DE3000157C2

DE3000157C2 - Wärmetauschervorrichtung zur Gewinnung von Wärmeenergie aus dem Erdreich

Info

Publication number: DE3000157C2
Application number: DE3000157A
Authority: DE
Inventors: Klaus 3101 Hornbostel Prenzler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-01-04
Filing date: 1980-01-04
Publication date: 1984-05-17
Also published as: DE3000157A1

Description

Die Erfindung betrifft eine in den Erdboden eintreibbare, von einem Wärmeträger mit einem Vorlaufstrom und einem Rücklaufstrom durchströmte, ein zylinderförmiges Gehäuse mit Anschlüssen für Zu- und Ableitungen aufweisende Wärmetauschervorrichtung zur Gewinnung von Wärmeenergie »us dem Erdreich, mit innerhalb des Gehäuses angeordneten, den durch das Gehäuse strömenden Wärrneträrsr leitenden Führungselementen.

Zur Erzeugung von Wärme mit Hilfe einer Wärmepumpeneinrichtung ist es bekannt, dem Erdreich Wärme mit Hilfe von Rohr- oder Schlauchschlangen zu entziehen, die in Erdbohrungen verlegt werden. Sie können sowohl vertikal als auch horizontal im Boden angeordnet sein. Die Rohr- oder Schlauchschlangen führen ein Wärmeträgermittel, das im Erdboden die Umgebungstemperatur annimmt. Die Wärmepumpe entzieht dem Wärmeträger einen Teil der Wärmemenge, so daß der Wärmeträger mit niedrigerer Temperatur wieder zurückgeführt wird und erneut die negative Temperaturdifferenz im Ei-dboden ausgleichen kann. Die Vertikalverlegung der Rohr- oder Schlauchschlangen setzt jedoch ein genügend hohes Grundwasserniveau voraus, um den Wärmeübergang sicherzustellen. Bei einer Horizontalverlegung ist ein großer Erdaushub notwendig und führt häufig zu einer Störung des ökologischen Gleichgewichts durch eine ständige Unterkühlung des betroffenen Erdreichs.

Der Einsatz einer Bodenwärmetauscherbombe ist bereits in der Zeitschrift »öl + Gasfeuerung« 3/1979, Seiten 179—181 beschrieben worden. Die Bodenwärmetauscherbombe besteht aus einem geschlossenen, doppelwandigen Rohrkörper, der mit seiner Bodenseite in das Erdreich eingelassen wird. Am Boden des Innenrohres befindet sich eine Wirbelkammer. Diese soll offensichtlich zur Verbesserung des Wärmetausches dienen. Außerdem sind zusätzliche Wirbelkränze zur Erzeugung eines Dralls beschrieben. Die Wärmetauscherbombe ist für den Einsatz bei unzureichenden Grundstücksgrößen geeignet. Zur Vermeidung einer ständigen Unterkühlung der oberen Erdschichten soll das vorbekannte Gerät Bereiche zwischen 50 und 100 Meter erschließen. Es ist jedoch zusätzlich an das Vorhandensein von Grundwasser gebunden. Der Einsatz in den weniger ergiebigen, oberen Schichten zwischen 4 und 6 Meter Tiefe soll vermieden werden. Die in Abständen angeordneten Drallerzeuger sind nicht in der Lage, den gewünschten optimalen Wärmeübergang vom Erdreich an den Wärmetauscher zu gewährleisten. Es fehlen ferner Regulierungsmöglichkeiten einer Verweilzeit des Wärmeträgers m den Wärmetauscher, so daß der Wärmeentzug dadurch nicht gesteuert werden kann.

Eine Lehre zum Einsatz spezieller Leitelemente in einen Bodenwärmetauscher kann auch nicht der DE-OS 21 53 654 entnommen werden. Die darin beschriebene und dargestellte Vorrichtung betrifft lediglich einen .Zwangsdurchlauf-Wärmetauscher, vorzugsweise für Klimageräte mit Kompressionskälteanlagen. Innerhalb eines Mantelrohres sind zwar schraubenförmige Rippen angeordnet, die jedoch lediglich als Wärmetauscherflächen dienen, wobei durch deren schraubenförmige Gestaltung dem Kühlmittel nur die Möglichkeit verschafft wird, das Rohr in LsRgsrichtur.g zu durchströmen, da bei einer Verwendung paralleler, quer zur Rohrlängsrichtung angeordneter Bleche, eine Strömung in Längsrichtung nicht möglich wäre.

Dem Anmeldungsgegenstand liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine in den Erdboden eintreibbare Wärmetauschervorrichiüng zur Gewinnung von Wärmeenergie aus dem Erdreich zu schaffen, die unabhängig von der Struktur des sie umgebenden Erdreichs einen optimalen Wärmeübergang vom Erdreich an den Wärmetauscher der Vorrichtung gewährleistet, ohne dabei das ökologische Gleichgewicht durch die Vermeidung einer ständigen Unterkühlung des Erdreichs zu beeinflüssen.

Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, daß das Führungselement als schraubenförmige Wendel ausgebildet ist, und daß zwischen der Zu- und der Ableitung des Wärmeträgers eine den Rücklaufstrom mit dem Vorlaufstroir. verbindende Kurzschlußleitung mit einer thermisch gesteuerten Drosseleinrichtung vorgesehen ist.

Besonder:; vorteilhaft ist die Anordnung eines Drosselventils in der Kurzschlußleitung und einer Saugdüse in der Zuleitung im Bereich der Einmündung der Kurzschlußleitung.

Mit der erfindungsgemiißen Vorrichtung wird eine direkte Grundwasserbeeinflussung vermieden. Das obere Erdreich kann gegebenenfalls durch eine Isolation vor weitgehender Unterkühlung geschützt werden, wodurch zur Erhaltung des ökologischen Gleichgewichts beigetragen wird. Durch eine geeignete konstruktive Gestaltung kann der Druckverlust der Vorrichtung gering gehalten werden, so daß der Einsatz kleiner Pumpen zur Energieeinsparung möglich ist. Es können mehrere Vorrichtungen in Anpassung an örtliche Gegebenheiten in Reihen- oder Parallelschaltung miteinander verbunden werden. Durch die Anordnung von Thermoventilen und Thermofühlern ist eine differenzierte Steuerung des Wärmeträgerumlaufs bei der Kombination mehrerer erfindungsgemäßer Vorrichtungen möglich. Beim Einsetzen der Vorrichtung in das Erdreich sind platzfordernde Bohrgeräte überflüssig. Das Gehäuse kann platzsparend auf geringstem Raum in das Erdreich getrieben werden, und zwar unter einem wählbaren Winkel zwischen 0° und 90°, d. h., zwischen der Horizontalen und der Vertikalen. Die Winkelanordnung wird vielfach durch die Temperaturabsenkung des

Grundwassers bestimmt Um der Gefahr einer Vereisung der gesamten Außenflächen zu entgehen, kann es zweckmäßig sein, das Gehäuse mit einer Neigung gegen die Vertikale in das Erdreich zu pressen. Eine Vereisung des gesamten Außenumfangs wird dadurch mit Sicherheit vermieden.

Die Saugdüse in der Zuleitung sorgt dafür, daß in Abhängigkeit von der SteJIung des Drosselventils mehr oder weniger große Anteile des Rücklaufstroms sofort wieder in den Vorlauf und von dort erneut zurück in das Gehäuse gefördert werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung rein schematisch dargestellt und nachstehend erläutert

Die Vorrichtung besteht aus einem Gehäuse 1 mit einer darin angeordneten schraubenförmigen Wendel 2 und einem Boden 3.

Eine Zuleitung 5 ist konzentrisch im Gehäuse 1 entlanggeführt, die in der Nähe des Bodens 3 endet Am oberen Gehäuseabschluß 6, bzw. in dessen unmittelbarer Nähe setzt eine Ableitung 7 in Form eines Rohres an. Ein rohrförmiger Anschlußstutzen am oberen Ende der Zuleitung 5 ist mit einem Gewinde 9 versehen. In der Ableitung 7 bzw. der Zuleitung 5 sind Mt-ßstutzen 11,12 vorgesehen.

Eine durch ein Rohr gebildete Kurzschlußleitung 13 verbindet die Ableitung 7 mit der Zuleitung 5 und enthält ein Drosselventil 14. Unmittelbar an der Einmündung der Kurzschlußleitung 13 in die ZuleitungS ist eine Saugdüse 15 angeordnet. Die flache Ausbildung des Bodens 3 genügt zum Einbringen des Gehäuses 1 in ein gut verdrängbares Erdreich, wie beispielsweise bei bestimmten Lehmarten; außerdem kann der Boden 3 gegebenenfalls doppelwandig ausgeführt werden.

Während des Betriebes strömt der Wärmeträger in Pfeilrichtung in die Zuleitung 5, von der er bis zum Boden 3 des Gehäuses 1 geleitet wird. Von dort strömt er der schraubenförmigen Wendel 2 folgend in schraubenförmigen Bewegungen nach oben, tritt schließlich in die Ableitung 7 ein und gelangt von dort zu der nicht dargestellten Wärmepumpe. Bei ungenügender Energieaufnahme, beispielsweise zu hoher Strömungsgeschwindigkeit oder zu geringer Temperaturdifferenz kann das Drosselventil 14 mehr oder weniger weit geöffnet werden. Durch den Unterdruck in der Saugdüse 15 wird eine entsprochende Menge des Wärmeträgers aus der Ableitung 7 gesaugt und dem Vorlauf des Wärmeträgers beigemengt. Bei voller Pumpenleistung kann somit die Umlaufmenge des Wärmeträgers zur Wärmepumpe stufenlos bis zur vollen Kapazität des Drosselventils 14 verringert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. In den Erdboden eintreibbare, von einem Wärmeträger mit einem Vorlaufstrom und einem Rücklaufstrom durchströmte, ein zylinderförmiges Gehäuse mit Anschlüssen für Zu- und Ableitungen aufweisende Wärmetauschervorrichtung zur Gewinnung von Wärmeenergie aus dem Erdreich, mit innerhalb des Gehäuses angeordneten, den durch das Gehäuse strömenden Wärmeträger leitenden Führungselementen, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungselement als schraubenförmige Wendel (2) ausgebildet ist, und daß zwischen der Zu- und der Ableitung (5, T) des Wärmeträger eine den Rücklaufstrom mit dem Vorlaufstrom verbindende Kurzschlußleitung (13) mit einer thermisch gesteuerten Drosseleinrichtung vorgesehen ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kurzschlußleitung (13) ein Drosselventil (J4) und in der Zuleitung (5) im Bereich der Einmündung der KurzschluBlettung (13) eine Saugdüse (15) angeordnet sind.