WO2016066154A1 - Wärmepumpe - Google Patents

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WO2016066154A1 PCT/DE2015/100408 DE2015100408W WO2016066154A1 WO 2016066154 A1 WO2016066154 A1 WO 2016066154A1 DE 2015100408 W DE2015100408 W DE 2015100408W WO 2016066154 A1 WO2016066154 A1 WO 2016066154A1
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Philipp Wohlfrom
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D2020/0065—Details, e.g. particular heat storage tanks, auxiliary members within tanks
    • F28D2020/0078—Heat exchanger arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically

Definitions

  • the present invention relates to a heat pump, comprising a Kondensato- purity for delivering heat energy of a first heat transfer medium to a
  • Heat sink a throttle unit for relaxation and cooling of the first heat transfer medium, an evaporator unit for receiving heat energy from a heat source and a compressor unit for compressing the first heat transfer medium, wherein the compressor unit and the condenser unit together through a downpipe and the throttle unit and the evaporator unit together a riser is formed, wherein the downpipe and the riser are connected to a self-contained circulation pipe.
  • Such a heat pump is already known from DE 10 2012 203 566 A1, which can be used for example as an air conditioner for a vehicle.
  • the aim of the local invention is to simplify a heater constructive.
  • a heat transfer medium is used, which is used in a circuit.
  • a compression of the heat transfer medium takes place, whereby at the same time a temperature increase takes place.
  • the thus heated heat transfer medium is fed to a condenser unit, where heat is released.
  • the part of the circuit is addressed as a capacitor unit at which heat is released from the system.
  • the cooled heat transfer medium is decompressed in the next step, which takes place in a throttle unit. This is a cooling.
  • the heat transfer medium passes through an evaporator unit, again in the context of the present document, the location of the heat absorption is to be understood.
  • the heated, still relaxed heat transfer medium is in turn fed to the compression, so that the circuit closes.
  • the present invention has for its object to dispense with the supply of external energy and to fall back on the natural energy of the system.
  • the conventionally used compressor unit is replaced in the known system by a downpipe, which simultaneously emits heat as a condenser unit from the system to the outside.
  • the throttle unit is formed by a riser pipe which simultaneously introduces heat into the system as an evaporation unit. Together with the condenser unit or the evaporator unit corresponding pipe sections form these units in the present solution, a circulation pipe.
  • the present gravitational heat pump is a heat exchanger system whose heat transfer media circulates within closed pipe systems.
  • the circulation in the piping systems is driven by uneven densities resulting in unequal gravitational forces on the contained media.
  • the density Differences are caused by different energy contents in the rising and falling areas of the pipe systems.
  • the actual gravitational heat pump consists of a substantially annular pipe system.
  • a circulating circulating pipe which may be surrounded by an outer pipe.
  • a first heat transfer medium for example air
  • the outer tube which surrounds the inner tube in an annular manner, air, water, an antifreeze or another liquid can be filled in as the heat transfer medium.
  • the heat pump function requires constant air circulation in the circulation pipe.
  • the circulation without heat supply and without heat removal has the property that the flowing air is compressed down and heated. Accordingly, cooling takes place upwards. The compression is attributed to the higher air masses.
  • the energy content in the riser pipe must be higher than in the downpipe. This condition must be met by the heat exchange with the outer tube.
  • additional layer separating elements can be used in the outer riser tube. Such arrangements of layer separating elements can be arranged several times one above the other with varying distances become. External riser pipe and outer downpipe form a labyrinth to achieve specific flow conditions.
  • Optional connection pipes between the outer pipes and suction pipes between different layers allow local circulation. This allows a layering of different temperature levels across the height of the heat pump. Moreover, the goal is to optimally cool the air of the circulation pipe on the falling pipe side. Since this extraction of heat in the outer tube favors a flow or circulation upwards, this flow can be used to suck in cold medium from the rising region of the outer tube from deeper layers via said suction tubes.
  • suction pipes can also be repeatedly positioned one above the other.
  • circulation tubes can be operated in parallel, and therefore also be accommodated together in an outer tube.
  • circulating pumps can be used. But this is not mandatory.
  • the pressure curve and the temperature profile in the inner tube can be influenced.
  • a pressure increase due to dynamic pressure in front of a nozzle results in a higher temperature in this area. In turn, this results in a lowered temperature at the exit of the constriction.
  • Such temperature variations can go together be selectively used with the temperature levels generated by means of layer separation elements in the outer tube for efficient heat transfer.
  • Independent external heat exchangers supply heat to the system below. This can be taken from the ambient air, since the heat pump in the lower area assumes temperatures below the ambient temperature. In the same way, the heat removal takes place in the upper region, for example via independent heat exchangers.
  • the latter can be a heating system or district heating.
  • the heat removal above can also be done to a generator generating electricity, for example to a Stirling engine.
  • FIG. 1 shows a heat pump with a circulation pipe and a
  • FIG. 1 shows the basic structure of a heat pump 1.
  • air circulates as the first heat transfer medium, which alternately rises in the course of the circulation in a riser pipe 3 and falls down in a downpipe 4.
  • the circulation pipe 2 is surrounded by an outer pipe 5, which is essentially formed by an outer downpipe 7 and an outer riser pipe 6.
  • the circulating in the circulation pipe 2 air, depending on the temperatures of the heat transfer medium in the outer tube 5, heat from the outer riser 6 and gives off heat to the outer downpipe 7 again.
  • the position-dependent temperature of the flowing medium in the circulation tube 2 is thus dependent on the surrounding medium in the outer tube 5.
  • the pressure increase caused by the Schwerkrafeinfluß higher lying air masses also an increase in energy. Accordingly, upwardly flowing air masses undergo a temperature decrease due to the decreasing influence of gravity on the overlying air layers.
  • Circulation tube favors and limits an increase in temperature.
  • the associated heat input in the outer riser 6 causes the heat transfer medium is easier and its upward movement is favored.
  • the air in the riser pipe 3 is cooled by decreasing the pressure, and absorbs heat from the outer pipe 5, resulting in the expansion of the air in the circulation pipe, increasing the internal pressure and decreasing the density. This deprives the outer tube 5 heat, whereby the flow in the outer downpipe 5 is favored downwards.
  • the heat absorption from the outer tube 5 to the circulation pipe 2 counteracts the cooling process.
  • the rising air is lighter and warmer than it would be without heat.
  • the external heat exchangers 13 and 14 cause the temperatures on the falling side to be lower and to drive the circulation in the circulation pipe. This is accompanied on the cold side with heat and on the hot side with heat removal.
  • Figure 2 also shows the arrangement of the circulation tube 2 and the outer tube 5 in a particularly preferred embodiment.
  • the outer downpipe 7 is completely integrated with the downpipe 4 of the circulation pipe 2 into the outer riser pipe 6. In this case, it is sufficient to provide only holes in the now stowed outer fall tube 7. Any suction pipes must also be performed only up to a wall of the inner outer downpipe 7. Their connections to the outer riser 6 accounts in the same way.

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Abstract

Aus dem Stand der Technik sind Wärmepumpen bekannt, die im Wesentlichen aus einem Kondensator, einem Verdampfer und dazwischen einem Kompressor und einer Drossel bestehen. Hierbei ist es erforderlich, beim Kompressor Energie aufzuwenden, um die Funktion der Anlage zu gewährleisten. Die vorliegende Erfindung bedient sich hierfür der Gravitation, aufgrund derer bei einer Wärmemediensäule eine Kompression bereits eintritt, so dass auf eine Zufuhr äußerer Energie verzichtet werden kann. Ausgenutzt wird vielmehr die in der Natur vorhandene Wärme- und Lageenergie, um die Wärmepumpe zu betreiben.

Description

W Ä R M E P U M P E
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpe, umfassend eine Kondensato- reinheit zur Abgabe von Wärmeenergie eines ersten Wärmeträgermediums an eine
Wärmesenke, eine Drosseleinheit zur Entspannung und Abkühlung des ersten Wärmeträgermediums, eine Verdampfereinheit zur Aufnahme von Wärmeenergie aus einer Wärmequelle und eine Kompressoreinheit zur Verdichtung des ersten Wärmeträgermediums, wobei die Kompressoreinheit und die Kondensatoreinheit gemein- sam durch ein Fallrohr und die Drosseleinheit und die Verdampfereinheit gemeinsam durch ein Steigrohr gebildet ist, wobei das Fallrohr und das Steigrohr zu einem in sich geschlossenen Zirkulationsrohr verbunden sind.
Eine solche Wärmepumpe ist bereits aus der DE 10 2012 203 566 A1 vorbekannt, die beispielsweise als Klimaanlage für ein Fahrzeug eingesetzt werden kann. Ziel der dortigen Erfindung ist es, eine Heizvorrichtung konstruktiv zu vereinfachen.
Eine weitere Wärmepumpe geht aus der Offenbarung der DE 27 36 732 C3 hervor. Ähnliche Wärmepumpen sind im Stand der Technik bereits vielfältig bekannt und werden in unterschiedlichen Anwendungen bereits seit Langem eingesetzt. Beispielsweise findet das Prinzip der Wärmepumpe in Kühlgeräten Einsatz, oder aber bei der Heizung von Gebäuden.
Prinzipiell wird ein Wärmeträgermedium verwendet, welches in einem Kreislauf einge- setzt wird. An einem beispielhaften Einstiegspunkt findet eine Kompression des Wärmeträgermediums statt, womit gleichzeitig eine Temperaturerhöhung stattfindet. Das so erwärmte Wärmeträgermedium wird einer Kondensatoreinheit zugeführt, wo Wärme abgegeben wird. Eine tatsächliche Kondensation muss hierbei nicht prinzipiell stattfinden, im vorliegenden Dokument wird prinzipiell der Teil des Kreislaufs als Kon- densatoreinheit angesprochen, an dem eine Wärmeabgabe aus dem System heraus erfolgt. Das abgekühlte Wärmeträgermedium wird im nächsten Schritt dekomprimiert, was in einer Drosseleinheit stattfindet. Hierbei erfolgt eine Abkühlung. Schließlich durchläuft das Wärmeträgermedium eine Verdampfereinheit, wobei wiederum im Rahmen des vorliegenden Dokuments allgemein der Ort der Wärmeaufnahme verstanden werden soll. Das erwärmte, noch entspannte Wärmeträgermedium wird wiederum der Kompression zugeführt, so dass sich der Kreislauf schließt.
Während es bekannt ist, speziell zur Wärmeaufnahme natürliche Wärmequellen wie beispielsweise die Umgebungsluft oder umgebendes Erdreich zu verwenden, wird regelmäßig Energie für die Kompression des Wärmeträgermediums benötigt. Bei besonders nachhaltigen Systemen kann diese Energie auch aus regenerativen Quellen gewonnen werden, in jedem Fall ist eine Zuführung derselben erforderlich.
Die vorliegende Erfindung setzt sich zur Aufgabe, auf die Zuführung von externer Energie zu verzichten und auf die natürlich gegebene Energie des Systems zurückzugreifen.
Dies gelingt mit einer Wärmepumpe gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 . Weitere, sinnvolle Ausgestaltungen einer solchen Wärmepumpe können den Unteransprüchen entnommen werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die üblicherweise verwendete Kompressoreinheit in dem bekannten System durch ein Fallrohr ersetzt wird, welches gleichzeitig als Kondensatoreinheit Wärme aus dem System nach außen abgibt. Die Drosseleinheit wird durch ein Steigrohr gebildet, welches gleichzeitig als Verdampfungseinheit Wärme in das System einträgt. Zusammen mit der Kondensatoreinheit bzw. der Verdampfereinheit entsprechenden Rohrabschnitten bilden diese Einheiten im Rahmen der vorliegenden Lösung ein Zirkulationsrohr.
Die vorliegende, auf Gravitation basierende Wärmepumpe ist ein Wärmetauschersystem, deren Wärmeträgermedien innerhalb geschlossener Rohrsysteme zirkulieren. Die Zirkulation in den Rohrsystemen wird angetrieben durch ungleiche Dichten ergebend ungleiche Schwerkrafteinflüsse auf die enthaltenen Medien. Die Dichteun- terschiede werden durch unterschiedliche Energiegehalte in den steigenden und fallenden Bereichen der Rohrsysteme bewirkt.
Die eigentliche Gravitationswärmepumpe besteht aus einem im Wesentlichen ringförmigen Rohrsystem. Innerhalb dieses ringförmigen Rohrsystems befindet sich ein umlaufendes Zirkulationsrohr, welches von einem Außenrohr umgeben sein kann. In dem innen liegenden Zirkulationsrohr soll ein erstes Wärmeträgermedium, beispielsweise Luft, in einer vorgesehenen Vorzugsrichtung zirkulieren. In dem Außenrohr, das ringförmig das Innenrohr umgibt, kann als Wärmeträgermedium Luft, Wasser, ein Frostschutzmittel oder eine sonstige Flüssigkeit eingefüllt sein.
Im Rahmen des Betriebs der erfindungsgemäßen Wärmepumpe wird Wärme von unten nach oben transportiert. Durch diesen Wärmetransport wird das Außenrohr im geodätisch tiefsten Teil, also unten, gekühlt, während es gleichzeitig im geodätisch höher liegenden Teil, also oben, erwärmt wird. Mit anderen Worten besteht ein Temperaturgradient von oben nach unten.
Für die Wärmepumpenfunktion ist eine ständige Luftzirkulation im Zirkulationsrohr erforderlich. Die Zirkulation ohne Wärmezufuhr und ohne Wärmeentnahme hat die Eigenschaft, dass die strömende Luft nach unten verdichtet und erwärmt wird. Entsprechend findet nach oben eine Abkühlung statt. Die Verdichtung ist den höher liegenden Luftmassen zuzuschreiben.
Damit die Zirkulation überhaupt angetrieben wird, muss der Energiegehalt im Steigrohr höher sein, als im Fallrohr. Diese Voraussetzung muss durch den Wärmeaustausch mit dem Außenrohr erfüllt werden.
Durch Einbringen von horizontal schließenden Schichtungstrennelementen im Außenrohr kann eine Zirkulation, solche Barrieren überschreitend, verhindert werden. Dies erzwingt lokale Temperaturniveaus im Außenrohr.
Zur Vermeidung unerwünschter Zirkulationen können im Au ßensteigrohr zusätzliche Schichttrennelemente eingesetzt werden. Solche Anordnungen aus Schichttrennelementen können mehrfach übereinander mit variierenden Abständen angeordnet werden. Außensteigrohr und Außenfallrohr bilden so ein Labyrinth um gezielte Strömungsbedingungen zu erzielen.
Durch optionale Verbindungsrohre zwischen den Außenrohren und Saugrohren zwischen unterschiedlichen Schichten ist eine lokale Zirkulation möglich. Dies ermöglicht eine Schichtung unterschiedlicher Temperaturniveaus über die Höhe der Wärmepumpe. Darüberhinaus besteht das Ziel, die Luft des Zirkulationsrohrs auf der fallenden Rohrseite optimal zu kühlen. Da dieser Wärmeentzug im Außenrohr eine Strömung oder Zirkulation nach oben begünstigt, kann diese Strömung genutzt werden um über die genannten Saugrohre kaltes Medium aus dem steigenden Bereich des Außenrohrs aus tieferen Schichten anzusaugen. Solche Saugrohre können auch mehrfach übereinander positioniert werden.
Ferner können mehrere Zirkulationsrohre parallel betrieben werden, mithin auch gemeinsam in einem Außenrohr aufgenommen sein.
Es ist aus Gründen der mechanischen Vereinfachung möglich, das Außenfallrohr mit dem Fallrohr des Zirkulationsrohrs vollständig in das Außensteigrohr zu integrieren. Anstelle von zwei Außenrohrsäulen ist das Ganze dann in einer gemeinsamen Säule verstaut. Für eine Verbindung zwischen Außenfallrohr und Außensteigrohr genügt es in diesem Fall, lediglich Bohrungen in dem nun innen verstauten Außenrohr vorzusehen. Eventuelle Saugrohre müssen ebenfalls nur bis zu einer Wandung des innenliegenden Außenfallrohrs geführt werden. Deren Verbindungen zum Außensteigrohr entfallen in gleicher weise.
Um ergänzend die Zirkulation zu unterstützen, können Umwälzpumpen eingesetzt werden. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich.
Durch Einfügen von Verengungen (Venturidüsen oder Venturirohren) kann der Druckverlauf und der Temperaturverlauf im Innenrohr beeinflusst werden. Eine Druckzunahme durch Staudruck vor einer Düse hat eine höhere Temperatur in diesem Bereich zur Folge. Im Gegenzug hat dies eine abgesenkte Temperatur am Ausgang der Verengung zur Folge. Solche Temperaturvariationen können zusammen mit den mittels Schichttrennelementen im Außenrohr erzeugten Temperaturniveaus für einen effizienten Wärmetransport gezielt genutzt werden.
Über unabhängige externe Wärmetauscher wird dem System unten Wärme zuge- führt. Diese kann der Umgebungsluft entnommen werden, da die Wärmepumpe im unteren Bereich Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur annimmt. In gleicher weise erfolgt die Wärmeentnahme im oberen Bereich beispielsweise über unabhängige Wärmetauscher. Letztere können eine Heizungsanlage oder eine Fernwärmeheizung sein. Die Wärmeentnahme oben kann auch an einen stromer- zeugenden Generator, etwa an einen Stirling-Motor erfolgen.
Es ist ergänzend darauf hinzuweisen, dass das gleiche Prinzip auch durch Ausnutzung der Zentripetalkräfte in einer rotierenden Zentrifuge in gleicher weise genutzt werden kann.
Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 eine Wärmepumpe mit einem Zirkulationsrohr und einer
Konfiguration aus dieses umgebenden Außenrohren in einer seitlichen Querschnittsdarstellung, sowie die Wärmepumpe gemäß Fig. 1 in einer Querschnittsdarstellung von oben.
Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Wärmepumpe 1 . In einem zentral angeordneten Zirkulationsrohr 2 zirkuliert Luft als erstes Wärmeträgermedium, die im Rahmen der Zirkulation abwechselnd in einem Steigrohr 3 nach oben steigt und in einem Fallrohr 4 nach unten fällt. Das Zirkulationsrohr 2 ist umgeben von einem Außenrohr 5, das im Wesentlichen aus einem Außenfallrohr 7 und einem Außensteigrohr 6 gebildet ist. Zwischen dem Außenfallrohr 7 und dem Außensteigrohr 6 bestehen mehrere Verbindungsrohre 12. Diese erlauben eine Zirkulation des im Außenrohr 5 enthaltenen Mediums sowohl zwischen ganz oben und unten, als auch über die dazwischen angeordneten Verbindungsrohre 12. Für den Wärmeaustausch zwischen den Schichten des Außenrohrs 5 können diese auch in direktem thermischen Kontakt zueinander stehen.
Die im Zirkulationsrohr 2 umlaufende Luft nimmt, abhängig von den Temperaturen des Wärmeträgermediums im Außenrohr 5, Wärme aus dem Außensteigrohr 6 auf und gibt Wärme an das Außenfallrohr 7 wieder ab. Die positionsabhängige Temperatur des in dem Zirkulationsrohr 2 strömenden Mediums ist somit abhängig vom umgebenden Medium im Außenrohr 5. Darüberhinaus bewirkt die Druckzunahme durch den Schwerkrafteinfluß höher liegender Luftmassen ebenfalls eine Energiezunahme. Entsprechend erfahren nach oben strömende Luftmassen eine Temperaturabsenkung durch den abnehmenden Schwerkrafteinfluß der darüberliegenden Luftschichten.
Sowohl zur Erreichung erhöhter Druckänderungen der zirkulierenden Luft und zum Transport höherer Wärmemengen wird der Druck in den Zirkulationsinnenrohren nicht bei normalem Umgebungsluftdruck gehalten. Stattdessen wird ein erhöhter Luftdruck gefahren.
Im Zuge dessen wird die Luft im Fallrohr 4 komprimiert und erwärmt und gibt Wärme an das Medium im Außenrohr 5 ab, was die Dichtezunahme im
Zirkulationsrohr begünstigt und einen Temperaturanstieg begrenzt. Der damit einhergehende Wärmeeintrag im Außensteigrohr 6 bewirkt, dass das Wärmeträgermedium leichter und dessen Aufwärtsbewegung begünstigt wird.
Die Luft im Steigrohr 3 hingegen wird durch Druckabnahme gekühlt und nimmt Wärme aus dem Außenrohr 5 auf, was zur Expansion der Luft im Zirkulationsrohr führt, den Innendruck erhöht und die Dichte verringert. Dies entzieht dem Außenrohr 5 Wärme, womit die Strömung im Außenfallrohr 5 nach unten begünstigt wird.
Die im Fallrohr 4 verdichtete und abgekühlte Luft muss im Steigrohr 3 nach oben steigen. Dies ist gegeben, wenn die Temperatur im Außensteigrohr 6 höher ist als im Außenfallrohr 7. Diese Bedingung ist durch externe Wärmetauscher 13, 14 sicherzu- stellen, indem diese dem Außensteigrohr 6 wärmeres Medium einleiten, als am Außenfallrohr 7 abgenommen wird.
Auf der steigenden Seite wirkt die Wärmeaufnahme aus dem Außenrohr 5 an das Zirkulationsrohr 2 dem Abkühlprozess entgegen. Damit wird die steigende Luft leichter und wärmer als es ohne Wärmezufuhr der Fall wäre.
Die externen Wärmetauscher 13 und 14 bewirken in gleicher weise, dass die Temperaturen auf der fallenden Seite niedriger liegen und die Zirkulation im Zirkulations- rohr antreiben. Dies geht auf der Kaltseite mit Wärmezufuhr und auf der Warmseite mit Wärmeentnahme einher.
Es wurde festgestellt, dass das Zirkulationsinnenrohr, bzw. die darin enthaltene Luft, auf der fallenden Seite Wärme an das Außenrohr abgibt, sowie Wärme auf der stei- genden Seite aufnimmt. Entscheidend dabei ist, dass wegen der gravitationsbedingten Komprimierung der Wärmeentzug aus dem Außenrohr 5 an der oberen Heißseite höher ausfällt, die Wärmeabgabe entsprechend an der unteren Kaltseite höher ausfällt. Diese positionsabhängige Differenz bewirkt eine Abkühlung des Außenrohrs 5 unten und im Gegenzug eine Erwärmung oben. Die höhere Dichte in der fallenden Seite verglichen mit der Dichte auf der steigenden Seite bewirkt die Zirkulation. Dass die Wärmeabgabe und die Wärmeaufnahme zu einem möglichen Nutzwärmeentzug beiträgt, liegt an dem Sachverhalt, dass diese höhenversetzt stattfinden. Ein besonde- res Merkmal ist, dass die Wärmezufuhr unten und die Wärmeentnahme oben gleichermaßen Temperaturdifferenzen einleiten, die die Zirkulation im Zirkulationsinnenrohr begünstigen.
Figur 2 zeigt ferner die Anordnung des Zirkulationsrohrs 2 und des Außenrohrs 5 in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung. Aus Gründen der mechanischen Vereinfachung wird das Außenfallrohr 7 mit dem Fallrohr 4 des Zirkulationsrohrs 2 vollständig in das Außensteigrohr 6 integriert. In diesem Fall genügt es, lediglich Bohrungen in dem nun innen verstauten Außenfallrohr 7 vorzusehen. Eventuelle Saugrohre müssen ebenfalls nur bis zu einer Wandung des innenliegenden Außenfallrohrs 7 geführt werden. Deren Verbindungen zum Außensteigrohr 6 entfallen in gleicher weise.
BEZUGSZE ICH ENLISTE Wärmepumpe
Zirkulationsrohr
Steigrohr
Fallrohr
Außenrohr
Außensteigrohr
Außenfallrohr
Zirkulationsrichtung
Schichttrennelement
Verbindungsrohr
unterer Wärmeübertrager
oberer Wärmeübertrager

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E Wärmepumpe umfassend eine Kondensatoreinheit (9) zur Abgabe von Wärmeenergie eines ersten Wärmeträgermediums an eine Wärmesenke, eine Drosse- leinheit zur Entspannung und Abkühlung des ersten Wärmeträgermediums, eine Verdampfereinheit zur Aufnahme von Wärmeenergie aus einer Wärmequelle und eine Kompressoreinheit zur Verdichtung des ersten Wärmeträgermediums, wobei die Kompressoreinheit und die Kondensatoreinheit gemeinsam durch ein Fallrohr (4) und die Drosseleinheit und die Verdampfereinheit gemeinsam durch ein Steigrohr (3) gebildet ist, wobei das Fallrohr (4) und das Steigrohr (3) zu einem in sich geschlossenen Zirkulationsrohr (2) verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, dass in einem Außenrohr (5) mehrere parallel geführte Zirkulationsrohre (2) aufgenommen sind.
Wärmepumpe umfassend eine Kondensatoreinheit (9) zur Abgabe von Wärmeenergie eines ersten Wärmeträgermediums an eine Wärmesenke, eine Drosseleinheit zur Entspannung und Abkühlung des ersten Wärmeträgermediums, eine Verdampfereinheit zur Aufnahme von Wärmeenergie aus einer Wärmequelle und eine Kompressoreinheit zur Verdichtung des ersten Wärmeträgermediums, wobei die Kompressoreinheit und die Kondensatoreinheit gemeinsam durch ein Fallrohr (4) und die Drosseleinheit und die Verdampfereinheit gemeinsam durch ein Steigrohr (3) gebildet ist, wobei das Fallrohr (4) und das Steigrohr (3) zu einem in sich geschlossenen Zirkulationsrohr (2) verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, dass das Fallrohr (4) von einem Außenfallrohr (7) des Außenrohrs (5) und das Steigrohr (3) von einem Außensteigrohr (6) des Außenrohrs (5) umgeben ist, wobei das Außenfallrohr (7) vorzugsweise gleichzeitig in dem Außensteigrohr (6) aufgenommen ist.
Wärmepumpe umfassend eine Kondensatoreinheit (9) zur Abgabe von Wärmeenergie eines ersten Wärmeträgermediums an eine Wärmesenke, eine Drosseleinheit zur Entspannung und Abkühlung des ersten Wärmeträgermediums, eine Verdampfereinheit zur Aufnahme von Wärmeenergie aus einer Wärmequelle und eine Kompressoreinheit zur Verdichtung des ersten Wärmeträgermediums, wobei die Kompressoreinheit und die Kondensatoreinheit gemeinsam durch ein Fallrohr (4) und die Drosseleinheit und die Verdampfereinheit gemeinsam durch ein Steigrohr (3) gebildet ist, wobei das Fallrohr (4) und das Steigrohr (3) zu einem in sich geschlossenen Zirkulationsrohr (2) verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Wärmeträgermedium Luft, als zweites Wärmeträgermedium Luft, Wasser, Frostschutzmittel oder eine andere Flüssigkeit verwendet wird.
Wärmepumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkulationsrohr (2) von einem Außenrohr (5) umgeben ist, wobei der Zwischenraum zwischen Außenrohr (5) und Zirkulationsrohr (2) mit einem zweiten Wärmeträgermedium gefüllt ist.
Wärmepumpe gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (5) vermittels eines oder mehrerer Schichttrennelemente (1 1 ) in mehrere Schichten unterteilt ist.
Wärmepumpe gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Schichten miteinander durch Verbindungsrohre (12) und/oder Verbindungsbohrungen verbunden sind.
Wärmepumpe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fallrohr (4) im Verlauf seiner Längserstreckung zumindest eine lokale Verengung aufweist.
Wärmepumpe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmesenke ein oberer Wärmeübertrager (14) oder eine Wärmekraftmaschine und/oder als Wärmequelle ein unterer Wärmeübertrager (13) verwendet wird.
Wärmepumpe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fallrohr (4) und/oder das Steigrohr (3) eine Länge von wenigstens 10 m aufweist.
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