DE3037721A1

DE3037721A1 - Waermerohr zur ausnuetzung der waermekapazitaet von erdreich

Info

Publication number: DE3037721A1
Application number: DE19803037721
Authority: DE
Inventors: Oskar Dipl.-Ing. Dr.rer.nat. 8000 München Bschorr
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-10-06
Filing date: 1980-10-06
Publication date: 1982-05-13

Description

Wärmerohr zur Ausnützung der Wärmekapazität von Erdreich
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Ausnützung der Wärmekapazität von Erdreich. Im besonderen soll damit ein Einfrieren von Weicilen, Sydranten, Wasserleitungen und ein Vereisen von Auffahrten, BrÜcken, Landebahnen und Straßen vermieden werden.
Eine weitere Anwendung bezieht sich auf das Temperieren von Hallen, Ställen, Gewächshäusern usw. rm weiteren sollen damit auch die großen Temperaturdifferenzen von Tag und Nacht in Xquatorzonen abgepuffert werden.
Das Wärmerohr ist ein einfaches und wirkungsvolles Mittel zum Wärmetransport gerade bei relativ kleinen Temperaturdifferenzen.
Es besteht im wesentlichen aus einem geschlossenen Rohr, das teils mit Flüssigkeit, teils mit dem entsprechenden Flüssigkeitsdampt, erfüllt ist. Bei einer Temperaturdifferenz an den Rohrenden kommt es zu einer Verdampfung bzw. Kondensation. Auf diese Weise können große Wärmemengen ohne wesentliche Verluste über große Entfernungen übertragen werden. Diese Technik wird z. B. bei der Kühlung von Turbinenschaufeln angewandt. Als Arbeitsmedium dienen hier - wegen der erhöhten Temperatur - flüssige Alkalimetalle. Vor allem in der Raumfahrt, zum Abtransport von- Verlustwärme hat das Wärmerohr eine weite Verbreitung gefunden.
Aufgabe der Erfindung ist, die Wärme und Wärmekapazität von Erdreich und Grundwasser mittels Wärmerohre auszunützen. Einmal soll damit das Vereisen und Eingefrieren von Anlagen verhindert werden, zum anderen sollen damit Räume temperiert und gekühlt werden, insbesondere große TagtNachttemperaturschwankungen abgepuffert werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß zur Vermeidung von Vereisung und Eingefrieren von an der Erdoberfläche sich befindlichen Objekten ein Wärmerohr zwischen diesen und dem tiefer liegenden Erdreich eingeschaltet wird. Im besonderen wird erfindungsgemäß eine Druckfalle oder ein temperaturgeregelter Schalter, z. B. Bimetallschalter eingesetzt, um den Betrieb des Wärmerohrs nur in den kritischen Temperaturbereichen freizugeben. In den anderen Fällen ist der Wärmetransport im Wärmerohr unterbunden, um damit eine Auskühlung des Wärmereservoirs zu verhindern.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden zum Ausgleich von Tag1Nacht-Temperaturdlfferenzen Wämerohre eingesetzt, die jeweils an den Enden eine Volumenerweiterung zur Aufnahme von Arbeitsmedien aufweisen. Deren Größe ist jeweils so bemessen, daß die für einen Tageszyklus notwendige Menge an Arbeitsmedium gespeichert werden kann. Während der Nachtphase verdampft Arbeitsmedium aus dem unteren Teil des Wärmerohrs und kondensiert im oberen Speicherraum. Bei Tag besteht ein umgekehrtes Temperaturgefälle, so daß das Arbeitsmedium aus dem oberen Speicherraum verdampft und unten kondensiert. Bei Verwendung einer Kondensatpumpe können die Volumenerweiterungen zur Aufnahme des für einen Tages zyklus notwendigen Arbeitsmediums entfallen. Damit ist es einfacher, den oberen Teil des Wärmerohrs direkt in den Fußboden bzw. die Raumwände zu integrieren.
Anstelle einer Pumpförderung kann auch der osmotische Druck zum Transport des am unteren Ende kondensierten Arbeitsmediums nach oben ausgenützt werden. Dies ist insbesondere bei überwiegendem Einsatz des Wärmerohrs zur Kehlung vorteilhaft. Dat>i ist im oberen Kondensatraum ein nichtflüchtiger Stoff gelöst. Im weiteren befindet sich daran ein U-Rohr, das am unteren Ende ein Diaphragma aufweist und das in das untere Kondensatbad eintaucht. Da das untere Kondensat selbst frei von gelösten Stoffen ist, besteht ein osmotischer Druck, der ständig Arbeitsmedium durch das Diaphragma in das-obere Bad,ansaugt.
Der eigentliche Geschwindigkeits- und damit die Baugröße bestimmende Schritt ist die relativ geringe Wärmeleitung des Erdreiches.
Bei Einbringung des Wärmerohrs in eine Grundwasserströmung ist dfr Wärmetransport entscheidend verbessert. Auch beim Fehlen von Grundwasser gibt es Möglichkeiten, die Wärmeleitung zu verbessern, um damit einen möglichst großen Bereich des umgebenden Erdreiches als Wärmekapazität einzubeziehen. So hat feuchte Erde eine höhere Leitung als trockene. Durch Einbringen von hygroskopischen Substanzen kann ein gewisser Feuchtigkeitsgrad aufrechterhalten werden. Im weiteren kann das Wärmerohr mit radial wegführenden, in sich abgeschlossenen Satelliten-Wärmerohren umgeben sein.
Fig. 1 Grundausführung eines Wärmerohres, Fig. 2 Detail: Wärmerohr mit Kondensatsperre, Fig. 3 Detail: Wärmerohr mit Syphonschalter, Fig. 4 Detail: Wärmerohr mit Taschenschalter, Fig. 5 Detail: Wärmerohr mit Ausflußschalter, Fig. 6 Wärmerohr für Kühlung mit Pumpförderung, Fig. 7 Wärmerohr für Kühlung mit osmotischer Förderung, Fig. 8 Wärmerohr für kombinierte Heizung und Kühlung, Fig. 9 Detail: Wärmerohr mit Bohrwendel, Fig. 10 Detail: Wärmerohr mit Satellitenwärmerohren.
In Fig. 1 - 5 sind Wärmerohrausführungen dargestellt, die geeignet sind, Objekte vor Vereisung, Gefrieren bzw. Unterkühlen zu schützen. Die Grundausführung nach Fig. - 1 besteht aus einem hermetisch abgeschlossenen Rohr 1,, z. B. einem Stahlrohr. In diesem befindet sich eine Arbeitsflüssigkeit 2, z. B. eine Wasser-/ Alkoholmischung oder Fluorwasserstoffe. Das überwiegende Rohxvolumen iSt vom Dampf der Arbeitsflüssigkeit 2 erfüllt. Bekanntlich beruht die Wärmerohrwirkung darauf, daß bei Abkühlung des oberen Teils des Wärmerohrs in diesem Arbeitsmedium 2 kondensiert und Kondensationswärme abgibt. Das Kondensat fließt aufgrund der Schwerkraft in den unteren Rohrteil und wird dort von einem saugfähigen Einsatz 3 über die Rohrwandung verteilt gehalten und verdampft. Insgesamt findet so ein Wärmetransport durch Verdampfung und Kondensation von unten nach oben statt. Ist das Wärmerohr 1 in einem Bohrloch in den Boden eingelassen, so wird dadurch dem umgebenden Erdreich 5 Wärmeentzogen und im oberen Teil abgegeben.
Dadurch kann z. B. eine abschüssige Gäragenausfahrt 6 vor dem Vereisen geschützt werden. Zu diesem Zweck hat das Wärmerohr 1 eine Sollbiegestellt 4, die jeweils der Steigung angepaßt werden kann.
Bei der beschriebenen Grundausführung stellt sich jeweils über das gesamte Rohr ungefähr gleiche Temperatur ein. Nachteilig hierbei ist, daß auch ein Wärmetransport stattfindet, wenn keine Vereisungsgefahr besteht und dadurch dem als Wärmekapazität wirkenden Erdreich 5 unnötig Wärme entzogen wird. Es ist jedoch möglich, einen "thermodynamischen Schalter" in Fig. 1 vorzusehen, der im unkritischen Bereich den Wärmetransport drosselt und ihn erst bei Vereisungsgefahr freigibt.. Dazu wird eine geringe Menge einer Schaltflüssigkeit 7 im Wärmerohr vorgesehen. Die Schaltflüssigkeit hat insbesondere 2 Eigenschaften. Ihr Dampfdruck ist sehr viel hoher, als der der eigentlichen Arbeitsflüssigkeit 2 und ist mit dieser nicht mischbar. Die Sperrwirkung beruht drauf, daß im Bereich unkritischer, höherer Temperatur der obere Rohrraum mit dem Dampf der Schaltflüssigkeit 7 erfüllt ist und so eine Kondensation der Arbeitsflüssigkeit verhindert. Erst bei einem Absinken der Temperatur kondensiert auch der Dampf der Schaltflüssigkeit und gibt so eine größere Wandungsfläche zur Kondensation frei.
Eine andere Regelungsvariante besteht darin, im unteren Kondensatraum einen nichtflüchtigen Stoff, z. B. Zucker, zu lösen.
Dieser bewirkt eine Dampfdruckerniedrigung.
Der wesentliche. Aufbau der Wärmerohre nach den Fig. 2 bis 5 ist identisch zur Grundausführung nach Fig. 1. Sie bestehen aus dem eigentlichen Rohr 11, 21, 31, 41 und enthalten eine Arbeitsflüssigkeit 12, 22, 32, 42. Zur Gewährleistung einer optimalen Verdampfungsoberfläche sind Einsätze vorgesehen. Die in den Fig. 3 bzw. 4 dargestellten Einsätze 23 bzw. 33 sind Spiralringe.
Die Ausführungen nach Fig. 2 bis 5 unterscheiden sich lediglich durch unterschiedliche Schaltmechanismen. In Fig. 2 wird durch Sperrschivebea t7 ein Rückfluß der Arbeitsflüssigkeit 12 in den unten liegenden Verdampfungsraum verhindert. Bei Abfall der Temperatur unter einen Sollwert wird der Rückfluß freigegeben. Dann ist eine Feder 14, die in Form einer hermetisch dichtenden Spinne einen Druckraum 15 abdichtet. Der Druckraum 15 enthält eine geringe Menge einer Flüssigkeit mit hohem Dampfdruck. Das Äußere des Druckraums 15 wirkt als Temperaturfühler, so daß bei einer Untertemperatur sich der Dampfdruck im Druckraum 15 verringert und über die Feder 14 und das Gestänge 16 die Sperrscheiben 17 angehoben werden, so daß die Arbeitsflüssigkeit 12 abfließen karn.
In Fig. 3 ist ein Siphonschalter zur Temperaturanpassung vorgesehen. Der Schalter besteht im wesentlichen aus einem Ringgefäß 27, in das eine Glocke 26 eintaucht. Durch einen (hier nicht dargestellten) Verstellmechanismus, z. B. entsprechend Fig. 2, kann die Glocke 26 angehoben werden, so daß diese bei der Solltemperatur die Verbindung von Verdampfungs- und Kondensationsraum freigibt.
Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel mit einem Taschenschalter. Die Wirkung beruht darauf, daß bei unkritischen Temperaturen das Gestänge 36 und damit die Wellscheiben 37 angehoben sind. Die Wellscheiben 37 sind am Außenrand dicht mit dem Rohr 31 verbunden und haben in der Mitte eine öffnung. Im angehobenen Zustand bilden die Wellscheiben 37 Taschen, in denen sich die kondensiert, Arbeitsflüssigkeit 32 sammelt und so nicht in den Verdampfungsrauii zurückfließen kann. Bei einem Absenken der Wellscheiben 37 ist der Rückfluß freigegeben.
In Fig. 5 ist die Temperaturanpassung mittels eines Ausflußschalters bewerkstelligt. Dieser besteht aus einem Gestänge 46, das von einem hier nicht gezeichnetem Bimetall-Schalter gehoben und gesenkt werden kann. In gesenktem Zustand wird dadurch eine Ausflußöffnung für eine Ringkammer 47 abgesperrt, so daß die Arbeitsflüssigkeit 42 zurückgehalten und so der Verdampfungs - Kondensationskreislauf unterbrochen ist. In angehobenem Zustand - bei Unterschreiten einer vorgegebenen Solltemperatur - ist der Rückfluß freigegeben.
Während die Ausführungen nach den Fig. 1 bis 5 für einen Wärmetransport von unten nach oben ausgelegt waren, sind die Wärmerohre nach Fig. 6 und 7 für die umgekehrte Wärmerichtuncj gedacht.
Im besonderen eignen sich diese Ausführungen zur Kühlung von Geräten und Räumen, Zusätzlich zu den in Fig. 1 -- 5 beschrierenen Einrichtungen kommen bei den Ausführungen nach Fig. 6 ur1 1 7 Pumpvorrichtungen hinzu, um das Kondensat in den jetzt oben liegendem Verdampfungsteil zu befördern.
Das Wärmerohr für Kühlzwecke nach Fig. 6 besteht aus einem Rohr 51, in dem sich ein Arbeitsmedium 52 in teils flüssiger, teils dampf förmiger Phase befindet, Das Wärmerohr ist in Erdreich eingelassen. Am Fuße des Rohres 51 befindet sich eine Pumpe 54, die das kondensierte Arbeitsmedium 52 über eine Rohrleitung 55 nach oben befördert. Das Arbeitsmedium 52 fließt dann über eine Einlage 53, so daß sich eine große Verdampfungsoberfläche ergibt.
Auf diese Weise kann hier Arbeitsmedium verdampfen und dem zu kühlenden Objekt Verdampfungswärme entziehen und diese durch Kondensation im unteren Rohrteil an das umgebende Erdreich ableiten.
Beim Abschalten der Pumpe 54 läßt sich das Wärmerohr nach Fig. 6 auch für den umgekehrten Wärmetransport verwenden.
Während für die Pumpe im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 Fremdenergie notwendig war, ist in Fig. 7 eine automatische osmotische Flüssigkeitsförderung vorgesehen. Das Wärmerohr besteht wieder aus einem hermetisch abgeschlossenen Rohr 61, das mit einem Arbeitsmedium 62 in flüssiger und dampfförmiger Phase erfüllt ist.
Ein Fallrohr 65 und ein Steigrohr 66 bilden eine U-förmige Leitung und münden in eine oben liegende Verdampfungspfanne 67. In dieser befindet sich flüssiges Arbeitsmedium mit einem nichtverdampfbaren festen Stoff, z. B. Harnstoff, Zucker, Salze oder dergl. in Lösung. Am Steigrohr 6 befindet sich ein Diaphragmateil 64, der in das kondensierte Arbeitsmedium 62 eintaucht.
Aufgrund der Lösung wirkt ein osmoLischer Druck zwischen Lösung und reinem Kondensat.., so daß Kondensat durch das Diaphragma in die Lösung im Steigrohr 66 diffundiert. Durch diese Verdünnung verringert sich das spezifische Gewicht der Lösung, so daß diese im Steigrohr 66 nach oben strömt, während neue konzentrierte Lösung im Fallrohr 65 nachfließt. Auf diese Weise wird Kondensat nach oben befördert.
Die Fig. 1 - 5 bezogen sich auf Heizung und die Fig. 7 auf reine Kühlung. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 ist für wechselseitige Heizung und Kühlung ausgelegt. Im besonderen soll damit die große Temperaturdifferenz zwischen Tag und Nach in Äquatorgebieten ausgeglichen werden. Das Wärmerohr besteht wieder aus einem geschlossenen Rohrkörper 71, in dem sich ein Arbeitsmedium in flüssiger und dampfförmiger Phase befindet. Im unteren Rohrteil befinden sich Ringpfannen 73, die eine große Menge flüssiges Arbeitsmedium 72 aufnehmen können.
Das Volumen der Ringpfannen 73 ist so groß, daß es die gesamte während der Nachtzeit verdampfende Menge Arbeitsmediums 72 aufnehmen kann. Umgekehrt befindet sich im oberen Rohrteil eine Pfanne 74 mit demselben Volumen, das während der Tagzeit zur Kühlung verdampft, In einem anderen - hier nicht besonders dargestellten - Wärmerohr für wechselseitige Heizung und Kühlung sind je ein Heiz-Wärmerohr nach Fig. 1 - 5 und ein Kühl - Wärmerohr nach Fig, 7 zusalemengebündelt, Beide Wärmerohre haben je einen eigenen, abgeschlossenen Verdampfungs- und Kondensationskreislauf.
Die Fig. 9 demonstriert eine Rõhrausführung mit einer Bohrwendel 84, die an dem Rohr 81 angebracht ist. Damit ist einmal ein direktes Eindrehen des Rohres 81 in das Erdreich gegeben und zum anderen gewährleistet die metallene Bohrwendel 84 einen erhöhten Wärmeübergang.
Die Variante nach Fig. 10 dient ebenfalls einer verbesserter Wärmeübertragung vom Erdreich zum Wärmerohr. Dazu sind am Wärmercar 91 Satellitenrohre 94 angebracht. Diese wirken wieder nach-dem Wärmerohrprinzip. Eine andere Maßnehme in dieser Richtung besteht darin, hinterdas Wärmerohr mit Beton zu gießen. Beton hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit, als Erdboden, verbessert den Leitungskontakt von Wärmerohr und Erdreich. Schließlich wird durch das Hintergießen mit Beton auch eine größere wärmeleitende Oberfläche geschaffen. Im Extremfall ist es schließlich möglich, als Wärmekapazität vollständig einen Betonklotz zu verwenden. Dies ist besonders dann r vorteilhaft, wenn diese gleichzeitig als Fundament ausgenützt wir . Leerseite

Claims

Schutzansprüche 0 Wärmerohr, bestehend aus einem abgeschlossenem Rohr, flüssiger/ dampf förmigem Arbeitsmedium und Oberflächenvergrößernden Einlagen für Wärmetransport, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr in Form eines Bohrkerns so in den Boden eingebracht ist, daß das umgebende Erdreich als Wärmokapazität wirkt und daß zur rationelleren Wärmeausndtzung Schalter im Wärmerohr eingebaut sind, die durch Unterbrechung des Kondensatrückflusses oder durch Trennung von Kondensations- und Verdampfungsteils oder durch eine Schaltflüssigkeit den Wärmetransport entsprechend den Anforderungen regelt.
2. Wärmerohr, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterbrechung des KondensatrUckflusses von einem temperaturempfindlichen Feder (14) / Druckkammer (15)-System gesteuerte Trennscheiben (17) ein Rückhaltevolumen bilden, das größer ist, als das im Wärmerohr befindliche Volumen der Arbeitsflüssigkeit.
3. Wärmerohr, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß mit Unterbrechung bzw. Drosselung der Heizleistung von einem Temperaturfthler bewegte Wellscheiben (37) ein veränderbares Rückhaltevolumen für das Kondensat bilden, so daß im Extremfall die gesamte Arbeitsflüssigkeit zurückgehalten werden kann.
4. Wärmerohr, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterbrechung bzw. Drosselung der Heizleistung von einem Temperaturfühler bewegter Verschluß (46) das Kondensat in einem Rückhaltevolumen 47 aufstauen kann.
5. Wärmerohr mit einer Arbeitsflüssigkeit mit geringem Dampfdruc: nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterbrechung bzw. Drosselung der Heizleistung eine von einem Temperaturfühler bewegte Syphonglocke (26), die in ein mit Arbeitsflussigkeit (2) gefülltes Ringgefäß (27) eintaucht und den Kondensations- und den Verdampfungsteil im Wärmerohr voneinander trennt.
6. Wärmerohr, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zur Drosselung der Heizleistung dem Wärmerohr eine Schaltflüssigkei zugemischt wird, die einen höheren Dampfdruck, wie die Arbeitsflüssigkeit aufweist und sich in der flüssigen Phase mit dieser nicht mischt, in einer Menge, daß oberhalt einer Solltemperatur sich die gesamte Menge der Schaltflüssigkeit in der Dampfphase befindet.
7. Wärmerohr, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung eine Förderpumpe (54) am Fuß des Wärmerohres die kondensierte Arbeitsflüssigkeit an die oben liegende Verdampfungszone (53) gefördert wird.
8. Wärmerohr, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß beim Einsatz als Kühlvorrichtung eine osmotisch betriebene Kondensatförderung verwendet wird dergestalt, daß die in der oberen Verdampfungspfanne (67) befindliche Arbeitsflüssigkeit einen gelösten festen Stoff enthält und mit einem U-förmigen Rohr, bestehend aus einem Fallrohr (65) und Steigrohr (66) verbunden ist, wobei das Steigrohr (66) ein Diaphragma (64) enthält und in die kondensierte Arbeitsflüssigkeit eintaucht.
9. Wärmerohr, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich von Tag/Nachttemperaturunterschieden im oberen Rohrteil eine Pfanne (74) und im unteren Rohrteil Ringpfannen (73) vorgesehen sind, deren Volumen jeweils die gesamte Arbeitsflüssigkeit (72) aufzunehmen vermag, dergestalt, daß zur Kühlung während der Tag zeit die Arbeitsflüssigkeit in der Pfanne (74) verdampft und inden Druckpfannen (72) kondensieren und in der Nachtzeit zur Heizung der umgekehrte Vorgang abläuft.
10. Wärmerohr, nach den Ansprüchen 1 - 9 dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr mit einer metallenen Bohrwendel (84) versehen ist.
11. Wärmerohr, nach den Ansprüchen 1 - 9 dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr mit Ablegerrohren (94) verbunden sind, die ebenfalls nach dem Wärmerohrprinzip wirken.
12. Wärmerohr, nach den Ansprüchen 1 - 11 dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil des Wärmerohrs in Fußboden und/oder Wände integriert werden.