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Die Erfindung betrifft Wärmetauscherelemente für Oberflächengewässer sowie einen aus solchen Wärmetauscherelementen gebildeten modularen Wärmetauscher für Oberflächengewässer.
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Aufgrund der massiven Verwendung von fossilen Energieträgern hat eine globale Erwärmung der Erdatmosphäre eingesetzt. Um diese zu stoppen, ist es notwendig, Energiequellen zu erschließen, die keine fossilen Brennstoffe verbrennen und kein CO2 emittieren. Daher werden Technologien weiterentwickelt, die insbesondere Wärme aus der Umwelt entziehen. Hierfür eignen sich Wärmepumpen. Eine Wärmepumpe ist eine Kraftwärmemaschine, die unter Anwendung technischer Arbeit thermische Energie aus einem Reservoir mit niedriger Temperatur aufnimmt und zusammen mit der Antriebsenergie als Nutzwärme auf ein zu beheizendes System mit höherer Temperatur überträgt. Die Energie kann beispielsweise der Umgebungsluft, dem Erdreich oder auch Oberflächengewässern entzogen werden. Hierfür werden Wärmetauscher genutzt, die in thermischen Kontakt mit dem Reservoir, beispielsweise dem Oberflächengewässer, stehen und von einem Wärmeübertragungsfluid, in der Regel einer Flüssigkeit, durchströmt werden.
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Beispielsweise aus der
DE 30 17 183 A1 ist eine Wärmepumpenanlage mit einem Wärmetauscher für Oberflächengewässer bekannt. Bei dieser Anlage wird der Wärmetauscher auf einem Standschiff oder Floß montiert.
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Hierdurch entstehen sehr aufwendige und wenig flexible Wärmetauschereinheiten.
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Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, verbesserte, einfacher zu installierende und zu wartende und flexibel anpassbare Wärmetauscher für Oberflächengewässer und deren Bestandteile zu schaffen.
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Die Erfindung wird durch Wärmetauscherelemente mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einen modularen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 9 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, möglichst einfach gestaltete Elemente zu schaffen, die miteinander kombiniert einen modularen Wärmetauscher ausbilden können. Die einzelnen Elemente sind so ausgestaltet, dass diese ein oder mehrere Hohlvolumina aufweisen, welches gezielt befüllbar ist bzw. sind. Ist oder sind diese mit gasförmiger Luft befüllt, so schwimmt das Wärmetauscherelement auf. Ist das eine Hohlvolumen oder sind alle des Hohlvolumina vollständig mit Wasser oder einem anderen flüssigen Wärmetauscherfluid gefüllt, so sinkt das Wärmetauscherelement ab.
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Insbesondere wird somit ein Wärmetauscherelement geschaffen, welches einen Elementeinlass und einen Elementauslass und ein in einer Ebene gewundenes Wärmetauscherrohr umfasst. Das Wärmetauscherrohr umschließt einen fluiddichten Durchflusskanal, der den Elementeinlass mit dem Elementauslass verbindet. Das Wärmetauscherelement umfasst ein oder mehrere befüllbare Hohlvolumina. Das Wärmetauscherelement ist so ausgebildet, dass dieses in dem Wasser eines Oberflächengewässers schwimmt, wenn die Hohlvolumina mit Luft gefüllt und beispielsweise gegen ein Eindringen von Wasser des Oberflächengewässers abgedichtet sind. D.h. eine Masse des Wärmetauscherelements, wenn das eine oder die mehreren befüllbaren Hohlvolumina alle mit Luft gefüllt sind, ist gemeinsam mit dieser in das eine oder die mehreren Hohlvolumina gefüllten Luft geringer als eine verdrängte Masse von Wasser, die durch das vollständige Untertauchen des mindestens einen Wärmetauscherelements bei fluiddichter Abdichtung des einen oder der mehreren befüllbaren Hohlvolumina verdrängt wird. Wenn ein oder die mehreren befüllbaren Hohlvolumina vollständig mit Wasser gefüllt sind, ist eine Masse des Wärmetauscherelements gemeinsam mit der in das eine oder die mehreren Holvolumina eingefüllten Wasser schwerer als die Masse des verdrängten Wassers. Das Wärmetauscherelement kann in einen schwimmenden Zustand auf dem Oberflächengewässer versetzt werden, wenn das eine oder die mehreren Hohlvolumina mit gasförmiger Luft befüllt sind, und in einen absinkenden Zustand in dem Oberflächengewässer versetzt werden kann, wenn das eine oder die mehreren Hohlvolumina mit einem flüssigen Fluid, insbesondere Wasser, befüllt sind.
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Als befüllbar gilt ein Hohlvolumen, das mindestens eine Öffnung aufweist, über die das Hohlvolumen mit einem Fluid zu fluten ist. Die Öffnung kann mit einem öffenbaren Verschluss versehen sein, der im Betrieb zerstörungsfrei geöffnet und geschlossen werden kann.
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Entsprechend wird auch ein neuartiger und einfach anzupassender modularer Wärmetauscher geschaffen. Dieser umfasst mindestens zwei Wärmetauscherelemente und mindestens ein Kopplungselement. Das Kopplungselement umschließt einen Kopplungskanal fluiddicht. Das Kopplungselement kann mindestens zwei Kopplungsanschlüsse aufweisen. Die Elementein- und -auslässe der mindestens zwei Wärmetauscherelemente sind fluidtechnisch mit dem mindestens einen Kopplungselement so gekoppelt, dass alle Durchflusskanäle in Fluidkommunikation miteinander stehen. Einer der Kopplungsanschlüsse oder einer der Elementeinlässe bildet einen Wärmetauschereinlass. Einer der Kopplungsanschlüsse oder einer der Elementauslässe bildet einen Wärmetauscherauslass. An dem Wärmetauschereinlass einströmendes Wärmetauscherfluid durchströmt die Durchflusskanäle und gegebenenfalls den oder die Kopplungskanäle in Kopplungselementen und strömt an dem Wärmetauscherauslass aus. Der Wärmetauscher ist auf einem Oberflächengewässer in einen schwimmenden und einen absinkenden Zustand abhängig von der Befüllung der Hohlvolumina der mindestens zwei Wärmetauscherelemente einerseits mit gasförmiger Luft oder andererseits mit Wasser oder einem flüssigen Wärmetauscherfluid versetzbar.
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Das Ausbilden des Wärmetauscherrohrs in einer Ebene erleichtert das Aufbauen eines modularen Wärmetauschers für ein Oberflächengewässer, insbesondere, aber nicht nur, wenn dieser horizontal flächig ausgebildet wird. Aber auch ein Anordnen der Wärmetauscherelemente über- oder nebeneinander, beispielsweise bei einem vertikalen Anordnen der einzelnen Wärmetauscherelemente, wird durch das Ausbilden des Wärmetauscherrohrs in einer Ebene vereinfacht.
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Das Wärmetauscherelement kann aus einfachen handelsüblichen Komponenten zusammengebaut sein und so kostengünstig in verschiedenen Größen und Ausführungen einfach hergestellt werden. Das Wärmetauscherrohr ist vorzugsweise aus einem nicht rostenden Material ausgebildet. Leicht und stabil sind hierbei beispielsweise Rohre aus Polyethylen (PE). Diese werden industriell mit verschiedenen Rohrdurchmessern hergestellt.
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Auch andere Kunststoffmaterialien, die vorzugsweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, eignen sich als Material für die Ausbildung des Wärmetauscherrohrs. Auch die Kopplungselemente sind vorzugsweise aus demselben Material, d.h. aus Polyethylen, oder einem anderen Kunststoff hergestellt. In einem modularen Wärmetauscher können Wärmetauscherelemente und Kopplungselemente verwendet werden, die aus unterschiedlichen Materialien hergestellte Wärmetauscherrohre und Kopplungselemente umfassen.
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Besonders bevorzugt ist, dass das eine befüllbare Hohlvolumen der Durchflusskanal ist und das Wärmetauscherelement in dem Oberflächengewässer zumindest in den schwimmenden Zustand versetzt werden kann, wenn der Durchflusskanal vollständig mit gasförmiger Luft befüllt ist, und in den absinkenden Zustand versetzt werden kann, indem der Durchflusskanal mit einem flüssigen Fluid befüllt wird.
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Um ein Wärmetauscherelement oder auch einen modularen Wärmetauscher zum Aufschwimmen zu bringen, reicht es aus, das Wärmetauscherfluid aus dem Durchflusskanal ganz oder teilweise auszublasen. Hierdurch wird eine einfache Bauart ermöglicht, die keine gesonderten Hohlvolumina braucht, die gezielt befüllbar sind, um ein Aufschwimmen und/oder Absinken des Wärmetauscherelements und/oder des daraus hergestellten modularen Wärmetauschers zu bewirken.
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Darüber hinaus wird die Montage deutlich vereinfacht. Beim Zusammenbau der Elemente zu einem modularen Wärmetauscher werden zunächst die mit Luft gefüllten Elemente aufs Wasser verbracht und mit einem Kopplungselement versehen. Sollen weitere Wärmetauscherelemente, die nicht in der flächigen Ausdehnung des Oberflächengewässers angeordnet sein sollen, zugefügt werden, so ist es möglich, das bereits installierte Wärmetauscherelement ganz oder teilweise zu fluten, d.h. das mindestens eine Hohlvolumen, insbesondere den Durchflusskanal, teilweise oder ganz mit Wasser bzw. einem anderen Wärmetauscherfluid zu befüllen. Hierdurch wird es möglich, ein weiteres schwimmendes Wärmetauscherelement über das abgesenkte bzw. absinkende, bereits mit einem flüssigen Fluid befüllte Wärmetauscherelement schwimmend zu überlagern und dann mit einem Kopplungselement zu versehen.
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Um eine Stabilität des im Wesentlichen aus einem gewundenen Wärmetauscherrohr bestehenden Wärmertauscherelements zu erreichen, ist vorgesehen, dass vorzugsweise mindestens zwei Querträger unterschiedliche Abschnitte des gewundenen Wärmetauscherrohrs beabstandet zueinander fixiert.
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Einen besonders effizienten Wärmeübertrag und eine gute Flächenausnutzung der Gewässeroberfläche bzw. des Gewässervolumens erreicht man, wenn das Wärmetauscherrohr mäandernd gewunden ist, sodass das Wärmetauscherrohr mehrere parallel zueinander orientierte gerade Rohrabschnitte umfasst, die mittels der mindestens zwei Querträgers beabstandet zueinander fixiert sind.
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Vorzugsweise umschließen die mindestens zwei Querträger die parallelen geraden Rohrabschnitte. Hierdurch findet eine besonders gute Stabilisierung statt. Beim Lagern der Wärmetauscherelemente im Trockenen kann so sichergestellt werden, dass das Wärmetauscherrohr nicht in Kontakt mit der Fläche gerät und beschädigt wird, auf der das Wärmetauscherelement gelagert wird. Vorzugsweise weist ein Wärmetauscherelement mehrere entlang der Richtung der geraden parallelen Rohrabschnitte beabstandete Querträger auf.
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Die Querträger können ferner verwendet werden, um die Wärmetauscherelemente zu handhaben. Hierzu kann vorgesehen sein, dass an den Querträgern Ösen und/oder Haken oder andere Befestigungsmöglichkeiten ausgebildet sind. Diese können genutzt werden, um Hebewerkzeuge an dem Element zu befestigen oder auch Gewichte oder Ketten, um ein einzelnes Wärmetauscherelement oder einen hiermit hergestellten Wärmetauscher in dem Gewässer zu verankern.
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Gewichte und optional an den Querträgern befestigte Auftriebskörper können ebenfalls genutzt werden, um eine Ausrichtung des Wärmetauscherelements zu erreichen, bei dem die Ebene, in der das Wärmetauscherrohr gewunden ist, parallel zur Richtung der Schwerkraft orientiert ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Wärmetauscherelement ein oder mehrere von dem Wärmetauscherrohr getrennt ausgebildete Hohlvolumina aufweisen, die gezielt mit einem Fluid befüllbar und abdichtbar sind. Durch Befüllen beispielsweise mit einem gasförmigen Fluid kann so ein Auftriebselement geschaffen werden und über ein Befüllen mit Wasser ein Absinken erreicht werden.
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Asymmetrisch angeordnete, insbesondere lösbare, Gewichte können, gegebenenfalls in Kombination mit einer Teilbefüllung des einen Hohlvolumens mit Wasser oder flüssigem Wärmeträgerfluid, dafür genutzt werden, dass das Wärmetauscherelement beispielsweise bei der Montage in einer „diagonalen“ Orientierung halb abgesenkt im Oberflächengewässer schwimmt, sodass der Elementeinlass und der Elementauslass, die vorzugsweise an derselben Seite des Wärmetauscherelements ausgebildet sind, oberhalb der Wasserlinie für eine Montage zugänglich sind und ein „Volllaufen“ des Wärmetauscherelements verhindert wird.
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Weist das Material, aus dem das Wärmetauscherrohr gebildet ist, eine Dichte auf, die geringer als Wasser ist, so dienen die Querstreben auch dazu, das Gewicht und die Masse des Wärmetauscherelements zu erhöhen, sodass dessen Wichte bzw. Dichte in dem Zustand, in dem die gezielt befüllbaren Hohlvolumina mit Wasser gefüllt sind, größer als Wichte bzw. Dichte des durch das befüllte Element verdrängten Wassers sind, sodass das Element zum Absinken gebracht werden kann. Alternativ ist das Element mit ebenfalls aus Kunststoff ausgebildeten Querstreben auszubilden und daran befestigbare oder befestigte Gewichte vorzusehen.
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Die einfache Ausbildung erlaubt es auch, mehrere Wärmetauscherelemente zu Wärmetauscherelementgruppen zusammenzufügen, die dann zu dem modularen Wärmetauscher zusammengefügt werden. Hierdurch kann eine Vormontage insbesondere beispielsweise im Trocknen erfolgen. Auch solche Wärmetauscherelementgruppen werden vorzugsweise so erstellt, dass sie ohne Hebewerkzeuge bewegt und von ein oder zwei menschlichen Monteuren ins Wasser verbracht werden können.
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Ein Zusammenfügen von Wärmetauscherelementen zu Wärmetauschergruppen und/oder einem modularen Wärmetauscher wird erleichtert durch Wärmetauscherelemente, bei denen der Elementeinlass und der Elementauslass mit unterschiedlich langen Anschlussstutzen ausgebildet sind. So können die Wärmetauscherelemente beispielsweise bevorzugt jeweils einen langen Anschlussstutzen und einen kurzen Anschlussstutzen aufweisen. Beispielsweise kann bei einem Wärmetauscherelement der lange Anschlussstutzen als Elementeinlass und der kurze Anschlussstutzen als Elementauslass verwendet werden und bei einem anderen Wärmetauscherelement der kurze Anschlussstutzen als Elementeinlass und der lange Anschlussstutzen als Elementauslass.
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Um ein Einsinken in einen Untergrund eines Oberflächengewässers möglichst zu vermeiden, ist bei einigen Ausführungsformen vorgesehen, dass Füße am Wärmetauscherelement befestigt werden oder sind. Hierdurch wird verhindert, dass einzelne Wärmetauscherelemente oder der gesamte modulare Wärmetauscher in eine Schlamm- und Schlickschicht im abgesenkten Zustand mit der Zeit eingebettet werden, welches den Wärmeaustausch deutlich verschlechtert und ein Aufschwimmenlassen zur Wartung behindert.
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In einem Wärmetauscher können mindestens zwei der Wärmetauscherelemente strömungstechnisch in Reihe verbunden sein.
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Alternativ oder zusätzlich können auch mindestens zwei der Wärmetauscherelemente strömungstechnisch parallel verbunden sein.
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Durch eine Variation und/oder Kombination dieser beiden strömungstechnischen Verbindungsmöglichkeiten wird die Flexibilität geschaffen, den Wärmeübertrag abhängig von dem Durchströmungsvolumen optimal an die Bedürfnisse anzupassen. Die Elementeinlässe und -auslässe sowie die Koppelein- und -auslässe von Anschluss- oder Verbindungselementen sind vorzugsweise ausgebildet, um eine verschraubte Verbindung herzustellen. Alternativ oder zusätzlich können auch bajonettartige Anschlusselemente ausgebildet sein. Das Ausbilden der Anschlusselemente als Schraubverbindungen oder Bajonettverschlüsse bietet den Vorteil, dass die fluidtechnische Verbindung am Ort der der Montage leicht und zuverlässig ausgeführt werden kann.
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Mit der Wärmekraftmaschine wird ein Wärmetauscherelement bzw. der modulare Wärmetauscher vorzugsweise mit flexiblen Rohrleitungen verbunden.
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In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass der modulare Wärmetauscher zusätzlich Photovoltaikmodule und/oder Solarthermiemodule aufweist. Die Wäremtauscherelemente weisen hierfür, vorzugsweise getrennt von dem Durchflusskanal ausgebildete Holvolumina oder Auftriebskörper auf, so dass die Photovoltaikmodule und/oder Solarthermiemodule sich oberhalb der Wasseroberfläche befinden, auch wenn der Durchflusskanal von allen Wärmetauscherelementen vollständig mit Wärmeträgerfluid befüllt ist. Der modulare Wärmetauscher kann Gestellelemente aufweisen, die an den Querträgern der Wärmetauscherelementen befestigt sind. Die Gestellelemente dienen zum Befestigen und Tragen der Photovoltaikmodule und/oder Solarthermiemodule.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Draufsicht auf ein Wärmetauscherelement;
- 2 eine Seitenansicht eines Wärmetauscherelements nach 1;
- 3 eine schematische Ansicht eines modularen Wärmetauschers mit zwei in Reihe miteinander verbundenen Wärmetauscherelementen für eine horizontale Anordnung in einem Oberflächengewässer;
- 4 eine schematische Ansicht eines modularen Wärmetauschers mit zwei Wärmetauscherelementen, die parallel miteinander verbunden sind, für eine horizontale Anordnung in einem Oberflächengewässer;
- 5 eine schematische Ansicht eines modularen Wärmetauschers mit zwei Wärmetauscherelementen, die in Reihe miteinander verbunden sind, für eine vertikale Anordnung in einem Oberflächengewässer; und
- 6 eine schematische Ansicht eines modularen Wärmetauschers mit zwei Wärmetauscherelementen, die parallel miteinander verbunden sind und für eine vertikale Anordnung in einem Oberflächengewässer vorgesehen sind.
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In der nachstehenden Beschreibung sind schematische Ausführungsformen gezeigt. Gleiche technische Merkmale sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist eine schematische Draufsicht auf ein Wärmetauscherelement 10 dargestellt. Dieses umfasst ein Wärmetauscherrohr 20, welches gewunden in einer Ebene 30, welche mit der Zeichenebene zusammenfällt, ausgebildet ist. Das Wärmetauscherrohr 20 umfasst gerade Abschnitte 21, die parallel zueinander ausgerichtet und voneinander beabstandet sind. Das Wärmetauscherelement 10 umfasst einen Elementeinlass 11 und einen Elementauslass 12 an dem Wärmetauscherrohr 20. Nummeriert man die geraden parallelen Rohrabschnitte 21 von links nach rechts 21-1, 21-2, ..., 21-n, so bilden an einer Seite 14 des Wärmetauscherelements der erste Rohrabschnitt 21-1 den Elementeinlass 11 und der gerade Rohrabschnitt mit der höchsten Indexnummer 21-n den Elementauslass 12. Elementeinlass 11 und -auslass 12 können ebenfalls auch vertauscht sein.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die äußeren Rohrabschnitte 21-1, 21-n unterschiedlich lang. Sie bilden einen langen Anschlussstutzen 13L und einen kurzen Anschlussstutzen 13K aus. Hierdurch wird, wie unten in den weiteren Figuren gezeigt, ein Zusammenschließen mit anderen gleichartigen Wärmetauscherelementen 10 erleichtert. Es ist möglich den langen Anschlussstutzen 13L als Elementeinlass 11 und den kurzen Anschlussstutzen 13K als Elementauslass zu verwenden, wie beispielsweise in 1 oder 3 für das Wärmetauscherelement 10 gezeigt ist. Ebenso kann jedoch auch der kurze Anschlussstutzen 13K als Elementeinlass 11 und der lange Anschlussstutzen 13L als Elementauslass 12 verwendet werden, wie beispielsweise bei dem Wärmetauscherelement 10` in 3 gezeigt ist.
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An der einen Seite 14 sind die übrigen geraden Rohrabschnitten jeweils mit einem benachbarten Rohrabschnitt über einen 180°-Bogenabschnitt 23 miteinander verbunden. Hierbei ist jedes Rohr, welches einen geraden Zählindex aufweist, mit dem nachfolgenden Rohr mit einem ungeraden Zählindex verbunden. An der gegenüberliegenden Seite 15 des Wärmetauscherelements sind ebenfalls die Rohrabschnitte über einen 180°-Bodenabschnitt miteinander verbunden, wobei hier jeweils der mit einem ungeraden Zählindex versehene Rohrabschnitt mit dem nachfolgenden Rohrabschnitt mit einem geraden Zählindex verbunden ist. Die 180°-Bogenabschnitte 23 können auch aus zwei 90°-Bogenabschnitten 24 bestehen, wie es in der Zeichnung dargestellt ist.
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Um das Wärmetauscherrohr 20 zu stabilisieren, sind Querträger 40 vorgesehen, an denen die geraden Rohrabschnitte 21 beabstandet voneinander und vorzugsweise parallel ausgerichtet zueinander befestigt sind. Wie in der Seitenansicht der 2 zu erkennen ist, sind vorzugsweise auf gegenüberliegenden Seiten 16, 17, d.h. einer Oberseite 16 und einer Unterseite 17, einander gegenüberliegend jeweils Querträger ausgebildet. Da die Wärmetauscherelemente in beliebiger Orientierung in die Wärmetauscher verbaut werden können, sind Angaben wie „oben“, „unten“ etc. nur auf die konkrete Ausrichtung in den hier gezeigten Ansichten bezogen. Bei einer Weiterbildung ist der Querträger umlaufend ausgebildet, sodass dieser das gewundene Wärmetauscherrohr 20 an den Seiten 16, 17, 18 und 19 des Wärmetauscherelements umschließt (nicht dargestellt). Solche Ausführungsformen der Querträger sind jedoch in den 2 bis 5 schematisch dargestellt. An den Querträgern können Ösen und/oder Haken ausgebildet sein, um Gewichte und/oder Auftriebselemente zu befestigen (alles nicht dargestellt). Auch andere Befestigungselemente können ausgebildet sein. Ebenso können an den Querträgern 40 optional Füße ausgebildet oder befestigbar sein (nicht dargestellt). Diese verhindern ein Einsinken des abgesenkten Wärmetauscherelements in den Grund eines Oberflächengewässers.
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Das Wärmetauscherrohr 21 umschließt fluiddicht einen Durchflusskanal 50. An dem Elementeinlass 11 einströmendes Wasser oder Wärmetauscherfluid durchströmt den Durchflusskanal 50 und tritt am Elementauslass 12 wieder aus. Hierbei wird der Umgebung des Wärmetauscherrohrs 20 Wärme entzogen oder Wärme an dieses abgegeben. Daher wird das Wärmetauscherrohr 20 mit dem Wärmetauscherelement 10 im Betrieb vorzugsweise im Oberflächengewässer abgesenkt. Die einzelnen Wärmetauscherelemente 10 sind so ausgebildet, dass diese, wenn das Wärmetauscherrohr 20 bzw. der hiervon fluiddicht umschlossene Durchflusskanal 50 mit Wasser oder einem anderen flüssigen Wärmeträgerfluid gefüllt ist, die Masse des Wärmetauscherelements 10 einschließlich des Wassers bzw. Wärmeträgerfluids größer als die Masse des von dem Wärmetauscherelement 10 beim Untertauchen verdrängten Wassers ist.
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Sind das Wärmetauscherrohr 20 und gegebenenfalls auch die Querträger 40 beispielsweise aus Polyethylen hergestellt, welches eine geringere Dichte als Wasser aufweist, so kann es vorgesehen sein, dass an den Querträgern oder in den hohlen Querträgern 40 Gewichte ausgebildet sind. Beispielsweise können rohrartig ausgebildete Querträger 40 von innen beispielsweise mit Quarzsand ganz oder teilweise gefüllt sein. Andere Ausführungsformen sehen vor, dass einer oder mehrere der Querträger mit einem verschließbaren Ventil für ein Anschließen von Druckluft ausgebildet sind. Zusätzlich weist der Hohlraum vorzugsweise eine weitere Öffnung auf, welche beispielsweise mit einem Rückschlagventil ausgebildet ist, um nach dem Einblasen von Druckluft zuvor in den Hohlraum des Querträgers eingefülltes Wasser durch das Rückschlagventil auszublasen, wobei das Rückschlagventil ein Rückströmen von Wasser verhindert.
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Alternativ oder zusätzlich können Gewichte an Ösen und/oder Haken (nicht dargestellt) montiert werden, um ein Absinken oder Absenken zu beschleunigen. Die Querträger 40 können rohrartig mit einem runden Querschnitt ausgebildet sein. Andere Ausführungsformen sehen vor, dass sie an einer Ober- und einer Unterseite abgeplattet sind (nicht dargestellt), sodass mehrere Elemente so aufeinander stapelbar sind, dass die abgeplatteten Flächen der Querträger der unterschiedlichen Elemente flächig aufeinander liegen.
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In 2 ist eine Seitenansicht des Wärmetauscherelements 10 nach 1 dargestellt.
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In 3 ist eine Ausführung eines modularen Wärmetauschers 100 dargestellt, bei dem zwei Wärmetauscherelemente 10, 10' in Reihe miteinander verbunden sind. An dem Elementauslass 12 des einen Wärmetauscherelements 10 und dem Elementeinlass 11 des anderen Wärmetauscherelements 10` ist ein Kopplungselement 60 angeordnet, welche die beiden Elemente strömungstechnisch verbindet. In den Elementeinlass 11 des einen Wärmetauscherelements 10 aus einem anderen Kopplungselement 61, an dem der Wärmetauschereinlass 111 ausgebildet ist, einströmendes Kühlfluid durchströmt den einen Wärmetauscher 10, tritt aus dem Elementauslass 12 in das Kopplungselement 60 ein und aus diesem in den Elementeinlass 11 des weiteren Wärmetauscherelements 10` ein. Nach dem Durchströmen des weiteren Wärmetauscherelements 10` tritt das Wärmeübertragungsfluid aus dem Elementauslass 12 des weiteren Wärmetauscherelements 10` in ein weiteres Kopplungselement 62 ein, welches den Wärmetauscherauslass 112 des modularen Wärmetauschers 100 bildet. Die gezeigte Ausführungsform ist für einen horizontale Anordnung in einem Oberflächengewässer vorgesehen.
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In 4 ist eine alternative Ausgestaltung eines modularen Wärmetauschers 100 mit zwei Wärmetauscherelementen 10, 10' gezeigt, bei der die Elementeinlässe 11 und die Elementauslässe 12 jeweils über Kopplungselemente 60, 60' miteinander verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform werden die Durchströmungskanäle 50 parallel vom Wärmeübertragungsfluid durchströmt.
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Auch diese Ausführungsform ist vorgesehen, um horizontal in einem Oberflächengewässer angeordnet zu werden.
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In 4 ist auch zu erkennen, dass es vorteilhaft ist, wenn die Wärmetauscherelemente 10, 10' einen langen Anschlussstutzen 13L und einen kurzen Anschlussstutzen 13K aufweisen. Dieses vereinfacht die Verbindung von mehreren Wärmetauscherelemente 10, 10'.
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Es sind jedoch auch Wärmetauscherelemente möglich, die gleich lange Anschlussstutzen für den Elementeinlass und den Elementauslass aufweisen.
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5 und 6 zeigen Ausführungsformen, einmal für ein Durchströmen in Reihe ( 5) und einmal für ein paralleles Durchströmen (6), die jeweils für eine vertikale Anordnung der Wärmetauscherelemente 10, 10' vorgesehen sind. An der einen Seite 18 sind beispielsweise an den Querträgern 40 Gewichte angeordnet und an der gegenüberliegenden Seite 19 nicht dargestellte Schwimmkörper, um die Orientierung der Wärmetauscherelemente bzw. des modularen Wärmetauschers sicherzustellen. Sind die Querträger 40 als Rohre ausgebildet und diese teilweise beispielsweise mit Quarzsand befüllt, so kann die Ausrichtung auch dadurch eingestellt werden, dass der Quarzsand bei der Montage in einem der Seite 18 zugewandten Abschnitt der Querträge 40 verbracht wird. Alternativ ist dann für eine horizontale Montage, wie in 3 und 4 gezeigt, die Sandfüllung so zu verbringen, dass diese in dem der Unterseite 17 zugewandten Abschnitt der Querträger 40 bewegt wird.
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Anschlusselemente 25 an dem Elementeinlass 11 und Elementauslass 12 wie auch Anschlusselemente 65 an den Kopplungslementen 60, 60`, 61, 62 sind vorzugsweise für eine Schraubverbindung oder alternativ für eine bajonettartige Verbindung ausgebildet.
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Es versteht sich für den Fachmann, dass hier nur beispielhafte Ausführungsformen gezeigt sind. Durch den Einsatz solcher modularer Wärmetauscher ist es möglich, sehr effizient Wärmepumpen mit Energie aus Oberflächengewässern zu betreiben. Mit solchen Wärmetauschern lassen sich coefficients of performance (COP) von fünf gut erreichen. Dies bedeutet, dass man für den Einsatz von 1 kWh Arbeitsenergie eine Wärmeenergie aus der Wärmekraftmaschine von 5 kWh gewinnen kann. Dieses ist sehr effizient und übertrifft die Effizienz von Luft- und Erdwärmepumpen.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10'
- Wärmetauscherelement
- 11
- Elementeinlass
- 12
- Elementauslass
- 13L
- langer Anschlussstutzen
- 13K
- kurzer Anschlussstutzen
- 14
- Seite des Wärmetauscherelements
- 15
- Seite des Wärmetauscherelements (Seite 14 diametral gegenüberliegend)
- 16
- Unterseite des Wärmetauscherelements (bei horizontaler Ausrichtung)
- 17
- Oberseite des Wärmetauscherelements (bei horizontaler Ausrichtung)
- 18
- Seite des Wärmetauscherelements
- 19
- Seite des Wärmetauscherelements (Seite 19 diametral gegenüberliegend)
- 20
- Wärmetauscherrohr
- 21-1, ..., 21-n
- gerade Rohrabschnitte
- 23
- 180°-Bogenabschnitt
- 24
- 90°-Bogenabschnitt
- 25
- Anschlusselemente
- 30
- Ebene
- 40
- Querträger
- 50
- Durchflusskanal
- 60, 60'
- Kopplungselement
- 61
- anderes Kopplungselement
- 62
- weiteres Kopplungselement
- 65
- Anschlusselemente
- 100
- modularer Wärmetauscher
- 111
- Wärmetauschereinlass
- 112
- Wärmetauscherauslass
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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