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Die
Erfindung betrifft einen mit einer Erdwärmesonde thermisch
verbundenen Wärmetauscher, insbesondere Plattenwärmetauscher,
zur Kondensation eines in der Erdwärmesonde durch Erdwärme verdampften
Wärmeträgers. Der Wärmetauscher weist
eine Einlassöffnung für die Zufuhr des verdampften
Wärmeträgers und eine Auslassöffnung
für die Abfuhr des im Wärmetauscher kondensierten Wärmeträgers
auf, wobei der Wärmeträger durch ein mit der Auslassöffnung
des Wärmetauschers verbundenes U-Rohr abführbar
ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine mit einem derartigen
Wärmetauscher verbundene Wärmepumpenanlage.
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Aus
der
DE 20 2008
008 351 U1 ist bereits ein Wärmetauscher der eingangs
genannten Art bekannt. Dieser umfasst ein Wärmepumpensystem
mit einem im Kreislauf geführten Kältemittel,
einer Verdichteranordnung, einem Kondensator, einer Expansionseinrichtung
und einem Verdampfer, der durch Energiekopplung mit einer Erdwärmesonde
betrieben wird. Die Kondensationswärme des Kältemittels ist
zum Beheizen eines Mediums, beispielsweise des Wassers eines Heizkreislaufs,
verwendbar. Der Verdampfer ist als Plattenwärmetauscher
ausgebildet, in welchem der zuvor durch die Erdwärme verdampfte Wärmeträger
der Erdwärmesonde kondensiert und das Kältemittel
verdampft wird. Der Plattenwärmetauscher ist in einem Drucktopf
angeordnet, welcher infolge eines vorherrschenden Drucks von bis
zu 50 bar als Hochdruckbehälter ausgebildet ist. Aufgrund der
hohen Drücke muss der Drucktopf eine Wandstärke
von 12 bis 15 mm aufweisen und eine Abnahme des Drucktopfs vor der
Inbetriebnahme der Wärmepumpenanlage ist zwingend erforderlich.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher
und eine mit einem derartigen Wärmetauscher ausgeführte
Wärmepumpenanlage zu schaffen, die sich bei einem minimalen
vorrichtungstechnischen Aufwand durch eine hohe Effektivität
auszeichnen.
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Hinsichtlich
des Wärmetauschers wird diese Aufgabe durch die Merkmale
des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Wärmepumpenanlage
durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst. Die weitere
Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist
also ein Wärmetauscher vorgesehen, bei welchem das U-Rohr
derart angeordnet ist, dass ein Scheitelbereich des U-Rohrs in Schwerkraftrichtung
unterhalb der Auslassöffnung des Wärmetauschers
und unterhalb einer Abflussöffnung des U-Rohrs angeordnet
ist und dass eine untere Kante der Abflussöffnung des U-Rohrs
in Schwerkraftrichtung unterhalb der unteren Kante der Auslassöffnung
des Wärmetauschers angeordnet ist. Durch die erfindungsgemäße
Anordnung und Ausgestaltung des U-Rohrs wird ermöglicht,
dass der im Wärmetauscher kondensierte Wärmeträger
aus dem Wärmetauscher abfließen kann und sich
zunächst im Scheitelbereich des U-Rohrs sammelt. Hierdurch
bildet der flüssige Wärmeträger einen
Flüssigkeitsverschluss im U-Rohr, durch welchen die noch
dampf- bzw. gasförmigen Bestandteile des Wärmeträgers daran
gehindert werden, den Wärmetauscher ohne zu kondensieren
und ohne die Wärme an das zu erwärmende Medium
abzugeben, zu verlassen. Dadurch, dass die untere Kante der Abflussöffnung
des U-Rohrs unterhalb der unteren Kante der Auslassöffnung
des Wärmetauschers angeordnet ist, sammelt sich die Flüssigkeit
ausschließlich im Scheitelbereich des unsymmetrisch ausgebildeten
U-Rohrs. Die Flüssigkeitssäule in einem dem Wärmetauscher
zugewandten Schenkel des U-Rohrs kann maximal die gleiche Höhe
erreichen wie die Flüssigkeitssäule in dem anderen
Schenkel, wobei die maximale Höhe durch die untere Kante
der Ausflussöffnung begrenzt ist. Dadurch, dass die Kante
der Auslassöffnung des Wärmetauschers höher
als die untere Kante der Abflussöffnung des U-Rohrs liegt,
kann es zu keiner Zeit zu einem Rückstau des flüssigen
Wärmeträgers bis in den Plattenwärmetauscher
kommen und die gesamte Wärmetauscherfläche kann
zur Kondensation des dampfförmigen Wärmeträgers
genutzt werden. Hierdurch kann die Effektivität bzw. der
Wirkungsgrad des Wärmetauschers erheblich verbessert werden.
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Eine
besonders vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung
wird auch dadurch geschaffen, dass die Abflussöffnung des
U-Rohrs in eine die Erdwärmesonde mit der Einlassöffnung
des Wärmetauschers verbindende Rohrleitung mündet. Der
durch das erfindungsgemäße U-Rohr gebildete Flüssigkeitsverschluss
verhindert, dass der durch die Rohrleitung von der Erdwärmesonde
zur Einlassöffnung strömende verdampfte Wärmeträger
durch das U-Rohr in den Wärmetauscher eintritt. Damit ist
sichergestellt, dass der Dampf ausschließlich durch die
Einlassöffnung in den Wärmetauscher eintritt.
Unerwünschte, durch das unkontrollierte Einströmen des
Dampfs durch die Auslassöffnung des Wärmetauschers
bedingte Effekte werden wirksam verhindert. Hierdurch kann die Prozesssicherheit
des Wärmetauschers gewährleistet werden.
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Eine
andere besonders zweckmäßige Ausgestaltung der
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass im Inneren der Rohrleitung
in einem Mündungsbereich des U-Rohrs zumindest ein Element
vorgesehen ist, durch welches der kondensierte Wärmeträger
gleichmäßig auf einer Innenwand der Rohrleitung
oder einer Innenwand der Erdwärmesonde verteilbar ist.
Hierdurch wird erreicht, dass der kondensierte Wärmeträger
als Kondensatfilm an der Innenwand der Erdwärmesonde entlangfließt.
Hierdurch kann der im Fuß der Erdwärmesonde verdampfte Wärmeträger
ungehindert aufsteigen und der Kondensatfilm kann die maximale Fläche
des Rohrs ausnutzen, um bereits auf dem Weg zum Fuß der
Erdwärmesonde Wärme aus dem Erdreich aufzunehmen.
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Dieser
Erfindungsgedanke lässt sich dadurch ergänzen,
dass das Element als eine konzentrisch zu der Rohrleitung angeordnete
Rohrhülse ausgebildet ist, welche zumindest abschnittsweise
einen Spalt zwischen einer Innenwand der Rohrleitung und einer Außenwand
der Rohrhülse bildet. Hierdurch wird ein unkontrolliertes
Einströmen des kondensierten Wärmeträgers
aus der Abflussöffnung des U-Rohrs in die Rohrleitung durch
eine einfache, aber effektive konstruktive Ausgestaltung verhindert.
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Dadurch,
dass der Spalt umlaufend ausgebildet ist, wird eine Möglichkeit
geschaffen den kondensierten Wärmeträger gleichmäßig
auf die gesamte Innenfläche der Rohrleitung bzw. der Erdwärmesonde
zu verteilen.
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Dieser
Erfindungsgedanke lässt sich dadurch ergänzen,
dass sich der Spalt in Richtung der Erdwärmesonde verengt
und in einem der Erdwärmesonde zugewandten Bereich eine Öffnung
aufweist. Durch den sich trichterförmig verengenden Spalt
wird der in den Spalt einströmende kondensierte Wärmeträger
gleichmäßig im umlaufenden Spalt und dadurch auch
auf die Innenfläche der Rohrleitung bzw. der Erdwärmesonde
verteilt, sodass eine optimale Benetzung der Innenfläche
der Rohrleitung bzw. der Erdwärmesonde gewährleistet
werden kann.
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In
einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass
der Spalt in einem der Erdwärmesonde zugewandten Bereich
geschlossen ist. Aus der Abflussöffnung des U-Rohrs austretende
Flüssigkeit wird so zunächst in dem Spalt zwischen
der Rohrhülse und der Rohrleitung gesammelt. Hierdurch
kann auf dem gesamten Umfang der Rohrhülse ein gleichmäßiges
Flüssigkeitsniveau eingestellt werden. Ist der Spalt bis
zur oberen Kante der Rohrhülse gefüllt, tritt
die Flüssigkeit über diese Kante und kann gleichmäßig
auf der Innenfläche der Rohrhülse bzw. der Erdwärmersonde
verteilt werden. Hierbei ist darauf zu achten dass die obere Kante
der Rohrhülse nicht über der unteren Kante der
Auslassöffnung des Wärmetauschers liegt, da es
sonst zu einem Rückstau des Kondensats bis in den Wärmetauscher
kommen kann.
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Eine
weitere Beeinflussung dieses Effekts wird auch dadurch erreicht,
dass in einer Wand der Rohrhülse Durchbrechungen vorgesehen
sind, durch welche das Kondensat hindurch treten und an der Innenfläche
der Rohrhülse abfließen kann.
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Erfindungsgemäß ist
weiterhin eine Wärmepumpenanlage vorgesehen, welche ein
im Kreislauf geführtes Kältemittel, einen Kompressor
zum Verdichten des gasförmigen Kältemittels, einen
Kondensator zur Kondensation des Kältemittels, eine Drossel
oder eine Entspannungsmaschine zum Entspannen des Kältemittels
und einen Verdampfer zum Verdampfen des entspannten Kältemittels
aufweist, wobei der Verdampfer den erfindungsgemäßen
Wärmetauscher nutzt, um durch die bei der Kondensation
eines zuvor in einer Erdwärmesonde verdampften Wärmeträgers
entstehende Wärme das Kältemittel zu verdampfen.
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Eine
andere alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Wärmepumpenanlage wird auch dadurch erreicht, dass der
Verdampfer über einen Zwischenkreislauf mit einem Sekundärteil
verbunden ist, über den mittels eines beliebigen zweiten Wärmeträgers
und einer Pumpe zur Zirkulation des zweiten Wärmeträgers
die bei der Kondensation des zuvor in einer Erdwärmesonde
verdampften Wärmeträgers entstehende Wärme
an den Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels übertragen
wird.
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Die
Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen
zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon
in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese
zeigt in
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1a ein
stark vereinfachtes Schema einer erfindungsgemäßen
Wärmepumpenanlage;
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1b eine
zweite Ausführungsform einer Wärmepumpenanlage;
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2 eine
Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers
in einer Seitenansicht.
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In
den 1a und 1b sind
zwei Ausführungsformen einer Wärmepumpenanlage 1 schematisch
dargestellt, wie sie beispielsweise für eine Heizanlage
eines Wohnhauses eingesetzt werden kann. Bei einer derartigen Wärmepumpenanlage 1 wird
ein Kältemittel über einen Verdichter 2 verdichtet
und einem Kondensator 3 zugeführt. In diesem wird
das verdichtete Kältemittel kondensiert, wobei die Kondensationswärme
im Wärmeaustausch zum Aufheizen eines Mediums, beispielsweise
des Wassers eines Heizkreislaufs, oder zum Aufheizen der Umgebung
ausgenutzt wird. Das kondensierte Kältemittel wird in einer
Drossel 4 oder einer anderen geeigneten Expansionseinrichtung
entspannt und in einem Verdampfer 5 verdampft, sodass an
dessen Ausgang das Kältemittel entspannt und gasförmig
vorliegt. Die für die Verdampfung des Kältemittels
erforderliche Verdampfungswärme muss dem Verdampfer 5 extern
zugeführt werden. Dies erfolgt über eine in das Erdreich
eingesetzte Erdwärmesonde 6, welche mit einem
Wärmetauscher 7 des Verdampfers 5 thermisch
verbunden ist. In 1b ist der Verdampfer 5b über
einen Zwischenkreislauf mit einem Sekundärteil 5a verbunden, über
den mittels eines beliebigen zweiten Wärmeträgers
und einer Pumpe 5c zur Zirkulation des zweiten Wärmeträgers
die bei der Kondensation des zuvor in einer Erdwärmesonde 6 verdampften
Wärmeträgers entstehende Wärme an den Verdampfer 5b zum
Verdampfen des Kältemittels übertragen wird.
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2 zeigt
eine Prinzipdarstellung eines in 1a angedeuteten
erfindungsgemäßen Wärmetauschers 7 in
einer vergrößerten Seitenansicht. Der Wärmetauscher 7 ist
als Plattenwärmetauscher 8 ausgebildet. Der Aufbau
eines derartigen Plattenwärmetauschers 8 ist aus
dem Stand der Technik bekannt, sodass detaillierte Erläuterungen
entbehrlich sind. Der stehend angeordnete Plattenwärmetauscher 8 hat
eine Vielzahl von in einem Paket zusammengesetzten profilierten
Platten 9, wobei in den aufeinanderfolgenden Zwischenräumen 10, 11 das
Kältemittel (Zwischenraum 10) und der wärmeabgebende
Wärmeträger (Zwischenraum 11) der Erdwärmesonde 6 strömt.
Das Plattenpaket ist nach außen und zwischen den wärmeaustauschenden
Medien abgedichtet. Die Verbindung zwischen der als Wellrohr ausgebildeten
Erdwärmesonde 6 und der die Erdwärmesonde 6 mit
dem Plattenwärmetauscher 8 verbindenden Rohrleitung 12 erfolgt über
Stutzen 13, 14 beispielsweise unter Zwischenschaltung
einer Graphitdichtung 15.
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Der
im Erdwärmerohr 6 durch die Erdwärme verdampfte
Wärmeträger strömt selbsttätig
durch die Rohrleitung 12 und eine Einlassöffnung 16 in
den Plattenwärmetauscher 8, was durch die Richtungspfeile 17 angedeutet
wird. Im Plattenwärmetauscher 8 verteilt sich
der verdampfte Wärmeträger auf die Zwischenräume 11 zwischen
den Platten 9 (Richtungspfeile 18), kondensiert
und gibt die Kondensationswärme an das sich in den Zwischenräumen 10 befindende
Kältemittel der Wärmepumpenanlage 1 ab.
Das Kondensat bzw. der kondensierte Wärmeträger
tropft (Tropfen 19) in dem aufrecht stehenden Plattenwärmetauscher 8 bedingt
durch die Schwerkraft (Schwerkraftrichtung 20) in Richtung
des Wärmetauscherbodens 21 und fließt
durch eine im Bodenbereich des Plattenwärmetauschers 8 angeordnete
Auslassöffnung 22 aus dem Plattenwärmetauscher 8 ab
(Richtungspfeil 23).
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Die
Auslassöffnung 22 des Plattenwärmetauschers 8 ist über
ein U-Rohr 24 mit der Rohrleitung 12 verbunden.
Das U-Rohr 24 ist derart angeordnet, dass ein Scheitelbereich 25 des
U-Rohrs 24 in Schwerkraftrichtung 20 unterhalb
der Auslassöffnung 22 des Plattenwärmetauschers 8 und
unterhalb einer Abflussöffnung 26 des U-Rohrs 24 angeordnet ist.
Eine untere Kante 27 der Abflussöffnung 26 des U-Rohrs 24 ist
in Schwerkraftrichtung 20 unterhalb einer unteren Kante 28 der
Auslassöffnung 22 des Plattenwärmetauschers 8 angeordnet.
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Durch
die beschriebene und in 2 dargestellte erfindungsgemäße
Ausgestaltung und Anordnung des U-Rohrs 24 wird es ermöglicht,
dass der im Plattenwärmetauscher 8 kondensierte
Wärmeträger durch die Auslassöffnung 22 in
das U-Rohr 24 fließt und sich dort zunächst
im Scheitelbereich 25 sammelt, und zwar bis die beiden
Schenkel 29, 30 des U-Rohrs 24, wie in 2 dargestellt,
mit dem kondensierten Wärmeträger befüllt
sind. Hierbei begrenzt die untere Kante 27 der Abflussöffnung 26, wie
in 2 dargestellt, den maximalen Füllstand des
U-Rohrs 24 bzw. der beiden Schenkel 29, 30 des U-Rohrs 24.
Ist der maximale Füllstand erreicht, drückt der
nachfolgend aus dem Plattenwärmetauscher austretende kondensierte
Wärmeträger zumindest einen Teil des im Scheitelbereich 25 angeordneten
flüssigen Wärmeträgers über
die Kante 27 der Abflussöffnung 26 hinaus,
so dass der kondensierte Wärmeträger in die Rohrleitung 12 bzw.
in die Erdwärmesonde 6 abfließen kann
(Richtungspfeil 31).
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Durch
das U-Rohr 24 bzw. den im Scheitelbereich 25 des
U-Rohrs 25 angeordneten kondensierten Wärmeträger
wird ein Flüssigkeitsverschluss gebildet, welcher verhindert,
dass noch dampf- bzw. gasförmige Bestandteile des Wärmeträgers
ohne zu kondensieren und ohne die Wärme an das Kältemittel
abzugeben den Plattenwärmetauscher 8 verlassen
können. Dadurch, dass die untere Kante 28 der Auslassöffnung 22 des
Plattenwärmetauschers 8 in Schwerkraftrichtung 20 oberhalb
der unteren Kante 27 der Abflussöffnung 26 des
U-Rohrs 24 angeordnet ist, kommt es zu keinem Rückstau
des Kondensats bis in den Plattenwärmetauscher 8.
Hierdurch kann die maximale Flächenausnutzung der Platten 9 des Plattenwärmetauschers 8 gewährleistet
werden.
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Weiterhin
ist im Inneren der Rohrleitung 12 in einem Mündungsbereich 32 des
U-Rohrs 24 eine Rohrhülse 33 konzentrisch
zur Rohrleitung 12 angeordnet, wobei eine Innenwand der
Rohrleitung und eine Außenwand der Rohrhülse 33 einen
umlaufenden, sich in Richtung der Erdwärmesonde 6 trichterförmig
verengenden Spalt 34 bilden. Der aus dem U-Rohr 24 austretende,
kondensierte Wärmeträger fließt in diesen
Spalt 24 (Richtungspfeil 31), verteilt sich gleichmäßig
auf dem gesamten Umfang, verlässt den Spalt 24 durch
eine Öffnung 35 und fließt anschließend
als Kondensatfilm gleichmäßig an der Innenwand
der Rohrhülse 33 und an der Innenwand der Erdwärmesonde 6 herab.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 202008008351
U1 [0002]