DE4405991C1 - Arrangement for obtaining heat energy - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Gewinnung von Wärmeenergie nach dem Oberbegriff des Patent anspruchs 1.The invention relates to an arrangement for the extraction of Thermal energy according to the generic term of the patent claim 1.
Eine derartige Anordnung ist bekannt aus der DE-OS 27 15 075. Dabei ist der Absorber in Form von Rohren in dem Wasser des Wasservorrates (Primärbecken) angeordnet. Diese Ausführung hat jedoch folgende wesentliche Nachteile:Such an arrangement is known from the DE-OS 27 15 075. The absorber is in the form of Pipes in the water of the water supply (primary pool) arranged. However, this version has the following major disadvantages:
- 1) Die Rohrleitungen müssen, wie angegeben, dicht bei einander liegen und nehmen damit ein erhebliches Volumen des Wasserspeichers ein.1) The pipes must, as stated, be close to lie against each other and thus take a considerable amount Volume of the water tank.
- 2) Der sich zwangsläufig um die Rohre bildende Eis panzer stellt einen großen Wärmeübergangswiderstand dar.2) The ice that inevitably forms around the pipes panzer has a high heat transfer resistance represents.
- 3) Die kritischen Dehnungsprobleme einer stärkeren Vereisung sind so nicht beherrschbar.3) The critical stretch problems of a stronger one Icing cannot be controlled in this way.
Aus der DE-OS 30 11 840 ist eine ähnliche Anordnung bekannt, bei der die Ausdehnungsprobleme mit einer besonderen Überlauftechnik gelöst werden sollen. Dieses gelingt jedoch nur sehr unvollkommen, und die weiteren angeführten Nachteile haften dieser Ausführung ebenfalls an.From DE-OS 30 11 840 is a similar arrangement known in which the expansion problems with a special overflow technology to be solved. This succeeds only very imperfectly, and the others Disadvantages mentioned are liable to this version also on.
In der US-PS 5 207 075 wird eine Anordnung beschrieben, bei der Wasser in eine vom Absorber unter kühlte, mit Wasser nicht mischbare Flüssigkeit in Tropfenform eingespritzt wird. Die gebildeten Eiskügel chen werden durch eine mechanische Transportvorrichtung aus der Flüssigkeit herausgeschöpft und in einen weiteren Behälter befördert. Die Verunreinigung der Eiskügelchen durch die Flüssigkeit, z. B. Öl, erfordert Schutzmaßnahmen, und die Transportvorrichtung ist auf wendig und störanfällig.An arrangement is disclosed in US Pat. No. 5,207,075 described in the water in one of the absorber below cooled liquid immiscible in water Drop shape is injected. The ice balls formed chen by a mechanical transport device scooped out of the liquid and into one transported another container. Contamination of the Balls of ice through the liquid, e.g. B. oil required Protective measures, and the transport device is on agile and prone to failure.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der die Probleme hinsichtlich der Ausdehnung und der Wärmeisolierung bei der Eisbildung auf einfache Weise vermieden werden.The object of the invention is an arrangement of Specify the type mentioned, in which the problems in terms of expansion and thermal insulation ice formation can be avoided in a simple manner.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kenn zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved by the in the kenn Drawing part of claim 1 specified Features resolved.
Durch die Anordnung des Absorbers außerhalb des Wassers wird vermieden, daß sich eine zu dicke Eisschicht bil det, die den Wärmeübergang behindert und Ausdehnungs probleme erzeugt. Das Ablösen von Eis, das sich am Absorber bildet, kann entweder mechanisch oder durch z. B. kurzzeitiges periodisches Erwärmen des Absorbers erfolgen. Durch die Anordnung des Absorbers oberhalb des Wasserspiegels fällt vom Absorber abgelöstes Eis automatisch in das Wasser des ersten Behälters, entweder direkt, wenn der Absorber mit etwas Abstand, der das größere Volumen von Eis gegenüber Wasser berücksichtigt, oberhalb des Wasserspiegels angeordnet ist, oder z. B. über eine Rutsche, wenn der Absorber seitlich versetzt angeordnet ist. In jedem Fall erübrigt sich eine besondere Transportvorrichtung, um das Eis dem Wasservorrat zuzuführen.By placing the absorber outside the water it is avoided that a too thick layer of ice bil det, which hinders heat transfer and expansion creates problems. The detachment of ice that is on Absorber forms, either mechanically or through e.g. B. brief periodic heating of the absorber respectively. By placing the absorber above ice released from the absorber falls from the water level automatically into the water of the first tank, either directly if the absorber is at a distance, which is the larger volume of ice versus water taken into account, arranged above the water level is, or z. B. on a slide if the absorber is laterally offset. In any case there is no need for a special transport device to supply the ice to the water supply.
Bei der Ausführung des Absorbers in Kombination mit der Wasserpumpe und der Erzeugung eines pumpfähigen Eis breies läßt sich ebenfalls ohne weitere Maßnahmen schwimmendes Eis an der Wasseroberfläche erzeugen. Die Pumpe saugt Wasser von unten aus dem ersten Behälter und pumpt einen Eisbrei in den oberen Teil des ersten Behälters zurück. Der Eisbrei selbst entsteht z. B. im Rohr eines schneckenförmigen Pumpvortriebes, der das Eis mechanisch von der Wandung des Rohres schabt, welches Teil des Absorbers ist.When running the absorber in combination with the Water pump and the generation of a pumpable ice porridge can also be used without further measures generate floating ice on the surface of the water. The pump sucks water from the bottom out of the first Container and pumps an ice pulp into the top of the first container back. The ice porridge itself arises e.g. B. in the tube of a helical pump jacking, which mechanically ice the wall of the tube scrapes which part of the absorber is.
Durch das niedrige Temperaturniveau des Wasservorrates sind die Energieverluste durch Wärmeableitung gering und vorhandene Umweltenergie kann dem Wasservorrat auch auf niedrigem Niveau zugeführt werdend so daß ein Sonnenkollektor und die Wärmepumpe einen erheblich größeren Wirkungsgrad erreichen.Due to the low temperature level of the water supply the energy losses due to heat dissipation are low and existing environmental energy can drain the water too being fed at a low level so that a Solar panel and the heat pump a considerably achieve greater efficiency.
Die für die Wärmeerzeugung notwendige Energie wird, unter Einbeziehung der Verluste des Elektrizitätswerkes für die Stromerzeugung, auf die Hälfte reduziert und damit auch gleichzeitig der anfallende Schadstoffaus stoß in die Atmosphäre ganz erheblich vermindert.The energy required for heat generation is taking into account the losses of the power plant for electricity generation, reduced to half and thus also the resulting pollutant emissions into the atmosphere diminished considerably.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Further embodiments of the invention are in the Subclaims marked.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigenEmbodiments of the invention are as follows explained in more detail with reference to the drawing. Show it
Fig. 1 schematisch eine Anordnung mit einer Wärmepumpe, die zwei Absorber enthält, und mit einem Sonnenkollektor. Fig. 1 shows schematically an arrangement with a heat pump, which contains two absorbers, and with a solar collector.
Fig. 2 den Aufbau des einen Absorbers mit mehreren, im wesentlichen senkrecht angeordneten Absorberelementen. Fig. 2 shows the structure of the one absorber with several, essentially vertically arranged absorber elements.
Fig. 3 den Aufbau des einen Absorbers zur Erzeugung von pumpfähigem Eisbrei außerhalb des ersten Behälters. Fig. 3 shows the structure of an absorber for producing pumpable ice slurry outside the first container.
Die Fig. 1 zeigt eine Wärmepumpe 1, die durch einen Absorber 2 dem umgebenden Medium 11, z. B. Luft, Wärme entzieht. Besteht beim Absorber 2 Vereisungsgefahr, so entzieht die Wärmepumpe durch einen Absorber 3 dem Wasservorrat im Behälter 4 Energie, wobei die Pumpe 5 Wasser vom Boden des Wasservorrats gegen die Unterseite des Absorber 3 sprüht. Fig. 1 shows a heat pump 1, the surrounding medium 11 by an absorber 2 z. B. removes air, heat. If there is a risk of icing in the absorber 2 , the heat pump extracts energy from the water supply in the container 4 through an absorber 3 , the pump 5 spraying water from the bottom of the water supply against the underside of the absorber 3 .
Der Absorber 3 ist im Behälter 4 horizontal über der Wasseroberfläche so angebracht, daß die durch Vereisung bedingte Volumenvergrößerung berücksichtigt ist. Die Unterseite des Absorbers 3 besitzt beispielsweise eine waffelförmig strukturierte Oberfläche, wie sie bei Eiswürfelmaschinen üblich ist. Die bei Eiswürfel maschinen gewünschte Würfelform des Eises ist hier jedoch nicht Bedingung, sondern das sich leichte Lösen vom Absorber 3 in kleinen Eisstücken.The absorber 3 is mounted in the container 4 horizontally above the water surface in such a way that the volume increase caused by icing is taken into account. The underside of the absorber 3 has, for example, a waffle-like structured surface, as is customary in ice cube machines. However, the cube shape of the ice desired with ice cube machines is not a condition here, but the easy detachment from the absorber 3 in small pieces of ice.
Das am Absorber 3 entstehende Eis fällt in Betriebs pausen oder nach kurzzeitiger Erwärmung der Absorber unterseite in den Wasservorrat und schwimmt dort an der Oberfläche wegen der etwas geringeren Dichte von Eis gegenüber Wasser. Die durch die Wärmepumpe auf ein höheres Energieniveau gebrachte Wärme wird mittels Wärmetauscher dem Kurzzeit-Speicher 6 zugeführt. Über Wärmetauscher erfolgt die Versorgung mit Heizungs wärme 13 und Warmwasser 14 aus dem Kurzzeit-Speicher 6.The ice formed on the absorber 3 falls during breaks in operation or after briefly heating the underside of the absorber into the water supply and there floats on the surface because of the somewhat lower density of ice compared to water. The heat brought to a higher energy level by the heat pump is supplied to the short-term storage 6 by means of a heat exchanger. The supply of heating heat 13 and hot water 14 from the short-term storage 6 takes place via heat exchangers.
Ein Sonnenkollektor 7 wird von einem wärmesammelnden Medium durchströmt und überträgt dann die durch Strahlung 12 empfangene Energie über einen Wärme tauscher in den Kurzzeit-Speicher 6, wenn die Temperatur des Übertragungsmediums höher als die Temperatur im Kurzzeit-Speicher ist; sonst wird die Energie an den Wasservorrat im Behälter 4 mittels Wärmetauscher übertragen.A solar collector 7 is flowed through by a heat-collecting medium and then transmits the energy received by radiation 12 via a heat exchanger in the short-term memory 6 when the temperature of the transmission medium is higher than the temperature in the short-term memory; otherwise the energy is transferred to the water supply in the container 4 by means of a heat exchanger.
Die Pumpe 8 überträgt immer dann Energie vom Absorber 2 über die Leitung 9 und einen Wärmetauscher in den Wasservorrat im Behälter 4, wenn die Wärmepumpe nicht im Betrieb ist und ein Energiegewinn im Wasservorrat damit verbunden ist. Zusätzlich kann über die Leitung 10 von der Wärmepumpe 1 Energie vom Absorber 2, oder vom Sonnenkollektor 7, zum Erwärmen vom Wasser oder zum Auftauen von Eis in den Behälter 4 transpor tiert werden, wenn keine Vereisungsgefahr für den Absorber 2, bzw. den Sonnenkollektor, besteht und durch die äußeren Umstände eine vorzeitig übermäßige Vereisung im Behälter 4 zu Beginn einer Winterperiode eingetreten ist. Damit wird eine zu starke Kapazitäts einschränkung des Wasservorrates für die verbleibende Winterperiode vermieden.The pump 8 always transfers energy from the absorber 2 via the line 9 and a heat exchanger into the water supply in the container 4 when the heat pump is not in operation and an energy gain in the water supply is associated therewith. In addition, energy from the absorber 2 , or from the solar collector 7 , for heating water or thawing ice into the container 4 can be transported via the line 10 from the heat pump 1 if there is no risk of icing for the absorber 2 or the solar collector, exists and due to the external circumstances, premature excessive icing in the container 4 has occurred at the beginning of a winter period. This avoids an excessive capacity restriction of the water supply for the remaining winter period.
Die Fig. 2 zeigt eine mögliche Variante des Absorbers 3. Auch hier ist der Absorber 3 im ersten Behälter 4 über der Wasseroberfläche so angeordnet, daß die Volumenver größerung durch das totale Einfrieren des Wassers berücksichtigt ist und entstehendes Eis direkt in den Behälter fallen kann. Fig. 2 shows a possible variant of the absorber. 3 Here, too, the absorber 3 is arranged in the first container 4 above the water surface in such a way that the increase in volume is taken into account by the total freezing of the water and the resulting ice can fall directly into the container.
Die einzelnen Flächen des Absorbers 3 sind hier aber als Absorberelemente 22 senkrecht nebeneinander angeordnet und können z. B. aus einfachen "Roll-bond-Verdampfern", wie bei Kühlschränken üblich bestehen. Dieses bedeutet eine preisgünstige Lösung und hat den Vorteil, daß ein notwendiges Abtauen durch ein faches Umschalten des entsprechenden Absorberelementes vom Verdampfer auf den Verflüssiger erfolgen kann. Bei Kühlschränken erfolgt das Abtauen meistens mit einer elektrischen Aufheizvorrichtung, die auch hier alternativ dazu benutzt werden kann. Die Benetzung der Absorberflächen erfolgt durch eine Rohrleitung 18 mit Wasseraustrittsöffnungen zwischen den Absorberelemen ten 22, welche durch die Pumpe 5 mit Wasser vom Boden des ersten Behälters 4 versorgt wird.The individual surfaces of the absorber 3 are arranged here vertically next to one another as absorber elements 22 and can, for. B. from simple "roll-bond evaporators", as is customary in refrigerators. This means an inexpensive solution and has the advantage that a necessary defrosting can be carried out by simply switching the corresponding absorber element from the evaporator to the condenser. In the case of refrigerators, defrosting usually takes place using an electrical heating device, which can also be used as an alternative here. The wetting of the absorber surfaces takes place through a pipeline 18 with water outlet openings between the absorber elements 22 , which is supplied by the pump 5 with water from the bottom of the first container 4 .
Die Fig. 3 zeigt eine andere Version des Energieentzuges durch den Absorber 3. Dieser befindet sich auf dem Rohrmantel des Rohres 21 und wird vom Kühlmittel 17 durchströmt. Im Inneren des Rohres 21 besorgt der schneckenförmige Vortrieb 20, von dem Elektromotor 19 angetrieben, den Pumpvorgang und schabt entstandenes Eis von der Innenwand. Das Wasser-Eis-Gemisch, ein sogenannter "Eisbrei", wird in den oberen Teil des ersten Behälters 4 zurück transportiert. FIG. 3 shows another version of the energy withdrawal by the absorber 3. This is located on the tube jacket of the tube 21 and the coolant 17 flows through it. Inside the tube 21 , the screw-shaped propulsion 20 , driven by the electric motor 19 , takes care of the pumping process and scrapes the ice that has formed from the inner wall. The water-ice mixture, a so-called "ice slurry", is transported back into the upper part of the first container 4 .
Die dargestellte Anordnung erlaubt eine örtliche Trennung des Absorbers 3 vom ersten Behälter 4. Die somit mögliche Vereinigung von Wärmepumpe 1, Kurzzeit- Wärmespeicher 6 und Absorber 3 stellt eine sehr wirt schaftliche Lösung dar.The arrangement shown permits a local separation of the absorber 3 from the first container 4 . The possible combination of heat pump 1 , short-term heat storage 6 and absorber 3 is a very economical solution.
BezugszeichenlisteReference list
1 Wärmepumpe
2 Absorber (umgebendes Medium, z. B. Luft)
3 Absorber (Wärmeentzug Wasservorrat)
4 erster Behälter (Wasser zur eventuellen Vereisung)
5 Pumpe
6 zweiter Behälter (Kurzzeit-Wärmespeicher)
7 Sonnenkollektor
8 Umwälzpumpe
9 Verbindungsleitung (Erwärmung mit Absorber 2)
10 Verbindungsleitung (Erwärmung mit Wärmepumpe)
11 Umgebungsmedium (Luft, Brunnenwasser, Erdreich etc.)
12 Strahlungsenergie (Sonne, Globalstrahlung)
13 Heizungsversorgung
14 Warmwasserversorgung
15 Wasser
16 Eis
17 Kühlmittel
18 Benetzung der Absorberfläche (Sprenkler)
19 Elektromotor
20 schneckenförmiger Pumpvortrieb (Abschaben des Eises)
21 metallisches Rohr (z. B. Kupfer)
22 Absorberelemente (Wärmeentzug Wasservorrat) 1 heat pump
2 absorbers (surrounding medium, e.g. air)
3 absorbers (heat extraction water supply)
4 first tanks (water for possible icing)
5 pump
6 second containers (short-term heat storage)
7 solar panel
8 circulation pump
9 connecting line (heating with absorber 2 )
10 connecting line (heating with heat pump)
11 Ambient medium (air, well water, soil, etc.)
12 radiation energy (sun, global radiation)
13 heating supply
14 hot water supply
15 water
16 ice cream
17 coolant
18 wetting of the absorber surface (sprinkler)
19 electric motor
20 helical pump drive (scraping the ice)
21 metallic pipe (e.g. copper)
22 absorber elements (heat extraction from water supply)
Claims (11)
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