DE2931485A1

DE2931485A1 - Verfahren und vorrichtung zum gewinnen von heiz- und gebrauchswasserwaerme mittels kaeltemittelverdampfer im erdreich, in verbindung mit einer waermepumpenanlage

Info

Publication number: DE2931485A1
Application number: DE19792931485
Authority: DE
Inventors: Rudolf Oetjengerdes
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-08-03
Filing date: 1979-08-03
Publication date: 1981-02-05

Description

Parger Str, 1Ol
2820 Bremen 71

Patentanmeldungι

Verfahren und Vorrichtung zum Gewinnen von Heiz- und Gebrauchswasserwärme»

Die Erfindung betrifft einen Kältemittelverdampfer als Wärmeentzugsquelle, senkrecht oder auch schräg in das Erdreich gebaut, zum Entzug von Wärme aus dem Erdreich, dem Grundwasser» der Sonnenenergie und aus der Rückgewinnung für den Betrieb von Wärmepumpenanlagen»

Der Kai temjLtt el verdampf er im Erdreich bringt für den 'Betrieb von Wärmepumpen außer einer Jahresvollheizung, durch den Wärmeentzug aus der Tiefe, erhebliche Vorteile?

1.) Wärmeentzug aus dem Grundwasser, wie auch aus dem Erdreich bis in den Minus-Temperaturbereich unter Ausnutzung von Latentwärme. Dieses bedeutet einen großen Energiespeicherinhalt»

2.) Wiederaufheizung bzw. Zusatzheizung durch Grundwasserentnahme Schlupfbrunnen in Verbindung mit einer Pumpe und einem Wärmeaustauscher.

3·) Bestimmbare Wiederaufheizzeit durch eine vorwählbare Wassermenge und auch durch die temperaturgesteuerte Laufzeit einer Grundwasserentnahmepumpe die durch einen Regelthermostat gesteuert wird.

k.) Wiederaufheizung mittels hochefizente Sonnenkollektoren im Solikreislauf, mit noch gutem Wirkungsgrad auch in den Wintermonaten» da ausgekühlte niedrige Erdreichtemperatur.

5·) Durch den Einbau von 2 oder mehreren Erdreichverdampfern kann durch um- oder ausschalten von einzelnen Verdampfern ein hoher Heizenergieinhalt nutzbar gemacht werden.

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6.) Bei Einbau von 2 oder mehreren Vardaapfarn sind durch Hintereinanderschalten der Grundwasserzusatzheizungen niedrige Wassertemperatüren erreichbar, die genutzt werden können von zum Beispiel:

a) Kühlung bzw« Wärmerückgewinnung aus Kühlzellen.

b) Zur Unterkühlung und Kondensation von Restabgaswärme die mit Gas- oder auch Dieselmotor angetriebenen Wärmepumpen.

7.) Wärmerückgewinnung aus Hausabwässern, Restgaswärme aus Abgasen sowie Raum- oder auch Außenluft.

8.) Weitgehende Ausschaltung von Korrosion und Verschmutzung des Verdampfers durch Grundwasser oder auch andere Entzugsenergie über Wärmeaustauscher erfolgt.

9.) Sicherstellung der Ölrückführung auch aus größeren Einbautiefen.

Xn den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 . eine sehematische Darstellung eines Kältemittel-Verdampfer β als Wärmeentzugsquelle·

Fig. 2 . einen Schnitt der Linie I - T der Fig. 1.

Fig. 2a. Querschnitt aus Fig. 2.

Fig. 3 · eine sehematische Darstellung eines Erdreichverdampfers mit Anschlüssen von Ver- und Entsorgungsleitungen.

Fig. h . eine schematische Darstellung einer Anlage mit 2 Verdampfern mit Anschlüssen von Ver- und Entsorgungsleitungen.

Fig· 5 · Ölrückführung bei größeren Einbautiefen.

Fig. 5*· Ausschnitt aus Fig. 5 schematisch dargestellt und verzerrt gezeichnet.

Die Erfindung ermöglicht einen guten Wärmeentzug in der Form, daß ein Verdampfer, der Außenmantel 1 (Zylinder) aus einem z.B. Kupferrohr gefertigt, in einer zweckmäßigen Länge H von z.B. 15 a in ein Bohrloch 2, möglichst voll im Grundwasserbereich, in das Erdreich 3 eingebracht

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ORiGiNAL INSPECTED

Das Rohr ist an den beiöe» Enden tiiirr.b .*© eines Bogen verschlossen«

Im Innern des Rohres 1 sind Leitflächen 5 in Sternforra aus gekanteten Lochblechen angebracht, die sowohl zwecks Oberflächenvergrößerung der Verdampferfläche, wie auch als Wärmeleitflächen dienen.

In der Mitte des z.B. Kupferrohres verläuft ein mit Lamellen 7 versehenes Kupferröhr 6, das vom Bogen h bis durch den oberen Deckel k reicht und zu Ölrückführühg dient. Am unteren Ende des Kupferrohres 6 ist ein SpezialRückschlagventil 8 angebracht. Die Funktion der Ölrückführung wird gesondert beschrieben ( Siehe Blatt h)

Die Lamellen 7 sind mehrfach gekantet und mit dem Rohr 1 so verbunden das Kanäle 9 entstehen, die für da» von außen durch Rohrleitungen 20 herangebrachte Kältemittel als Verteil- und Benetzerleitung dienen.

Rohrkanäle 10, ca, 2m von oben beginnend werden in einer HöhenabStandsleitung von etwa 3m durch eine Verteilerspinne 19 und separater Kühlmittelleitungen 20 gespeist. Die Kühlmittelleitungen sind am Lamellenteil 7 befestigt. Die Kältemittelzuleitung erfolgt über ein Einspritzventil. Das Einspritzventil kann druckabhängig wie auch temperaturabhängig gesteuert werden. Der über der Kältemittelzuführung liegende Verdampferteil 11 dient der Überhitzung von Kältemitteldampf.

Außen am Verdampfer verlaufen z.B. angelötete Leitbleche 12, die in Abstand und Stückzahl den jeweiligen Anforderungen angepaßt werden. Die Leitbleche 12 sind am Ende bogenförmig ausgearbeitet, so das diese als Mulde für die Aufnahme der parallel zum Verdampferende verlaufenden z.B. PE-Kunststoffrohre 13, die von dort spiralförmig I^ zurückgeführt den Verdampfer umspannen.

Unterteilte z.B. PE-Rohrschlangen stellen Wärmetauschbündel dar, die zur Funktion der unter lfd.Nr. 2 bis 8 aufgeführten Möglichkeiten erforderlich sind.

Der nach den Kältemittelrichtlinien vorgefertigte Verdampfer wird in ein Bohrloch 2 eingesetzt und mit sandigem gut wärmeleitenden Erdreich verspült.

Der Verdampfer kann auch in ein Filterrohr mit großem Grundwasserinhalt gesetzt werden.

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ORIGINAL INSPECTED

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ÖlrÜckführung

Das zwangsläufig im Kälteniittelkreislauf* mitgeführte Kältemaschinenöl wird langsam zum Verdampferboden abwandern und würde, wie im Beispiel angeführt, bei einer Verdampferlänge von z.B. 15 πι nicht wieder zurückgesaugt werden.

Zur Ölrückführung wird in Verbindung mit dem automatischen Leerpumpverfahren (Automatic Pumpdown) der Verdampferdruck genutzt.

Bei einer ausgekühlten Erdreichtemperatur von z.B. O C und einem verwendeten Kältemittel R 12 beträgt der Verdampferdruck 3,089 bar absolut, abzüglich des im Leerpumpverfahren eingestellten Drucks von 25.B. 1,3 bar, steht im System ein Druckunterschied von 1,789 bar am Fußventil 8 am Verdampferboden an»

Bei einer Steighöhe von z.B. 18 η Ölsäule und einen spez. Gewicht des Kältemaschinenöls von 0,8 würde für etwaiger Einzelwiderstände noch 0,3^9 bar Fließsäule anstehen. Dasam Boden angesammelte Kältemaschinenöl wird durch die in der Mitte des Verdampfers verlaufende Ölrückfuhrleitung 15 die am unteren Ende mit einem Rückschlagventil, 8 , das mit z.B. Porzellanabdichtung versehen ist, hochge-* führt. Am Hochpunkt der Saugleitung 15 werden 2 Stück steuerbare Elektromagnetventile l6 + l6a, in einem gewissen Abstand in die Saugleitung 15 eingebaut. Zwischen den beiden Ventil« l6 + l6 a ist die Ölrückführleitung 17 eingeführt, die ebenfalls mit einem steuerbarem Magnetventil 18 ausgerüstet ist.

Bei Abschalten der Anlage durch einen Steuerthermostaten schließt das Ventil l6, während der Verdichter, wie beim automatischen Leerpumpverfahren bekannt, über einen Nives.ubereichschalter und bei erreichen des vorher eingestellten Drucks abschaltet, und gleichzeitig die Ventile 16 schließt. Danach öffnet, über ein Zeitrelais gesteuert, kurzfristig das Ventil 18 und bewirkt das kurzfristig Öl oder auch ein Ölgasgemisch durch den Systemdruck in das Zwischenstück 17 der Saugleitung 15 einspritzt und beim nächsten Kompressoranlauf mitgerissen wird.

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Zu bemerken wäre, daß der Verdampfer bei Stillstand der Anlage beiderseitig, sowohl durch das Magnetventil 16 wie auch das vor dem Einspritzventil vorgeschaltete Magnetventil 18 abgesperrt ist, und dadurch ein erhöhter Druck aufgebaut wird.

( Dieser Druck stellt gleichzeitig ein Mittelmaß für die anstehende Erdreichtemperatur dar.)

Durch die Erdreichtemperatur sind dem Verdampferdruck jedoch Grenzen gesetzt. Bei z.B. 20 C Erdreichtemperatur und einem Kältemittel der Type R 12 ist der Verdampfungs-Druck 5*682 bar. Daraus geht hervor, daß bei einem z.B. Kupferrohr 1 mit einem Außendurchmesser von 10^ mm und einer Wandstärke von 2 mm» das für einen Betriebsdruck von l6 bar zugelassen ist, noch genügend Drucksicher-. hext besteht.

Der Verdampfer ist nach VGB 20 abnahmepflichtig.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche Ii Verfahren und Vorrichtung zum Gewinnen von Heiz- und Gebrauchswasserwärme, dadurch g ekennz e lehne t, daß Kältemittelverdampfer, je nach Leistung mit den erforderlichen Abmessungen in Länge und Durchmesser, senkrecht oder auch schräg in das Erdreich eingebaut werden, wohin der Außenmantel das Verdampfers aus einem druckfesten Baustoff, z.B. Kupfer besteht.

1.!.Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß im Innern des Zylinders 1 Leitflächen 5 ia Sternform aus z.B. gekanteten Kupferlochblech oder auch Schlitzbleche eingelötet sind, die sowohl der Oberflächenvergrößerung der Verdampferfläche, wie auch als Värmeleitflächen dienen.

Bei industrieller Fertigung können die Leitbleche 5 auch aus stranggezogenen Aluminium mit dem Zylinder 1 klankfest verzogen hergestellt werden.

1.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch g e k β η nz e lehne t, daß ein in der Mitte des Verdampfers angebrachtes Kupferrohr 6, welches als Steigerohr dient, und mit den Lamellen 7 verlötet ist, der Ölrückführung dient. Die Lamellen 7 bewirken wie die Leitbleche 5 eine Oberflächenvergrößerung der Verdampferfläche und vergrößern auch die Wärmeleitflache.

1.3· Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch g β k e η η ζ e i c hnet, daß am unteren Ende des Kupferrohres 6, das der Ölrückführung dient, ein Rückschlagventil 8 angebracht ist. Dieses Rückschlagventil 8 ist von hoher Güte und mit einer Porzellanscheibenabdichtung o.a. ausgerüstet.

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ORIGINAL INSPECTED

l,k. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch ge ken n zeichne t, daß die Lamellen 7 so gekantet sind, daß innen am Zylinder 1 senkrechte Kanäle 9 entstehen, die der Kältemittelheranführung und gleichzeitig der Benetzung der Verdampferfläche dienen·

1.5· Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittelzuteilung über ein druckabhängiges Einspritzventil 21 erfolgt· Die druckabhängige Steuerung der Verdampferauslastung trägt bei fallender Verdampfertemperatur zu besseren Auslastung bei.

1.6. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch ge kenn-ζ e i chne t, daß zwecks guter Verteilung der Kältemittel am ganzen Verdampferkörper, das Kältemittel nach dem Ventilaustritt 21 mehrfach aufgeteilt wird und durch jeweilige Einführungsleitungen 22, 23 und 2k den Verteilerspinnen 19 zugeführt werden·

1·7· Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil des Verdampfers 25 von Kältemittel frei gehalten wird, dieser Teil dient Überhitzung von Kältemitteldampf·

1.8. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet , daß an der Außenfläche des Zylinders 1 Leitbleche 12, an den Enden muldenförmig ausgebildet, angelötet sind. Der Abstand und die Stückzahl der Leitbleche 12 sind der jeweiligen Anforderung angepaßt«

1.9. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die unter 1,8. beschriebenen Leitbleche z.B. mit Polyäthylen-Kunststoffrohren kontaktfest verbunden, bis zum Verdampferende l6 heruntergeleitet und von dort spiralförmig Ik zurückgewickelt, den Verdampfer umspannend, wieder hochgeführt werden.

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1.10. Vorrichtung nach Anapmch * dp.durci g ta k β η η — ζ ei c h η e t, daß die jeweilige, in Längen von z.B. 100 m unterteiltem PE-Kunststoffrohr 13» je nach Ven-_v tilstellung der Ventile 27» hintereinander oder auch nebeneinander geschaltet.werden können« Die Oberfläche der PE-Kunststoffrohre 13 ist die Wärmeaustausch^lache.

1.11. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch g e k β η η zeichnet, daß Werkstattgefertigte Verdampfer betriebsfertig und Typengeprüft einbaufertig montiert geliefert werden können, wobei die unter 1.8. aufgeführten Leitbleche 12 der Aussteifung dienen, so daß große Verdampferlängen z«B» 15 m vormontierbar sind.

1.12. Verfahren nach Anspruch. 1 dadurch g e k e η η ζ e i ch η et, daß die Art und das System der Ölrückführung in Verbindung mit dem automatischen Leerpumpverfahren und der Ausnutzung des Systemdrucks so wie das Zu-oder Abschalten von Magnetventilen l6 und 18 zu einem Systemablauf, wie in der Beschreibung erläutert, zusammengefaßt wird.

1.13. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch g e k e η η ze i c h η e t, daß die Ölrückführung bei Verdampfern mit großer Einbautiefe, z.B. 30 m, in 2 Stufen über einen Zwischenbehälter 27 erfolgt, wobei die untere Saugleitung den Anspruch 1.3· entspricht und in den Zwischenbehälter 27 führt. Mit dem Abschalten des Steuerthermostaten schließt Ventil 16, das Leerpumpverfahren beginnt und wird bei <J₉3 bar Systemdrnck durch Abschalten des Kältekompressors beendet. Ebenfalls schließt Ventil l6a und Ventil 18 öffnet, durch Druckausgleich strömt Kältemaschinenöl durch das Steigerohr in Verbindung mit zeitverzögerte Öffnung von Ventil 18a.

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I.l4« Verfahren nach Anspruch 1 dadurch g e k e η η ζ e lehne t, daß ein Kältemittelverdampfer senkrecht oder schräg bis in große Tiefen im Erdreich oder Brunnen mit möchlichst hohen Feuchtigkeits- bzw. Wasserinhalt eingebaut wird, um das Erdreich als Energiespeicher zu nutzen, sowohl um darin anfallende Energie zu speichern, oder mittels Wärmepumpe Energie bis in den Minus-Temperabereich unter Ausnutzung der Latentwärme zu entziehen.

1.15. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch g e ke η η zeichnet, daß zwei oder Hehrere Kältemittelverdampfer (wie im Verfahren I.l4, aufgeführt) im Erdreich eingebaut, durch Ein- oder Ausschalten einzelner Verdampfer einen hohen Wärmeinhalt in verschiedenen Temperaturbereichen zu nutzen«

1.16. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch g e k e η η ζ e i chne t, mittels Wärmeaustauscher Energie zu- oder abzuführen ohne Erdreich oder Grundwasser direkt zu belasten.

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