DE4405991C1

DE4405991C1 - Anordnung zur Gewinnung von Wärmeenergie

Info

Publication number: DE4405991C1
Application number: DE4405991A
Authority: DE
Inventors: Winfried Hesse
Original assignee: Winfried Hesse
Current assignee: PERMASOLAR GMBH, 59069 HAMM, DE
Priority date: 1993-05-19
Filing date: 1994-02-24
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2014-02-25

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Gewinnung von Wärmeenergie nach dem Oberbegriff des Patent anspruchs 1.

Eine derartige Anordnung ist bekannt aus der DE-OS 27 15 075. Dabei ist der Absorber in Form von Rohren in dem Wasser des Wasservorrates (Primärbecken) angeordnet. Diese Ausführung hat jedoch folgende wesentliche Nachteile:

1) Die Rohrleitungen müssen, wie angegeben, dicht bei einander liegen und nehmen damit ein erhebliches Volumen des Wasserspeichers ein.
2) Der sich zwangsläufig um die Rohre bildende Eis panzer stellt einen großen Wärmeübergangswiderstand dar.
3) Die kritischen Dehnungsprobleme einer stärkeren Vereisung sind so nicht beherrschbar.

Aus der DE-OS 30 11 840 ist eine ähnliche Anordnung bekannt, bei der die Ausdehnungsprobleme mit einer besonderen Überlauftechnik gelöst werden sollen. Dieses gelingt jedoch nur sehr unvollkommen, und die weiteren angeführten Nachteile haften dieser Ausführung ebenfalls an.

In der US-PS 5 207 075 wird eine Anordnung beschrieben, bei der Wasser in eine vom Absorber unter kühlte, mit Wasser nicht mischbare Flüssigkeit in Tropfenform eingespritzt wird. Die gebildeten Eiskügel chen werden durch eine mechanische Transportvorrichtung aus der Flüssigkeit herausgeschöpft und in einen weiteren Behälter befördert. Die Verunreinigung der Eiskügelchen durch die Flüssigkeit, z. B. Öl, erfordert Schutzmaßnahmen, und die Transportvorrichtung ist auf wendig und störanfällig.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der die Probleme hinsichtlich der Ausdehnung und der Wärmeisolierung bei der Eisbildung auf einfache Weise vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kenn zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die Anordnung des Absorbers außerhalb des Wassers wird vermieden, daß sich eine zu dicke Eisschicht bil det, die den Wärmeübergang behindert und Ausdehnungs probleme erzeugt. Das Ablösen von Eis, das sich am Absorber bildet, kann entweder mechanisch oder durch z. B. kurzzeitiges periodisches Erwärmen des Absorbers erfolgen. Durch die Anordnung des Absorbers oberhalb des Wasserspiegels fällt vom Absorber abgelöstes Eis automatisch in das Wasser des ersten Behälters, entweder direkt, wenn der Absorber mit etwas Abstand, der das größere Volumen von Eis gegenüber Wasser berücksichtigt, oberhalb des Wasserspiegels angeordnet ist, oder z. B. über eine Rutsche, wenn der Absorber seitlich versetzt angeordnet ist. In jedem Fall erübrigt sich eine besondere Transportvorrichtung, um das Eis dem Wasservorrat zuzuführen.

Bei der Ausführung des Absorbers in Kombination mit der Wasserpumpe und der Erzeugung eines pumpfähigen Eis breies läßt sich ebenfalls ohne weitere Maßnahmen schwimmendes Eis an der Wasseroberfläche erzeugen. Die Pumpe saugt Wasser von unten aus dem ersten Behälter und pumpt einen Eisbrei in den oberen Teil des ersten Behälters zurück. Der Eisbrei selbst entsteht z. B. im Rohr eines schneckenförmigen Pumpvortriebes, der das Eis mechanisch von der Wandung des Rohres schabt, welches Teil des Absorbers ist.

Durch das niedrige Temperaturniveau des Wasservorrates sind die Energieverluste durch Wärmeableitung gering und vorhandene Umweltenergie kann dem Wasservorrat auch auf niedrigem Niveau zugeführt werdend so daß ein Sonnenkollektor und die Wärmepumpe einen erheblich größeren Wirkungsgrad erreichen.

Die für die Wärmeerzeugung notwendige Energie wird, unter Einbeziehung der Verluste des Elektrizitätswerkes für die Stromerzeugung, auf die Hälfte reduziert und damit auch gleichzeitig der anfallende Schadstoffaus stoß in die Atmosphäre ganz erheblich vermindert.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch eine Anordnung mit einer Wärmepumpe, die zwei Absorber enthält, und mit einem Sonnenkollektor.

Fig. 2 den Aufbau des einen Absorbers mit mehreren, im wesentlichen senkrecht angeordneten Absorberelementen.

Fig. 3 den Aufbau des einen Absorbers zur Erzeugung von pumpfähigem Eisbrei außerhalb des ersten Behälters.

Die Fig. 1 zeigt eine Wärmepumpe 1, die durch einen Absorber 2 dem umgebenden Medium 11, z. B. Luft, Wärme entzieht. Besteht beim Absorber 2 Vereisungsgefahr, so entzieht die Wärmepumpe durch einen Absorber 3 dem Wasservorrat im Behälter 4 Energie, wobei die Pumpe 5 Wasser vom Boden des Wasservorrats gegen die Unterseite des Absorber 3 sprüht.

Der Absorber 3 ist im Behälter 4 horizontal über der Wasseroberfläche so angebracht, daß die durch Vereisung bedingte Volumenvergrößerung berücksichtigt ist. Die Unterseite des Absorbers 3 besitzt beispielsweise eine waffelförmig strukturierte Oberfläche, wie sie bei Eiswürfelmaschinen üblich ist. Die bei Eiswürfel maschinen gewünschte Würfelform des Eises ist hier jedoch nicht Bedingung, sondern das sich leichte Lösen vom Absorber 3 in kleinen Eisstücken.

Das am Absorber 3 entstehende Eis fällt in Betriebs pausen oder nach kurzzeitiger Erwärmung der Absorber unterseite in den Wasservorrat und schwimmt dort an der Oberfläche wegen der etwas geringeren Dichte von Eis gegenüber Wasser. Die durch die Wärmepumpe auf ein höheres Energieniveau gebrachte Wärme wird mittels Wärmetauscher dem Kurzzeit-Speicher 6 zugeführt. Über Wärmetauscher erfolgt die Versorgung mit Heizungs wärme 13 und Warmwasser 14 aus dem Kurzzeit-Speicher 6.

Ein Sonnenkollektor 7 wird von einem wärmesammelnden Medium durchströmt und überträgt dann die durch Strahlung 12 empfangene Energie über einen Wärme tauscher in den Kurzzeit-Speicher 6, wenn die Temperatur des Übertragungsmediums höher als die Temperatur im Kurzzeit-Speicher ist; sonst wird die Energie an den Wasservorrat im Behälter 4 mittels Wärmetauscher übertragen.

Die Pumpe 8 überträgt immer dann Energie vom Absorber 2 über die Leitung 9 und einen Wärmetauscher in den Wasservorrat im Behälter 4, wenn die Wärmepumpe nicht im Betrieb ist und ein Energiegewinn im Wasservorrat damit verbunden ist. Zusätzlich kann über die Leitung 10 von der Wärmepumpe 1 Energie vom Absorber 2, oder vom Sonnenkollektor 7, zum Erwärmen vom Wasser oder zum Auftauen von Eis in den Behälter 4 transpor tiert werden, wenn keine Vereisungsgefahr für den Absorber 2, bzw. den Sonnenkollektor, besteht und durch die äußeren Umstände eine vorzeitig übermäßige Vereisung im Behälter 4 zu Beginn einer Winterperiode eingetreten ist. Damit wird eine zu starke Kapazitäts einschränkung des Wasservorrates für die verbleibende Winterperiode vermieden.

Die Fig. 2 zeigt eine mögliche Variante des Absorbers 3. Auch hier ist der Absorber 3 im ersten Behälter 4 über der Wasseroberfläche so angeordnet, daß die Volumenver größerung durch das totale Einfrieren des Wassers berücksichtigt ist und entstehendes Eis direkt in den Behälter fallen kann.

Die einzelnen Flächen des Absorbers 3 sind hier aber als Absorberelemente 22 senkrecht nebeneinander angeordnet und können z. B. aus einfachen "Roll-bond-Verdampfern", wie bei Kühlschränken üblich bestehen. Dieses bedeutet eine preisgünstige Lösung und hat den Vorteil, daß ein notwendiges Abtauen durch ein faches Umschalten des entsprechenden Absorberelementes vom Verdampfer auf den Verflüssiger erfolgen kann. Bei Kühlschränken erfolgt das Abtauen meistens mit einer elektrischen Aufheizvorrichtung, die auch hier alternativ dazu benutzt werden kann. Die Benetzung der Absorberflächen erfolgt durch eine Rohrleitung 18 mit Wasseraustrittsöffnungen zwischen den Absorberelemen ten 22, welche durch die Pumpe 5 mit Wasser vom Boden des ersten Behälters 4 versorgt wird.

Die Fig. 3 zeigt eine andere Version des Energieentzuges durch den Absorber 3. Dieser befindet sich auf dem Rohrmantel des Rohres 21 und wird vom Kühlmittel 17 durchströmt. Im Inneren des Rohres 21 besorgt der schneckenförmige Vortrieb 20, von dem Elektromotor 19 angetrieben, den Pumpvorgang und schabt entstandenes Eis von der Innenwand. Das Wasser-Eis-Gemisch, ein sogenannter "Eisbrei", wird in den oberen Teil des ersten Behälters 4 zurück transportiert.

Die dargestellte Anordnung erlaubt eine örtliche Trennung des Absorbers 3 vom ersten Behälter 4. Die somit mögliche Vereinigung von Wärmepumpe 1, Kurzzeit- Wärmespeicher 6 und Absorber 3 stellt eine sehr wirt schaftliche Lösung dar.

Bezugszeichenliste

1 Wärmepumpe
2 Absorber (umgebendes Medium, z. B. Luft)
3 Absorber (Wärmeentzug Wasservorrat)
4 erster Behälter (Wasser zur eventuellen Vereisung)
5 Pumpe
6 zweiter Behälter (Kurzzeit-Wärmespeicher)
7 Sonnenkollektor
8 Umwälzpumpe
9 Verbindungsleitung (Erwärmung mit Absorber 2)
10 Verbindungsleitung (Erwärmung mit Wärmepumpe)
11 Umgebungsmedium (Luft, Brunnenwasser, Erdreich etc.)
12 Strahlungsenergie (Sonne, Globalstrahlung)
13 Heizungsversorgung
14 Warmwasserversorgung
15 Wasser
16 Eis
17 Kühlmittel
18 Benetzung der Absorberfläche (Sprenkler)
19 Elektromotor
20 schneckenförmiger Pumpvortrieb (Abschaben des Eises)
21 metallisches Rohr (z. B. Kupfer)
22 Absorberelemente (Wärmeentzug Wasservorrat)

Claims

1. Anordnung zum Gewinnen von Wärmeenergie, insbesondere zur Beheizung von Innenräumen und/oder zur Erwärmung von Brauchwasser, mit einer Wärmepumpe (1) mit einem Absorber (3), der mit Wasser in einem ersten Behälter (4) in Wärmekontakt steht und dem Wasser zumindest zeitweise so viel Wärmeenergie entnimmt, daß das Wasser teilweise in Eis umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (3) außerhalb des Wassers im ersten Behälter (4) angeordnet ist, daß eine Pumpe (5) vorgesehen ist, um vom Bodenbereich des ersten Behälters (4) Wasser zu entnehmen, diesem am Absorber (3) Wärmeenergie zu entziehen und das gekühlte Wasser und entstandene Eis in kleinen Stücken dem ersten Behälter (4) wieder zuzuführen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (3), unter Berücksichtigung der maximalen Volumenvergrößerung bei totaler Vereisung, oberhalb des Wasserspiegels im ersten Behälter (4) angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (3) flach ausgebildet und im wesentlichen eben angeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite des Absorbers (3) derart geformt ist, daß gebildetes Eis nach Ablösung selbsttätig in den ersten Behälter (4) fällt.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (3) mehrere im wesentlichen flach ausgebildete Elemente (22) umfaßt, deren Ebene eine wesentliche senkrechte Komponente aufweist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (3) zumindest abschnittsweise heizbar ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (5) aus einem metallischen Rohr (21), dessen Wandung dem Absorber (3) entspricht, und einem schneckenförmigen Vortrieb (20) innerhalb des Rohres (21) besteht, welcher entstehendes Eis von der Rohrinnenwandung schabt und in den oberen Teil des ersten Behälters (4) zurückpumpt.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Behälter (6) mit einem Wasservorrat vorgesehen ist und daß die Wärmepumpe (1) nur in gesteuerten Zeitabschnitten des Tages in Betrieb ist und dabei nur das Wasser im zweiten Behälter (6) erwärmt, aus dem die Wärmeenergie für die Beheizung und/oder Brauchwassererwärmung entnommen wird.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sonnenkollektor (7) vorgesehen ist, der ein Kollektormedium durch Sonnenenergie erwärmt, dessen Wärmeenergie abhängig von der Temperatur des Kollektormediums das Wasser im zweiten Behälter (6) oder das Wasser des ersten Behälters (4) erwärmt bzw. das Eis darin schmilzt.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpe (1) einen weiteren Absorber (2) aufweist, der mit einem Wärme energie enthaltenden Umgebungsmedium in Wärmekontakt steht und daß der weitere Absorber (2) dem Wasser des ersten Behälters (4) über eine gesonderte Ver bindung (9) und eine Umwälzpumpe (8) außerhalb der Betriebszeiten der Wärmepumpe (1) Wärme zuführt, wenn die Temperatur des Umgebungsmediums (11) höher als die Temperatur des Wassers und/oder Eises im ersten Behälter (4) ist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpe mittels Absorber (2) oder Solarkollektor (7) Wärmeenergie dem Wasser und/oder Eis des ersten Behälters (4) über eine gesonderte Verbindung (10) zuführt.