holding arms 43 . The connection of the flow guide element 44 to the supply line 22 is already carried out at the factory, so that the supply lines 22 equipped with flow guide elements 44 only have to be connected to one another on site. The attachment of the flow guide elements 44 and the retaining arms 43 to the inner wall 48 can be done for example by welding or gluing, but in particular the supply lines 22 and the flow guide elements 44 arranged therein can also be formed in one piece. In this embodiment variant, an outer surface of the flow guide element 44 forms a guide surface 21. The flow guide element 44 can, for example, be round, oval or preferably also egg-shaped

3 zeigt eine zweite Ausführungsvariante, bei der ein erfindungsgemäßes Strömungsleitelement 44 an einer Innenwand 48 einer Versorgungsleitung 22 angeordnet ist. Die Anordnung des Strömungsleitelements 44 in der Versorgungsleitung 22 erfolgt bereits werksseitig, so dass die mit den Strömungsleitelementen 44 ausgerüsteten Versorgungsleitungen 22 vor Ort lediglich miteinander verbunden werden müssen. Die Befestigung der Strömungsleitelemente 44 an der Innenwand 48 kann dabei beispielsweise durch Schweißen oder Kleben erfolgen, insbesondere können aber die Verbindungsleitungen 22 und die darin angeordneten Strömungsleitelemente 44 aber auch einstückig ausgeformt sein. 3 shows a second embodiment variant in which a flow guide element 44 according to the invention is arranged on an inner wall 48 of a supply line 22 . The flow guide element 44 is already arranged in the supply line 22 at the factory, so that the supply lines 22 equipped with the flow guide elements 44 only have to be connected to one another on site. The attachment of the flow guide elements 44 to the inner wall 48 can take place, for example, by welding or gluing, but in particular the connecting lines 22 and the flow guide elements 44 arranged therein can also be formed in one piece.

4 zeigt eine Variante, bei der zumindest ein Strömungsleitelement 44 in einem Verbinder 50 angeordnet ist. Verbinder 50 dienen dazu, zwei Versorgungsleitungen 22 miteinander zu verbinden. Die Versorgungsleitungen 22 werden dafür jeweils mit einem freien Ende 52 von gegenüberliegenden Seiten in den ringförmigen Verbinder 50 eingeschoben und mit diesem vorzugsweise verschweißt oder verklebt. 4 shows a variant in which at least one flow guide element 44 is arranged in a connector 50. Connectors 50 serve to connect two supply lines 22 to one another. For this purpose, the supply lines 22 are each pushed with a free end 52 into the ring-shaped connector 50 from opposite sides and are preferably welded or glued to it.

Die in den Verbindern 50 angeordneten Strömungsleitelemente 44 können auf die gleiche Art und Weise mit den Verbindern 50 verbunden sein, wie dies auch bei der ersten Variante der Anordnung der Strömungsleitelemente 44 an der Innenwand 48 einer Versorgungsleitung 22 der Fall ist. Somit können die Verbinder 50 mitsamt der Strömungsleitelemente 44 ebenfalls werkseitig vorproduziert werden, sodass sie vor Ort lediglich mit den Versorgungsleitungen 22 verbunden werden müssen.The flow guide elements 44 arranged in the connectors 50 can be connected to the connectors 50 in the same way as is the case with the first variant of the arrangement of the flow guide elements 44 on the inner wall 48 of a supply line 22 . Thus, the connectors 50 together with the flow guide elements 44 can also be pre-manufactured at the factory, so that they only have to be connected to the supply lines 22 on site.

In der dritten dargestellten Ausführungsvariante gemäß 5 sind die Strömungsleitelemente 44 als eigenständige Bauteile ausgeführt, die in eine bereits fertiggestellte Versorgungsleitung 22 oder auch Verbinder 50 nachträglich eingeführt werden können. Die Strömungsleitelemente 44 weisen dafür Vorrichtungen auf, über die sie reibschlüssig an der Innenwand 48 einer Versorgungsleitung 22 festsetzbar sind. Gezeigt ist beispielsweise eine Spreizvorrichtung 54, über die die Strömungsleitelemente 44 an der gewünschten Position in der Versorgungsleitung 22 durch Aufspreizen verspannbar sind. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante werden die Strömungsleitelemente 44 in der Versorgungsleitung 22 nicht nur verspannt, sondern werden darüber hinaus zusätzlich auch verklebt oder verschweißt.In the third embodiment shown according to 5 the flow guide elements 44 are designed as independent components that can be subsequently inserted into an already completed supply line 22 or connector 50 . For this purpose, the flow guide elements 44 have devices via which they can be frictionally fixed to the inner wall 48 of a supply line 22 . For example, a spreading device 54 is shown, via which the flow guide elements 44 can be clamped at the desired position in the supply line 22 by spreading them open. In a particularly advantageous embodiment variant, the flow guide elements 44 are not only braced in the supply line 22, but are also additionally glued or welded.

6 zeigt Verwirbelungskörper 46, die als Teilringscheiben 56 ausgeführt sind und Leitflächen 21 ausbilden. Die Verwirbelungskörper 46 sind mit ihren Außenrändern 58 an der Innenwand 48 der Versorgungsleitung 22 angeordnet, ihre Innenränder 60 weisen ins Innere der Versorgungsleitung 22. 6 shows turbulence bodies 46, which are designed as partial ring disks 56 and form guide surfaces 21. The turbulence bodies 46 are arranged with their outer edges 58 on the inner wall 48 of the supply line 22, their inner edges 60 point into the interior of the supply line 22.

Vorzugsweise werden mindestens zwei Teilringscheiben 56 entlang einer Längsachse X-X der Versorgungsleitung 22 benachbart zueinander angeordnet und weisen bezüglich einer Orthogonalebene 64 Winkelwerte mit unterschiedlichen Vorzeichen auf. Dies ergibt sich aus der stark vereinfachten Prinzipskizze ( 7), die einen Abschnitt einer Versorgungsleitung im Querschnitt zeigt. Eine solche Anordnung ähnelt einer Helix, wenn die Winkelwerte in etwa gleiche Beträge aufweisen und die Teilringscheiben 56 einander im Wesentlichen diametral gegenüberliegend, aber entlang der Längsachse versetzt zueinander angeordnet sind. Durch diese Geometrie wird die rotatorische Strömung gefördert. Die wesentlichen sich ergebenden Strömungspfade sind durch entsprechende Pfeile angedeutet.Preferably, at least two partial ring disks 56 are arranged adjacent to one another along a longitudinal axis XX of the supply line 22 and have angular values with different signs with respect to an orthogonal plane 64 . This results from the greatly simplified principle sketch ( 7 ) showing a section of a utility line in cross-section. Such an arrangement resembles a helix when the angular values are approximately equal in magnitude and the partial ring disks 56 are arranged substantially diametrically opposite one another but offset from one another along the longitudinal axis. This geometry promotes the rotary flow. The essential resulting flow paths are indicated by corresponding arrows.

Zusätzlich können die Teilringscheiben eine oder mehrere Aussparungen 62 aufweisen, durch die ein weiterer Teilstrom des Fluids erzeugt wird. Dieser spaltet sich von der schräg-rotatorischen Strömung ab und strömt durch die Aussparungen, also in etwa parallel zur Längsachse, hindurch. Die Form der Aussparungen ist dabei im Wesentlichen frei wählbar. Es eignen sich jedoch runde, elliptische, nierenförmige oder ringsektorische Aussparungen.In addition, the partial ring disks can have one or more recesses 62 through which a further partial flow of the fluid is generated. This splits off from the oblique-rotatory flow and flows through the recesses, i.e. approximately parallel to the longitudinal axis. The shape of the recesses can essentially be freely selected. However, round, elliptical, kidney-shaped or ring-sectoral recesses are suitable.

Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch weitere Varianten von Strömungsleitelementen 44, die erfindungsgemäß in Versorgungsleitungen 22 angeordnet sind. Insbesondere können die verschiedenen beschriebenen Varianten der an der Innenwand 48 angeordneten Strömungsleitelemente 44 und der im Bereich der Zentralachse X-X angeordneten Strömungsleitelemente miteinander ausgetauscht bzw. miteinander kombiniert werden.The invention is not limited to the exemplary embodiments shown, but also includes other variants of flow guide elements 44, which are arranged in supply lines 22 according to the invention. In particular, the various described variants of the flow guide elements 44 arranged on the inner wall 48 and the flow guide elements arranged in the area of the central axis X-X can be exchanged with one another or combined with one another.

Claims

Flow guide element (44) of a supply line (22) of a cold heating network (20) in which a fluid flow is conducted, having at least one guide surface (21) which diverts the fluid flow.

Flow guide element (44) after claim 1 , characterized in that the guide surface (21) is formed by an outer surface of the flow guide element (44), the cross section of the flow guide element (44) increasing at least in sections in the flow direction of the fluid flow.

Flow guide element (44) after claim 1 or claim 2 , Characterized by at least one turbulence body (46) which protrudes into the fluid flow, acts as a guide surface (21) and generates a turbulent flow of the fluid flow

Flow guide element (44) after claim 3 , characterized in that the turbulence body (46) is designed as a wing body, the main plane of extension is aligned obliquely to the direction of flow of the fluid stream.

Flow guide element (44) according to one of claims 2 until 4 , characterized by a plurality of turbulence bodies (46) which are arranged in a plane orthogonal to a longitudinal axis of the supply line (22).

Flow guide element (44) according to one of claims 2 until 4 characterized by a plurality of turbulators (46) arranged in a plane oriented at an angle to the orthogonal plane.

Flow guide element (44) according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that an inner wall (48) of the supply line (22) forms the flow guide element (44).

Flow guide element (44) according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that the flow guide element (44) is undetachably connected to an inner wall of the supply line (22).

Flow guide element (44) according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that the flow guide element (44) is integrated into a connector (50) which connects two supply lines (22) to one another.

Flow guide element (44) according to one of Claims 1 until 9 , characterized by a fastening device for detachable fastening in the supply line (22) or a connector (50).

Flow guide element (44) after claim 10 , characterized in that the fastening device is formed by a spreading device (54) via which the flow guide element (44) can be fixed in place.

Supply line (22) of a cold heating network, having a flow guide element (44) according to one of Claims 1 until 11 .

Cold heating network (20), having a flow guide element (44) according to one of Claims 1 until 11 .