WO2011073761A2 - Wärmetauscher - Google Patents

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WO2011073761A2
WO2011073761A2 PCT/IB2010/003222 IB2010003222W WO2011073761A2 WO 2011073761 A2 WO2011073761 A2 WO 2011073761A2 IB 2010003222 W IB2010003222 W IB 2010003222W WO 2011073761 A2 WO2011073761 A2 WO 2011073761A2
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heat
tube
geothermal probe
refrigerant
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Dirk Gebhardt
Helga Nielinger
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Brugg Rohr AG Holding
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Brugg Rohr AG Holding
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    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/06—Heat pumps characterised by the source of low potential heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/10—Geothermal energy

Definitions

  • the invention relates to a thermally connected to a geothermal probe heat exchanger, in particular plate heat exchanger, for condensing a vaporized in the geothermal probe by geothermal heat transfer medium.
  • the heat exchanger has an inlet opening for the supply of the vaporized heat carrier and an outlet opening for the removal of the heat carrier condensed in the heat exchanger, wherein the heat carrier is discharged through a connected to the outlet opening of the heat exchanger U-tube.
  • the invention relates to a heat pump connected to such a heat pump system.
  • a heat exchanger of the type mentioned is already known.
  • This includes a heat pump system with a recirculated refrigerant, a compressor assembly, a condenser, an expander, and an evaporator powered by power coupling to a geothermal probe.
  • the heat of condensation of the refrigerant is used for heating a medium, for example the water of a heating circuit.
  • the evaporator is designed as a plate heat exchanger, in which the previously evaporated by the geothermal heat transfer of the geothermal probe condenses and the refrigerant is evaporated.
  • the plate heat exchanger is arranged in a pressure pot, which is formed as a high-pressure container due to a prevailing pressure of up to 50 bar. Due to the high pressures, the pressure pot must have a wall thickness of 12 to 15 mm and a decrease of the pressure pot before the commissioning of the heat pump system is absolutely necessary.
  • the invention has for its object to provide a heat exchanger and running with such a heat exchanger heat pump system, which is at
  • a heat exchanger in which the U-tube is arranged such that a vertex region of the U-tube is arranged in the direction of gravity below the outlet opening of the heat exchanger and below a drain opening of the U-tube and that a lower edge of the drain opening of the U Pipe is arranged in the direction of gravity below the lower edge of the outlet opening of the heat exchanger.
  • the liquid heat carrier forms a liquid closure in the U-tube, through which the still vapor or gaseous components of the heat carrier are prevented from leaving the heat exchanger without condensing and without giving off the heat to the medium to be heated.
  • the liquid collects exclusively in the apex region of the asymmetrically formed U-tube.
  • the liquid column in a leg of the U-tube facing the heat exchanger can reach at most the same height as the liquid column in the other leg, wherein the maximum height is limited by the lower edge of the outflow opening.
  • the edge of the outlet opening of the heat exchanger is higher than the lower edge of the discharge opening of the U-tube, it can come at any time to a backwater of the liquid heat carrier in the plate heat exchanger and the entire heat exchanger surface can be used for condensation of the vaporous heat carrier , As a result, the effectiveness or the efficiency of the heat exchanger can be significantly improved.
  • a particularly advantageous development of the present invention is also provided in that the outflow opening of the U-tube opens into a pipe connecting the geothermal probe with the inlet opening of the heat exchanger.
  • the liquid closure formed by the U-tube according to the invention prevents the vaporized heat transfer medium flowing through the pipeline from the geothermal probe to the inlet opening from entering the heat exchanger through the U-tube. This ensures that the steam enters the heat exchanger exclusively through the inlet opening. Unwanted, caused by the uncontrolled flow of steam through the outlet opening of the heat exchanger effects are effectively prevented. As a result, the process reliability of the heat exchanger can be ensured.
  • Another particularly advantageous embodiment of the invention is characterized in that at least one element is provided in the mouth of the U-tube in the interior of the pipeline through which the condensed heat transfer medium evenly distributed on an inner wall of the pipeline or an inner wall of the geothermal probe. This ensures that the condensed heat transfer medium flows as a condensate film on the inner wall of the geothermal probe. As a result, vaporized in the foot of the geothermal probe heat transfer unhindered rise and the condensate film can exploit the maximum area of the tube to absorb heat from the ground already on the way to the bottom of the geothermal probe.
  • the element is designed as a tube sleeve arranged concentrically to the pipeline, which at least in sections forms a gap between an inner wall of the pipeline and an outer wall of the tubular sleeve.
  • the gap narrows in the direction of the geothermal probe and has an opening in a region facing the geothermal probe.
  • the condensed heat transfer medium flowing into the gap is distributed uniformly in the circumferential gap and thereby also on the inner surface of the pipeline or geothermal probe, so that optimal wetting of the inner surface of the pipeline or geothermal probe can be ensured.
  • the gap is closed in a region facing the geothermal probe. From the outlet opening of the U-tube exiting liquid is thus first in the gap between the tube sleeve and the Pipeline collected. In this way, a uniform liquid level can be adjusted over the entire circumference of the tube sleeve. If the gap is filled to the upper edge of the tube sleeve, the liquid passes over this edge and can be distributed evenly on the inner surface of the tube sleeve or the geothermal probe. It is important to ensure that the upper edge of the pipe sleeve is not over the lower edge of the outlet of the heat exchanger, otherwise it may lead to a backflow of condensate into the heat exchanger.
  • a further influence on this effect is also achieved in that openings are provided in a wall of the tubular sleeve, through which the condensate can pass through and drain on the inner surface of the tubular sleeve.
  • a heat pump system which comprises a recirculated refrigerant, a compressor for compressing the gaseous refrigerant, a condenser for condensing the refrigerant, a throttle or a relaxation machine for expanding the refrigerant and an evaporator for evaporating the expanded refrigerant, wherein the Evaporator uses the heat exchanger according to the invention to evaporate the heat generated by the condensation of a previously evaporated in a geothermal probe heat transfer the refrigerant.
  • Another alternative embodiment of the heat pump system according to the invention is also achieved in that the evaporator is connected via an intermediate circuit with a secondary part, via the means of any second heat carrier and a pump for circulation of the second heat carrier in the condensation of the previously evaporated in a geothermal probe heat transfer medium resulting heat is transferred to the evaporator to evaporate the refrigerant.
  • Figure 1a is a greatly simplified scheme of an inventive
  • Figure 1 b shows a second embodiment of a heat pump system
  • Figure 2 is a schematic diagram of a heat exchanger according to the invention in a side view.
  • FIGS. 1a and 1b Two embodiments of a heat pump system 1 are shown schematically in FIGS. 1a and 1b, as can be used, for example, for a heating system of a residential building.
  • a refrigerant is compressed via a compressor 2 and fed to a condenser 3.
  • the compressed refrigerant is condensed, wherein the heat of condensation is used in the heat exchange for heating a medium, for example, the water of a heating circuit, or for heating the environment.
  • the condensed refrigerant is expanded in a throttle 4 or another suitable expansion device and vaporized in an evaporator 5, so that at its output the refrigerant is expanded and present in gaseous form.
  • the evaporation heat required for the evaporation of the refrigerant must be supplied to the evaporator 5 externally. This is done via a geothermal probe 6 inserted into the ground, which is thermally connected to a heat exchanger 7 of the evaporator 5.
  • the evaporator 5b is connected via an intermediate circuit with a secondary part 5a, via the heat generated by the condensation of the previously evaporated in a geothermal probe 6 heat to the evaporator by means of any second heat carrier and a pump 5c for circulation of the second heat carrier 5b is transferred to evaporate the refrigerant.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an inventive heat exchanger 7, which is indicated in FIG. 1 a, in an enlarged side view.
  • the heat exchanger 7 is designed as a plate heat exchanger 8.
  • the structure of such a plate heat exchanger 8 is known from the prior art, so that detailed explanations are unnecessary.
  • the standing arranged plate heat exchanger 8 has a plurality of composite in a package profiled plates 9, wherein in the successive spaces 10, 11, the refrigerant (gap 10) and the heat-emitting heat transfer medium (gap 11) of the geothermal probe 6 flows.
  • the plate pack is sealed to the outside and between the heat exchanging media.
  • the connection between the trained as a corrugated tube geothermal probe 6 and the geothermal probe 6 with the plate heat exchanger 8 connecting pipe 12 via nozzles 13, 1, 4, for example, with the interposition of a graphite gasket 15th
  • the vaporized heat carrier is distributed to the intermediate spaces 11 between the plates 9 (directional arrows 18), condenses and releases the heat of condensation to the refrigerant of the heat pump system 1 located in the intermediate spaces 10.
  • the condensate or the condensed heat carrier drips (drops 19) in the upright plate heat exchanger 8 due to gravity (direction of gravity 20) in the direction of the heat exchanger bottom 21 and flows through an outlet opening 22 arranged in the bottom region of the plate heat exchanger 8 from the plate heat exchanger 8 (directional arrow 23).
  • the outlet opening 22 of the plate heat exchanger 8 is connected via a U-tube 24 to the pipe 12.
  • the U-tube 24 is arranged such that a vertex portion 25 of the U-tube 24 is arranged in the direction of gravity 20 below the outlet opening 22 of the plate heat exchanger 8 and below a drain opening 26 of the U-tube 24.
  • a lower edge 27 of the discharge opening 26 of the U-tube 24 is arranged in the direction of gravity 20 below a lower edge 28 of the outlet opening 22 of the plate heat exchanger 8.
  • the embodiment and arrangement of the U-tube 24 according to the invention described and illustrated in FIG. 2 makes it possible for the heat carrier condensed in the plate heat exchanger 8 to flow through the outlet opening 22 into the U-tube 24 and collect there initially in the apex region 25, specifically until the two legs 29, 30 of the U-tube 24, as shown in Figure 2, are filled with the condensed heat carrier.
  • the lower edge 27 of the drain opening 26, as shown in Figure 2 limits the maximum level of the U-tube 24 and the two legs 29, 30 of the U-tube 24.
  • a pipe sleeve 33 is arranged concentrically to the pipe 12, wherein an inner wall of the pipe and an outer wall of the pipe sleeve 33 form a circumferential, in the direction of the geothermal probe 6 funnel-shaped narrowing gap 34 .
  • the condensed heat carrier emerging from the U-tube 24 flows into this gap 24 (directional arrow 31), distributes uniformly over the entire circumference, leaves the gap 24 through an opening 35 and then flows evenly as a condensate film on the inner wall of the tube sleeve 33 and down on the inner wall of the geothermal probe 6.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen mit einer Erdwärmesonde (6) thermisch verbundenen Wärmetauscher (7), insbesondere Plattenwärmetauscher (8). Der Wärmetauscher (7) weist zur Kondensation eines in der Erdwärmesonde (6) durch Erdwärme verdampften Wärmeträgers eine Einlassöffnung (16) für die Zufuhr des verdampften Wärmeträgers und eine Auslassöffnung (22) für die Abfuhr des im Wärmetauscher (7) kondensierten Wärmeträgers auf, welcher durch ein mit der Auslassöffnung (22) des Wärmetauschers (7) verbundenes U-Rohr (24) abführbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das U-Rohr (24) derart angeordnet ist, dass ein Scheitelbereich (25) des U-Rohrs (24) in Schwerkraftrichtung (20) unterhalb der Auslassöffnung (22) des Wärmetauschers (7) und unterhalb einer Abflussöffnung (26) des U-Rohrs (24) angeordnet ist. Hierbei ist eine untere Kante (27) der Abflussöffnung (26) des U-Rohrs (24) in Schwerkraftrichtung (20) unterhalb der unteren Kante (28) der Auslassöffnung (22) des Wärmetauschers (7) angeordnet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Effektivität bzw. der Wirkungsgrad des Wärmetauschers (7) erheblich verbessert werden.

Description

Wärmetauscher
Die Erfindung betrifft einen mit einer Erdwärmesonde thermisch verbundenen Wärmetauscher, insbesondere Plattenwärmetauscher, zur Kondensation eines in der Erdwärmesonde durch Erdwärme verdampften Wärmeträgers. Der Wärmetauscher weist eine Einlassöffnung für die Zufuhr des verdampften Wärmeträgers und eine Auslassöffnung für die Abfuhr des im Wärmetauscher kondensierten Wärmeträgers auf, wobei der Wärmeträger durch ein mit der Auslassöffnung des Wärmetauschers verbundenes U-Rohr abführbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine mit einem derartigen Wärmetauscher verbundene Wärmepumpenanlage.
Aus der DE 20 2008 008 351 U1 ist bereits ein Wärmetauscher der eingangs genannten Art bekannt. Dieser umfasst ein Wärmepumpensystem mit einem im Kreislauf geführten Kältemittel, einer Verdichteranordnung, einem Kondensator, einer Expansionseinrichtung und einem Verdampfer, der durch Energiekopplung mit einer Erdwärmesonde betrieben wird. Die Kondensationswärme des Kältemittels ist zum Beheizen eines Mediums, beispielsweise des Wassers eines Heizkreislaufs, verwendbar. Der Verdampfer ist als Plattenwärmetauscher ausgebildet, in welchem der zuvor durch die Erdwärme verdampfte Wärmeträger der Erdwärmesonde kondensiert und das Kältemittel verdampft wird. Der Plattenwärmetauscher ist in einem Drucktopf angeordnet, welcher infolge eines vorherrschenden Drucks von bis zu 50 bar als Hochdruckbehälter ausgebildet ist. Aufgrund der hohen Drücke muss der Drucktopf eine Wandstärke von 12 bis 15 mm aufweisen und eine Abnahme des Drucktopfs vor der Inbetriebnahme der Wärmepumpenanlage ist zwingend erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher und eine mit einem derartigen Wärmetauscher ausgeführte Wärmepumpenanlage zu schaffen, die sich bei
CQNFIRMATION C0PY einem minimalen vorrichtungstechnischen Aufwand durch eine hohe Effektivität auszeichnen.
Hinsichtlich des Wärmetauschers wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Wärmepumpenanlage durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist also ein Wärmetauscher vorgesehen, bei welchem das U-Rohr derart angeordnet ist, dass ein Scheitelbereich des U-Rohrs in Schwerkraftrichtung unterhalb der Auslassöffnung des Wärmetauschers und unterhalb einer Abflussöffnung des U-Rohrs angeordnet ist und dass eine untere Kante der Abflussöffnung des U-Rohrs in Schwerkraftrichtung unterhalb der unteren Kante der Auslassöffnung des Wärmetauschers angeordnet ist. Durch die erfindungsgemäße Anordnung und Ausgestaltung des U-Rohrs wird ermöglicht, dass der im Wärmetauscher kondensierte Wärmeträger aus dem Wärmetauscher abfließen kann und sich zunächst im Scheitelbereich des U-Rohrs sammelt. Hierdurch bildet der flüssige Wärmeträger einen Flüssigkeitsverschluss im U-Rohr, durch welchen die noch dampf- bzw. gasförmigen Bestandteile des Wärmeträgers daran gehindert werden, den Wärmetauscher ohne zu kondensieren und ohne die Wärme an das zu erwärmende Medium abzugeben, zu verlassen. Dadurch, dass die untere Kante der Abflussöffnung des U-Rohrs unterhalb der unteren Kante der Auslassöffnung des Wärmetauschers angeordnet ist, sammelt sich die Flüssigkeit ausschließlich im Scheitelbereich des unsymmetrisch ausgebildeten U-Rohrs. Die Flüssigkeitssäule in einem dem Wärmetauscher zugewandten Schenkel des U-Rohrs kann maximal die gleiche Höhe erreichen wie die Flüssigkeitssäule in dem anderen Schenkel, wobei die maximale Höhe durch die untere Kante der Ausflussöffnung begrenzt ist. Dadurch, dass die Kante der Auslassöffnung des Wärmetauschers höher als die untere Kante der Abflussöffnung des U-Rohrs liegt, kann es zu keiner Zeit zu einem Rückstau des flüssigen Wärmeträgers bis in den Plattenwärmetauscher kommen und die gesamte Wärmetauscherfläche kann zur Kondensation des dampfförmigen Wärmeträgers genutzt werden. Hierdurch kann die Effektivität bzw. der Wirkungsgrad des Wärmetauschers erheblich verbessert werden.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch geschaffen, dass die Abflussöffnung des U-Rohrs in eine die Erdwärmesonde mit der Einlassöffnung des Wärmetauschers verbindende Rohrleitung mündet. Der durch das erfindungsgemäße U-Rohr gebildete Flüssigkeitsverschluss verhindert, dass der durch die Rohrleitung von der Erdwärmesonde zur Einlassöffnung strömende verdampfte Wärmeträger durch das U-Rohr in den Wärmetauscher eintritt. Damit ist sichergestellt, dass der Dampf ausschließlich durch die Einlassöffnung in den Wärmetauscher eintritt. Unerwünschte, durch das unkontrollierte Einströmen des Dampfs durch die Auslassöffnung des Wärmetauschers bedingte Effekte werden wirksam verhindert. Hierdurch kann die Prozesssicherheit des Wärmetauschers gewährleistet werden.
Eine andere besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass im Inneren der Rohrleitung in einem Mündungsbereich des U-Rohrs zumindest ein Element vorgesehen ist, durch welches der kondensierte Wärmeträger gleichmäßig auf einer Innenwand der Rohrleitung oder einer Innenwand der Erdwärmesonde verteilbar ist. Hierdurch wird erreicht, dass der kondensierte Wärmeträger als Kondensatfilm an der Innenwand der Erdwärmesonde entlangfließt. Hierdurch kann der im Fuß der Erdwärmesonde verdampfte Wärmeträger ungehindert aufsteigen und der Kondensatfilm kann die maximale Fläche des Rohrs ausnutzen, um bereits auf dem Weg zum Fuß der Erdwärmesonde Wärme aus dem Erdreich aufzunehmen.
Dieser Erfindungsgedanke lässt sich dadurch ergänzen, dass das Element als eine konzentrisch zu der Rohrleitung angeordnete Rohrhülse ausgebildet ist, welche zumindest abschnittsweise einen Spalt zwischen einer Innenwand der Rohrleitung und einer Außenwand der Rohrhülse bildet. Hierdurch wird ein unkontrolliertes Einströmen des kondensierten Wärmeträgers aus der Abflussöffnung des U-Rohrs in die Rohrleitung durch eine einfache, aber effektive konstruktive Ausgestaltung verhindert.
Dadurch, dass der Spalt umlaufend ausgebildet ist, wird eine Möglichkeit geschaffen den kondensierten Wärmeträger gleichmäßig auf die gesamte Innenfläche der Rohrleitung bzw. der Erdwärmesonde zu verteilen.
Dieser Erfindungsgedanke lässt sich dadurch ergänzen, dass sich der Spalt in Richtung der Erdwärmesonde verengt und in einem der Erdwärmesonde zugewandten Bereich eine Öffnung aufweist. Durch den sich trichterförmig verengenden Spalt wird der in den Spalt einströmende kondensierte Wärmeträger gleichmäßig im umlaufenden Spalt und dadurch auch auf die Innenfläche der Rohrleitung bzw. der Erdwärmesonde verteilt, sodass eine optimale Benetzung der Innenfläche der Rohrleitung bzw. der Erdwärmesonde gewährleistet werden kann.
In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Spalt in einem der Erdwärmesonde zugewandten Bereich geschlossen ist. Aus der Abflussöffnung des U-Rohrs austretende Flüssigkeit wird so zunächst in dem Spalt zwischen der Rohrhülse und der Rohrleitung gesammelt. Hierdurch kann auf dem gesamten Umfang der Rohrhülse ein gleichmäßiges Flüssigkeitsniveau eingestellt werden. Ist der Spalt bis zur oberen Kante der Rohrhülse gefüllt, tritt die Flüssigkeit über diese Kante und kann gleichmäßig auf der Innenfläche der Rohrhülse bzw. der Erdwärmersonde verteilt werden. Hierbei ist darauf zu achten dass die obere Kante der Rohrhülse nicht über der unteren Kante der Auslassöffnung des Wärmetauschers liegt, da es sonst zu einem Rückstau des Kondensats bis in den Wärmetauscher kommen kann.
Eine weitere Beeinflussung dieses Effekts wird auch dadurch erreicht, dass in einer Wand der Rohrhülse Durchbrechungen vorgesehen sind, durch welche das Kondensat hindurch treten und an der Innenfläche der Rohrhülse abfließen kann.
Erfindungsgemäß ist weiterhin eine Wärmepumpenanlage vorgesehen, welche ein im Kreislauf geführtes Kältemittel, einen Kompressor zum Verdichten des gasförmigen Kältemittels, einen Kondensator zur Kondensation des Kältemittels, eine Drossel oder eine Entspannungsmaschine zum Entspannen des Kältemittels und einen Verdampfer zum Verdampfen des entspannten Kältemittels aufweist, wobei der Verdampfer den erfindungsgemäßen Wärmetauscher nutzt, um durch die bei der Kondensation eines zuvor in einer Erdwärmesonde verdampften Wärmeträgers entstehende Wärme das Kältemittel zu verdampfen.
Eine andere alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmepumpenanlage wird auch dadurch erreicht, dass der Verdampfer über einen Zwischenkreislauf mit einem Sekundärteil verbunden ist, über den mittels eines beliebigen zweiten Wärmeträgers und einer Pumpe zur Zirkulation des zweiten Wärmeträgers die bei der Kondensation des zuvor in einer Erdwärmesonde verdampften Wärmeträgers entstehende Wärme an den Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels übertragen wird.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
Figur 1a ein stark vereinfachtes Schema einer erfindungsgemäßen
Wärmepumpenanlage;
Figur 1 b eine zweite Ausführungsform einer Wärmepumpenanlage; Figur 2 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in einer Seitenansicht.
In den Figuren 1a und 1 b sind zwei Ausführungsformen einer Wärmepumpenanlage 1 schematisch dargestellt, wie sie beispielsweise für eine Heizanlage eines Wohnhauses eingesetzt werden kann. Bei einer derartigen Wärmepumpenanlage 1 wird ein Kältemittel über einen Verdichter 2 verdichtet und einem Kondensator 3 zugeführt. In diesem wird das verdichtete Kältemittel kondensiert, wobei die Kondensationswärme im Wärmeaustausch zum Aufheizen eines Mediums, beispielsweise des Wassers eines Heizkreislaufs, oder zum Aufheizen der Umgebung ausgenutzt wird. Das kondensierte Kältemittel wird in einer Drossel 4 oder einer anderen geeigneten Expansionseinrichtung entspannt und in einem Verdampfer 5 verdampft, sodass an dessen Ausgang das Kältemittel entspannt und gasförmig vorliegt. Die für die Verdampfung des Kältemittels erforderliche Verdampfungswärme muss dem Verdampfer 5 extern zugeführt werden. Dies erfolgt über eine in das Erdreich eingesetzte Erdwärmesonde 6, welche mit einem Wärmetauscher 7 des Verdampfers 5 thermisch verbunden ist. In Figur 1 b ist der Verdampfer 5b über einen Zwischenkreislauf mit einem Sekundärteil 5a verbunden, über den mittels eines beliebigen zweiten Wärmeträgers und einer Pumpe 5c zur Zirkulation des zweiten Wärmeträgers die bei der Kondensation des zuvor in einer Erdwärmesonde 6 verdampften Wärmeträgers entstehende Wärme an den Verdampfer 5b zum Verdampfen des Kältemittels übertragen wird.
Figur 2 zeigt eine Prinzipdarstellung eines in Figur 1a angedeuteten erfindungsgemäßen Wärmetauschers 7 in einer vergrößerten Seitenansicht. Der Wärmetauscher 7 ist als Plattenwärmetauscher 8 ausgebildet. Der Aufbau eines derartigen Plattenwärmetauschers 8 ist aus dem Stand der Technik bekannt, sodass detaillierte Erläuterungen entbehrlich sind. Der stehend angeordnete Plattenwärmetauscher 8 hat eine Vielzahl von in einem Paket zusammengesetzten profilierten Platten 9, wobei in den aufeinanderfolgenden Zwischenräumen 10, 11 das Kältemittel (Zwischenraum 10) und der wärmeabgebende Wärmeträger (Zwischenraum 11) der Erdwärmesonde 6 strömt. Das Plattenpaket ist nach außen und zwischen den wärmeaustauschenden Medien abgedichtet. Die Verbindung zwischen der als Wellrohr ausgebildeten Erdwärmesonde 6 und der die Erdwärmesonde 6 mit dem Plattenwärmetauscher 8 verbindenden Rohrleitung 12 erfolgt über Stutzen 13, 1 ,4 beispielsweise unter Zwischenschaltung einer Graphitdichtung 15.
Der im Erdwärmerohr 6 durch die Erdwärme verdampfte Wärmeträger strömt selbsttätig durch die Rohrleitung 12 und eine Einlassöffnung 16 in den Plattenwärmetauscher 8, was durch die Richtungspfeile 17 angedeutet wird. Im Plattenwärmetauscher 8 verteilt sich der verdampfte Wärmeträger auf die Zwischenräume 11 zwischen den Platten 9 (Richtungspfeile 18), kondensiert und gibt die Kondensationswärme an das sich in den Zwischenräumen 10 befindende Kältemittel der Wärmepumpenanlage 1 ab. Das Kondensat bzw. der kondensierte Wärmeträger tropft (Tropfen 19) in dem aufrecht stehenden Plattenwärmetauscher 8 bedingt durch die Schwerkraft (Schwerkraftrichtung 20) in Richtung des Wärmetauscherbodens 21 und fließt durch eine im Bodenbereich des Plattenwärmetauschers 8 angeordnete Auslassöffnung 22 aus dem Plattenwärmetauscher 8 ab (Richtungspfeil 23).
Die Auslassöffnung 22 des Plattenwärmetauschers 8 ist über ein U-Rohr 24 mit der Rohrleitung 12 verbunden. Das U-Rohr 24 ist derart angeordnet, dass ein Scheitelbereich 25 des U-Rohrs 24 in Schwerkraftrichtung 20 unterhalb der Auslassöffnung 22 des Plattenwärmetauschers 8 und unterhalb einer Abflussöffnung 26 des U-Rohrs 24 angeordnet ist. Eine untere Kante 27 der Abflussöffnung 26 des U-Rohrs 24 ist in Schwerkraftrichtung 20 unterhalb einer unteren Kante 28 der Auslassöffnung 22 des Plattenwärmetauschers 8 angeordnet.
Durch die beschriebene und in Figur 2 dargestellte erfindungsgemäße Ausgestaltung und Anordnung des U-Rohrs 24 wird es ermöglicht, dass der im Plattenwärmetauscher 8 kondensierte Wärmeträger durch die Auslassöffnung 22 in das U-Rohr 24 fließt und sich dort zunächst im Scheitelbereich 25 sammelt, und zwar bis die beiden Schenkel 29, 30 des U- Rohrs 24, wie in Figur 2 dargestellt, mit dem kondensierten Wärmeträger befüllt sind. Hierbei begrenzt die untere Kante 27 der Abflussöffnung 26, wie in Figur 2 dargestellt, den maximalen Füllstand des U-Rohrs 24 bzw. der beiden Schenkel 29, 30 des U-Rohrs 24. Ist der maximale Füllstand erreicht, drückt der nachfolgend aus dem Plattenwärmetauscher austretende kondensierte Wärmeträger zumindest einen Teil des im Scheitelbereich 25 angeordneten flüssigen Wärmeträgers über die Kante 27 der Abflussöffnung 26 hinaus, so dass der kondensierte Wärmeträger in die Rohrleitung 12 bzw. in die Erdwärmesonde 6 abfließen kann (Richtungspfeil 31).
Durch das U-Rohr 24 bzw. den im Scheitelbereich 25 des U-Rohrs 25 angeordneten kondensierten Wärmeträger wird ein Flüssigkeitsverschluss gebildet, welcher verhindert, dass noch dampf- bzw. gasförmige Bestandteile des Wärmeträgers ohne zu kondensieren und ohne die Wärme an das Kältemittel abzugeben den Plattenwärmetauscher 8 verlassen können. Dadurch, dass die untere Kante 28 der Auslassöffnung 22 des Plattenwärmetauschers 8 in Schwerkraftrichtung 20 oberhalb der unteren Kante 27 der Abflussöffnung 26 des U-Rohrs 24 angeordnet ist, kommt es zu keinem Rückstau des Kondensats bis in den Plattenwärmetauscher 8. Hierdurch kann die maximale Flächenausnutzung der Platten 9 des Plattenwärmetauschers 8 gewährleistet werden. Weiterhin ist im Inneren der Rohrleitung 12 in einem Mündungsbereich 32 des U-Rohrs 24 eine Rohrhülse 33 konzentrisch zur Rohrleitung 12 angeordnet, wobei eine Innenwand der Rohrleitung und eine Außenwand der Rohrhülse 33 einen umlaufenden, sich in Richtung der Erdwärmesonde 6 trichterförmig verengenden Spalt 34 bilden. Der aus dem U-Rohr 24 austretende, kondensierte Wärmeträger fließt in diesen Spalt 24 (Richtungspfeil 31), verteilt sich gleichmäßig auf dem gesamten Umfang, verlässt den Spalt 24 durch eine Öffnung 35 und fließt anschließend als Kondensatfilm gleichmäßig an der Innenwand der Rohrhülse 33 und an der Innenwand der Erdwärmesonde 6 herab.

Claims

PATE NTAN S P RÜC H E
1. Ein mit einer Erdwärmesonde (6) thermisch verbundener Wärmetauscher (7), insbesondere Plattenwärmetauscher (8), zur Kondensation eines in der Erdwärmesonde (6) durch Erdwärme verdampften Wärmeträgers weist eine Einlassöffnung (16) für die Zufuhr des verdampften Wärmeträgers und eine Auslassöffnung (22) für die Abfuhr des im Wärmetauschers (7) kondensierten Wärmeträgers auf, welcher durch ein mit der Auslassöffnung (22) des Wärmetauschers (7) verbundenes U-Rohr (24) abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das U-Rohr (24) derart angeordnet ist, dass ein Scheitelbereich (25) des U-Rohrs (24) in Schwerkraftrichtung (20) unterhalb der Auslassöffnung (22) des Wärmetauschers (7) und unterhalb einer Abflussöffnung (26) des U-Rohrs (24) angeordnet ist und dass eine untere Kante (27) der Abflussöffnung (26) des U-Rohrs (24) in Schwerkraftrichtung (20) unterhalb der unteren Kante (28) der Auslassöffnung (22) des Wärmetauschers (7) angeordnet ist.
2. Wärmetauscher (7) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abflussöffnung (26) des U-Rohrs (24) in eine die Erdwärmesonde (6) mit der die Einlassöffnung (16) des Wärmetauschers (7) verbindende Rohrleitung (12) mündet.
3. Wärmetauscher (7) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Rohrleitung (12) in einem Mündungsbereich (32) des U-Rohrs (24) zumindest ein Element vorgesehen ist, durch welches der kondensierte Wärmeträger gleichmäßig auf einer Innenwand der Rohrleitung (12) oder eine Innenwand der Erdwärmesonde (6) verteilbar ist.
4. Wärmetauscher (7) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Element als eine konzentrisch zu der Rohrleitung (12) angeordnete Rohrhülse (33) ausgebildet ist, welche zumindest abschnittsweise einen Spalt (34) zwischen einer Innenwand der Rohrleitung (12) und einer Außenwand der Rohrhülse (33) bildet.
5. Wärmetauscher (7) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (34) umlaufend ausgebildet ist.
6. Wärmetauscher (7) nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Spalt (34) in Richtung der Erdwärmesonde (6) verengt und in einem der Erdwärmesonde (6) zugewandten Bereich eine Öffnung (35) aufweist.
7. Wärmetauscher (7) nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (34) in einem der Erdwärmesonde (6) zugewandten Bereich geschlossen ist.
8. Wärmetauscher (7) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Wand der Rohrhülse (33) Durchbrechungen vorgesehen sind.
9. Wärmepumpenanlage (1) mit einem im Kreislauf geführten Kältemittel, einem Kompressor (2) zum Verdichten des gasförmigen Kältemittels, einem Kondensator (3) zur Kondensation des Kältemittels, einer Drossel (4) oder einer Entspannungsmaschine zum Entspannen des Kältemittels und einem Verdampfer (5, 5b) zum Verdampfen des entspannten Kältemittels, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (5, 5b) einen Wärmetauscher (7) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche aufweist, in welchem mittels der bei der Kondensation des zuvor in einer Erdwärmesonde (6) verdampften Wärmeträgers entstehenden Wärme das Kältemittel verdampft.
10. Wärmepumpenanlage (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (5b) über einen Zwischenkreislauf mit einem Sekundärteil (5a) verbunden ist, über den mittels eines beliebigen zweiten Wärmeträgers und einer Pumpe (5c) zur Zirkulation des zweiten Wärmeträgers die bei der Kondensation des zuvor in einer Erdwärmesonde (6) verdampften Wärmeträgers entstehende Wärme an den Verdampfer (5b) zum Verdampfen des Kältemittels übertragen wird.
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