DE8032916U1 - Waermerohr fuer die nutzung von erdwaerme - Google Patents

Waermerohr fuer die nutzung von erdwaerme

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Description

(Warme)-Rohr für die Nutzung von Erdwärme
Die Neuerung betrifft ein (Wärme)-Rohr für die Nutzung von Erdwärme mit einer im Inneren angeordneten Kapillarstruktur und einem darin enthaltenen Medium.
Aus der Praxis sind für die Gewinnung und Nutzung der Erdwärme zahlreiche Vorrichtungen und Einrichtungen bekannt, die als mit einem flüssigen Medium, hauptsächlich Wasser, durchströmte und mit einer Wärmepumpe verbundene Rohrschlangen, Kollektoren oder Erdsonden mehr oder weniger tief unter der Erdoberfläche gelagert sind. Zum Beispiel werden in Tiefen zwischen 1 und 2 m von einer wärmeübertragenden Flüssigkeit durchströmte Rohr schlangen verlegt, welche mit ihren Enden an eine Wärmepumpe angeschlossen sind. Erdsonden dagegen werden senkrecht in Tiefen von 30 bis 100 m in den Erdboden eingebracht. Sie bestehen aus einem äusseren, am unteren Ende verschlossenen Rohr und aus einem inneren zentrierten Rohr, durch welches Sole gedrückt wird, die in einem Spalt zwischen äusserem und innerem Rohr wieder aufsteigt und dabei Erdwärme aufnimmt.
Nachteilig ist bei allen derartigen Vor- und Einrichtungen, dass zu ihrer Installation entweder großflächige Erdbewegungen oder zu grosse Bohrtiefen erford€;rlich sind und dass sich beim Betrieb der daran angeschlossenen Wärmepumpe um die Rohre oder Kollektoren eine Eisschicht bildet. Da im Laufe des Winters der Erdboden stark abkühlt, sinkt die Temperatur der wärmeübertragenden Flüssigkeit und damit der Wirkungsgrad der Wärmepumpe.
Zum Beispiel ist ein typischer Wert für die entnehmbare Wärmeleistung pro Rohrmeter 20 Watt. Für 10 kW Wärmeleistung wären
demnach ca. 500 to Grundfläche bzw. 500 m Rohrleitung erforderlich. Eine solch grosse Rohrlänge führt aber im Wärmeübertragungskreislauf zu einem hohen Druckabfall und damit zu einer notwendig hohen elektrischen Pumpleistung. Bei den Erdsonden steigen mit zunehmender Bohrtiefe die Bohrkosten pro Meter sehr stark an. Hinzu kommt, dass als äusseres Rohr oft das teuere Bohrgestänge verwendet wird. Ein äusserer Korrosionsschutz ist wegen der möglichen Beschädigung während der Bohrarbeiten nicht möglich. Da bei Bohrungen in relativ grossen Tiefen oft unterschiedliche Grundwasser führende Schichten durchstossen werden, kann es zur Verschmutzung des Grundwassers durch oberflächennahes Wasser kommen. Da sich zudem die Temperatur der Sole über die Rohrlänge ändert, kommt es zu unterschiedlicher entnehmbarer Wärmestromdichte entlang des Rohres. Schliesslich benötigt das Gesamtsystem eine hohe Pumpleistung.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Neuerung, ein (Wärme)-Rohr zu schaffen, mit dem ein optimaler Wärmeübergang vom Erdboden
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|: bzw. Gewässer zum (Wärme)-Rohr gewährleistet ist und bei dem im Laufe des Winters nur geringfügige Temperaturschwankungen bei der Wärmeübertragung z.B. zu einer Wärmepumpe auftreten. Zugleich sollte damit eine einfache und kostengünstige Instal-. lation verbunden sein.
Neuerungsgemäss sind zur Lösung der gestellten Aufgabe die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 und die der ihm folgenden Unteransprüche vorgesehen.
Der Vorteil der Neuerung besteht insbesondere darin, dass durch die Anordnung eines topf- bzw. zylinderförmig gestalteten Wärmetauschers um die Kondensationszone eines Wärmerohres der Wärmefluss von der Wärmequelle zur Wärmesenke beschleunigt erfolgt, weil durch den Wärmetauscher ein erhöhtes Wärmegefälle erzielt wird. Das heisst, dass bei damit ausgerüsteten und im Erdboden oder in Gewässern verlegten Wärmerohren an ihren Heizzonen ein zeitlich optimaler Wärmeübergang bzw. Wärmeentzug (von der Wärmequelle) vorhanden ist, welcher dadurch entsteht, dass ein in den Wärmerohren befindliches leicht flüchtiges, flüssiges Medium, z.B. Ammoniak oder ein Sicherheitskältemittel, einen raschen Kreislaufprozess vom Verdampfen an deren Heizzone zum ! Kondensieren an deren Kühlzone unterliegt. Damit beim Verdampfungsprozess in der Heizzone der Wärmerohre der bereits
erwähnte optimale Wärmeübergang erzielt wird, sind die Wärme-
'■' rohre an ihren Innenwänden mit einer Kapillarstruktur versehen.
t Die Kapillarstruktur gewährleistet dabei eine gleichmässige Verteilung des aus der Kondensationszone in die Heizzone
zurückfliessenden Kondensats über die gesamte Oberfläche der
Rohrwand. Der optimale Durchmesser der Wärmerohre liegt etwa zwischen 25 und 80 mm, ihre Längen bei maximal 16 m. Grössere Durchmesser sind wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Erdbodens oder Grundwassers nicht verwendbar, weil die daraus entnehmbare Wärmeleistung pro Rohr begrenzt ist. Kleinere Durchmesser führen dagegen zu einer erheblich grösseren Stückzahl von Wärmerohren, was sich allerdings in den Kosten niederschlagen würde. Die einzelnen Wärmerohre sind relativ einfach durch Bohren in das Erdreich in übliche Tiefen von ca. 10 bis 12 m, in Ausnahmefällen bis ca 17 m einbringbar und zu installieren.
Um einen optionalen Wärmeübergang und die geforderte Temperaturkonstanz zu erzielen, sollten die Wärmerohre bzw. ihre Heizzonen ins Grundwasser reichen. Dabei können, bei Vorliegen von Grundwasser führenden Schichten, die Wärmerohre schräg installiert werden, so dass der die Heizzone beinhaltende und überwiegende Teil des Rohres im Grundwasser liegt. Ist dagegen Grundwasser in erreichbarer Riefe nicht anzutreffen, können die Wärmerohre schräg in geringerer Tiefe, z.B. 1 bis 2 m mit einer Neigung gegenüber der Horizontalen von wenigstens 4 installiert werden. Durch diese Neigung ist gewährleistet, dass das Kondensat von der Kondensationszone durch die Kapillarstruktur sickert und in die Heizzone unter gleichzeitiger Verdampfung zurückströmt. Als Kapillarstruktur dient entweder ein in das Wärmerohr eingezogener und an dessen Innenwand anliegender Docht oder ein anliegendes Drahtnetz, oder, das Wärmerohr ist durch Längsnahtschweissen eines Bleches herge-
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stellt, dessen Innenfläche z.B. durch Sandstrahlen, Ätzen, Bürsten oder dergleichen aufgerauht oder durch Walzen mit einer Riffelung oder Rillen versehen ist. Werden die Wärmerohre als geschlossene Wärmerohre ausgeführt, tragen diese an ihrem oberen Ende (Kondensationszone) einen von der Wärmeübertragungsflüssigkeit umgebenen oder durchströmten Wärmetauscher. Die Wärmeübertragung von der über die {gesamte Länge des Wärmerohres aufgenommenen Erdwärme an den Wärmetauscher geschieht durch das Wärmerohrprinzip vollständig selbsttätig und ohne jegliche Pumpleistung. Die Pumpleistung für die Wärmeübertragungsflüssigkeit ist durch die kurzen Rohrlängen sehr niedrig. Werden die Wärmerohre dagegen als sogenannte offene Wärmerohre ausgeführt, wobei das Kältemittel im "Wärmerohr verdampft und der Dampf der Wärmepumpe direkt zugeführt wird, so resultiert aus dem in den Wärmerohren ablaufenden Phasenwechsel flüssig—dampfförmig eine sehr hohe Energiedichte. Dadurch wird die Pumpleistung für das Kondensat entsprechend der niedrigen Strömungsgeschwindigkeit nahezu vernachlässigbar.
J5ur Verteilung des rückströmenden Kondensats (im Falle der offenen Wärmerohre) ist nach dem Einlassventil ein Prallblech engeordnet. Dadurch wird eine gleichmässige Verteilung des Kondensats am Umfang der Rohrwandung erzielt, das als nicht verdampftes flüssiges Medium an der Rohrwand bzw. in den Kapillaren entlang rinnt und sich am Boden des Wärmerohres sammelt und dort einen Schwimmer trägt, der über eine Verbindung das am Einlass angeordnete Ventil entsprechend der zurück-
strömenden bzw. der verdampften Menge Medium steuert. Anstelle eines Prallbleches kann eine scheibenförmige Kapillarstruktur vorgesehen werden, die z.B. in Form einer Sintermetallscheibe oder in einer schichtweisen Anordnung von Drahtnetzen ausgebildet ist.
Ausführungsbeispiele sind folgend beschrieben und durch Skizzen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 die Anordnung einer Gruppe von im Erdreich installierten Wärmerohren, verbunden mit einer Wärmepumpe und einem damit beheizten Haus,
Fig. 2 ein Wärmerohr mit an seiner Kondensationszone angeordnetem Wärmetauscher,
Fig. 3 ein Wärmerohr mit einem an seiner Kondensationszone doppelwandigen Wärmetauscher,
Fig. 4 ein Wärmerohr mit abgekrümmter Kondensationszone und daran angeordnetem Wärmetauscher,
Fig. 5 ein Wärmerohr mit an seiner Kondensationszone angeordnetem Prallblech und Ventil,
Fig. 6 ein Wärmerohr mit einer an seiner Kondensationszone angeordneten zusätzlichen Kapillarstruktur und Ventil.
Aus Fig. 1 ist die Anordnung einer Gruppe von im Erdreich 1 installierten Wärmerohren 2 schematisch dargestellt. Die Wärmerohre 2 tragen an ihren Kondensationszonen bzw. -enden 3 Wärmetauscher 4, die z.B. durch Zu— und Ableitungen 5, 6 über eine
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Samraelzu- und -ableitung 8, 9 mit einer Wärmepumpe 7 mit elektrischem Anschluss 71 verbunden ist, welche gleichfalls an einem in einem Haus 10 installierten Heizsystem 11 angeschlossen ist. Die Wärmerohre 2 sind senkrecht im Erdreich 1 einge- · lassen, so dass ihr unteres langes, die Heiz- bzw. Verdampfungszone bildendes Ende 12, die im Erdboden 1 vorhandene Wärme (Erdwärme) aufnehmen bzw. absorbieren kann. Ihr oberes kurzes und die Kpndensationszone bildendes Ende 3 befindet sich dabei dicht unter der Erdoberfläche 13. Die an den Kondensationsenden 3 angeordneten Wärmetauscher 4, sind von einem Wärmeübertragungsmedium (z.B. Wasser mit Frostschutzmittel) 14 (siehe Richtungspfeile) umgeben oder durchströmt, das durch die Ableitungen 6 und 9 zur Wärmepumpe 7 hin und nach Wärmeabgabe von dieser durch die Zuleitungen 5 und 8 zurückgeführt wird. Die Wärmetauscher 4 sind durch die Zu- und Ableitungen 5, 6 mit der Sammelzu- und -ableitung 8, E» in Tichelmannschaltung parallel verbunden, so dass in allen Wärmetauschern die gleichen Druckverhältnisse herrschen und dabei gleichmässig von der Wärmeübertragungsflüssigkeit 14 umgeben ist oder durchströmt werden. Auch ist es möglich, mehrere Wärmerohr 2 durch Hintereinanderschalten über die Zu- und Ableitungen 5, 6 zu einer Gruppe zu verbinden und diese Gruppen dann wiederum parallel an die Sammelleitungen 8, 9 anzuschliessen.
In Fig. 2 ist ein im Erdreich 1 eingelassenes und eine Kapillarstruktur 15 beinhaltendes Wärmerohr 2 verkürzt dargestellt. Die dicht unter der Erdoberfläche: 13 befindliche Kondensationszone 3 trägt einen z.B. mit Zu- und Ableitungen 5, 6 versehenen
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Wärmetauscher 4. Die Kapillarstruktur 15 reicht dabei bis zum unteren Ende der Heiz- und Verdampfungszone 12, in der das von der Kondensationszone 3 rücklaufende kondensierte Medium 14 nach Wärmeaufnahme aus dem Erdreich 1 (siehe Richtungspfeile) zum Teil wieder verdampft und hochsteigt und zum Teil - je nach Temperaturfluss bzw. Wärmeübergang - sich am Boden der Heizzone als Kondensatsumpf 16 sammelt.
In Fig. 3 ist die Kondensationszone 3 von einem z.B. mit Zu- und Ableitungen 5, 6 versehenen Wärmetauscher 4 umgeben, der neben seiner Aussenwand 17 eine zwischen dieser und der Wand der Kondensationszone 3 angeordnete zusätzliche, an ihrem unteren Ende verkürzte Wand 18 aufweist. Bei diesem Wärmetauscher 4 liegen Zu- und Ableitung 5, 6 am oberen Ende. Die Strömung des wärmeübertragenden Mediums 14 wird durch die Wand 18 von der Aussenseite 19 zur Innenseite 20 umgelenkt. Durch diese raumsparende Gestaltung des Wärmetauschers 4 ist es möglich, das Wärmerohr 2, einschliesslich Wärmetauscher 4, in ein Bohrloch einzubringen und über die oben liegenden Zu- und Ableitungen 5, 6 mit der Sammelzu— und -ableitung 8, 9 zu verbinden.
Die Fig. 4 zeigt ein Wärmerohr 2 mit seiner gegen die Horizontale (Erdoberfläche 13) unter einem Winkel aC geneigten Kondensationszone 3 mit daran angeordnetem und z.B. mit Zu- und Ableitungen 5, 6 versehenen Wärmetauscher 4. Dabei sollte der Neigungswinkeln wenigstens 4 betragen. Damit kann der zur Installation der Wärmetauscher 4 und Leitungen 5, 6 bzw. 8, 9
(Fig. 1) erforderliche Aushub an der Erdoberfläche 13 relativ niedrig gehalten werden.
Die Fig. 5 stellt ein sogenanntes offenes Wärmerohr 2 dar, welches aia Ende seiner Kondensationszone 3 z.B. eine Zuleitung und unterhalb dieser z.B. eine Ableitung 6 aufweist. Beide Leitungen 5 und 6 sind mit den auch aus Fig. 1 ersichtlichen Sammelzu- und -ableitungen 8 und 9 verbunden. Oberhalb der Ableitung 6 ist ein mit seiner Spitze 21 nach oben gerichtetes kegelförmig ausgestaltetes Prallblech 22 angeordnet, dessen Rand 23 gegen die an der Innenwand des Wärmerohres 2 angeordnete Kapillarstruktur 15 stösst. Die darüber befindliche Zuleitung 5 ist mit einem Regelventil 24 für die Flüssigkeitsströmung versehen, welches z.B. aus einer Kugel 25 mit Feder 26 und einem durch einen Draht 27 damit verbundenen Schwimmer 28 besteht. Je nach Höhe des Flüssigkeitsspiegels im Kondensatsumpf 16 am Boden des Wärmerohres 2 bzw. des darin angeordneten Schwimmers 28 wird durch öffnen oder Schliessen'des Ventils 24 die Menge des durch die Zuleitung 5 und Kapillarstruktur 15 in die Heiz- bzw. Verdampf ungs zone 12 zurückfliessenden Kondensats bzw. dessen Wiederverdampfen geregelt. Das Prallblech 22 bewirkt eine gleichmassige Verteilung des zurückfliessenden Kondensats an die rings der Innenwand des Wärmerohres 2 anliegende Kapillarstruktur 15 bzw. deren Benetzung.
In Fig. 6 ist anstelle des in Fig. 5 angeordneten Prallbleches 22 eine scheibenförmige Kapillarstruktur 29 vorgesehen, welche entweder aus Sintermetall, mehreren Lagen Drahtnetz oder einem ähnlich wirkenden Material bestehen kann.
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Da das wärmeübertragende Medium 14 nach den Fig. 1, 2 und 3 nur die z.B. ca. 1 bis 1,5 m langen Wärmetauscher 4, nicht aber die gesamte Länge der Wärmerohre 2 durchströmt, ergibt sich daraus ein sehr niedriger Druckverlust im Kreislauf der Wärmeübertragung.
Zum Beispiel werden, wie in Fig. 1 dargestellt, für eine typische Auslegung eines Hauses 10 mit einem Wärmebedarf von 21 kW, das über eine elektrisch betriebene Wärmepumpe 7 mit einer Leistungszahl von 3 und einem elektrischen Anschlusswert 71 von 7 kW beheizt wird, 30 jeweils 10 m lange Wärmerohre 2 benötigt, die dem Erdreich 1 eine Wärmeleistung von maximal 14 kW entziehen.
Die Wärmerohre 2 können aber auch an ihren oberen Enden (Kondensationzone) offen sein (sogenannte offene Wärmerohre wie Fig. 5 und 6 zeigen). Dabei wird das verdampfte wärmeübertragende Medium 14 z.B. direkt über Sammelleitungen 8 und 9 der Wärmepumpe 7 zu- und von dieser ab- bzw. zurückgeführt. Hierbei wird der Verdampfer der Wärmepumpe direkt in das Erdreich verlegt. Als verdampfendes Medium dient das Kältemittel der Wärmepumpe. Eine derartige Lösung ist thermodynamisch optimal, well dadurch jede unnötige und zusätzliche Wärmeübertragung vermieden wird.
1981

Claims (1)

  1. DORNIER SYSTEM GMBH Aktenzeichen: G 80 32 916.4
    Priedrichshafen
    Reg. S 367 Gm
    Schutzansprüche :
    1. (Wärme)-Rohr für die Nutzung von Erdwärme mit einer im Inneren angeordneten Kapillarstruktur und einem darin enthaltenen Medium, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (2) an der Kondensationszone (3) mit einem topf- bzw. zylinderförmig gestalteten Wärmetauscher (4) umgeben ist.
    2. (Wärme)-Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (4) doppelwandig ausgebildet ist, derart, dass die der Kondensationszone (3) benachbarte Wand (18) gegenüber der Aussenwand (17) des Wärmetauschers (4) verkürzt ist.
    3. (Wärme)-Rohr nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende der Kondensationszone (3) des Wärmerohres (2) gegenüber der Horizontalen (13) um einen Winkel (oC ) von wenigstens 4 geneigt ist.
    i. (Wärme)-Rohr ngch den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (2) einen Durchmesser zwischen 2 5 und 80 mm aufweist.
    38. Seplt. 1981
    <r/ke
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