DE3009688A1

DE3009688A1 - Vorrichtung fuer den waermeaustausch aus der umgebung, insbesondere fuer waermepumpenanlagen

Info

Publication number: DE3009688A1
Application number: DE19803009688
Authority: DE
Inventors: Dietrich 6384 Schmitten Probst
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-03-13
Filing date: 1980-03-13
Publication date: 1981-09-24

Description

Dietrich Probst, Hegewiese 49,D- 638*1 Schmitten 1

Vorrichtung für den Wärmeaustausch aus der Umgebung, insbesondere für Wärmepumpenanlagen.

?Ür die Ausnutzung der Umweltenergie sind Anlagen bekannt, welche mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe arbeiten, bei denen ein Wärmetauscher mit Flächenvergrößerung durch Lamellen für die Energieaufnahme benutzt wird. Derartige Luft/Wasser-Wärmepumpen arbeiten jedoch in der Regel nur mit der Wärme aus der Luft, welche mit einem Ventilator über den Wärmetauscher geblasen wird. Unter einer Temperatur von +3⁰C tritt jedoch bei diesen Anlagen in der Regel der kritische Punkt auf, daß die Feuchtigkeit der Luft am kühleren Wärmeaustauscher zu Eis gefriert, so daß der gesamte Luft/Wärmetauscher, bei welchem der Lamellenabstand nur etwa 5 bis 10 mm beträgt, infolge dieser Vereisung auf seiner gesamten Ausdehnung vereist. Damit ist leine Wärmeaufnahme mehr möglich,

Aufgabe' der Erfindung ist es, diese und andere Nachteile zu vermeiden und den Wärmetauseher bei derartigen Anlagen derart auszubilden, daß er als Wärmeabsorber aus den verschiedensten Medien wie Luft, Wasser, Strahlung, Eis, Wind und direkter Sonnenstrahlung arbeiten kann. Ein Wärmeabsorber nach der Erfindung kann im günstigsten Fall unter freiem Himmel installiert sein und erfindungsgemäß mit einer Sole/Wasser-Wärmepumpe ausgerüstet sein, welche im Heizraum installiert ist.

Gemäß der Erfindung wird aufgrund von Überlegungen, Untersuchungen und Berechnungen der Wärmetauschei/hinsichtlich Rippenabstand, Rippenzahl, Tauscherfläche, Rippenmaß, Wärmetauscherrohr vorzugsweise mit folgenden Werten und Abmessungen ausgestaltet:

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Wärmetauscherrohr 88,9 x 3,2 0 mm

Rippen 188,9 0 mm

Rippenzahl 65 Stück pro m

Rippenlamellenabstand 15,38 mm

Gesamttauscherflache des Rippenrohres 3 75 m² pro m (Lamellen + Rohroberfläche)

Rippenmaß 50 χ 1 mm

Rippenrohrlänge insges. 2000 mm

Ein besonders wichtiger Vorschlag der Erfindung bestellt darin, die Rohre für den Durchfluß des Wärmemediums im Wärmetauscher mit einem Ringquerschnitt für den Durchfluß des Austauschmediums auszugestalten. Hierdurch wird eine wesentlich bessere WärmeÜbergangszahl erreicht und gleichzeitig des Flüssigkeitsvolumen der Gesamtanlage wesentlich verringert. Diese Verringerung des Flüssigkeit εν ο lumens ermöglicht unter anderem für das notwendige Ausdehnungsgefäß eine erhebliche Verminderung des Kosten- und Konstruktionsaufwandes.

Im einzelnen kann die Erfindung vorteilhaft derart ausgebildet werden, daß innerhalb des Innenraumes der Rohre jeweils Kerne zur Bildung der Ringraumquerschnitte angeordnet sind. Hierbei hat es sijh als vorteilhaft erwiesen, daß die Kerne in einem Abstand von etwa 5 bis 10 mm von der Innenwand derRohre angeordnet sind.

Im einzelnen kann die Erfindung zweckmäßig in der Weise verwirk-Ubht werden, daß die Kerne mittels Abstandshaltern in die Rohre ein· gesetzt sind.

In der Regel werden die Abstandshalter über die Längenausdehnung der Rohre in Abständen angeordnet und mit besonderem Vorteil im ümfangsverlauf des gebildeten Ringraumes in einem Dreieck angeordnet

Allgemein wird es sich empfehlen, die Abstandshalter über die Längenausdehnung der Rohre in mehreren Ebenen anzuordnen, wobei mit

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besonderem Vorteil die Abstandshalter in den einzelnen Ebenen jeweils versetzt zu den benachbarten Ebenen azuordnen sind, um hierdurch eine Umwälzung bzw. Verwirbelung des flüssigen Austauschmediums zur Verbesserung des Wärmeaustausches beim Durchfluß durch die Austauschrohre zu erreichen.

Die Abstandshalter werden zweckmäßig auf den Kernen befestigt, so daß die Kerne in das Durchlauf-Rippenrohr eingeschoben werden können.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Kerne aus Rohrabschnitten gebildet, welche vorteilhaft

auf

aus PVC-Hartrohr bestehen,/dem die Abstandshalter in der geschilderten Anordnung zweckmäßig durch Aufkleben befestigt sind. Die Kernrohre werden an beiden Enden durch Stopfen verschlossen. Damit entsteht ein isolierender luftgefüllter Hohlraum in den Kernen.

Vorteilhaft können für ein leichteres Einbringen des Kernrohres in das Wärmeaustauscherrohr sechseckige Abstandshalter gewählt werden.

In dem Wärmeabsorber nach der Erfindung sind die Durchflußrohre beiderseits zweckmäßig an je einem Verteiler- und Sammel—raum angeschlossen. Diese Räume werden zweckmäßig kastenartig gestaltet, und es ist vorteilhaft, die Kernrohre in diese Räume hineinragen zu lassen.

Verteilerkammer und Sammlerkammer sind beide identisch ausgebildet und zwar beispielsweise für.Wärmetauscher mit sechs, acht und zehn Rippenrohren. Jeweils diagonal gegenüberliegend sind die Verteilerund Sammelkästen mit je einem Vorlauf- und Rücklaufanschluß versehen, wobei in der Regel die Rippenrohre bei dem Wärmetauscher nach der Erfindung senkrecht auf entsprechenden Ständern freistehend angeordnet sind, und hierbei der Vorlauf unten und der Rücklauf oben an die Verteiler- bzw. Sammelkammern angeschlossen sind.

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Sammler- und Verteilerkammer fassen die einzelnen Rippenrohre in ein Register zusammen und hierbei hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, die Rippen mit einem Außendurchmesser von etwa 18,89cm einem Abstand von etwa 15 mm auszubilden und die Rippenrohre in dem Register jeweils mit einem Mittenabstand von etwa 220 mm anzuordnen.

Um die mit einer großen und schweren Einheit verbunden Nachteile zu beseitigen bzw. zu vermeiden, ist die Erfindung im einzelnen vorteilhaft in der Weise ausgebildet, daß Rippenrohre sov/ie Verteiler- und Sammelkästen an der Verwendungsstelle zu einer Einheit zusammensetzbar sind, indem beispielsweise die Rippenrohre mit den Verteilerrohren durch Schraubanschlüsse verbunden sind.

Als Durchflußmedium für den Transport der im Wärmeaustauscher nach der Erfindung aufgenommenen Wärme zur Wärmepumpe findet erfindungsgemäS eine auf niedrige Temperaturen eingestellte Kühlsole Verwendung.

Allgemein besteht ein wesentlicher Vorschlag nach der Erfindung darin, die erfindungsgemäßen Vorschläge im Zusammenhang mit einer Fußbodenheizung zu verwenden, deren niedrige Vorlauftemperaturen von 35° bis k5° C bei einer erfindungsgemäßen Anlage auch bei Frosttemperaturen der Außenluft beherrscht werden können.

In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, in welcher vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung dargestellt und in der nachstehenden Beschreibung erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Wärmetauscher bzw. Wärmeabsorber nach der Erfindung in Ansicht;

Fig. 2 eine Frontansicht,in welcher weitere erfinderische Einzelheiten unter Weglassung der in Fig. 1 dargestellten Lamel-

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len auf den Durchflußrohren veranschaulicht sind; Fig. 3 eine Draufsicht, und
Fig. 4 eine Seitenansicht zu Fig. 2;

Fig. 5 den Querschnitt durch ein Wärmetauscherrohr nach dor Erfindung in stark vergrößertem Maßstab.

In Fig. 1 ist ein Wärmetauscher gemäß der Erfindung mit beispielsweise sechs senkrecht stehenden Durchflußrohren 1 veranschaulicht, die an ihrer Außenseite mit spiralisch angeordneten Lamellen 2 versehen sind. Die Durchflußrohre 1 sind unten und oben an je einen Sammler- bzw. Verteilerkasten 3 angeschlossen und jeder Kasten 3 ist wiederum mit zwei Anschlußstutzen 4 für den Vorlauf und 5 für den Rücklauf versehen.

Die Ansclilußstutzen Ί und 5 sind jeweils diagonal gegenüberliegend angeordnet, wobei vorzugsweise der Vorlauf an dem unteren Sammelkasten und der zugehörige Rücklauf an demtoberen Sammel- bzw. Verteilerkasten 3 angeordnet, ist. Die Sammel- und Verteilerkästen 3 und die Rohre 1, 2 bilden ein Rohrregister, welches in der Regel auf Ständern 6 abgestützt ist, die beispielsweise im Erdbereich gegründet sind.

ersichtlich,

Wie aus Fig. 2/ in welcher eins der Rohre 1 im Querschnitt dargestellt, äst, sind innerhalb der Rippenrohre 1 Kernrohre 6 angeordnet,, welche zwischen der Innenwand der Rohre 1 und ihrer Außenwand jeweils
/einen Ringquerschnitt 7 für den Durchfluß des Austauschmediums bilden. Die Kernrohre 6 sind an ihren Enden jeweils durch Rohrverschlußkappen 8 verschlossen und ragen mit inren Enden in die Verteiler- bzw. Sammelkästen 3 hinein. Gegenüber den Durchflußrohren 1 sind die Kernrohre 6 in verschiedenen Ebenen über die Länge verteilt mit Abstandshaltern 9 versehen, welche wie aus Fig. 5 ersichtlich,vorteilhaft sechseckig ausgebildet und in den jeweiligen Ebenen in einem Dreieck angeordnet sind. In den verschiedenen Ebe-

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-ionen sind jedoch die Abstandshalter 9 gegenüber den benachbarten Abstandshaltern in den beiden benachbarten Ebenen versetzt angeordnet. Hierdurch ergibt sich eine erwünschte Durchwirbelung des Durchflußmediums beim Durchströmen der Durchflußrohre.

Die Kernrohr© 6 können zweckmäßig aus Abschnitten von Hart-PVC-Rohren gebildet sein,auf denen die Abstandshalter 9 in der geschilderten Anordnung aufgeklebt sind.

Mit 10 sind Entlüftungsstutzen für die Füllung bzw. Entleerung der Gesamtanlage bezeichnet.

der
Der Wärmetauscher,/nach der Erfindung beispielsweise eine Höhe von 2 m besitzen/und dadurch für den Transport eine erhebliche Gewichtsund RAuinbeanspruchung aufweist, wird zweckmäßig in der Weise ausgebildet, daß ein Zusammenbau der Einzelteile am Aufstellungsort ermöglicht ist. Zu diesem Zweck sind die Durchflußrohre 1 an ihren Enden mit Gewinden 11 und die Verteiler- und Sammlerkammern 3 mit entsprechenden Rohrstutzen 12 versehen, Vielehe an Ort und Stelle durch entsprechende Überwurfmuttern 13 miteinander verschraubt werden können.

/allgemein hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Wahl des Kernrohres im Verhältnis zum Wärmeaustauscherrohr derart zu wählen, daß ein Wandungsabstand der beiden Rohre von 5 bis 10 mm als Ringraum frei bleibt, welcher als optimal anzusehen ist.

Verteiler -und Sammlerkammer sind wie erwähnt identisch gestaltet und für Wärmeaustauscher mit beispielsweise sechs, acht und zehn Rippenrohren ausgestaltet, wobei sie mit einer entsprechenden Anzahl von beispielsweise Drei-Zoll-Stutzen ^für ^den Anschluß der Rippenrohre ausgestaltet sind und beispielsweise eineinhalb Zoll Stutzen an beiden Enden jeder Kammer für Vor- oder Rücklauf sowie mit finer ein halb Zoll Muffe für die Befüllung oder Entlüftung und zwei Stutzen ohne Verbindung mit dem Kammeriinern zur Befestigung des gesamten Wärmeaustauschers auf einem Standsockel aufweisen.

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Wie erwähnt wird die Länge der Kernrohrabschnitte derart gewählt, daß sie mit ihren Enden in die Verteiler- und Sammlerkammern hineinragen, wodurch der Aufbau und die Montage der Kernrohre im Wärmeaustauscherrohr einfach gestaltet wird und weiterhin sich der wesentliche Vorteil ergibt, daß auch das Flüssigkeitsvolumen der Verteiler- und Sammlerkammern durch die Enden der Kernrohre verkleinert wird. Außerdem brauchen die Kernrohre nicht in den Wärmeaustauschrohren befestigt zu werden, sondern können lose in diese hineingeschoben werden.

Die Rohrverschraubungen, mit denen die Rippenrohre mit den Verteiler- und Sammlerkammern verbunden werden können, sind flachdichtend auszuführen und die Gewinde mit einer Kunststoff-Dichtmasse abzudichten, welche späteres Lösen verhindert und eine absolute Dichtigkeit gewährleistet.

Um zwischen den einzelnen Rippenrohren 1 eine besonders gute und günstige Durchflußgeschwindigkeit der Luft zu erreichen, hat sich gemäß der Erfindung ein Rippenabstand von etwa 15 bis l6mm als zweckmäßig erwiesen, wobei der Rippenrohraußendurchmesserabstand 18,89 /und damit einen Mittenabstand der einzelnen Rippenrohre von etwa 220 mm ergibt.

Der gesamte durch die Erfindung geschaffene Wärmeaustauscher wird im Gelände senkrecht aufgestellt. Damit wird vermieden, daß besonders im Winter Schneefall die Wärmetauscherfläche zudeckt. Gleichzeitig dient die obere Sammelkammer als Dach und schützt vor direktem Schneeinfall. Um weiterhin am Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung eine optimale Zirkulation der Luft zu bekommen, wird das Kühlmedium von unten nach oben durch die Rippenrohre 1 gedrückt. Damit fließt im unteren Teil immer kühleres Wärmetauschermedium als im oberen Teil. Die Luft kühlt sich also nach unten hin weiter ab und beginnt damit schneller zu sinken.

Auch ein Wärmeaustauscher nach der Erfindung kann im Winter vereinen, doch aufgrund des großen Rippenrohrabstandes erstreckt sich

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dieser Vorgang über einen längeren Zeitraum. Darüberhinaus wird gemäß der Erfindung bewußt eine glatte Oberfläche der Rippen bzw. Lamellen erzielt, was einmal dadurch erreicht werden kann, daß für den gesamten Wärmetauscher feuerverzinktes Material oder auch Kupfer oder auch Aluminium Verwendung findet, welches infolge der glatten Oberfläche bei leichter Tauwirkung größere Eispanzer zum Abplatzen bringt.. Kleinere Abtauzeiten treten schon in dem Moment ein, wenn das Haus genügend Wärmemenge bekommen hat, und die Wärmepumpe für einen gewissen Zeitraum abgeschaltet hat. Hierdurch beginnt die Sole im Wärmetauscher sich zu erwärmen, wodurch die Eisbildung gestoppt wird oder ein Tauvorgang einsetzt. Auch bei völlig vereistem Wärmetauscher kann die durch die Erfindung geschaffene große Tauscherfläche noch genügend Wärme transportieren, um den Wärmebedarf eines Hauses bei den eingangs erwähnten Abmessungen zu decken. Allgemein ist es möglich, eine gemäß derErfindung geschaffene Anlage als monovalente Anlagen anzusehen und auszubilden.

In dieser und ähnlicher Weise kann durch die Erfindung eine Anlage für die Ausnutzung von Umweltenergie geschaffen werden, welche sich durch eine ungewöhnlich große Austauschfläche bei geringer Umlaufmenge der Austauschflüssigkeit auszeichnet.

Die Kernrohre können wahlweise auch aus nahtlos geschweißtem Eisenröhr mit an beiden Enden aufgeschweißten Deckeln bestehen.

Sämtliche in der Zeichnung dargestellten und in der Beschreibung erläuterten technischen Einzelheiten sind für eine erfolgreiche Ausbildung und Anwendung de-r Erfindung zweckmäßig oder bedeutsam.

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D-8023 München Pullach. Wiener SlrjZ; Τ«Μ·89) ΐ93βΟ7\_λ*4ϋχ<*2\* M7Voe d; CeWea. "Patenlihus- München

Dietrich Probst, Hegewiese 49,D- 6384 Schmitten 1

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PATENIANSPRÜGHE

/1./ Vorrichtung für den Wärmeaustausch aus der Umgebung, ins-Miesondere für Wärmepumpenanlagen, mit vorzugsweise mit Aussenlamellen bestückten Rohren für den Umlauf des flüssigen Austauschmediums, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (ι ) einen Ringquerachnitt (7 ) für den Durchfluß des Austauschmediums aufweisen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Innenraumes der Rohre ( 1 ) jeweils Kerne ( 6) zur Bildung der Ringraumquerschnitte angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, daüurch gekennzeichnet, daß die Kerne ( 6 ) in einem Abstand von etwa 5 bis 10 mm von der Innenwand der Rohre (l ) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne (6 ) mittels Abstandshaltern (9 ) in die Rohre ( 1 ) eingesetzt sind.
5· Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden

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Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter ( 9 ) über die Längsausdehnung der Rohre (l ) in Abständen angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daßdie Abstandshalter ( 9 ) im Umfangsverlauf des Ringraumes ( 7) in einem Dreieck angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (9 ) in Abständen über die Längsausdehnung der Rohre ( 1 ) in verschiedenen Ebenen angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter ( 9 ) in den verschiedenen Ebenen jeweils versetzt zu den benachbarten Ebenen angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter ( 9 ) auf den Kernen ( 6 ) befestigt sind.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (9 ) durch Kleben auf den Kern7(6 ) befestigt sind.
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, (fedurch gekennzeichnet, daß die Kerne (6 ) durch beiderseits verschlossene Rohrabschnitte gebildet sind.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Anspräche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrabschnitte ( 6 )

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an den Enden durch Stopfen/verschlossen sind.
13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußrohre ( 1 ) beiderseits an Je einen Verteiler und Sammelraum/angeschlossen sind.
14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteiler-und Sammelräume ( 3 ) durch Kästen (^) gebildet sind.
15· Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernrohre ( 6 ) in die Verteiler- und Sammelkästen ( 3 ) hineinragen.
16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteiler- und Sammelkasten ( 3 ) jeweils diagonal gegenüberliegendmit einem Vorlauf-( 4 ) und einem Rücklaufanschluß ( 5 ) versehen sind.
17· Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine senkrechte Anordnung der Durchflußrohre ( ¹ ).
18. Vorrichtung nach einem oäer mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorlauf (unten) und der Rücklauf (oben) an die Verteiler- bzw. Sammelkammern ( 3 ) angeschlossen sind.
19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen als Rippenrohre ausgebildeten Durchflußrohre (1 ) in einem Register zusammengefaßt sind.

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20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen ( 2 ) einen Außendurchmesser von etwa 18,89cm,einen Anstand von etwa 15 mm und die Rippenrohre einen Mittenabstand innerhalb des Registers von etwa 220 mm "besitzen.
21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Rippenrohre ( l ) und Verteiler- und Sammelkästen ( 3 ) an der Verwendungsstelle zu einer Einheit zusammensetzbar sind.
22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Durchflußmediuin ein auf niedrige Temperaturen eingestellte Kühlsohle Verwendung findet.
23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher über eine Wärmepumpe an eine !Fußbodenheizung angeschlossen ist.
24. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenrohre (1 ) durch

oder Schweißverbindungen Schraubanschlüsse/mit den Verteiler- und Sammelkästen ( 3 ) verbunden sind.

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