DE2738254A1

DE2738254A1 - Verfahren und vorrichtung zum verbessern des waermeaustauschs an der unterirdisch verlegten waermezufuehrleitung einer zur raumheizung oder -kuehlung dienenden waermepumpe

Info

Publication number: DE2738254A1
Application number: DE19772738254
Authority: DE
Inventors: Elijah R Perry; Mario Rabinowitz
Original assignee: Electric Power Research Institute Inc
Current assignee: Electric Power Research Institute Inc
Priority date: 1976-08-27
Filing date: 1977-08-25
Publication date: 1978-03-09
Also published as: CA1045394A; FR2363063A1; US4142576A; GB1569325A; SE7709259L; US4042012A; JPS5348259A; JPS5728867B2

Description

PATENTANVNiAI. Γ Κ

R. SPLANEMANN or. B. REITZNER

DIPL.-HMG. Dll'L.-CHEM.

MÖNCHEN

J. RICHTER F. WERDERMANN

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1849-Ι-3623-Ε.77151 Fl.

IHR (TI(HFN

PATENTANMELDUNG

PRIORITÄT: _V.St. ν.A., Ser. No. 718 348 vom 27.8.1976

BEZEICHNUNG:

Verfahren und Vorrichtung zum Verbessern des Wärmeaustauschs an der unterirdisch verlegten Wärmezufuhrleitung einer zur Raumheizung oder -kühlung dienenden Wärmepumpe.

ANMELDER: Electric Power Research Institute, INC.

3412 Hillview Avenue, Palo Alto, Kalif. (V.St.A.)

ERFINDER: Elijah R. Perry und Mario Rabinowitz

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbessern des Wärmeaustauschs an der unterirdisch verlegten Wärmezuführleitung einer zur Raumheizung oder -kühlung dienenden Wärmepumpe.

Eine Wärmepumpe bewirkt eine Temperatursteigerung aufgrund einer Leistungsaufnahme. Der Pumpenkreislauf ist dabei identisch dem eines Dampfverdichtungs-Kühlkreislaufs. Ein besonderes Anwendungsgebiet von Wärmepumpen ist die Klimatisierung von Wohn- und Geschäftsräumen, da sich diese vermittels ein und derselben Anlage im Sommer kühlen und im Winter beheizen lassen. Diese Doppelfunktion wird durch Ventile ermöglicht, welche während des Sommers den Niedertemperatur-Verdaaipfer, und während des Winters den Temperatur-Verflüssiger in den Heiz- bzw. Kühlkreislauf der Raumanlage schalten. Vermittels derartiger Wärmepumpen wird somit das Innere eines Gebäudes beheizt (oder gekühlt), indem ein außerhalb des Gebäudes befindlicher Bereich gekühlt (oder entsprechend beheizt) wird. Das entsprechende Arbeitsprinzip wurde zuerst von Kelvin im Jahre 1852 beschrieben.

Der Kühlwirkungsgrad cp beim Kühlen eines Raums ist in Gleichung (1), und der Heizwirkungsgrad cp beim Beheizen eines Raums ist in Gleichung (2) angegeben, wobei in diesen Gleichungen T die absolute Temperatur in ⁰K ist und die tiefgestellten Indices c und h jeweils die Kühl- bzw. die Heiztemperatur darstellen.

cp_c = Kühlung = - (1)

Leistungsaufnahme

	h	T	C	T	C	T	C
T		-
	h	T	C
T	-

_ Wärmeabgabe _ ^. ._.

Leistungsaufnahme

Wie aus den vorstehenden Gleichungen ersichtlich, wird der höchste Wirkungsgrad erreicht, wenn das Temperatur-

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differential zwischen der Außentemperatur und der des klimatisierten Raums möglichst gering ist.

Die am leichtesten zur Verfügung stehende äußere Wärmeoder Kältequelle stellt aufgrund ihrer einfachen und leichten Verfügbarkeit die Außenluft dar. Da sich jedoch die Außenluft im Sommer auf verhältnismäßig hohe Temperaturen erwärmt und im Winter verhältnismäßig niedrige Temperaturen annimmt, stellt sie zum Heizen und Kühlen eine Quelle von äußerst niedrigem Wirkungsgrad dar. Hinzu kommt, daß in den meisten Gebieten mit gemäßigtem Klima die Heizlast üblicherweise wesentlich höher ist als die Kühllast. Das führt wiederum zu einem Ungleichgewicht in der Auslegung der Anlage, indem zur Deckung des Wärmebedarfs ein sehr großer, leistungsfähiger Verdichter, ein Zusatzheizystem (Elektro- oder Brennstoff-Heizung) oder ein Wärmespeicher erforderlich ist.

Bei der Verwendung von Grund- oder Brunnenwasser als Wärmequelle wird im Vergleich zu atmosphärischer Luft ein höherer Wirkungsgrad erhalten. Der praktische Einsatz derartiger Systeme ist jedoch aufgrund der im Wasser enthaltenen Verunreinigungen, der Wasserqualität, der zur Verfügung stehenden Wassermengen, aus Entwässerungsgründen und schließlich den mit Wasser verbundenen Korrosionsproblemen stark eingeschränkt.

Eine weitere Wärmequelle stellt das Erdreich selbst dar, indem eine Wärmezuführleitung der Wärmepumpe in einer unterirdischen Grube verlegt und diese dann mit Erdreich verfüllt wird. Das Erdreich stellt potentiell die wünschenswerteste Wärmequelle bzw. den besten Wärmeableiter dar, da Erdboden ohne weiteres zur Verfügung steht und über das ganze Jahr hinweg eine ziemlich gleichbleibende Temperatur aufweist.

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Der Wärmeaustausch zwischen der in der Wärmezuführleitung enthaltenen Flüssigkeit und dem Erdreich hängt jedoch weitgehend vom Feuchtigkeitsgehalt des Erdreichs ab, und dieser wiederum ist abhängig von den klimatischen Bedingungen und der geologischen Bodenbeschaffenheit. Bei niedrigerem Feuchtigkeitsgehalt des Erdbodens nimmt die Wärmeleitfähigkeit desselben ab, so daß dementsprechend auch der Wirkungsgrad für Wärmeaustausch zwischen der in der Wärmezuführleitung befindlichen Flüssigkeit und dem Erdreich abnimmt. Diese Schwierigkeiten ergeben sich insbesondere in den Sommermonaten, in denen der Feuchtigkeitsgehalt aufgrund der stärkeren Sonneneinstrahlung und der damit verbundenen Bodenerwärmung auf einen Mindestwert zurückgeht.

In der letzten Zeit wurden verschiedene hydrophile Polymergele entwickelt, die hohe Wasseraufnahmefähigkeit aufweisen. Eines dieser Produkte ist beschrieben in einem Aufsatz mit dem Titel "Super Slurper-Compound with a Super Thirst" (etwa: Superbindemittel mit Superdur-^st") , in Agricultural Research, Juni 1975, veröfftl. von Agricultural Research Service, USDA. Bei diesem Produkt handelt es sich um ein hydrolysiertes Stärke-Polyacrylnitril-Propfcopolymerisat. Ein Verwendungszweck für dieses Material besteht in der Steigerung der Wasseraufnahmefähigkeit von Sand zwecks Verbesserung des Anbauertrags von z.B. Hafer. In diesem Aufsatz ist angegeben, daß Sand alleine nur etwa 24 g Wasser zurückhält, wohingegen ein Sand-Gel-Gemisch in einer Konzentration von 1 Teil Gel auf 250 Teile Sand ein Wasserrückhaltevermögen von 317 g Wasser aufweist. Derartige Gele sollen bis zum 1000- bis 2000-fachen ihres Eigengewichts an Wasser aufnehmen.

Ein anderes hydrophiles Gel wird von der Firma Union Carbide unter dem Warenzeichen "Viterra-Hydrogel" vertrieben. Der

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Hersteller empfiehlt dieses synthetische Material als Bodenverbesserungsmittel, um die Zufuhr von Wasser und Nährstoffen zu Pflänzlingen zu verbessern. Aus Produktbeschreibungen des Herstellers ist zu entnehmen, daß das Viterra-Hydrogel mehr als das 20-fache seines Trockengewichts an Wasser zurückhalten kann. Ein anderes Produkt dieser Art mit der Bezeichnung "Imbiber Beads" wird von der Firma Dow Chemical Company hergestellt und weist ein Rückhaltevermögen von 27:1 auf.

Diesen Polymeren ist gemeinsam, daß sie eine große Wassermenge aufnehmen können, jedoch nicht wasserlöslich sind. Das Wasser dringt dabei in die Netzstruktur des Polymers ein, wodurch die Größe des Teilchens zunimmt. Dabei kommt es jedoch nicht zur Ausbildung großer Wassertaschen, welche die Ursache einer späteren Leckbildung sein könnten. Das Wasser wird effektiv von der Molekularstruktur des Polymers eingeschlossen. Es ist äußerst schwierig, das im Polymer eingeschlossene Wasser auszudrücken. Das Wasser kann jedoch aus dem Polymer verdunsten, und das Mischpolymerisat auf Stärkebasis ist biologisch abbaubar.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbessern des Wärmeaustausche an der unterirdisch verlegten Wärmezuführleitung einer Wärmepumpe zu schaffen, durch welche über lange Zeiträume hinweg ein wesentlich gesteigerter Wärmeaustausch und damit ein höherer Wirkungsgrad gewährleistet werden.

Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß a) die Wärmezuführleitung in einer offenen Grube verlegt wird,

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b) die Grube mit Erdreich, das dispergiert wasserabsorbierende Teilchen aus einem Material enthält, dessen Aufnahmefähigkeit für Wasser einem Vielfachen seines Eigengewichts entspricht, verfüllt wird und

c) die absorbierenden Teilchen mit Wasser getränkt werden.

Entsprechend einer Abänderung dieses Verfahrens kann die Grube vor dem Verlegen der Wärmezuführleitung mit einer undurchlässigen unteren Folie in Anpassung an die Formgebung der Grubenbodenflache und der Grubenseitenwände ausgekleidet werden, wonach dann die Wärmezufuhrleitung innerhalb der Folie verlegt, der die Rohrleitung umgebende Raum mit die wasserabsorbierenden Teilchen dispergiert enthaltendem Erdreich verfüllt und schließlich die absorbierenden Teilchen mit Wasser getränkt werden.

Die zur Ausführung dieses Verfahrens vorgeschlagene Vorrichtung ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Wärmeaustauschbereich, eine zu diesem Wärmeaustauschbereich führende Rohrleitung für Kältemittel, eine in diesem Wärmeaustauschbereich verlegte, einen hoch wärmeleitfähigen Abschnitt aufweisende,unterirdische Wärmezuführleitung, eine den wärmeleitfähigen Abschnitt der unterirdischen Wärmezuführleitung umgebende Erdverfüllung und eine Vielzahl in der Erdverfüllung dispergierter, mit Wasser getränkter Teilchen, deren Aufnahmefähigkeit für Wasser einem Vielfachen ihres Eigengewichts entspricht. Anstelle der wassergetränkten Teilchen kann dabei auch eine Vielzahl mit Wasser gefüllter, biegsam-elastischer, wasserundurchlässiger Säcke in der Erdverfüllung angeordnet sein.

Die mit Wasser getränkten, hoch absorbierenden Teilchen oder die mit Wasser gefüllten, ballonartigen Säcke in der Erdverfüllung bewirken einen wesentlich verbesserten Wärme-

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austausch zwischen der Wärmezuführleitung und dem diese umgebenden Erdreich.

Entsprechend weiteren Ausgestaltungen kann die Zurückhaltung von Wasser in den in der Erdverfüllung enthaltenen absorbierenden Teilchen dadurch verbessert werden, daß diese mit einem wasserundurchlässigen Oberzug versehen werden. Die die Wärmezufuhrleitung und das diese umgebende,verfüllte Erdreich enthaltende Grube kann auch mit einer zur Verhinderung von Wasserverdunstung aus den wasserabsorbierenden Teilchen dienenden Abdeckung versehen und/oder es können Mittel vorgesehen sein, um ein Entweichen von Wasser unterhalb oder an den Seiten der Wärmezufuhrleitung zu verhindern.

Das Erdreich dient dabei als Wärmequelle oder zur Wärmeableitung für die unterirdisch im Erdreich verlegte Wärmezuführleitung, wobei die wasserabsorbierenden Teilchen oder die Wasser enthaltenden Säcke einen die Rohrleitung umgebenden Bereich hoher Wärmeleitfähigkeit vorgeben. Die absorbierenden Teilchen bestehen bevorzugt aus einem hydrophilen Polymergel.

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung sind im nachfolgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher veranschaulicht.

Fig. 1 ist eine schematische Blockdarstellung einer Wärmepumpe mit einer unterirdisch verlegten Wärmezuführleitung, die in Berührung mit dem Erdreich steht, das entsprechend der Erfindung eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit aufweist.

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Fig. 2 zeigt im Querschnitt und in einem größeren Maßstab eines der mit einem Überzug versehenen absorbierenden Teilchen aus der Anordnung nach Fig. 1.

Fig. 3 ist ein Querschnitt durch eine weitere Anordnung der im Erdreich unterirdisch verlegten Wärmezuführleitung.

Figur 1 zeigt schematisch im Blockbild eine Wärmepumpe 11, in der ein Kältemittel in einer Rohrleitung 12 durch einen Wärmetauscher 13 umgewälzt wird. Die Wärmepumpe kann dabei von bekannter, zur Raumheizung oder -kühlung in einem Wohnoder Geschäftsgebäude dienender Ausführung sein. Ein Hauptvorteil derartiger Wärmepumpen besteht darin, daß zur Kühlung im Sommer und zur Beheizung im Winter ein und dieselbe Anlage verwendet werden kann, indem lediglich entsprechende Ventile umgestellt werden, um den Kreislauf des Kältemittels umzukehren. Eine Wärmepumpe umfaßt typischerweise einen motorbetriebenen Verdichter, einen Verflüssiger, einen Flüssigkeitsaufnehmer, ein Ausdehnungs- oder Expansionsventil und einen Verdampfer. Das durch die Rohrleitung 12 umgewälzte Kältemittel kann aus einem beliebigen Kältemittel wie z.B. einem unter dem Warenzeichen "Freon" bekannten Chlorfluormethan bestehen. Aufbau und Arbeitsweise bekannter Wärmepumpen sind beschrieben in den beiden Büchern: Sporn u.a., Heat Pumps (Wärmepumpen), Wyley & Sons, 1947, sowie Kemler u.a., Heat Pump Applications (Anwendungen von Wärmepumpen), McGraw-Hill, 1950.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 1 nimmt die unterirdisch verlegte Wärmezuführleitung 14 Wärme auf und gibt diese über den Wärmetauscher 13 an das in der Rohrleitung umgewälzte Kältemittel ab. Die Flüssigkeit in der Wärme-

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zuführleitung 14 wird vermittels einer Umwälzpumpe 16 in einem geschlossenen Kreislauf bewegt. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist der unterirdisch verlegte Abschnitt der Wärmezuführleitung 14 eine sehr große, zum Wärmeaustausch mit dem Erdreich bestimmte Oberfläche auf. Zu diesem Zweck ist der unterirdisch verlegte Abschnitt der Wärmezuführleitung 14 mit Spiralwindungen 14a und Rippen 14b versehen. Außerdem ist die Rohrleitung in diesem Bereich wie dargestellt zur weiteren Steigerung der Wärmeaustauschfläche in Schlangenlinien verlegt. Vorzugsweise besteht die Rohrleitung aus einem hoch wärmeleitfähigen Werkstoff wie z.B. Kupfer. Zur besseren Ausnutzung der Grube können mehrere unterirdisch verlegte Wärmezuführleitungen über ein Sammelrohr mit einer zum Wärmetauscher 13 führenden Hauptleitung verbunden sein.

Die in der Wärmezuführleitung 14 umlaufende Wärmetauschflüssigkeit sollte gute Wärmeübertragungseigenschaften aufweisen und darf bei der niedrigsten, zu erwartenden Temperatur nicht gefrieren. In wärmeren Klimazonen kann diese Flüssigkeit daher aus Wasser bestehen, wobei zur Verhinderung eines Einfrierens ggf. ein Gefrierschutzmittel zugesetzt werden kann. Für kältere Klimazonen eignet sich als preiswerte Wärmeaustauschflüssigkeit in der Wärmezuführleitung 14 auch eine Salzlauge.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 1 wird eine Grube mit einer Bodenfläche 17 und den von dieser nach oben führenden Seitenwänden 18 ausgeschachtet. Dann wird die Wärmezuführleitung 19 in die Grube verlegt. Das beim Ausschachten entnommene Erdreich wird wiederum zum Verfüllen der Grube verwendet. Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung enthält die die Wärmezufuhrleitung 14 umgebende Erdverfüllung

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19 mit Wasser getränkte, absorbierende Teilchen 20 in einer mehr oder minder willkürlichen Verteilung. Die absorbierenden Teilchen 20 werden dabei beim Verfüllen dem Erdreich zugesetzt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weisen die absorbierenden Teilchen 20 bevorzugt einen mittigen Kern 21 aus einem für Wasser durchlässigen Material auf. Wenn das Erdreich nicht zu starkem Wasserverlust neigt, können die Teilchen 20 lediglich aus diesem mittigen Kern 21 ohne äußeren Überzug 22 bestehen. Eine derartige Ausführungsform wird zunächst ausführlicher betrachtet.

Der Zweck, weswegen die mit Wasser getränkten Teilchen dem die Wärmezuführleitung 14 umgebenden verfüllenden Erdreich zugesetzt werden, besteht ja darin, über das ganze Jahr hinweg und insbesondere während der heißen, trockenen Sommermonate einen höheren Wassergehalt im Erdreich aufrecht zu erhalten. Durch diesen Wassergehalt werden sowohl die Wärmeleitfähigkeit als auch die Wärmekapazität von trockenem Erdreich wesentlich gesteigert. Damit ist ein leichter Wärmeaustausch zwischen der Wärmezuführleitung 14 und dem feuchten Erdreich möglich. Zu diesem Zweck wird nicht nur die Wärmeleitfähigkeit in dem die Wärmezuführleitung umgebenden Erdreich gesteigert, sondern auch die Größe der wirksamen Grenzfläche zwischen Rohrleitung und Erdreich.

Der Zeitpunkt, an dem die keinen Überzug aufweisenden absorbierenden Teilchen 20 mit Wasser getränkt werden, kann unterschiedlich bemessen sein und wird beim Verlegen der Wärmezuführleitung 14 nach praktischen Gesichtspunkten bestimmt. So können die Teilchen vor ihrer Dispersion in dem zur Verfüllung dienenden Erdreich oder während des Verfüllens

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und schließlich auch nach beendetem Verfüllen mit Wasser getränkt werden, indem im gewünschten Zeitpunkt Wasser in die Grube eingeleitet wird.

Das absorbierende Material der Teilchen 20 weist eine hohe Wasseraufnahmefähigkeit auf und sorgt auch in heißen Sommermonaten zur Erzielung eines maximalen Wassergehalts. Das Absorptionsmittel kennzeichnet sich vorzugsweise durch eine Wasseraufnahmefähigkeit, die wenigstens dem 10- bis 20-fachen seines Trockengewichts entspricht. Das Material besteht vorzugsweise aus einem hydrophilen, in Wasser quellfähigen, jedoch nicht in Wasser löslichen, vernetzten Polymergel.

Wenn die Teilchen nicht durch einen Oberzug 22 geschützt sind, müssen sie gegenüber dem sie umgebenden Erdreich verhältnismäßig inert und dürfen biologisch nicht abbaubar sein, damit sie über längere Zeiträume hinweg im Boden wirksam bleiben können. Zu diesem Zweck geeignete inerte Absorptionsmaterialien sind vernetzte, synthetische Polymere. Ein derartiger Polymer wird hergestellt von der Firma Union Carbide Corporation unter dem Warenzeichen "Viterra"-Hydrogel. Dieses Material ist ein nichtionischer Polymer, der über lange Zeit auch bei hohen Temperaturen hochstabil, biologisch nicht abbaubar und gegenüber Säuren praktisch inert ist. Seine Wasseraufnahmefähigkeit soll etwa das 20- bis 25-fache seines Trockengewichts betragen. Ein anderer, gleichfalls für den hier betrachteten Zweck geeigneter synthetischer Polymer wird von der Firma Dow Chemical Corporation unter den Bezeichnungen "Gel-Guard" und"Aqua-Biber" hergestellt. Diese Stoffe sind ebenfalls sehr stabil, biologisch nicht abbaubar und werden nicht von Säuren angegriffen.

Mehrere andere, wasserunlösliche, jedoch in Wasser quellfähige Sorptions-Feststoffe sind in einem Aufsatz von Weaver

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u.a. mit dem Titel "Highly Absorbent Starch-Based Polymer" ("Hochabsorbierender Polymer auf Stärkebasis"), vorgelegt am 5. und 6. März 1974 bei der International Nonwovens ft Disposables Association, Washington, D.C. (V.St.A.) beschrieben. Eines der darin angesprochenen Produkte ist ein basenhydrolysierter Stärke-Polyacrylnitril-Propfcopolymerisat, in welchem die Nitrilfunktionalitat in ein Gemisch aus Carboxyamid und Alkalimetallcarboxylat umgewandelt ist. In diesem Aufsatz ist ausgeführt, daß dieses Material nach Trocknung in die Carboxylatform in der Lage ist, etwa das 700-fache seines Eigengewichts an entionisiertem Wasser zu binden.

Eines der in dem Aufsatz von Weaver u.a. beschriebenen wasserabsorbierenden Materialien wird von der Firma General Mills Chemicals INC.unter der Bezeichnung "SPG-502S" als "SuperBindemittel" ("Super-Slurper") hergestellt. Dieses Produkt weist eine typische Wasseraufnahmefähigkeit von 800 bis 1000 ml entionisiertem Wasser oder 350 bis 450 ml Wasser aus einem städtischen Versorgungsnetz (Stadt Minneapolis, V.St. A.) pro Gramm des Produkts auf. Bei diesem Material ergibt sich jedoch die Schwierigkeit, daß die Gelstruktur durch hohe Druckkräfte gestört und absorbierte Flüssigkeit freigesetzt wird. Außerdem sind in Wasser aufgequollene Dispersionen aus diesem Produkt empfindlich für bakteriellen Angriff und verschlechtern sich bei längerer Lagerung unter Z immertemperatur.

Aufgrund ihrer Stabilität und da sie biologisch nicht abbaubar sind, eignen sich die Produkte Gel-Guard und Viterra-Hydrogel besonders gut zur Ausbildung eines schützenden Oberzuges 22 auf den Teilchen 20. Die Wasseraufnahmefähigkeit dieser Stoffe ist jedoch weit niedriger als die der weniger stabilen Produkte auf Stärkebasis, welche in dem

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Aufsatz von Weaver u.a. beschrieben sind. Die Produkte hoher Wasseraufnahmefähigkeit auf Stärkebasis lassen sich verwenden, wenn sie mit einem schützenden überzug aus einem praktisch wasserundurchlässigen, biologisch nicht zersetzbaren Material wie nachstehend beschrieben überzogen sind.

Zum Zwecke der Erfindung können auch andere, absorbierende Materialien von hoher Wasseraufnahme- oder -rückhaltefähigkeit eingesetzt werden. Trotz einer geringeren Absorptionsfähigkeit als Polymergele sind beispielsweise auch bestimmte Molekularsiebmaterialien wie anorganische Zeolite als mit dem Erdreich vermischbare, absorbierende Materialien geeignet. Auch diese Materialien können so beschaffen sein, daß sie Wasser gut binden. Die Theorie derartiger Molekularsiebe ist kurz erläutert in Spalten 3 bis 5 der U.S. Patentschrift 3 612 939 von Rabinowitz.

Die in Fig. 2 dargestellten wasserabsorbierenden Teilchen weisen eine Größe auf, welche die willkürliche Verteilung der Teilchen in der ganzen Erdverfüllung begünstigt. Zur Verringerung des Oberflächen-Volumen-Verhältnisses und damit der freien Verdunstungsoberfläche werden vorzugsweise verhältnismäßig große Teilchen verwendet. Wenn das Erdreich vor Rückverfüllung mit verhältnismäßig großen Teilchen (mit einem wirksamen Durchmesser von z.B. 10 cm oder größer) vermischt wird, füllt das Erdreich alle zwischen den großen Teilchen verbleibenden Hohlräume aus. Auf diese Weise wird die Ausbildung von eine äußerst niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Hohlräumen auf ein Mimimum reduziert. Derartige Hohlräume können auch durch in Verbindung mit den größeren Teilchen verwendete kleinere Teilchen 20 ausgefüllt werden. Zur Erzielung einer minimalen Verdunstung und gleichförmiger Dispersion der Teilchen dürfte zweckmäßig sein,

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Teilchen unterschiedlicher Größen von z.B. wirksamen Durchmessern von 0,5 bis zu 10 cm oder größer vorzusehen. Die genaue Größenklassierung der Teilchen ist nicht kritisch und sollte entsprechend der Beschaffenheit des Erdreichs und der Tiefe der Grube bemessen werden. Das zur Verfüllung verwendete Erdreich sollte wenigstens 20 % Teilchen mit einem Durchmesser von wenigstens 0,5 cm enthalten.

Da erfindungsgemäß die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität des Erdbodens durch Steigerung seines Wassergehalts vergrößert werden, müssen natürlich die erfindungsgemäß vorgeschlagenen absorbierenden Materialien während einer ausreichend langen Zeit mit einer ausreichend großen Wassermenge getränkt werden, damit sie praktisch mit Wasser gesättigt sind. Auf diese Weise werden die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität des Erdreichs bei vorgegebener Menge an zugesetzten absorbierenden Teilchen auf Maximalwerte angehoben.

Das in Fig. 2 dargestellte absorbierende Teilchen 20 stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, indem sein wassergetränkter Kern 21 mit einem dünnen Überzug 22 aus einem praktisch wasserundurchlässigen und im Erdreich biologisch nicht abbaubaren Material überzogen ist.

Ein Hauptvorteil des Überzugs 22 besteht darin, daß er die Verdunstung von Wasser aus dem mit Wasser getränkten Kern verhindert. Idealerweise sollte der Überzug vollkommen wasserundurchlässig ausgebildet sein. Dann wird sämtliches im wassergetränkten Kern 21 eingeschlossenes Wasser in der Erdverfüllung zurückgehalten. Selbstverständlich können durch Abrieb oder unter dem Erddruck der Erdverfüllung auch Risse im überzug 22 entstehen. In diesen Fällen bleibt jedoch der größte Teil des Kernmaterials vor Verdunstung geschützt, so daß das Wasser über einen äußerst langen Zeit-

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raum zurückgehalten wird.

Ein weiterer Vorteil des Oberzugs besteht darin, daß er den Kern des absorbierenden Teilchens gegen im Boden vorhandene biologische Stoffe schützt. So schützt der Oberzug beispielsweise einen Kern, der aus einem biologisch abbaubaren Material auf Stärkebasis vom oben beschriebenen Typ besteht.

Die Dicke des Oberzugs 22 ist ausreichend bemessen, um der Handhabung der Teilchen und den bei der Erdrückverfüllung auftretenden Drücken widerstehen zu können. Außerdem muß die Oberzugdicke auch ausreichend sein, um einen Wasserdurchtritt durch die Hülle zu verhindern. Diese Eigenschaften sind nicht nur von der Dicke, sondern auch von der Beschaffenheit des Oberzugs abhängig. Allgemein läßt sich sagen, daß ein Oberzug 22 in einer Stärke von 250 Jim oder etwas darunter für die meisten absorbierenden Stoffe ausreichend ist. Wenn das Oberzugsmaterial eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist, sollte seine Stärke vorzugsweise möglichst gering sein, damit die hohe Wärmeleitfähigkeit des wassergetränkten absorbierenden Kerns maximal ausgenutzt wird.

Für den wasserundurchlässigen Oberzug geeignete Materialien sind verschiedene synthetische Polymere wie z.B. Polyvinylchlorid, Acrylpolymere, Polytetrafluoräthylen oder Monoolefine wie z.B. Polyäthylen oder Polypropylen. Auch lassen sich Lacke, Schellack mit Metallzusatz oder andere anorganische Füllstoffe verwenden.

Andererseits kann der Oberzug 22 auch aus einer Verbundschicht aus zwei oder mehreren Schichten bestehen, beispielsweise wenn eine einzige Schicht nicht sämtliche gewünschten Eigenschaften in sich vereint. So läßt sich beispielsweise

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ein innerer hydrophiler Polymer wie z.B. Polyvinylazetat oder ein Polyester ohne weiteres als Oberzug auf einen wassergetränkten, absorbierenden Kern 21 aufbringen. Ein derartiger Oberzug ist jedoch unter Umständen nicht ausreichend undurchlässig, um eine stärkere Verdunstung von Wasser aus dem Kern 21 zu verhindern,und schützt außerdem den Kern 21 ggf. nur unzureichend gegen im Erdreich vorhandene schädliche Stoffe. In diesem Fall wird ein zweiter, ausreichend undurchlässiger überzug aus z.B. Polyvinylidenchlorid zum Schutz des Kerns und zur Verhinderung von Verdunstung auf den ersten überzug, nicht jedoch unmittelbar auf den Kern selbst aufgebracht.

Statt aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften kann der Überzug 22 auch aus einer einzigen Schicht mit modifizierten Oberflächeneigenschaften bestehen. So kann beispielsweise die hydrophobe Oberfläche eines Polystyrolüberzugs dadurch hydrophil gemacht werden, daß ein hydrophiler Monomer wie z.B. ein Polyalkylalkohol oder Polyhydroxyäthylmethacrylat (HEMA) auf seine Oberfläche aufgepropft wird. Das kann vermittels bekannter Propftechniken wie z.B. Oxidation der Überzugoberfläche zwecks Ausbildung freier Reststellen erfolgen.

Ein geeignetes Überzugsmaterial ist ein hydrophiler Polymer, der in Form einer Folie seine strukturelle Integrität auch bei Vorhandensein von Wasser beibehält. Ein derartiges Material läßt sich vermittels eines Trägerstoffs auf die Teilchen aufsprühen, wird dann trocknen gelassen und verbindet sich mit der Teilchenoberfläche. Zu diesem Zweck geeignete hydrophile Polymere sind bestimmte Acrylharze und unter bestimmten Umständen auch Polyvinylalkohol.

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Der überzug kann auf bekannte Weise auch aus hydrophoben Polymerwerkstoffen hergestellt werden. Dazu kann der Kern 21 beispielsweise durch einen dünnen, nassen Polymerfilm in z.B. Form einer Polyäthylenlösung hindurchgeführt werden. Sobald der Kern 21 die Folie durchstößt, wickelt sich ein Teil der Folie um die Teilchen herum auf und dichtet sich an seinen Rändern ab. Dann wird das Lösungsmittel trocknen gelassen. Ein derartiger hydrophober überzug ist nicht an den absorbierenden Kern gebunden.

Nach einem anderen Verfahren können die absorbierenden, mit Wasser getränkten Teilchen auch in sehr dünne, offene Behältter aus trockenen Polymerwerkstoffen eingebracht werden, die dann anschließend abgedichtet werden. So ist beispielsweise möglich, die Teilchen in biegsam-elastische Säcke einzulegen, wonach die Sacköffnung wärmeverschweißt wird. Andererseits können die absorbierenden Teilchen auch in starre Behälter aus z.B. zwei Halbkugeln eingebracht werden, die beispielsweise aus einem thermoplastischen Polymer wie z.B. Polystyrol bestehen. Die Halbkugeln werden dann unter Wärmeeinwirkung miteinander verschweißt und dadurch abgedichtet.

Das Aufsprühen eines Überzuges aus Schellack, Lack oder Lackfarbe stellt eine bekannte Technik dar. Auf dem Markt sind bereits Sprühdosen mit Treibmitteln erhältlich, vermittels welcher in einem Träger suspendierte derartige Überzugsstoffe auf den Kern aufgesprüht werden können, wobei eine rasche Trocknung erfolgt.

Zur Erzielung eines gleichförmigen Überzugs bei Sprühauftrag werden die Teilchen vorzugsweise während des Besprühens gedreht. Dazu können die Teilchen innerhalb einer Sprühkammer im freien Fall zum Herabfallen gebracht werden, wobei sie

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während des Fallvorgangs besprüht werden.

Andererseits können die Teilchen auch auf einem Schüttelförderer oder einer Luftlagerungs-Förderbahn besprüht werden. In diesem Falle kann das Tränken und Beschichten der Teilchen in ein und derselben Vorrichtung erfolgen. Zu diesem Zweck durchlaufen die absorbierenden Kerne auf einem Förderband zunächst eine erste Zone, in welcher sie mit Wasser getränkt werden, und gelangen anschließend in eine zweite Zone, in welcher der Überzug aufgebracht wird.

Wenn die absorbierenden Teilchen nicht durch einen überzug 22 geschützt sind, können sie zur Verringerung der Verdunstungsgeschwindigkeit mit oberflächenaktiven Chemikalien behandelt werden. Die Behandlung mit derartigen Chemikalien ist am wirksamsten bei Verwendung in Verfüllungserdreich, das bei großer Trockenheit sehr hohen Temperaturen ausgesetzt ist, wie z.B. in Gebieten mit Wüstenklima.

In Fig. 3 ist die Wärmezuführleitung 14 von Fig. 1 in einem größeren Maßstab in Verbindung mit einem zusätzlichen Mittel zum Zurückhalten des Wassers im Bereich der Windungen 16a und 16b der Wärmezuführleitung 14 dargestellt. Eine in die Grube eingelegte, hoch wärmeleitfähige Abschirmung 29 dient dabei zur Isolierung der die absorbierenden Teilchen 20 enthaltenden Erdverfüllung 19 gegen das umgebende Erdreich. Die Abschirmung 29 kann auch durch eine obere Abdeckung mit nach unten vorstehenden Rändern 30a abgedeckt sein, wobei diese nach unten vorstehenden Ränder 30a auf einen Bodenteil 31 treffen, dessen Formgebung an die der Grube angepaßt ist. Die Abschirmung 29 besteht aus einem wasserundurchlässigen, biologisch nicht abbaubaren Werkstoff wie z.B. einem Metall oder einem synthetischen Polymer. Die Ränder der oberen Abdeckung 30 und des Bodenteils 31 sind

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miteinander verklebt oder, wenn die Abschirmung aus einem thermoplastischen Werkstoff wie z.B. Polyäthylen besteht, miteinander wärmeverschweißt.

Eine Hauptursache für Wasserverlust ist nach oben hin erfolgende Verdunstung. Daher kann ggf. nur eine obere Abdeckung 30 verwendet und der Bodenteil 31 weggelassen werden. Stattdessen kann auch die Abdeckung 30 fortgelassen werden, so daß nur der Bodenteil 31 vorhanden ist, um den Verlust von Wasser nach unten und zu den Seiten der Rohrwindungen 16a zu verhindern.

Vorzugsweise besteht die Abschirmung 29 aus einem Werkstoff, welcher den Wärmeaustausch mit dem umgebenden Erdreich nicht behindert. Ein zu diesem Zweck bevorzugter, wärmeleitfähiger Werkstoff ist Metall. Aus Kostengründen können jedoch auch synthetische Polymerwerkstoffe verwendet werden, sofern diese keine zu große Wandstärke aufweisen und damit die Wärmeaustauscheigenschaften mit dem umgebenden Erdreich nicht beeinträchtigen.

Die Abschirmung 29 wird zweckmäßigerweise in folgender Weise eingebaut: Nach Ausschachten der Grube wird der Bodenteil 31 in Anlage gegen den Boden und die Seitenwände der Grube ausgelegt. Die Wärmezuführleitung 14 wird dann zusammen mit der die getränkten, absorbierenden Teilchen 20 enthaltenden Erdverfüllung 19 innerhalb der Abschirmung 29 verlegt. Als letztes wird die Oberseite der Erdverfüllung mit der Abdeckung

30 abgedeckt, welche in abdichtender Weise mit dem Bodenteil

31 verbunden wird. Die obere Abdeckung 30 wird dann mit dem noch verbleibenden, ausgehobenen Erdreich, das keine absorbierenden Teilchen enthält, abgedeckt.

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Wie aus Fig. 3 ersichtlich, sind die getränkten, absorbierenden Teilchen 20 in einer konzentrischen, verdichteten Schicht um die Windungen 16a der Wärmezuführleitung 14 herum angeordnet. Somit ist die Wärmezuführleitung 14 über ihre ganze Länge von einer Schicht umgeben, die eine hohe Konzentration an absorbierenden Teilchen 20 enthält und vorzugsweise im wesentlichen aus diesen Teilchen gebildet ist.

Das Einbringen der Erdverfüllung in Schichten entsprechend Fig. 3 erfolgt beispielsweise wie folgt. Nach ihrem Ausschachten wird die Grube wahlweise zum Teil wieder mit Erdreich verfüllt, das einige absorbierende Teilchen enthält. Beim Verlegen der Wärmezuführleitung Ϊ4 wird diese mit einer Schicht aus ausschließlich absorbierenden Teilchen 2-0 umgeben, die auch ausreichend kleine Teilchen umfassen, welche die Hohlräume zwischen den größeren Teilchen ausfüllen. Das Tränken der Teilchen mit Wasser kann in der vorstehend beschriebenen Weise zu einem beliebigen Zeitpunkt erfolgen».

Die Ausbildung einer konzentrierten Schicht aus absorbierenden Teilchen um die Wärmezuführleitung t4 herum erbringt folgende Vorteile. Zur Erzielung einer bestmöglichen Wärmeableitung muß die Wärmeleitfähigkeit in dent unmittelbar an die Wärmequelle angrenzenden Medium möglichst hoch gesteigert werden, und diese Steigerung muß über ein größeres Volumen abfallen. Dieses Prinzip wird bei der Erfindung angewendet, indem für ein vorgegebenes Volumen an absorbierenden Teilchen 20 die Teilchen entsprechend der Darstellung in Fig. 3 zwecks Erzielung einer maximalen Steigerung des Wärmeaus— tauschs im Bereich der Wärmezufiihrle-ftung konzentriert und nicht wahllos innerhalb des ganzen Grubenraums dispergiert werden.

Bei manchen Anwendungen kann es wünschenswert- sein, das Erdreich zwischen den absorbierenden Teilchen 20 zu dispergieren.

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So können die absorbierenden Teilchen wie oben beschrieben beispielsweise eine solche Größe aufweisen, daß größere Luftzwischenräume mit niedriger Wärmeleitfähigkeit zwischen den Teilchen entstehen können. Bei Vorvermischung der Teilchen mit Erdreich werden diese Zwischenräume durch Erdreich ausgefüllt, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft aufweist.

Entsprechend einer abgeänderten Ausführungsform kann der mit Wasser getränkte, absorptionsfähige Kern der entsprechend Fig. 2 mit einem Oberzug versehenen Teilchen auch durch flüssiges Wasser ersetzt werden. In diesem Falle wird der überzug 22 in ausreichender Festigkeit ausgebildet, um ein Reißen des Überzugs während des Verfüllvorgangs und danach zu verhindern. Selbstverständlich ist ein Reißen des Überzugs bei dieser. Ausführungsform mit flüssigem Wasser kritischer als bei Vorhandensein eines absorptionsfähigen Kerns, da das Wasser bei Auftreten eines Risses frei auslaufen würde, wohingegen ein absorbierender Kern das Wasser auch unter Erddruck zurückhält; Eine als überzug 22 geeignete Ummantelung sind biegsam-elastische, wasserundurchlässige Säcke aus einem Polymerwerkstoff. Das Wasser wird dann in die vorstehend genannten, bevorzugte. Größen aufweisende Polyäthylensäcke eingefüllt, wonach diese wärmeverschweißt werden. Bei der Befüllung mit Wasser muß der Einschluß größerer Luftblasen vermieden werden, damit die Leitfähigkeit der Teilchen nicht herabgesetzt wird»

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Leersette

Claims

Patentansprüche :

Verfahren zum Verbessern des Wärmeaustausche an der unterirdisch verlegten Wärmezuführleitung einer zur Raumheizung oder -kühlung dienenden Wärmepumpe, dadurch gekennzeichnet , daß

a) die Wärmezuführleitung (14) in einer offenen Grube (17, 18) verlegt wird,

b) die Grube mit Erdreich (19), das dispergiert wasserabsorbierende Teilchen (20) aus einem Material enthält, dessen Aufnahmefähigkeit für Wasser einem Vielfachen seines Eigengewichts entspricht, verfüllt wird und

c) die absorbierenden Teilchen mit Wasser getränkt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen (20) vor dem Verfüllen der Grube mit Wasser getränkt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen (20) durch Einleiten von Wasser in die Grube während des Verfüllens getränkt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen (20) durch Einleiten von Wasser in die Grube nach Beendigung des Verfüllens derselben mit Erdreich mit Wasser getränkt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß wasserabsorbierende Teilchen (20) eingesetzt werden, von denen wenigstens 20 % einen wirksamen Durchmesser von wenigstens 0,5 cm aufweisen.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wasserabsorbierenden Teilchen (20) vor dem Disper-

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ORIGINAL INSPECTED

gieren in dem zum Rückverfüllen dienenden Erdreich (19) mit Wasser getränkt und mit einem praktisch wasserundurchlässigen, gegenüber Vermischung mit dem Erdreich widerstandsfähigen überzug (22) versehen werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wasserabsorbierenden Teilchen (20) vor dem Rückverfüllen der Grube in dem Erdreich dispergiert werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an die Verfahrensschritte b) und c) von Anspruch 1 die verfüllte Grube mit einer zur Verringerung der Wasserverdunstung der mit Wasser getränkten absorbierenden Teilchen dienenden, wasserundurchlässigen Folie abgedeckt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß absorbierende Teilchen (20) aus einem hydrophilen Polymergel eingesetzt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß um die Wärmezuführleitung (14) herum absorbierende Teilchen in einer konzentrierten Schicht ohne vorherige Vermischung mit dem zur Verfüllung der Grube verwendeten Erdreich eingebracht werden.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grube vor dem Verlegen der Wärmezufuhrleitung (14) mit einer undurchlässigen unteren Folie (31) in Anpassung an die Formgebung der Grubenbodenflache und der Grubenseitenwände ausgekleidet wird, dann die Wärmezuführleitung innerhalb der Folie verlegt, der die Rohrleitung umgebende Raum mit die wasserabsorbierenden Teilchen dispergiert

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enthaltendem Erdreich verfüllt wird und schließlich die absorbierenden Teilchen mit Wasser getränkt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdverfüllung (19) mit einer zur Verringerung der Wasserverdunstung der mit Wasser getränkten absorbierenden Teilchen dienenden, undurchlässigen Abdeckung (30) abgedeckt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Ränder der unteren Folie (31) mit den Seitenrändern (30a) der Abdeckung (30) dicht verbunden werden.
14. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 -13, gekennzeichnet durch

a) einen Wärmeaustauschbereich (T7, 18),

b) eine zu diesem Wärmeaustauschbereich führende Rohrleitung (14) für Kältemittel,

c) eine in diesem Wärmeaustauschbereich verlegte, einen hoch wärmeleitfähigen Abschnitt aufweisende unterirdische Wärmezufuhrleitung (14),

d) einen den wärmeleitfähigen Abschnitt der unterirdischen Wärmezufuhrleitung umgebende Erdverfüllung (19) und

e) eine Vielzahl in der Erdverfüllung dispergierter, mit Wasser getränkter Teilchen (2fr), deren Aufnahmefähigkeit für Wasser einem Vielfachen ihres Eigengewichts entspricht.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der wassergetränkten Teilchen eine Vielzahl mit Wasser gefüllter, biegsam-elastischer, wasserundurchlässiger Säcke in der Erdverfüllung (19) angeordnet ist.

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16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der die Wärmezuführleitung (14) enthaltenden Erdverfüllung (19) mit einer undurchlässigen Abdeckung (30) überdeckt ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 - 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine langgestreckte, undurchlässige untere Folie (31), die eine unterhalb der Wärmezuführleitung befindliche Bodenwand und seitlich derselben nach oben geführte Seitenwände bildet, vorgesehen ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die absorbierenden Teilchen (20) in einer die Wärmezuführleitung umgebenden, konzentrierten Schicht vorgesehen sind.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 16 - 18, dadurch gekennzeichnet, daß die absorbierenden Teilchen (20) in mehreren unterschiedlichen Größen ausgebildet und die Hohlräume zwischen den größeren Teilchen zu einem größeren Teil durch kleinere Teilchen ausfüllbar sind.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 16 - 19, dadurch gekennzeichnet, daß die absorbierenden Teilchen (20) aus einem hydrophilen Polymergel bestehen.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die absorbierenden Gelteilchen (20) mit einem biegsamen, wasserundurchlässigen Überzug (22) versehen sind.

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