WO2011085914A2 - Einrichtung zur bereitstellung von heizwärme oder zur erzeugung von klimakälte und einrichtung zur bereitstellung von elektroenergie, sowie verfahren zur bereitstellung von heizenergie, verfahren zur erzeugung von kälteenergie und verfahren zur erzeugung von bewegungsenergie und/ oder elektroenergie - Google Patents

Einrichtung zur bereitstellung von heizwärme oder zur erzeugung von klimakälte und einrichtung zur bereitstellung von elektroenergie, sowie verfahren zur bereitstellung von heizenergie, verfahren zur erzeugung von kälteenergie und verfahren zur erzeugung von bewegungsenergie und/ oder elektroenergie Download PDF

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Definitions

  • Device for the provision of heating heat or for the production of air conditioning refrigeration and device for the provision of electric energy and method for the provision of heating energy, method for the production of cold energy and method for generating kinetic energy and / or electric energy
  • the invention relates to a device for providing heating by
  • Extraction of heat from the ground or for the generation of climate cold by heat input into the soil comprising at least one probe for introduction into the ground, which is flowed through by a refrigerant for receiving or releasing heat to the ground and a refrigerant condenser for at least partial condensation of at least in the probe Partially evaporating refrigerant and dissipation of geothermal heat from the refrigerant and a refrigerant evaporator for at least partial evaporation of refrigerant by entry of ambient heat in the refrigerant.
  • the invention relates to a device for the provision of electrical energy, the inventive device for the provision of heating or the
  • the invention relates to a method for providing heating energy, wherein the refrigerant is introduced into a probe located in the ground and receives geothermal heat, at least partially evaporated and fed to a condenser, where it
  • Heat release at least partially condensed and a method for generating refrigeration energy in which heat is supplied to a refrigerant and the refrigerant is at least partially vaporized and passed into a probe located in the ground, wherein the heat of the refrigerant is at least partially introduced into the soil and the refrigerant is at least partially condensed ,
  • the invention is supplemented by a method for generating kinetic energy and a method for generating electrical energy.
  • geothermal probes For the recovery of geothermal energy from the ground geothermal probes are used, which are installed in earth boreholes.
  • geothermal probes with circulation pumps a water-antifreeze mixture over a befindliches in the probe Circulation pumped. By absorbing heat from the ground, the mixture heats up. This heat energy is transferred by means of a heat exchanger, which is arranged at the head of the probe, to the working fluid of the downstream compression heat pump system.
  • a disadvantage is that when running as a two-circuit process plants heat pump systems two different refrigerants with different material properties are required.
  • the system works in the so-called direct steam method, in which a refrigerant such.
  • a refrigerant such as ammonia, propane, butane or carbon dioxide is injected as a liquid refrigerant into a steel pipe inserted into the wellbore. Due to the geothermal heat that acts on the pipe jacket, the refrigerant evaporates and thereby removes the soil
  • the refrigerant vapor flows in countercurrent to the liquid in
  • geothermal energy as an energy source is to carry out the geothermal probe with an internally arranged central tube and to apply the principle of a natural circulation evaporator.
  • the supercooled refrigerant condensate coming from the condenser is introduced and flows under the action of gravity to the bottom of the geothermal probe and then into the annulus of the probe. In the preheating zone at the bottom of the probe is through
  • Boiling based on the set system pressure, preheated and then partially evaporated in the evaporation zone.
  • the two-phase mixture then flows while absorbing heat from the soil back to the head of the probe.
  • a certain form is required for the circulation of the two-phase mixture in the annulus in the bottom of the probe . This pre-pressure is achieved by accumulating a liquid column in the central tube. The amount of circulation and thus the final evaporation rate at the top of the probe depends on the height of the accumulated liquid column in the
  • the invention is therefore based on the object to provide a device for the provision of heat by heat extraction from the ground or for the production of air by heat input into the ground and a method for providing heating energy and a method for generating cooling energy available derer the heat extraction performance can be improved in a direct evaporator geothermal probe and the economy of a compression heat pump system with
  • Direct evaporator probe can be increased.
  • Another aspect of the invention is the realization of an efficient operation of the method according to the invention and the possibility of generating electrical energy.
  • the object is achieved by the device for the provision of heat by heat extraction from the ground or for the production of air by
  • the device has a first arranged between the refrigerant condenser and the head of the probe
  • the head of the probe means the upper end of the probe, which either protrudes from the ground or is located closest to the surface of the earth when the probe is introduced into the earth.
  • the sump of the probe is the lower end, in which condensate usually collects.
  • the first liquid jet pump is fluidly connected to the coolant condenser and the head of the probe for directing the coolant from the condenser to the head of the probe and introducing the refrigerant into the probe.
  • the second liquid jet pump is fluidly connected to the sump of the probe for the purpose of conducting the liquid refrigerant from the sump of the probe via the head of the probe out of the probe to the evaporator.
  • the advantage of the device according to the invention consists, in particular, in the fact that, due to the arrangement of the first liquid jet pump, no liquid column has to be present in the probe any longer in order to build up the necessary pressure conditions in the probe. As a result, the preheating zone can be downsized and the evaporation zone can be increased, which increases the efficiency. In addition, less refrigerant volume must be provided become.
  • the heat of the earth is exploitable or air-conditioning generated, so that the device according to the invention can be used all year for both purposes, without the refrigerant must be replaced.
  • the multi-functionality of the device according to the invention thus manufacturing and operating costs for the production of heating energy or air conditioning are lowered.
  • Inventive device is also due to the smaller amount of refrigerant in circulation quickly and easily controllable.
  • the probe comprises at least one flow channel for realizing a refrigerant liquid flow from the head of the probe to the foot of the probe, at least one flow channel for realizing a refrigerant gas flow from the sump of the probe to the head of the probe, at least one flow channel for the realization of a refrigerant gas flow from Head of the probe to the bottom of the probe, as well as at least one
  • the flow channel for the realization of a refrigerant liquid flow from the sump of the probe to the head of the probe serves to introduce at least partially condensed refrigerant into the probe for the purpose of heat absorption.
  • the flow channel for the realization of a refrigerant gas flow from the sump of the probe to the head of the probe is used to lead out at least partially vaporized refrigerant with a higher temperature for the purpose of supplying the capacitor and utilization of the
  • the flow channel for the realization of a refrigerant gas flow from the head of the probe to the sump of the probe is used for the introduction of the relatively warm refrigerant vapor in order to introduce the heat of the steam into the ground and dissipate the heat from the environment of the probe above the earth, such as from a building, and thus for the production of air conditioning.
  • the flow channel for the realization of a refrigerant gas flow from the head of the probe to the sump of the probe is used for the introduction of the relatively warm refrigerant vapor in order to introduce the heat of the steam into the ground and dissipate the heat from the environment of the probe above the earth, such as from a building, and thus for the production of air conditioning.
  • Refrigerant liquid flow from the sump of the probe to the head of the probe serves to lead out the at least partially condensed refrigerant for the purpose of renewed
  • the device has a feed pump, with which an overpressure in a driving fluid for the second liquid jet pump can be generated.
  • the feed pump is advantageously arranged outside the probe and in the vicinity of the probe head and serves to lift the condensate by applying the necessary pressure for the propellant for the second liquid jet pump.
  • the device according to the invention is advantageously configured when it has a preheater for preheating themaschinendsmenge for the second
  • Liquid jet pump has.
  • a preheating of the Amount of driving fluid so that a partial evaporation of not more than 10% by mass of the conveyed, flowing in the direction of the head of the probe total liquid flow takes place.
  • the feed pump must therefore apply less power to generate the propellant flow for the second liquid jet pump.
  • the device according to the invention has a reboiler for reboiling a two-phase refrigerant from the probe. With the reboiler, a further heating of the probe.
  • Refrigerant which flows already heated from the probe, for the purpose of introduction into a separator for separating the liquid phase of the refrigerant and lubricating oil.
  • the heat supplied to the refrigerant in the reboiler is taken from the refrigerant, which is returned to the probe by the condenser.
  • the device according to the invention advantageously comprises a separator, which preferably has internals for this purpose.
  • the separator serves to separate the liquid from the gaseous phase of the refrigerant mixture.
  • the device according to the invention can be designed such that a steam jet pump is provided at the head of the probe to be used in the refrigeration to evacuate the suction channel as a backing pump for the downstream feed pump for conveying the condensed refrigerant from the sump of the probe into the separator.
  • a steam jet pump is provided at the head of the probe to be used in the refrigeration to evacuate the suction channel as a backing pump for the downstream feed pump for conveying the condensed refrigerant from the sump of the probe into the separator.
  • it can be used for lifting the liquid refrigerant from the sump of the probe into a suction container, wherein the downstream feed pump sucks the refrigerant from the suction container and conveys into the separator.
  • Refrigerant vapor can be used.
  • a further aspect of the invention is a device for the provision of electrical energy, comprising at least one device for providing heating heat or for
  • the means for providing electric energy further comprises at least one pump for compressing the refrigerant, a solar system and at least one refrigerant vapor relaxation motor and a generator connected thereto and the solar system is set up so that with it a medium can be heated, the heat is transferred to the refrigerant, so that this in the vapor state and at elevated temperature the
  • Refrigerant vapor relaxation engine can be fed and this is set up such that it can be driven by relaxation of the refrigerant to a lower pressure level, wherein the kinetic energy of the refrigerant vapor relaxation engine is convertible into electrical energy in the generator.
  • Solar energy is not used to provide room heat using a solar system, but according to the invention to increase the temperature of a medium that transfers its heat to the refrigerant. For heat transfer from the medium in the
  • Solar system to the refrigerant is preferably applied to a heat exchanger.
  • Refrigerant compressor preferably sit on a common shaft, so that the kinetic energy of the refrigerant vapor relaxation engine can be used in addition to the power generation and the compression of the refrigerant.
  • a method for providing heating energy in which refrigerant is introduced into a probe located in the ground and receives geothermal heat, at least partially evaporated and fed to a condenser, where it condenses under heat release at least partially.
  • the required pressure for performing forced circulation evaporation of the refrigerant in the probe is generated by a first liquid jet pump disposed at the head of the probe, and refrigerant condensate is used as the blowing agent for the first liquid jet pump.
  • the refrigerant condensate comes from the same circuit at the head of the probe.
  • the first liquid jet pump is thus not located in the region of the probe, which is located at the lowest probe point in the ground, but is directly attached to the head of the probe or preferably located near the head outside the probe on the earth's surface.
  • Liquid column be provided more in the probe, whereby the preheating zone is reduced and the evaporation zone is increased. In addition, less refrigerant is circulating than is necessary in conventional systems.
  • Provision of heating energy can thus be advantageously realized by means of the device according to the invention for the provision of heat by removing heat from the ground or for the production of air by heat input into the ground.
  • the degree of evaporation of the two-phase mixture stream becomes
  • Refrigerant vapor and refrigerant liquid at the exit from the probe adjusted so that the liquid content is so large that a substantially complete wetting of the Inner surface of the probe is realized with liquid to the head of the probe.
  • the back pressure and the temperature of the refrigerant flow in the flow direction after the first liquid jet pump are advantageously controlled so that the refrigerant has at least 80% of the evaporation pressure and 80% of the evaporation temperature.
  • the method should be carried out such that the circulation amount of the refrigerant in the probe is adjusted by controlling the refrigerant mass flow such that up to 60% of the refrigerant is vaporized at the probe head.
  • the advantage of this process configuration lies in the good wetting of the probe inner wall with liquid to the probe head, due to the relatively high speed of the refrigerant-rich liquid phase at the probe inner wall and entrainment of the oil-rich liquid phase.
  • the regulation of the refrigerant mass flow can be realized by a diaphragm or a control valve behind the separator in dependence on the heat input into the refrigerant.
  • Coolant stream present rich oil fraction deposited in a separator.
  • the oil-rich portion is separated by internals in the separator due to gravity from the liquid refrigerant phase and fed back to the lubricating oil circuit of the compressor.
  • the lubricating oil component in the refrigerant can be treated in a single-circuit system.
  • a method for generating cooling energy or of air conditioning is also made available in which refrigerant is at least partially evaporated due to heat supply and is introduced into a probe located in the ground, wherein the refrigerant due to heat transfer to the soil at least partially condensed.
  • the refrigerant condensate is conveyed out of the probe by a second liquid jet pump arranged in the sump of the probe.
  • Liquid jet pump is supplemented.
  • the necessary pressure energy for the propellant for the second liquid jet pump for lifting the refrigerant condensate is generated by a arranged at the head of the probe feed pump.
  • a space-saving liquid jet pump is used, which also has the advantage of reducing the risk of fire or explosion, as in contrast to electrically operated pumps at
  • Liquid jet pumps no sparks occur or ignition processes take place.
  • the pump pumping the propellant does not necessarily have to be arranged directly on the probe, but only above the bottom of the probe, advantageously on the earth's surface.
  • propellant for the feed pump on the pressure side of the feed pump is preheated by means of a preheater, so that sets a degree of evaporation of the refrigerant of up to 10% at the head of the probe. Due to the partial evaporation of the refrigerant after the second
  • Liquid jet pump is achieved a reduction in the static pressure loss proportion of the liquid flowing to the probe head, whereby less flow rate of the feed pump for lifting the condenser is necessary.
  • the present invention has the particular advantage that only a refrigerant is used as a working fluid for the process for generating heat by heat extraction from the soil and for generating climate by heat introduction into the ground.
  • the technological conditions are created for complete wetting of the inner surface of the geothermal probe by forced circulation and partial evaporation of the refrigerant within the probe.
  • the use of lubricating oil-free refrigerant compressors is not required.
  • the geothermal probe is designed with a central tube and tubes inside the central tube and the liquid refrigerant such as butane, propane, ammonia or C0 2 by forced circulation in the annular gap between the jacket tube and the central tube of the probe upstream of the swamp Probe to the head of the probe is partially evaporated by heat absorption from the soil.
  • the liquid refrigerant such as butane, propane, ammonia or C0 2
  • Evaporation rate of the two-phase mixture at the outlet of the probe is on the
  • the required pressure energy for performing forced circulation evaporation of the refrigerant in the probe is generated by a first liquid jet pump installed at the head of the probe using the refrigerant condensate after the condenser as the driving liquid for the first liquid jet pump.
  • the liquid jet pump has the advantage of avoiding an explosion hazard, in particular when propane is used as the refrigerant.
  • the liquid jet pump can be operated energy-efficiently in the device according to the invention.
  • Liquid jet pump are controlled so that set after flowing through the annular space between the central tube and the first internally disposed tube to the sump of the probe at the outlet almost evaporating conditions for the refrigerant. This reduces the length of the preheating zone and the entire
  • Probe length is available as a heat transfer surface and thus as an evaporation zone for the evaporation process, thus increasing the efficiency of heat utilization.
  • the circulating amount of the refrigerant within the probe is adjusted by controlling or controlling the refrigerant mass flow to be sucked from the separator by means of a diaphragm or a control valve so that the mass flow is evaporated at the probe head up to about 60%. This measure ensures that a good
  • wetting the probe inner tube wall with liquid to the head of the probe can be guaranteed and entrained due to the increased speed of the liquid phase due to the higher form and the high evaporation rate of the refrigerant, the undissolved lubricating oil.
  • the oil-rich portion is separated in a sump downstream separator with internals by the action of gravity of the liquid refrigerant phase and fed back to the lubricating oil circuit of the compressor.
  • Refrigerant from the separator is sucked volume controlled by the liquid jet pump and raised to a higher pressure and together with the
  • Liquid jet pump for lifting the refrigerant condensate is generated by an existing at the head of the probe feed pump. A reduction of the required delivery rate of the feed pump for lifting the condensate by means of the second liquid jet pump should be achieved by preheating the
  • a further aspect for achieving the object with regard to the realization of an efficient mode of operation of the method according to the invention and the possibility of generating electrical energy is according to the invention a method for the production of
  • Refrigerant vapor relaxation motor is supplied, where the refrigerant vapor is released, thereby releasing kinetic energy in the refrigerant vapor relaxation motor.
  • the temperature of the refrigerant is determined by hot water, which by means of a
  • Solar collector was heated, increased, preferably in a heat exchanger.
  • the refrigerant vapor relaxation engine can be a turbine or a
  • Steam expansion power plant is coupled with solar system and the connection of the two processes, carried out by a steam release engine-vapor compressor unit.
  • the aggregate used is preferably a reciprocating compressor-expansion unit.
  • the refrigerant vapor compressor and refrigerant expansion motor are arranged on a common shaft and form a compact unit.
  • To operate the Dampfentwoodskrafttechniksstrom is used as a heat source, the sun and the condensation of the exhaust steam, the soil as a condenser.
  • a natural refrigerant or a chlorine-free HFC refrigerant is used as a working medium.
  • a further aspect of the invention is a method for generating electrical energy, in which the method according to the invention for generating kinetic energy is carried out, wherein a generator for generating electric energy is connected to or includes the refrigerant vapor relaxation motor, so that the in
  • Refrigerant vapor relaxation motor generated kinetic energy in the generator in
  • the method according to the invention for generating refrigeration energy in turn can be carried out using the method for generating kinetic energy, wherein a refrigerant compressor for increasing the pressure in the refrigerant is driven by the refrigerant vapor relaxation motor.
  • Refrigerant vapor relaxation engine is used directly and without conversion to drive the compressor.
  • the refrigerant vapor relaxation engine and the compressor are coupled to a common shaft, optionally with the interposition of a transmission.
  • a reciprocating compressor-expansion unit is used, wherein the refrigerant compressor and the
  • Refrigerant vapor engine as a compact unit and are arranged together on a crankshaft and wherein at least one cylinder as a refrigerant compressor and a cylinder as a refrigerant vapor expansion unit operates and the cylinders are each switched on and off.
  • FIG 1 schematically a device for providing heat by heat removal from the ground or for the production of air by
  • Figure 2 shows the device according to Figure 1, which is extended by a heat-cooling-power-coupling plant for generating heating heat, cooling energy and electricity.
  • shut-off valves 14, 15, 16, 17 and 18 must be opened and the
  • the partially vaporized refrigerant mixture after the reboiler 9 is introduced into the upper part of the separator 5 and separated the liquid phase from the vapor phase due to gravity.
  • the vapor phase flows to the suction side of the refrigerant compressor 6.
  • the liquid phase and the undissolved lubricating oil and the oil-rich portion are introduced into the lower part of the separator 5 and due to the density difference, the two streams are separated by the internals in the separator.
  • the oil-rich portion is returned to the lubricating oil circuit of the compressor 6.
  • the refrigerant rich phase is through the aperture 35
  • the refrigerant condensate after the condenser 8 flows through the pipe space of the reboiler 9 with heat release and is set by the differential pressure control 26 to a required pre-pressure for the downstream liquid jet pump 3.
  • the height of the form is adjusted so that the pressure after the liquid jet pump 3 is so great that the pressure losses of the two-phase flow of the two-phase mixture in the annular space between the central tube 13 and inner tube 13.1 of the probe are overcome.
  • the temperature required for the process of the liquid mixture after the first liquid jet pump 3 is effected by the temperature control 27.
  • the liquid mixture of refrigerant and lubricating oil is introduced into the annular space between the central tube 13 and inner tube 13.1 and conveyed to the sump of the probe and then flows into the annulus between
  • Two-phase mixture has an evaporation degree of about 60 at the head of the probe
  • Mass% is in the jacket space of the reboiler 9 with heat absorption from the sufficiently warm condensate further evaporated and then in the
  • the vaporous phase of the refrigerant is sucked in by the compressor 6 and compressed to the desired condensation pressure.
  • the compressed refrigerant vapor is then passed into the shell space of the intercooler 7 and cooled with heat release to about condensation temperature.
  • Refrigerant vapor is introduced into the lubricating oil separator 1 1 and almost freed from the dissolved lubricating oil content in the refrigerant vapor and then condensed in the condenser 8 with heat release.
  • the condensate then flows to the tube space of the reboiler 9 and is cooled.
  • Lubricating oil separator 1 1 is returned to the lubricating oil circuit of the compressor 6.
  • tubes of the probe smooth tubes made of steel or PE plastic pipes are preferably used.
  • shut-off valves 14, 15, 16, 17 and 18 must be closed and the shut-off valves 19, 20, 21, 22, 23, 24 and 25 must be opened.
  • the compressed refrigerant vapor after the refrigerant compressor 6 flows through the jacket space of the intercooler 7 without heat release and is in the
  • Lube oil separator 1 1 passed. In the lubricating oil separator 1 1 there is a separation of the dissolved lubricating oil content from the refrigerant vapor. The lubricating oil content is returned to the lubricating oil system of the compressor 6. The compressed refrigerant vapor flows through the shut-off valve 21 and heat release the jacket space of the preheater 1 1 and is then introduced directly into the probe and condensed by heat to the soil on the inner wall of the probe and flows as a condensate film to the sump of the probe. In the bottom of the probe, the refrigerant condensate from the first
  • Liquid jet pump 2 sucked, lifted to a higher pressure level and then promoted through the annular gap between the pipe 13.1 and pipe 13.2 to the head of the probe and introduced into the separator 5. The lifting of the
  • Driving fluid quantity is generated by the feed pump 4.
  • the feed pump 4 sucks from the separator 5 to the required amount of propellant fluid and promotes the
  • the device for refrigeration includes for this purpose
  • Refrigerant compressor 6.1 a refrigerant vapor pressure motor 6.2, a generator 6.3 and a solar system 8.1 for generating hot water.
  • shut-off valves 14, 15, 17, 18, 20, 22, 23 and 25.2 must be closed and the shut-off valves 16, 19, 21, 24, 25, 25.1 and 25.3 must be opened.
  • Liquid refrigerant is sucked by the pump 4 from the separator 5 and pressed to a higher pressure level.
  • the flow On the pressure side of the pump 4, the flow is divided into two streams. The one partial flow flows through heat absorption, the jacket space of the heat exchanger 8 and is completely evaporated and superheated and then flows to the refrigerant vapor expansion engine 6.2, where the refrigerant vapor is discharged to a lower pressure level and thus the motor 6.2 drives, which in turn drives the generator 6.3.
  • the electricity generated is in the
  • the evaporation pressure in the evaporator or heat exchanger 8 is determined by the
  • Pressure control 28.1 and the expansion pressure is set by the pressure control 31.
  • the heat energy required for the evaporation of the refrigerant is provided by the use of solar energy by means of the solar system 8.1 by generating hot water. The hot water flows through the heat released the tube space of the
  • the other refrigerant partial flow amount is called Schmidt calculkeitsstrom for the
  • Liquid jet pump 2 used.
  • the condensed refrigerant quantity is sucked in the bottom of the probe with the aid of the liquid jet pump 2 and conveyed to the head of the probe in the separator 5, where a separation of the vapor phase from the liquid phase.
  • the vapor phase flows to
  • a refrigerant pump may be arranged.
  • the direct evaporator probe can be used as a vertical geothermal probe or as horizontal
  • Geothermal collectors be executed. It can comprise longitudinally ribbed and / or studded tubes.
  • the ribs and pins have a height on the outside
  • Tube wall which is at least 1/10 of the tube outer diameter.
  • the device according to the invention has a high degree of flexibility, which improves the economic efficiency of the system.
  • Figure 2 it can be seen that according to the invention, only one system for the generation of heat, cold, kinetic energy and electrical energy is used, which is also a high efficiency of the system is given.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bereitstellung von Heizwärme durch Wärmeentzug aus dem Erdreich oder zur Erzeugung von Klimakälte durch Wärmeeintrag in das Erdreich, umfassend wenigstens eine Sonde zur Einbringung ins Erdreich, die von einem Kältemittel zur Aufnahme oder Abgabe von Wärme aus dem Erdreich oder ans Erdreich durchströmbar ist, einen Kältemittelkondensator (8) zur zumindest teilweisen Kondensation des in der Sonde zumindest teilweise verdampfen Kältemittels und Ableitung der Erdwärme aus dem Kältemittel, und einen Kältemittelverdampfer (10) zum zumindest teilweisen Verdampfen von Kältemittel durch Eintrag von Umgebungswärme in das Kältemittel. Erfindungsgemäß weist die Einrichtung zur Bereitstellung von Heizwärme durch Wärmeentzug aus dem Erdreich oder zur Erzeugung von Klimakälte eine zwischen Kältemittelkondensator (8) und Kopf der Sonde angeordnete erste Flüssigkeitsstrahlpumpe (3) zur Einleitung von kondensiertem Kältemittel in die Sonde, und eine zwischen dem Sumpf der Sonde und Kältemittelverdampfer (10) angeordnete zweite Flüssigkeitsstrahlpumpe (2) zur Herausleitung von kondensiertem Kältemittel aus der Sonde auf. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung von Heizenergie und ein Verfahren zur Erzeugung von Kälteenergie. Außerdem umfasst die Erfindung eine Einrichtung zur Bereitstellung von Elektroenergie sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Bewegungsenergie und/oder Elektroenergie.

Description

Einrichtung zur Bereitstellung von Heizwärme oder zur Erzeugung von Klimakälte und Einrichtung zur Bereitstellung von Elektroenergie, sowie Verfahren zur Bereitstellung von Heizenergie, Verfahren zur Erzeugung von Kälteenergie und Verfahren zur Erzeugung von Bewegungsenergie und/oder Elektroenergie
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bereitstellung von Heizwärme durch
Wärmeentzug aus dem Erdreich oder zur Erzeugung von Klimakälte durch Wärmeeintrag in das Erdreich, umfassend wenigstens eine Sonde zur Einbringung ins Erdreich, die von einem Kältemittel zur Aufnahme oder Abgabe von Wärme ans Erdreich durchströmbar ist und einen Kältemittelkondensator zur zumindest teilweisen Kondensation des in der Sonde zumindest teilweise verdampfenden Kältemittels und Ableitung der Erdwärme aus dem Kältemittel und einen Kältemittelverdampfer zum zumindest teilweisen Verdampfen von Kältemittel durch Eintrag von Umgebungswärme in das Kältemittel.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Bereitstellung von Elektroenergie, die eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Bereitstellung von Heizwärme oder zur
Erzeugung von Klimakälte umfasst.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung von Heizenergie, bei dem Kältemittel in eine im Erdreich befindliche Sonde eingeleitet wird und Erdwärme aufnimmt, zumindest teilweise verdampft und einem Kondensator zugeführt wird, wo es unter
Wärmeabgabe zumindest teilweise kondensiert; und ein Verfahren zur Erzeugung von Kälteenergie, bei dem Wärme einem Kältemittel zugeführt wird und das Kältemittel zumindest teilweise verdampft wird und in eine im Erdreich befindliche Sonde geleitet wird, wobei die Wärme des Kältemittels zumindest teilweise in das Erdreich eingetragen wird und das Kältemittel zumindest teilweise kondensiert.
Ergänzt wird die Erfindung durch ein Verfahren zur Erzeugung von Bewegungsenergie und ein Verfahren zur Erzeugung von Elektroenergie.
Stand der Technik
Für die Gewinnung von Erdwärme aus dem Erdreich werden Erdwärmesonden eingesetzt, die in Erd-Bohrungen eingebaut werden. Bei Erdwärmesonden mit Zirkulationspumpen wird ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch über ein in der Sonde befindliches Leitungssystem umgepumpt. Durch Wärmeaufnahme aus dem Erdreich erwärmt sich das Gemisch. Diese Wärmeenergie wird mit Hilfe eines Wärmetauschers, welcher am Kopf der Sonde angeordnet ist, an das Arbeitsmittel der nachgeschalteten Kompressionswärmepumpenanlage übertragen. Nachteilig ist dabei, dass bei als Zweikreisprozessanlagen ausgeführten Wärmepumpenanlagen zwei verschiedene Kältemittel mit unterschiedlichen Stoffeigenschaften erforderlich sind.
Der Nachteil dieser Verfahrenstechnologie besteht darin, dass der Entzug der Erdwärme nur durch einen Flüssigkeitsstrom erfolgt, ohne dass eine Teilverdampfung der Flüssigkeit einsetzt. Dadurch ist eine größere Umlaufmenge an Flüssigkeit für die Erdwärmenutzung erforderlich.
Bei einer Erdwärmesonde mit Phasenwechsel wird in das Bohrloch ebenfalls ein
Rohrsystem eingebracht, wie es z.B. in EP 1 194 723 B1 offenbart ist.
Die Anlage arbeitet im sogenannten Direktdampf-Verfahren, in dem ein Kältemittel, wie z. B. Ammoniak, Propan, Butan oder Kohlendioxid als flüssiges Kältemittel in ein Stahlrohr, welches in das Bohrloch eingeführt ist, injiziert wird. Aufgrund der Erdwärme, die auf den Rohrmantel einwirkt, verdampft das Kältemittel und entzieht dabei dem Erdreich
thermische Energie. Der Kältemitteldampf strömt im Gegenstrom zur Flüssigkeit im
Zentrum der Sonde zum Kopf der Sonde und wird mittels eines nachgeschalteten
Wärmetauschers kondensiert und als Rieselfilm an die Innenwand der Sonde wieder aufgegeben. Die erforderliche Kühlenergie zur Kondensation des Kältemitteldampfes aus der Sonde im als Kondensator fungierenden Wärmetauscher wird durch eine
nachgeschaltete Kompressionswärmepumpe geliefert.
Voraussetzung für einen guten Erdwärmeentzug entlang der Sonde ist eine vollständige Benetzung der Innenoberfläche mit Flüssigkeit vom Kopf bis zum Sumpf der Sonde. Auf Grund der Berieselung der Innenwand der Sonde kann eine vollständige Benetzung der Innenoberfläche nur erreicht werden, wenn die Sonde einen vertikalen Verlauf hat.
Der Nachteil dieser Verfahrenstechnologie besteht darin, dass die Ausführung einer vertikalen Bohrung für eine Erdwärmesonde auf Grund von unterschiedlich harten
Bodenschichten technisch nur mit einem unverhältnismäßigen Kostenaufwand realisierbar ist. Es ist somit davon auszugehen, dass eine ausgeführte Erdwärmesonde keinen vertikalen Verlauf vom Kopf bis zum Sumpf der Sonde hat und somit keine vollständige Benetzung der Innenoberfläche garantiert werden kann. Eine weitere technologische Variante zur Nutzung der Erdwärme als Energiequelle besteht darin, die Erdwärmesonde mit einem innen angeordneten Zentralrohr auszuführen und das Verfahrensprinzip eines Naturumlaufverdampfers anzuwenden. In das Zentralrohr wird das aus dem Kondensator kommende unterkühlte Kältemittelkondensat eingeleitet und strömt unter der Einwirkung der Schwerkraft zum Sumpf der Erdwärmesonde und anschließend in den Ringraum der Sonde. In der Vorwärmzone am Sumpf der Sonde wird durch
Wärmeentzug aus dem Erdreich das unterkühlte Kältemittelkondensat bis auf
Siedetemperatur, bezogen auf den sich eingestellten Systemdruck, vorgewärmt und anschließend in der Verdampfungszone teilverdampft. Das Zweiphasengemisch strömt anschließend unter Wärmeaufnahme aus dem Erdreich wieder zum Kopf der Sonde. Für den Umlauf des Zweiphasengemisches im Ringraum im Sumpf der Sonde ist ein bestimmter Vordruck erforderlich. Dieser Vordruck wird dadurch erreicht, dass eine Flüssigkeitssäule im Zentralrohr angestaut wird. Die Umlaufmenge und somit der Endverdampfungsgrad am Kopf der Sonde ist abhängig von der Höhe der angestauten Flüssigkeitssäule im
Zentralrohr. Bei einer Erdwärmesonde mit einer Länge > 100 m ergibt sich somit ein hoher Systemdruck am Sumpf der Sonde, wodurch die Vorwärmzone sich vergrößert und die anschließende Verdampfungszone verkleinert, so dass weniger Sondenoberfläche zum Wärmeeintrag für die eigentliche Verdampfung zur Verfügung steht.
Der Nachteil dieser Technologie besteht darin, dass zum Erreichen der notwendigen Flüssigkeitsstauhöhe im Zentralrohr eine größere Menge an Kältemittel in die Sonde eingebracht werden muss und das System ein sehr träges Steuerungsverhalten aufweist.
Ein weiterer Nachteil bei allen aufgeführten technologischen Varianten besteht darin, dass bei allen technologischen Prozessen nur Heizwärme erzeugt werden kann und somit die Betriebsdauer der Anlagen auf ca. 1800 Stunden pro Jahr begrenzt ist.
Außerdem sind bei Wärmepumpenanlagen, ausgeführt als Zweikreisprozessanlagen, zwei verschiedene Kältemittel mit unterschiedlichen Stoffeigenschaften erforderlich.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung zur Bereitstellung von Heizwärme durch Wärmeentzug aus dem Erdreich oder zur Erzeugung von Klimakälte durch Wärmeeintrag in das Erdreich sowie ein Verfahren zur Bereitstellung von Heizenergie und ein Verfahren zur Erzeugung von Kälteenergie zur Verfügung zu stellen, mittels derer die Wärmeentzugsleistung in einer Direktverdampfer-Erdwärmesonde verbessert werden kann und die Wirtschaftlichkeit einer Kompressionswärmepumpenanlage mit
Direktverdampfersonde erhöht werden kann. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Realisierung einer effizienten Betriebsweise der erfindungsgemäßen Verfahren sowie die Möglichkeit der Erzeugung von elektrischer Energie. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Einrichtung zur Bereitstellung von Heizwärme durch Wärmeentzug aus dem Erdreich oder zur Erzeugung von Klimakälte durch
Wärmeeintrag in das Erdreich nach Anspruch 1 , durch die Einrichtung zur Bereitstellung von Elektroenergie nach Anspruch 6, sowie durch das Verfahren zur Bereitstellung von
Heizenergie nach Anspruch 7 und durch das Verfahren zur Erzeugung von Kälteenergie nach Anspruch 1 1 gelöst. Weitere Lösungen der Aufgabe stellen das Verfahren zur
Erzeugung von Bewegungsenergie nach Anspruch 13 sowie das Verfahren zur Erzeugung von Elektroenergie dar. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird eine Einrichtung zur Bereitstellung von Heizwärme durch
Wärmeentzug aus dem Erdreich oder zur Erzeugung von Klimakälte durch Wärmeeintrag in das Erdreich zur Verfügung gestellt, welche wenigstens eine Sonde zur Einbringung ins Erdreich umfasst, die von einem Kältemittel zur Aufnahme oder Abgabe von Wärme aus dem Erdreich bzw. ans Erdreich durchströmbar ist, und weiterhin einen Kältemittelkondensator zur zumindest teilweisen Kondensation des in der Sonde zumindest teilweise verdampften Kältemittels und Ableitung der Erdwärme aus dem Kältemittel, und einen Kältemittelverdampfer zum zumindest teilweisen Verdampfen von Kältemittel durch Eintrag von Umgebungswärme in das Kältemittel umfasst. Erfindungsgemäß weist die Einrichtung eine zwischen dem Kältemittelkondensator und Kopf der Sonde angeordnete erste
Flüssigkeitsstrahlpumpe zur Einleitung von kondensiertem Kältemittel in die Sonde und eine zwischen dem Sumpf der Sonde und dem Kältemittelverdampfer angeordnete zweite Flüssigkeitsstrahlpumpe zur Herausleitung von kondensiertem Kältemittel aus der Sonde auf. Mit dem Kopf der Sonde ist im Wesentlichen das obere Ende der Sonde gemeint, welches entweder aus dem Erdreich herausragt oder am dichtesten zur Erdoberfläche bei Einbringung der Sonde in die Erde angeordnet ist. Der Sumpf der Sonde ist das untere Ende, in welchem sich üblicherweise Kondensat sammelt. Die erste Flüssigkeitsstrahlpumpe ist mit dem Kühlmittelkondensator und dem Kopf der Sonde fluidtechnisch verbunden zwecks Leitung des Kühlmittels vom Kondensator zum Kopf der Sonde und Einleitung des Kältemittels in die Sonde. Die zweite Flüssigkeitsstrahlpumpe ist mit dem Sumpf der Sonde fluidtechnisch verbunden zwecks Leitung des flüssigen Kältemittels vom Sumpf der Sonde über den Kopf der Sonde aus der Sonde heraus zum Verdampfer. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht insbesondere darin, dass durch die Anordnung der ersten Flüssigkeitsstrahlpumpe keine Flüssigkeitssäule mehr in der Sonde vorhanden sein muss, um die notwendigen Druckverhältnisse in der Sonde aufzubauen. Demzufolge kann die Vorwärmzone verkleinert und die Verdampfungszone vergrößert werden, was sich effizienzsteigernd auswirkt. Zudem muss weniger Kältemittelvolumen zur Verfügung gestellt werden. Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ist die Wärme der Erde ausnutzbar oder Klimakälte erzeugbar, so dass die erfindungsgemäße Einrichtung ganzjährig für beide Zwecke eingesetzt werden kann, ohne dass das Kältemittel ausgetauscht werden muss. Durch die Mehrfunktionalität der erfindungsgemäßen Einrichtung werden somit Herstellungsund Betriebskosten zur Erzeugung von Heizenergie oder Klimakälte gesenkt. Die
erfindungsgemäße Einrichtung ist zudem aufgrund der geringeren Menge an Kältemittel im Umlauf schnell und einfach steuerbar.
Vorteilhafterweise umfasst die Sonde wenigstens einen Strömungskanal zur Realisierung eines Kältemittel-Flüssigkeitsstromes vom Kopf der Sonde zum Fuß der Sonde, wenigstens einen Strömungskanal zur Realisierung eines Kältemittel-Gasstromes vom Sumpf der Sonde zum Kopf der Sonde, wenigstens einen Strömungskanal zur Realisierung eines Kältemittel- Gasstromes vom Kopf der Sonde zum Sumpf der Sonde, sowie wenigstens einen
Strömungskanal zur Realisierung eines Kältemittel-Flüssigkeitsstromes vom Sumpf der Sonde zum Kopf der Sonde. Der Strömungskanal zur Realisierung eines Kältemittel- Flüssigkeitsstromes vom Kopf der Sonde zum Sumpf der Sonde dient zur Einleitung von zumindest teilweise kondensiertem Kältemittel in die Sonde zwecks Wärmeaufnahme. Der Strömungskanal zur Realisierung eines Kältemittel-Gasstromes vom Sumpf der Sonde zum Kopf der Sonde dient zur Herausleitung von zumindest teilweise verdampftem Kältemittel mit höherer Temperatur zwecks Zuführung zum Kondensator und Ausnutzung der
Wärmeenergie. Der Strömungskanal zur Realisierung eines Kältemittel-Gasstromes vom Kopf der Sonde zum Sumpf der Sonde dient zur Einleitung vom relativ warmen Kältemittel- Dampf zwecks Einleitung der Wärme des Dampfes in das Erdreich und Abfuhr der Wärme aus der Umgebung der Sonde über der Erde, wie zum Beispiel aus einem Gebäude, und somit zur Herstellung von Klimakälte. Der Strömungskanal zur Realisierung eines
Kältemittel-Flüssigkeitsstromes vom Sumpf der Sonde zum Kopf der Sonde dient zum Herausleiten des zumindest teilweise kondensierten Kältemittels zwecks erneuter
Wärmeaufnahme über dem Erdreich.
Es ist dabei bevorzugt vorgesehen, dass die Einrichtung eine Förderpumpe aufweist, mit der ein Überdruck in einer Treibflüssigkeit für die zweite Flüssigkeitsstrahlpumpe erzeugbar ist. Die Förderpumpe ist dabei vorteilhafterweise außerhalb der Sonde und in der Nähe des Sondenkopfes angeordnet und dient zum Heben des Kondensats durch Aufbringung des notwendigen Drucks für die Treibflüssigkeit für die zweite Flüssigkeitsstrahlpumpe.
Außerdem ist die erfindungsgemäße Einrichtung dann vorteilhaft ausgestaltet, wenn sie einen Vorwärmer zur Vorwärmung der Treibflüssigkeitsmenge für die zweite
Flüssigkeitsstrahlpumpe aufweist. In diesem Vorwärmer erfolgt eine Vorwärmung der Treibflüssigkeitsmenge, so dass eine Teilverdampfung von maximal 10 Massen-% des geförderten, in Richtung des Kopfes der Sonde strömenden Gesamtflüssigkeitsstromes stattfindet. Die Förderpumpe muss dementsprechend weniger Leistung zur Erzeugung des Treibmittelstromes für die zweite Flüssigkeitsstrahlpumpe aufbringen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Einrichtung einen Nachverdampfer zum Nachverdampfen eines Zwei-Phasen-Kältemittels aus der Sonde aufweist. Mit dem Nachverdampfer erfolgt eine weitere Erhitzung des
Kältemittels, welches bereits erwärmt aus der Sonde strömt, zwecks Einleitung in einen Abscheider zum Abscheiden der flüssigen Phase des Kältemittels und Schmieröls. Die dem Kältemittel im Nachverdampfer zugeführte Wärme wird dem Kältemittel entnommen, welches vom Kondensator wieder zur Sonde geleitet wird.
Zwecks Abscheidung der ölreichen Flüssigkeitsphase im Bereich der Mischungslücke von der kältemittelreichen Flüssigkeitsphase umfasst die erfindungsgemäße Einrichtung vorteilhafterweise einen Abscheider, der vorzugsweise zu diesem Zweck Einbauten aufweist. Außerdem dient der Abscheider zum Trennen der flüssigen von der gasförmigen Phase des Kältemittelgemischs.
Die erfindungsgemäße Einrichtung kann derart ausgestaltet sein, dass am Kopf der Sonde eine Dampfstrahlpumpe vorgesehen ist um bei der Kälteerzeugung zur Evakuierung des Saugkanals als Vorpumpe für die nachgeschaltete Förderpumpe zur Förderung des kondensierten Kältemittels aus dem Sumpf der Sonde in den Abscheider eingesetzt zu werden. Außerdem kann sie eingesetzt werden zum Heben des flüssigen Kältemittels aus dem Sumpf der Sonde in einen Ansaugbehälter, wobei die nachgeschaltete Förderpumpe das Kältemittel aus dem Ansaugbehälter ansaugt und in den Abscheider fördert. Als
Treibstrahl für die Dampfstrahlpumpe kann der zu kondensierende, verdichtete
Kältemitteldampf eingesetzt werden.
Bei der bisher vorgestellten erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung von Kälteenergie ist elektrische Antriebsenergie für den Kältemittelverdichter erforderlich.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Einrichtung zur Bereitstellung von Elektroenergie, umfassend wenigstens eine Einrichtung zur Bereitstellung von Heizwärme oder zur
Erzeugung von Klimakälte, wobei die Einrichtung zur Bereitstellung von Elektroenergie weiterhin wenigstens eine Pumpe zur Verdichtung des Kältemittels, eine Solaranlage sowie wenigstens einen Kältemitteldampfentspannungsmotor und einen daran angeschlossenen Generator umfasst und die Solaranlage derart eingerichtet ist, dass mit ihr ein Medium erwärmbar ist, dessen Wärme auf das Kältemittel übertragbar ist, so dass dieses im dampfförmigen Zustand und mit erhöhter Temperatur dem
Kältemitteldampfentspannungsmotor zuführbar ist und dieser derart eingerichtet ist, dass er durch Entspannung des Kältemittels auf ein niedrigeres Druckniveau antreibbar ist, wobei die Bewegungsenergie des Kältemitteldampfentspannungsmotors in elektrische Energie im Generator umwandelbar ist.
Sonnenenergie wird nicht zur Bereitstellung von Raumwärme mit Hilfe einer Solaranlage genutzt, sondern erfindungsgemäß zur Erhöhung der Temperatur eines Mediums, das seine Wärme auf das Kältemittel überträgt. Zur Wärmeübertragung vom Medium in der
Solaranlage auf das Kältemittel wird bevorzugt ein Wärmeübertrager angewendet. Der Kältemitteldampfentspannungsmotors und ein Kältemittelverdichter bzw.
Kältemittelkompressor sitzen dabei bevorzugt auf einer gemeinsamen Welle, so dass die Bewegungsenergie des Kältemitteldampfentspannungsmotors unmittelbar neben der Stromerzeugung auch zur Verdichtung des Kältemittels genutzt werden kann.
Zur Lösung der Aufgabe wird außerdem ein Verfahren zur Bereitstellung von Heizenergie zur Verfügung gestellt, bei dem Kältemittel in eine im Erdreich befindliche Sonde eingeleitet wird und Erdwärme aufnimmt, zumindest teilweise verdampft und einem Kondensator zugeführt wird, wo es unter Wärmeabgabe zumindest teilweise kondensiert. Erfindungsgemäß wird der erforderliche Druck zur Durchführung einer Zwangsumlaufverdampfung des Kältemittels in der Sonde durch eine am Kopf der Sonde angeordnete erste Flüssigkeitsstrahlpumpe erzeugt und als Treibmittel für die erste Flüssigkeitsstrahlpumpe Kältemittelkondensat verwendet. Das Kältemittelkondensat stammt aus demselben Kreislauf am Kopf der Sonde. Die erste Flüssigkeitsstrahlpumpe ist somit nicht in dem Bereich der Sonde angeordnet, welcher sich am tiefsten Sondenpunkt im Erdreich befindet, sondern ist am Kopf der Sonde direkt befestigt oder bevorzugt in Kopfnähe außerhalb der Sonde auf der Erdoberfläche angeordnet. Durch die Verwendung der ersten Flüssigkeitsstrahlpumpe muss keine
Flüssigkeitssäule mehr in der Sonde vorgesehen sein, wodurch die Vorwärmzone verkleinert und die Verdampfungszone vergrößert wird. Außerdem ist weniger Kältemittel im Umlauf als es bei herkömmlichen Anlagen notwendig ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zur
Bereitstellung von Heizenergie kann somit vorteilhafterweise mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Bereitstellung von Heizwärme durch Wärmeentzug aus dem Erdreich oder zur Erzeugung von Klimakälte durch Wärmeeintrag in das Erdreich realisiert werden.
Vorteilhafterweise wird der Verdampfungsgrad des Zweiphasengemischstroms aus
Kältemitteldampf und Kältemittelflüssigkeit am Austritt aus der Sonde so eingestellt, dass der Flüssigkeitsanteil so groß ist, dass eine im Wesentlichen vollständige Benetzung der Innenoberfläche der Sonde mit Flüssigkeit bis zum Kopf der Sonde realisiert ist. Damit ist wenigstens über 80% der Länge der Sonde Wärme aus dem Erdreich in die Sonde bzw. in das flüssige Kältemittel in der Sonde eintragbar.
Der Gegendruck und die Temperatur des Kältemittelstroms in Strömungsrichtung nach der ersten Flüssigkeitsstrahlpumpe werden vorteilhafterweise so geregelt, dass das Kältemittel wenigstens 80% des Verdampfungsdruckes und 80% der Verdampfungstemperatur aufweist.
Alternativ oder hinzukommend sollte das Verfahren derart ausgeführt werden, dass die Umlaufmenge des Kältemittels in der Sonde durch Regelung des Kältemittelmassenstroms derart eingestellt wird, dass am Sondenkopf bis zu 60% des Kältemittels verdampft ist. Der Vorteil dieser Verfahrensausgestaltung liegt in der guten Benetzung der Sondeninnenwand mit Flüssigkeit bis zum Sondenkopf, bedingt durch die relativ hohe Geschwindigkeit der kältemittelreichen Flüssigkeitsphase an der Sondeninnenwand und Mitreißen der ölreichen Flüssigkeitsphase. Die Regelung des Kältemittelmassenstroms kann durch eine Blende oder ein Regelventil hinter dem Abscheider in Abhängigkeit vom Wärmeeintrag ins Kältemittel realisiert werden.
Vorteilhafterweise wird der in der flüssigen Phase des aus der Sonde kommenden
Kühlmittelstromes vorliegende ölreiche Anteil in einem Abscheider abgeschieden. Der ölreiche Anteil wird durch Einbauten im Abscheider aufgrund der Schwerkraft von der flüssigen Kältemittelphase getrennt und wieder dem Schmierölkreislauf des Verdichters zugeführt. Somit ist in einfacher Weise der Schmierölbestandteil im Kältemittel in einer Einkreis-Anlage behandelbar.
Zur Lösung der Aufgabe wird außerdem ein Verfahren zur Erzeugung von Kälteenergie bzw. von Klimakälte zur Verfügung gestellt, bei dem Kältemittel aufgrund von Wärmezuführung zumindest teilweise verdampft wird und in eine im Erdreich befindliche Sonde eingeleitet wird, wobei das Kältemittel aufgrund von Wärmeübertragung an das Erdreich zumindest teilweise kondensiert. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Kältemittel-Kondensat durch eine im Sumpf der Sonde angeordnete zweite Flüssigkeitsstrahlpumpe aus der Sonde herausgefördert wird. Es lässt sich zur Durchführung des Verfahrens zur Erzeugung von Kälteenergie zum größten Teil die Einrichtung zur Bereitstellung von Heizwärme verwenden und dasselbe Kältemittel, wobei die Einrichtung lediglich durch die zweite
Flüssigkeitsstrahlpumpe ergänzt wird.
Die notwendige Druckenergie für die Treibflüssigkeit für die zweite Flüssigkeitsstrahlpumpe zum Heben des Kältemittel-Kondensats wird durch eine am Kopf der Sonde angeordnete Förderpumpe erzeugt. In einfacher Weise ist somit der Fluidstrom aus dem Sumpf der Sonde auf die Erdoberfläche transportierbar, wobei eine platzsparende Flüssigkeitsstrahlpumpe eingesetzt wird, die zudem den Vorteil der Verminderung einer Brand- oder Explosionsgefahr aufweist, da im Gegensatz zu elektrisch betriebenen Pumpen bei
Flüssigkeitsstrahlpumpen keine Funken auftreten oder Zündprozesse stattfinden. Die die Treibflüssigkeit pumpende Förderpumpe muss dabei nicht unbedingt direkt an der Sonde angeordnet sein, sondern lediglich oberhalb des Sumpfes der Sonde, vorteilhafterweise auf der Erdoberfläche.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass Treibflüssigkeit für die Förderpumpe auf der Druckseite der Förderpumpe mittels eines Vorwärmers vorgewärmt wird, so dass sich ein Verdampfungsgrad des Kältemittels von bis zu 10% am Kopf der Sonde einstellt. Durch die Teilverdampfung des Kältemittels nach der zweiten
Flüssigkeitsstrahlpumpe wird eine Reduzierung des statischen Druckverlustanteils der zum Sondenkopf strömenden Flüssigkeitsmenge erreicht, wodurch weniger Förderleistung der Förderpumpe zum Heben des Kondensators notwendig ist.
Auch das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Kälteenergie lässt sich vorteilhafterweise durch die erfindungsgemäße Einrichtung zur Bereitstellung von
Heizwärme durch Wärmeentzug aus dem Erdreich oder zur Erzeugung von Klimakälte durch Wärmeeintrag in das Erdreich realisieren.
Die vorliegende Erfindung hat insbesondere den Vorteil, dass nur noch ein Kältemittel als Arbeitsmittel für den Prozess zur Erzeugung von Heizwärme durch Wärmeentzug aus dem Erdreich und zur Erzeugung von Klimakälte durch Wärmeeinleitung in das Erdreich zum Einsatz kommt. Außerdem werden die technologischen Voraussetzungen geschaffen für eine vollständige Benetzung der Innenoberfläche der Erdwärmesonde durch Zwangsumlauf und Teilverdampfung des Kältemittels innerhalb der Sonde. Zudem ist der Einsatz von schmierölfreien Kältemittelverdichtern nicht erforderlich.
Insgesamt wird die Aufgabe also dadurch gelöst, dass die Erdwärmesonde mit einem Zentralrohr und im Zentralrohr innen angeordneten Rohren ausgeführt wird und das flüssige Kältemittel wie z.B. Butan, Propan, Ammoniak oder C02 durch Zwangsumlauf im Ringspalt zwischen Mantelrohr und Zentralrohr der Sonde stromaufwärts vom Sumpf der Sonde zum Kopf der Sonde durch Wärmeaufnahme aus dem Erdreich teilverdampft wird. Der
Verdampfungsgrad des Zweiphasengemisches am Austritt der Sonde wird über den
Vordruck an der ersten Flüssigkeitsstrahlpumpe so eingestellt, dass der Flüssigkeitsanteil so groß ist, dass eine vollständige Benetzung der Innenoberfläche der Sonde mit Flüssigkeit bis zum Kopf vorhanden ist. Das heißt, die erforderliche Druckenergie zur Durchführung einer Zwangsumlaufverdampfung des Kältemittels in der Sonde wird durch eine am Kopf der Sonde installierte erste Flüssigkeitsstrahlpumpe erzeugt, wobei als Treibflüssigkeit für die erste Flüssigkeitsstrahlpumpe das Kältemittelkondensat nach dem Kondensator eingesetzt wird.
Bei einer Direktverdampfersonde mit Rieselfilm ist der Einsatz der ersten
Flüssigkeitsstrahlpumpe nicht erforderlich.
Die Flüssigkeitsstrahlpumpe hat im Gegensatz zu elektrisch angetriebenen Pumpen den Vorteil der Vermeidung einer Explosionsgefahr, insbesondere bei Einsatz von Propan als Kältemittel. Außerdem lässt sich die Flüssigkeitsstrahlpumpe energieeffizient in der erfindungsgemäßen Einrichtung betreiben.
Der Vordruck und die Temperatur der Treibflüssigkeit vor der ersten
Flüssigkeitsstrahlpumpe werden so geregelt, dass sich nach dem Durchströmen des Ringraumes zwischen dem Zentralrohr und dem ersten innen angeordnetem Rohr zum Sumpf der Sonde am Austritt nahezu Verdampfungsbedingungen für das Kältemittel einstellen. Dadurch reduziert sich die Länge der Vorwärmzone und die gesamte
Sondenlänge steht als Wärmeübertragungsfläche und somit als Verdampfungszone für den Verdampfungsprozess zur Verfügung, womit die Effizienz der Wärmenutzung gesteigert wird. Die Umlaufmenge des Kältemittels innerhalb der Sonde wird durch eine Regelung oder Steuerung des anzusaugenden Kältemittelmassenstromes aus dem Abscheider mittels einer Blende oder eines Regelventil so eingestellt, dass am Sondenkopf der Massenstrom bis zu ca. 60% verdampft ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass eine gute
Benetzung der Sondeninnenrohrwand mit Flüssigkeit bis zum Kopf der Sonde garantiert werden kann und infolge der erhöhten Geschwindigkeit der flüssigen Phase auf Grund des höheren Vordruckes und der hohen Verdampfungsrate des Kältemittels der ungelöste Schmierölanteil mitgerissen wird.
Der ölreiche Anteil wird in einem dem Sumpf nachgeschalteten Abscheider mit Einbauten durch Einwirkung der Schwerkraft von der flüssigen Kältemittelphase abgetrennt und wieder dem Schmierölkreislauf des Verdichters zugeführt. Die flüssige Phase des
Kältemittels aus dem Abscheider wird mengengeregelt von der Flüssigkeitsstrahlpumpe angesaugt und auf einen höheren Druck angehoben und gemeinsam mit der
Treibflüssigkeitsmenge in den Ringraum wieder eingeleitet. Die Abscheidung des gelösten Schmierölanteiles aus dem Kältemitteldampf erfolgt auf der Druckseite des Kältemittelverdichters nach erfolgter Kühlung des verdichteten Kältemitteldampfes. Der abgeschiedene Schmierölanteil wird ebenfalls dem Schmierölkreislauf zugeführt.
Bei der Erzeugung von Kälteenergie wird der verdichtete Kältemitteldampf nach erfolgter Unterkühlung, die jedoch noch nicht zur Verflüssigung führt, direkt in die Erdwärmesonde eingeleitet und kondensiert an der Rohrinnenwand der Sonde durch Wärmeabgabe an das Erdreich. Das Kondensat fließt zum Sumpf der Sonde. Das Heben des Kondensates erfolgt durch eine im Sumpf der Sonde installierte zweite Flüssigkeitsstrahlpumpe. Die Erzeugung der notwendigen Druckenergie für die Treibflüssigkeit für die zweite
Flüssigkeitsstrahlpumpe zum Heben des Kältemittelkondensates wird durch eine am Kopf der Sonde vorhandene Förderpumpe erzeugt. Eine Reduzierung der erforderlichen Förderleistung der Förderpumpe zum Heben des Kondensates mit Hilfe der zweiten Flüssigkeitsstrahlpumpe soll dadurch erreicht werden, dass eine Vorwärmung der
Treibflüssigkeitsmenge auf der Druckseite der Förderpumpe mittels nach dem Verdichter abgeleiteter Überhitzungswärme erfolgt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass eine Teilverdampfung der stromaufwärts strömenden Kältemittelkondensatmenge in der Förderleitung nach der zweiten Flüssigkeitsstrahlpumpe stattfindet. Die Vorwärmung wird so eingeregelt, dass der Verdampfungsgrad am Kopf der Sonde maximal 10% beträgt. Dadurch wird der statische Druckverlustanteil der stromaufwärts strömenden
Flüssigkeitsmenge innerhalb der Förderleitung reduziert und somit die notwendige
Förderleistung für die Förderpumpe zum Heben des Kondensates gesenkt.
Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe hinsichtlich der Realisierung einer effizienten Betriebsweise der erfindungsgemäßen Verfahren sowie der Möglichkeit der Erzeugung von elektrischer Energie ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Erzeugung von
Bewegungsenergie, insbesondere unter Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Kälteenergie, wobei mittels Solarenergie ein Kältemittel verdampft wird und dieses dampfförmige und unter einem Überdrucks stehende Kältemittel einem
Kältemitteldampfentspannungsmotor zugeführt wird, wo der Kältemitteldampf entspannt wird und dabei im Kältemitteldampfentspannungsmotor Bewegungsenergie freisetzt.
Die Temperatur des Kältemittels wird durch heißes Wasser, welches mittels eines
Solarkollektors erwärmt wurde, erhöht, vorzugsweise in einem Wärmetauscher.
Der Kältemitteldampfentspannungsmotor kann dabei eine Turbine oder auch eine
Kolbenmaschine sein, bei der der durchströmende und expandierende Dampf Turbinenrotor bzw. Kolben in Bewegung setzt. Die Bewegungsenergie der Motorkomponenten lässt sich wirtschaftlich nutzen. Erfindungsgemäß wird also ein Aspekt der Aufgabe dadurch gelöst, dass die Einkreiswärmepumpenanlage mit Erdwärmesonde mit einer
Dampfentspannungskraftwerksanlage mit Solaranlage gekoppelt wird und die Verbindung der beiden Prozesse, durch ein Dampfentspannungsmotor-Dampfkompressor-Aggregat erfolgt. Als Aggregat wird bevorzugt ein Hubkolben-Verdichter-Entspannungsaggregat eingesetzt. Der Kältemitteldampfkompressor und Kältemittelentspannungsmotor sind auf einer gemeinsamen Welle angeordnet und bilden eine kompakte Einheit. Zum Betreiben der Dampfentspannungskraftwerksanlage wird als Wärmequelle die Sonnenenergie und zur Kondensation des Abdampfes das Erdreich als Kondensator genutzt.
Vorteilhafterweise ist zum Betreiben der beiden Kreisprozesse nur ein Arbeitsmittel erforderlich und als Arbeitsmittel wird ein natürliches Kältemittel oder ein chlorfreies HFKW- Kältemittel eingesetzt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung von Elektroenergie, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Bewegungsenergie durchgeführt wird, wobei an den Kältemitteldampfentspannungsmotor ein Generator zur Erzeugung von Elektroenergie angeschlossen ist bzw. diesen umfasst, so dass die im
Kältemitteldampfentspannungsmotor erzeugte Bewegungsenergie im Generator in
Elektroenergie umgewandelt wird.
Das heißt, dass sich dadurch die Bewegungsenergie des
Kältemitteldampfentspannungsmotors wirtschaftlich nutzen lässt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Kälteenergie wiederum lässt sich unter Einsatz des Verfahrens zur Erzeugung von Bewegungsenergie durchführen, wobei ein Kältemittelverdichter zur Erhöhung des Drucks im Kältemittel mit dem Kältemitteldampf- entspannungsmotor angetrieben wird.
Das heißt, dass hier die mechanische Energie bzw. Bewegungsenergie des
Kältemitteldampfentspannungsmotors direkt und ohne Umwandlung zum Antrieb des Verdichters genutzt wird. Vorzugsweise sind der Kältemitteldampfentspannungsmotor und der Verdichter an eine gemeinsame Welle, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Getriebes, gekoppelt.
Das heißt, bei der Erzeugung von Kälteenergie erfolgt der Antrieb des Kältemittelverdichters direkt durch den Dampfentspannungsmotor und die überschüssige erzeugte mechanische Energie kann mit Hilfe des Generators in Strom für den Eigenbedarf umgewandelt werden. Insbesondere an sehr warmen Tagen, an denen Klimakältebedarf besteht, lässt sich somit ausreichend zur Verfügung stehende Solarenergie effizient zur Kälteerzeugung nutzen.
Bevorzugt wird als Kältemitteldampfentspannungsmotor ein Hubkolben-Verdichter- Entspannungsaggregat eingesetzt, wobei der Kältemittelkompressor und der
Kältemitteldampfmotor als kompakte Einheit und gemeinsam auf einer Kurbelwelle angeordnet sind und wobei wenigstens ein Zylinder als Kältemittelverdichter und ein Zylinder als Kältemitteldampfentspannungseinheit arbeitet und die Zylinder jeweils an- und abschaltbar sind.
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert.
Es zeigt dabei die Figur 1 schematisch eine Einrichtung zur Bereitstellung von Heizwärme durch Wärmeentzug aus dem Erdreich oder zur Erzeugung von Klimakälte durch
Wärmeeintrag in das Erdreich und damit das technologische Verfahren für eine Einkreis- Wärmepumpenanlage zur Erzeugung von Heizwärme und Klimakälte.
Figur 2 zeigt die Einrichtung gemäß Figur 1 , die um eine Wärme-Kälte-Kraft- Kopplungsanlage zur Erzeugung von Heizwärme, Kälteenergie und Strom erweitert ist.
Zunächst wird die Einrichtung anhand des Verfahrens zur Erzeugung von Heizenergie anhand Figur 1 erläutert.
Zur Erzeugung von Heizwärme müssen folgende Schaltvorgänge durchgeführt werden. Die Absperrarmaturen 14, 15, 16, 17 und 18 müssen geöffnet werden und die
Absperrarmaturen 19, 20, 21 , 22, 23, 24 und 25 geschlossen werden.
Das teilverdampfte Kältemittelgemisch nach dem Nachverdampfer 9 wird in den oberen Teil des Abscheiders 5 eingeleitet und die flüssige Phase von der dampfförmigen Phase auf Grund der Schwerkraft abgetrennt. Die Dampfphase strömt zur Saugseite des Kältemittelverdichters 6. Die Flüssigphase und der nicht gelöste Schmierölanteil und der ölreiche Anteil werden in den unteren Teil des Abscheiders 5 eingeleitet und infolge des Dichteunterschiedes werden die beiden Stoffströme durch die Einbauten im Abscheider voneinander getrennt. Der ölreiche Anteil wird wieder dem Schmierölkreislauf des Verdichters 6 zugeführt. Die kältemittelreiche Phase wird durch die Blende 35
mengengeregelt von der Treibflüssigkeit der ersten Flüssigkeitsstrahlpumpe 3 angesaugt und auf einen höheren Druck angehoben, wobei der Vordruck der Treibflüssigkeit sich reduziert. Als Treibflüssigkeit wird das Kältemittelkondensat mit Kondensationsdruck nach dem Kondensator 8 verwendet. Das Kältemittelkondensat nach dem Kondensator 8 durchströmt unter Wärmeabgabe den Rohrraum des Nachverdampfers 9 und wird durch die Differenzdruckregelung 26 auf einen erforderlichen Vordruck für die nachgeschaltete Flüssigkeitsstrahlpumpe 3 eingestellt. Die Höhe des Vordruckes wird so eingestellt, dass der Druck nach der Flüssigkeitsstrahlpumpe 3 so groß ist, dass die Druckverluste der Zweiphasenströmung des Zweiphasengemisches im Ringraum zwischen Zentralrohr 13 und inneren Rohr 13.1 der Sonde überwunden werden. Die für den Prozess erforderliche Temperatur des Flüssigkeitsgemisches nach der ersten Flüssigkeitsstrahlpumpe 3 erfolgt durch die Temperaturregelung 27. Das Flüssigkeitsgemisch aus Kältemittel und Schmieröl wird in den Ringraum zwischen Zentralrohr 13 und inneres Rohr 13.1 eingeleitet und zum Sumpf der Sonde gefördert und strömt anschließend in den Ringraum zwischen
Zentralrohr 13 und Mantelrohr 1 der Sonde. Durch Wärmeaufnahme aus dem Erdreich wird das flüssige Kältemittel an der Innenrohrwand des Mantelrohres 1 teilverdampft und strömt infolge des Dichteunterschiedes zum Kopf der Sonde. Das aufwärts strömende
Zweiphasengemisch hat am Kopf der Sonde einen Verdampfungsgrad von ca. 60
Massen-% und wird im Mantelraum des Nachverdampfers 9 unter Wärmeaufnahme aus dem ausreichend warmen Kondensat weiter verdampft und anschließend in den
Abscheider 5 geleitet. Die dampfförmige Phase des Kältemittels wird vom Verdichter 6 angesaugt und auf den gewünschten Kondensationsdruck verdichtet. Der verdichtete Kältemitteldampf wird anschließend in den Mantelraum des Zwischenkühlers 7 geleitet und unter Wärmeabgabe bis auf ca. Kondensationstemperatur abgekühlt. Mit Hilfe der
Temperaturregelung 29 wird die Dampftemperatur eingestellt. Der leicht überhitzte
Kältemitteldampf wird in den Schmierölabscheider 1 1 eingeleitet und von dem gelösten Schmierölanteil im Kältemitteldampf nahezu befreit und anschließend im Kondensator 8 unter Wärmeabgabe kondensiert. Das Kondensat strömt anschließend zum Rohrraum des Nachverdampfers 9 und wird abgekühlt. Der abgeschiedene Schmierölanteil im
Schmierölabscheider 1 1 wird wieder dem Schmierölkreislauf des Verdichters 6 zugeführt.
Als Rohre der Sonde werden bevorzugt Glattrohre aus Stahl oder PE-Kunststoffrohre eingesetzt.
Nachfolgend wird die Einrichtung anhand des Verfahrens zur Erzeugung von Klimakälte erläutert:
Zur Erzeugung von Klimakälte müssen folgende Schaltvorgänge durchgeführt
werden. Die Absperrarmaturen 14, 15, 16, 17 und 18 müssen geschlossen werden und die Absperrarmaturen 19, 20, 21 , 22, 23, 24 und 25 müssen geöffnet werden. Der komprimierte Kältemitteldampf nach dem Kältemittelverdichter 6 durchströmt ohne Wärmeabgabe den Mantelraum des Zwischenkühlers 7 und wird in den
Schmierölabscheider 1 1 geleitet. Im Schmierölabscheider 1 1 erfolgt eine Abtrennung des gelösten Schmierölanteiles aus dem Kältemitteldampf. Der Schmierölanteil wird wieder dem Schmierölsystem des Verdichters 6 zugeführt. Der verdichtete Kältemitteldampf durchströmt die Absperrarmatur 21 und unter Wärmeabgabe den Mantelraum des Vorwärmers 1 1 und wird anschließend direkt in die Sonde eingeleitet und kondensiert durch Wärmeabgabe an das Erdreich an der Innenwand der Sonde und fließt als Kondensatfilm zum Sumpf der Sonde. Im Sumpf der Sonde wird das Kältemittelkondensat von der ersten
Flüssigkeitsstrahlpumpe 2 angesaugt, auf ein höheres Druckniveau gehoben und anschließend durch den Ringspalt zwischen Rohrleitung 13.1 und Rohrleitung 13.2 zum Kopf der Sonde gefördert und in den Abscheider 5 eingeleitet. Die zum Heben des
Kältemittelkondensates mit Hilfe der ersten Flüssigkeitsstrahlpumpe 2 erforderliche
Treibflüssigkeitsmenge wird durch die Förderpumpe 4 erzeugt. Die Förderpumpe 4 saugt aus dem Abscheider 5 die erforderliche Treibflüssigkeitsmenge an und fördert den
Flüssigkeitsstrom mit einem erhöhten Druck durch den Rohrraum des Vorwärmers 1 1 in die Druckleitung 13.2 zur ersten Flüssigkeitsstrahlpumpe 2. Im Vorwärmer 1 1 erfolgt eine Vorwärmung der Treibflüssigkeitsmenge, so dass eine Teilverdampfung von maximal 10 Massen-% des geförderten stromaufwärts strömenden Gesamtflüssigkeitsstromes innerhalb des Ringraumes zwischen den Leitungen 13.1 und 13.2 stattfindet Der Verdampfungsgrad wird durch die Druckregelung 31 eingestellt. Die teilverdampfte Flüssigkeitsmenge wird anschließend wieder in den Abscheider 5 eingeleitet und der ungelöste Schmierölanteil von dem Kältemittelkondensat abgetrennt. Der Schmierölanteil wird dem Schmierölsystem des Verdichters 6 zugeführt. Eine Teilmenge strömt durch die Absperrarmatur 22 in den Mantelraum des Kältemittelverdampfers 10 und wird durch Wärmeaufnahme zur
Erzeugung von Kaltwasser verdampft und wieder von dem Kältemittelverdichter 6 angesaugt und verdichtet. Die andere Teilmenge wird von der Förderpumpe 4 wieder angesaugt.
Anhand von Figur 2 wird nachfolgend die Erzeugung von Elektroenergie sowie die
Nutzung von erzeugter Bewegungsenergie bei der Kälteerzeugung erläutert.
Die Einrichtung zur Kälteerzeugung umfasst zu diesem Zweck einen
Kältemittelkompressor 6.1 , einen Kältemitteldampfentspannungsmotor 6.2, einen Generator 6.3 sowie eine Solaranlage 8.1 zur Erzeugung von Heißwasser.
Zur Erzeugung von Strom für den Eigenbedarf müssen folgende Schaltvorgänge
durchgeführt werden. Die Absperrarmaturen 14, 15, 17, 18, 20, 22, 23 und 25.2 müssen geschlossen werden und die Absperrarmaturen 16, 19, 21 , 24, 25, 25.1 und 25.3 müssen geöffnet werden.
Flüssiges Kältemittel wird von der Pumpe 4 aus dem Abscheider 5 angesaugt und auf ein höheres Druckniveau gedrückt. Auf der Druckseite der Pumpe 4 wird der Förderstrom in zwei Teilströme aufgeteilt. Der eine Teilstrom durchströmt unter Wärmeaufnahme den Mantelraum des Wärmeübertragers 8 und wird vollständig verdampft und überhitzt und strömt anschließend zum Kältemitteldampfentspannungsmotor 6.2, wo der Kältemitteldampf arbeitsleistend auf ein niedrigeres Druckniveau entspannt wird und somit den Motor 6.2 antreibt, der wiederum den Generator 6.3 antreibt. Der erzeugte Strom wird in das
Stromnetz eingespeist. Der Kältemitteldampf wird anschließend in die Erdwärmesonde eingeleitet und kondensiert durch Wärmeabgabe an das Erdreich stromabwärts an der Innenseite des Mantelrohres 1.
Der Verdampfungsdruck im Verdampfer bzw. Wärmeübertrager 8 wird durch die
Druckregelung 28.1 und der Entspannungsdruck wird durch die Druckregelung 31 eingestellt. Die für die Verdampfung des Kältemittels erforderliche Wärmeenergie wird durch Nutzung von Sonnenenergie mit Hilfe der Solaranlage 8.1 durch Erzeugung von Heißwasser bereitgestellt. Das Heißwasser durchströmt unter Wärmeabgabe den Rohrraum des
Wärmeübertragers 8.
Die andere Kältemittel-Teilstrommenge wird als Treibflüssigkeitsstrom für die
Flüssigkeitsstrahlpumpe 2 eingesetzt. Durch den Treibflüssigkeitsstrom wird mit Hilfe der Flüssigkeitsstrahlpumpe 2 die kondensierte Kältemittelmenge im Sumpf der Sonde angesaugt und zum Kopf der Sonde in den Abscheider 5 gefördert, wo eine Abtrennung der Dampfphase von der Flüssigkeitsphase erfolgt. Die Dampfphase strömt zur
Entspannungsseite des Kältemittelentspannungsmotors 6.2.
An Stelle der Flüssigkeitsstrahlpumpe 2 im Sumpf der Sonde kann eine Kältemittelpumpe angeordnet sein.
Die Direktverdampfersonde kann als vertikale Erdwärmesonde oder als horizontale
Erdwärmekollektoren ausgeführt sein. Sie kann dabei längsberippte und/oder bestiftete Rohre umfassen. Die Rippen und Stifte weisen dabei eine Höhe auf der äußeren
Rohrwandung auf, die wenigstens 1/10 des Rohr-Außendurchmessers beträgt.
Durch die Verwendung von längsberippten und/oder bestifteten Rohren wird die äußere Oberfläche vergrößert, wodurch eine größere Wärmemenge aus dem Erdreich an das zu verdampfende Kältemittel im Rohr übertragen werden kann. Somit bleibt der
Innendurchmesser des Rohres unverändert und die Sondenlänge kann verkürzt werden. Dadurch weist die erfindungsgemäße Einrichtung eine hohe Flexibilität auf, wodurch die Wirtschaftlichkeit der Anlage verbessert wird. Insbesondere aus Figur 2 ist ersichtlich, dass erfindungsgemäß lediglich eine Anlage zur Erzeugung von Wärme, Kälte, Bewegungsenergie und elektrischer Energie genutzt wird, wodurch ebenfalls eine hohe Wirtschaftlichkeit der Anlage gegeben ist.
Bezugszeichenliste Mantelrohr
zweite Flüssigkeitsstrahlpumpe erste Flüssigkeitsstrahlpumpe Förderpumpe
Abscheidebehälter mit Einbauten1 Kältemittelkompressor
2 Kältemitteldampfentspannungsmotor3 Motor/Generator
Zwischenkühler
Kältemittelkondensator1 Solaranlage
Nachverdampfer
Kältemittelverdampfer Vorwärmer
Schmierölabscheider Zentralrohr
1 ; 13.2 innen angeordnete Rohre
- 25 Absperrarmaturen
- 31 Regelarmaturen
- 34 Rückschlagventile
Blende
Sonde
Kopf der Sonde
Sumpf der Sonde

Claims

Patentansprüche
1 . Einrichtung zur Bereitstellung von Heizwärme durch Wärmeentzug aus dem Erdreich oder zur Erzeugung von Klimakälte durch Wärmeeintrag in das Erdreich, umfassend wenigstens eine Sonde zur Einbringung ins Erdreich, die von einem Kältemittel zur Aufnahme oder Abgabe von Wärme aus dem Erdreich oder ans Erdreich
durchströmbar ist, einen Kältemittelkondensator (8) zur zumindest teilweisen Kondensation des in der Sonde zumindest teilweise verdampfen Kältemittels und Ableitung der Erdwärme aus dem Kältemittel, und einen Kältemittelverdampfer (10) zum zumindest teilweisen Verdampfen von Kältemittel durch Eintrag von
Umgebungswärme in das Kältemittel,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einrichtung zur Bereitstellung von Heizwärme durch Wärmeentzug aus dem Erdreich oder zur Erzeugung von Klimakälte eine zwischen Kältemittelkondensator (8) und Kopf der Sonde angeordnete erste Flüssigkeitsstrahlpumpe (3) zur Einleitung von kondensiertem Kältemittel in die Sonde, und eine zwischen dem Sumpf der Sonde und Kältemittelverdampfer (10) angeordnete zweite Flüssigkeitsstrahlpumpe (2) zur Herausleitung von kondensiertem Kältemittel aus der Sonde aufweist.
2. Einrichtung zur Bereitstellung von Heizwärme oder zur Erzeugung von Klimakälte nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sonde wenigstens einen Strömungskanal zur Realisierung eines Kältemittel- Flüssigkeitsstromes vom Kopf der Sonde zum Sumpf der Sonde, wenigstens einen Strömungskanal zur Realisierung eines Kältemittel-Gasstromes vom Sumpf der Sonde zum Kopf der Sonde, wenigstens einen Strömungskanal zur Realisierung eines Kältemittel-Gasstromes vom Kopf der Sonde zum Sumpf der Sonde, wenigstens einen Strömungskanal zur Realisierung eines Kältemittel- Flüssigkeitsstromes vom Sumpf der Sonde zum Kopf der Sonde aufweist.
3. Einrichtung zur Bereitstellung von Heizwärme oder zur Erzeugung von Klimakälte nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
sie eine Förderpumpe aufweist, mit der ein Druck in einer Treibflüssigkeit für die zweite Flüssigkeitsstrahlpumpe erzeugbar ist. Einrichtung zur Bereitstellung von Heizwärme oder zur Erzeugung von Klimakälte nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
sie einen Vorwärmer (1 1 ) zur Vorwärmung der Treibflüssigkeitsmenge für die zweite Flüssigkeitsstrahlpumpe aufweist.
Einrichtung zur Bereitstellung von Heizwärme oder zur Erzeugung von Klimakälte nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
sie einen Nachverdampfer (9) zum Nachverdampfen eines Zweiphasen-Kältemittels aus der Sonde aufweist.
Einrichtung zur Bereitstellung von Elektroenergie, umfassend wenigstens eine Einrichtung zur Bereitstellung von Heizwärme oder zur Erzeugung von Klimakälte nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung zur Bereitstellung von Elektroenergie weiterhin wenigstens eine Pumpe zur Verdichtung des Kältemittels, eine Solaranlage sowie wenigstens einen
Kältemitteldampfentspannungsmotor und einen daran angeschlossenen Generator umfasst und die Solaranlage derart eingerichtet ist, dass mit ihr ein Medium erwärmbar ist, dessen Wärme auf das Kältemittel übertragbar ist, so dass dieses im dampfförmigen Zustand und mit erhöhter Temperatur dem
Kältemitteldampfentspannungsmotor zuführbar ist und dieser derart eingerichtet ist, dass er durch Entspannung des Kältemittels auf ein niedrigeres Druckniveau antreibbar ist, wobei die Bewegungsenergie des
Kältemitteldampfentspannungsmotors in elektrische Energie im Generator umwandelbar ist.
Verfahren zur Bereitstellung von Heizenergie, bei dem Kältemittel in eine im Erdreich befindliche Sonde eingeleitet wird und Erdwärme aufnimmt, zumindest teilweise verdampft und einem Kondensator (8) zugeführt wird, wo es unter Wärmeabgabe zumindest teilweise kondensiert,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erforderliche Druck zur Durchführung einer Zwangsumlaufverdampfung des Kältemittels in der Sonde durch eine am Kopf der Sonde angeordnete erste
Flüssigkeitsstrahlpumpe (3) erzeugt wird und als Treibflüssigkeit für die erste Flüssigkeitsstrahlpumpe (3) Kältemittelkondensat verwendet wird.
8. Verfahren zur Bereitstellung von Heizenergie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
der Verdampfungsgrad des Zweiphasengemisch-Stroms aus Kältemitteldampf und Kältemittelflüssigkeit am Austritt aus der Sonde so eingestellt wird, dass der Flüssigkeitsanteil so groß ist, dass eine im Wesentlichen vollständige Benetzung der Innenoberfläche der Sonde mit Flüssigkeit bis zum Kopf der Sonde vorhanden ist.
9. Verfahren zur Bereitstellung von Heizenergie nach wenigstens einem der Ansprüche 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
Gegendruck und Temperatur des Kältemittelstromes in Strömungsrichtung nach der ersten Flüssigkeitsstrahlpumpe so geregelt werden, dass das Kältemittel wenigstens 80% des Verdampfungsdruckes und 80% der Verdampfungstemperatur aufweist.
10. Verfahren zur Bereitstellung von Heizenergie nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Umlaufmenge des Kältemittels in der Sonde durch Regelung des
Kältemittelmassenstromes derart eingestellt wird, dass am Sondenkopf bis zu 60% des Kältemittels verdampft ist.
1 1 . Verfahren zur Erzeugung von Kälteenergie, bei dem Kältemittel auf Grund von
Wärmezuführung zumindest teilweise verdampft wird und in eine im Erdreich befindliche Sonde geleitet wird, wobei das Kältemittel auf Grund von
Wärmeübertragung an das Erdreich zumindest teilweise kondensiert,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kältemittel-Kondensat durch eine im Sumpf der Sonde angeordnete zweite Flüssigkeitsstrahlpumpe aus der Sonde heraus gefördert wird.
12. Verfahren zur Erzeugung von Kälteenergie nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der notwendige Druck für die Treibflüssigkeit für die zweite Flüssigkeitsstrahlpumpe zum Heben des Kältemittel-Kondensats durch eine am Kopf der Sonde angeordnete Förderpumpe erzeugt wird, wobei
Treibflüssigkeit für die Förderpumpe auf der Druckseite der Förderpumpe mittels eines Vorwärmers (1 1 ) vorgewärmt wird, so dass sich ein Verdampfungsgrad des Kältemittels von bis zu 10% am Kopf der Sonde einstellt.
13. Verfahren zur Erzeugung von Bewegungsenergie, insbesondere unter Nutzung des Verfahrens zur Erzeugung von Kälteenergie nach einem der Ansprüche 1 1 oder 12, wobei mittels Solarenergie ein Kältemittel verdampft wird und dieses dampfförmige und unter einem Überdruck stehende Kältemittel einem
Kältemitteldampfentspannungsmotor zugeführt wird, wo der Kältemitteldampf entspannt wird und dabei im Kältemitteldampfentspannungsmotor Bewegungsenergie freisetzt.
14. Verfahren zur Erzeugung von Elektroenergie, bei dem das Verfahren zur Erzeugung von Bewegungsenergie nach Anspruch 13 durchgeführt wird, wobei an den
Kältemitteldampfentspannungsmotor ein Generator zur Erzeugung von
Elektroenergie angeschlossen ist, so dass die im
Kältemitteldampfentspannungsmotor erzeugte Bewegungsenergie im Generator in Elektroenergie umgewandelt wird.
15. Verfahren zur Erzeugung von Kälteenergie nach einem der Ansprüche 1 1 oder 12, bei dem das Verfahren zur Erzeugung von Bewegungsenergie nach Anspruch 13 durchgeführt wird wobei ein Kältemittelverdichter zur Erhöhung des Drucks im
Kältemittel mit dem Kältemitteldampfentspannungsmotor angetrieben wird.
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