Spezielles Wärmerohr

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen speziellen Thermosyphon und ein spezielles Wärmerohr, welche für die Einbringung in flüssige oder pastöse Medien vorgesehen sind. Derartige Anwendungsfälle bestehen z.B. bei der Gewinnung von Erdwärme oder Abwärme aus Kanälen oder auch Klärwerken. Werden normale Thermosyphone oder Wärmerohre in Wasser oder Schlamm eingetaucht, so macht die von ihnen verdrängte Masse mehr aus als ihr Eigengewicht, und sie schwimmen auf. In einem solchen Fall ist entweder der Einbau nicht zu bewerkstelligen, oder bei einer horizontalen Einbaulage die Oberfläche des Thermosyphons oder des Wärmerohrs nicht vollständig benetzt. Dadurch ist die Wärmeeinkopplung stark reduziert. Mit der Erfindung wird ein spezieller Thermosyphon und ein spezielles Wärmerohr (1) zur Verfügung gestellt, bei welchen aufgrund von integriertem Ballast (3) dieses Problem beseitigt ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen speziellen Thermosyphon, bzw. ein spezielles Wärmerohr, welches zum Zwecke der Wärmeeinkopplung und des Wärmetransports mit einem wesentlichen Teilstück innerhalb eines flüssigen oder pastösen Mediums verlegt ist.

[0002] Derartige Thermosyphone, bzw. Wärmerohre bestehen vorzugsweise zumindest in einem Teilbereich aus schraubenlinienförmig gewell­tem Rohr. Vom Anmelder wurde unter der Deutschen Patentanmeldung P 39 06 135.3 vorgeschlagen, derartige Thermosyphone, bzw. Wärme­rohre in Wärmegewinnungsanlagen zu integrieren, wobei vorzugswei­se daran gedacht ist, Wärmeenergie aus dem Boden, aus Kanälen, aus Flüssen, oder auch aus Klärwerken zu entnehmen. Hierbei ist es erforderlich, den Thermosyphon, bzw. das Wärmerohr zumindest mit der Verdampfersektion an das entsprechende Medium anzukop­peln.

[0003] Ist als Wärmequelle einer solchen Wärmegewinnungsanlage der Boden vorgesehen, wobei die Wärme entweder aus einer horizontal vorge­triebenen oder aus einer vertikal abgeteuften Bohrung entnommen werden soll, so muß der Thermosyphon, bzw. das Wärmerohr in die mit Wasser oder angedickter Bohrspülung gefüllte Bohrung einge­bracht werden. In ähnlicher Weise ist ein derartiger Strang in einem Kanal in das Abwasser einzubringen, oder z.B. im Becken oder Zulauf eines Klärwerks in Dickstoffe zu verlegen. Hierbei besteht nun das Problem, daß herkömmliche Thermosyphone, bzw. Wärmerohre bereits in Wasser mehr Masse verdrängen, als sie selbst besitzen. Durch dieses Mißverhältnis entstehen an dem Strang Auftriebskräfte, welche bei vertikaler Lage des Strangs den Einbau praktisch unmöglich machen. Bei horizontaler Lage des Strangs schwimmt dieser auf, so daß er nur an seiner Unterseite benetzt wird. Aufgrund des beschriebenen Problems können herkömm­liche Thermosyphone, bzw. Wärmerohre in derartigen Wärmegewin­nungsanlagen nicht verwendet werden.

[0004] Aus der Europäischen Patentanmeldung 0 282 092 ist solch ein Wär­merohr aus Wellrohr für die Erdwärmegewinnung bekannt, welches für den Einbau in weitgehend trockene Bohrlöcher z.B. im felsigen Untergrund vorgesehen ist. Aufgrund des Eigengewichts des Wärme­rohrs unterliegt es einer mit der Länge ansteigenden axialen Zug­ beanspruchung, welche nach der Erfindung mittels einem innen oder zwei außen liegenden Zugseilen abgefangen werden soll. Der Erfin­dung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst leichtgewichtige Konstruktion mit einer hohen axialen Beanspruchbarkeit zu schaf­fen, weshalb die einzelnen Komponenten, wie z.B. die innen lie­genden Drahtschlaufen zum Abstützen des Zugseils sehr filigran ausgeführt sind, um Gewicht einzusparen. Ein Wärmerohr nach der genannten Erfindung ist für den Einsatz unter den eingangs ge­schilderten Bedingungen, also dem vollständigen Eintauchen in ein flüssiges oder pastöses Medium, weniger gut geeignet, weil hier statt einer axialen Zugbeanspruchung eine axiale Druckbeanspru­chung auf das Wärmerohr wirkt.

[0005] Es bestand daher die Aufgabe zur Schaffung eines speziellen Ther­mosyphons und eines speziellen Wärmerohres, welche problemlos in flüssige oder pastöse Medien einbaubar sein sollten. Gleichzeitig sollte eine derartige Spezialausführung ebenso flexibel sein, wie eine herkömmliche Version aus schraubenlinienförmig gewelltem Rohr. Die zu schaffende Sonderform sollte ferner ein Ankoppeln an ein Zugseil oder an einen Rohrstrang erlauben, um ein Einziehen in eine Horizontalbohrung zu erlauben. Außerdem sollten die er­forderlichen Modifikationen sehr kostengünstig herstellbar sein.

[0006] Die beschriebene Aufgabe wird nach der Erfindung entsprechend der im Anspruch 1 und den Unteransprüchen gegebenen Lehre gelöst. Danach wird der spezielle Thermosyphon und das spezielle Wärme­rohr in den in ein flüssiges oder pastöses Medium eingetauchten Teilbereichen mit einem integrierten Ballast derart beschwert, daß der Auftrieb mindestens auf einen Wert nahe Null reduziert ist.

[0007] Thermosyphone und Wärmerohre für den beschriebenen Einsatzzweck werden vorteilhaft aus schraubenlinienförmig gewelltem Rohr her­gestellt. Diese Art hat den Vorteil der Biegsamkeit und der zu­sätzlichen Erhöhung der Außendruckfestigkeit. Außerdem kann ein derartiges Wellrohr endlos hergestellt werden, so daß die bei starren Rohren erforderlichen Verbinder weitgehend entfallen.

[0008] Nach der Erfindung kann für derartige Thermosyphone und Thermo­rohre die Beschwerung im kleineren Durchmesserbereich in ein­facher Weise dadurch realisiert werden, daß die Wandstärke ge­genüber herkömmlichen schraubenlinienförmig gewellten Rohren ver­stärkt ist. Herkömmliche Wellrohre mit z.B. 50 mm Durchmesser werden aus Blech von z.B. 0,5 mm Dicke hergestellt. Je nach der Tiefe der Wellung kann hier eine Erhöhung der Wanddicke z.B. auf einen Wert von 0,6 bis 0,8 mm schon genügen, um ein Gewicht zu erreichen, welches etwa der verdrängten Wassermenge entspricht.

[0009] Bei flacherer Wellung ebenso wie bei größeren Durchmessern ist diese Art der Beschwerung nicht mehr ausreichend. Hier wird er­findungsgemäß vorgeschlagen, einen metallischen Draht vorzugs­weise runden Querschnitts außen in die Wellung einzuwickeln. Diese Art der Aufbringung von Ballast hat im Verdampferbereich des Thermosyphons, bzw. des Wärmerohrs keine Nachteile, weil da­durch der Wärmeübergang nicht verschlechtert wird. Gleichzeitig ergibt sich neben der Beschwerung der Vorteil einer Versteifung gegenüber von außen wirkenden Kräften, ohne daß die Biegsamkeit des Wellrohres wesentlich beeinträchtigt wird. Der zur Beschwe­rung außen aufgewickelte Draht kann nach der Erfindung sogar zu­sätzlich als Schutz des Wellrohres vor mechanischen Beschädigun­gen dienen, wenn er in seinen Abmessungen so festgelegt ist, daß die von ihm beschriebene Außenkontur im Durchmesser größer ist, als der Durchmesser des Wellrohres. Das Wickeln des Drahtes ist außerordentlich preiswert zu verwirklichen.

[0010] Im Transportbereich des Thermosyphons, bzw. des Wärmerohrs, also jenem Bereich, in welchem die Dampftemperatur höher als die Aus­sentemperatur ist, ist eine thermische Isolation von Vorteil. Für diese Sektion wird nach der Erfindung eine andersartige Beschwe­rung vorgeschlagen. Hier besteht der Ballast aus einem mit einem Kunststoff oder Elastomer ummantelten Draht vorzugsweise runden Querschnitts, welcher in gleicher Weise wie zuvor in die Wellung des Rohrmantes gewickelt ist. Eine außenliegende Wicklung ist zu­sätzlich mit einem Mantel aus einem Kunststoff oder Elastomer um­hüllt.

[0011] Für höhere Ansprüche an die thermische Isolierwirkung wird nach weiterer Erfindung vorgeschlagen, die Aufgabe der Isolation mit der Aufgabe der Beschwerung des Strangabschnitts innerhalb nur eines Bauteils zu integrieren. Diese Idee wird in der Weise rea­lisiert, daß dem Kunststoff- oder Elastomermaterial schwere Par­tikel zugemischt werden, welche gleichzeitig mäßig oder schlecht wärmeleitende Eigenschaften besitzen. Hier kommen vor allem anor­ganische, bzw. mineralische Stoffe in Betracht, während organi­sche Substanzen im wesentlichen wegen der niedrigen Dichte, und Metalle wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit ausscheiden. Als einer von zahlreichen aussichtsreich erscheinenden Stoffen zur Beimen­gung wird Schwerspat (Bariumsulfat) vorgeschlagen. Die mit dem beschwerenden Zuschlagstoff angereicherte Kunststoff- oder Ela­stomermasse wird in üblicher Weise als Mantel auf das das Gehäu­se des Thermosyphons, bzw. des Wärmerohrs bildende Wellrohr auf­gebracht.

[0012] Nach weiterer Erfindung wird vorgeschlagen, den Thermosyphon, bzw. das Wärmerohr an seinem unteren, bzw. vorderen Ende mit ei­nem Schwerstück zu versehen. Das Schwerstück ist im wesentlichen ein zylindrisches Stück massives Metall, welches in Bezug auf seine Abmessungen an das erforderliche Gewicht angepasst ist. Es ist erfindungsgemäß zusätzlich mit einigen Verbesserungen verse­hen, welche das Anschließen von Gerätschaften zum Zwecke des Zie­hens erlauben. Diese Verbesserungen bestehen aus einem zylindri­schen Fanghals, einer eingedrehten Fangnut, und z.B. einer Öse, so daß verschiedene Anschlußmöglichkeiten gegeben sind, falls der Thermosyphon, bzw. das Wärmerohr z.B. in eine Horizontalbohrung eingezogen werden soll. Von Vorteil ist ferner, das Schwerstück in seinem größten Durchmesser mindestens gleich groß oder gering­fügig größer festzulegen, als der Durchmesser des entsprechenden als Gehäuse des Thermosyphons oder des Wärmerohrs dienenden Well­rohrs, damit es als Kalibrierstück arbeitet, und so beim Einzie­hen des Strangs z.B. in eine Bohrung die Wandung der Bohrung glättet und u.U. deren Innendurchmesser aufweitet, um Beschädi­gungen des Wellrohrs auszuschließen. Nach weiterer Erfindung wird vorgeschlagen, das Schwerstück über eine lösbare und gegen unbe­absichtigtes Lösen gesicherte Verbindung anzukoppeln.

[0013] Für die praktische Anwendung der Erfindung wird es je nach Ein­baulage günstig sein, das Stranggewicht gegen das Gewicht des verdrängten Volumens so auszubalancieren, daß ein Auftrieb zwi­schen Null und einem geringen Negativwert resultiert. Dadurch wird einerseits verhindert, daß schädliche Druck- oder Zugkräfte auf das Wellrohr ausgeübt werden, andererseits ein problemloser Einbau ermöglicht, bzw. ein Aufschwimmen verhindert.

[0014] Mit der Erfindung wird somit ein spezieller Thermosyphon und ein spezielles Wärmerohr zur Verfügung gestellt, welche den problem­losen Einbau z.B. in mit Wasser oder Spülung gefüllte Bohrungen, in Abwasserkanäle, die Einbringung in Zuläufe oder Becken von Klärwerken, bzw. ähnliche Einbausituationen erlauben, auch wenn die Einbaustrecken ganz oder teilweise horizontal verlaufen. Die Außendruckfestigkeit der Rohrtour ist verbessert, ohne die Wärme­übertragung, bzw. die Biegsamkeit zu beeinträchtigen. Die thermi­sche Isolation ist im Transportbereich trotz einer Beschwerung gewährleistet. Die vorgeschlagene Integration von Ballast ist zu außerordentlich geringen Kosten zu verwirklichen.

[0015] Die Erfindung soll im folgenden anhand der fünf Zeichnungsfiguren näher erläutert werden. Die Zeichnungsfiguren 1 bis 4 zeigen je­weils eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Beschwerung am Ge­häusemantel eines Thermosyphons, bzw. eines Wärmerohres. Aus Gründen der Zeichnungsvereinfachung sind in den Zeichnungsfiguren 1, 2 und 4 die jeweils in den Wellungen eines Wellrohrs liegenden Drähte rund und mit einem der Wellung entsprechenden Durchmesser dargestellt, obwohl eine solche Ausführung nicht zwingend und für die praktische Verwirklichung nicht unbedingt optimal sein muß. In Fig.5 ist das Ausführungsbeispiel eines Schwerstücks darge­stellt.

[0016] Fig.1 zeigt in einer geschnittenen Darstellung ein Wellrohr 1, welches als Gehäusemantel eines Thermosyphons, bzw. eines Wärme­rohres dient. Es ist aus Blech 2 gefertigt und schraubenlinien­förmig gewellt. In die Wellung ist als Ballast ein Draht mit run­dem Querschnitt eingelegt.

[0017] Fig.2 zeigt in gleicher Darstellungsweise eine erfindungsgemäße vorteilhafte Abwandlung der Ballastintegration in ein Wellrohr 4 aus Blech 5, wobei der Runddraht 6 so auf die Wellung des Well­rohres abgestimmt ist, daß der durch seine äußere Kontur gebilde­te Durchmesser geringfügig größer ist als der Außendurchmesser des Wellrohres, um so gleichzeitig als Schutz des Wellrohres vor mechanischen Beschädigungen zu dienen.

[0018] Auch Fig.3 ist geschnitten gezeichnet. Es ist wiederum ein Well­rohr 7 aus Blech 8 dargestellt, welches den Transportbereich ei­nes Thermpsyphons, bzw. eines Wärmerohrs verkörpern soll. Die er­forderliche Isolation ist durch einen Mantel 9 aus einem Kunst­ stoff oder Elastomer gebildet, in welchen kleine Partikel aus einer Substanz mit hoher Dichte und vorzugsweise mäßiger oder ge­ringer Wärmeleitfähigkeit eingebettet sind. Die beschwerenden Partikel sind durch eine Punktierung der Schnittfläche angedeu­tet.

[0019] Wie Fig.3 so zeigt auch Fig.4 die geschnittene Prinzipskizze ei­nes Transportbereiches. Das Wellrohr 10 aus Blech 11 ist mit ei­nem beschwerenden Runddraht 12 bewickelt, welcher mit einer Be­schichtung 13 z.B. aus Kunststoff umhüllt ist. Zusätzlich ist ein Mantel 14 aus einem Kunststoff oder Elastomer und darin eingebet­teten schweren Partikeln aufgebracht.

[0020] In Fig.5 ist das Ausführungsbeispiel eines am unteren oder vorde­ren Ende eines Thermosyphons oder eines Wärmerohres angebrachten Schwerstückes zu sehen. Das Schwerstück 15 ist mit dem als Gehäu­semantel des Thermosyphons, bzw. des Wärmerohres dienenden Well­rohr 16 verbunden. Zum Anschluß verschiedener Gerätschaften zum Fangen oder Ziehen ist sowohl ein Fanghals 18, eine Fangnut 19, und ein Auge 20 gebildet. Eine leichte Verdickung 17 dient als Kaliber mit Schutzfunktion für das Wellrohr während des Einzie­hens des Strangs z.B. in eine Bohrung.

Ansprüche

1. Thermosyphon, bestehend aus einem gasdicht verschlossenen Be­hältnis vorzugsweise rohrähnlicher Ausbildung mit einem Vorrat eingeschlossener Arbeitsflüssigkeit und einem bestimmten Innen­druck, bzw. Wärmerohr (Heatpipe), bestehend aus einem gasdicht verschlossenen Behältnis vorzugsweise rohrähnlicher Ausbildung mit einer inneren Kapillarstruktur, einem Vorrat eingeschlosse­ner Arbeitsflüssigkeit und einem bestimmten Innendruck, wobei in beiden Fällen die Arbeitsflüssigkeit durch Anlegen einer Tempera­turdifferenz an der wärmeren Zone zum Verdampfen und an der käl­teren Zone zum Kondensieren gebracht und dabei mittels des Dampf­stroms Wärmeenergie von der wärmeren Zone zur kälteren Zone und mittels des Rückflusses des Kondensats an der Wand des Behältnis­ses, in der Kapillarstruktur, oder auch über eine separate Arte­rie Kälteenergie von der kälteren Zone zur wärmeren Zone trans­portiert wird, wobei der Thermosyphon oder das Wärmerohr minde­stens in einem Teilstück aus einem schraubenlinienförmig gewell­tem Rohr besteht, und entweder ständig oder zumindest während des Einbauvorgangs mindestens mit einem Teilstück in ein flüssiges oder pastöses Medium eingetaucht ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens dieses eingetauchte Teilstück mit Hilfe von Ballast derart beschwert ist, daß im eingetauchten Zustand der Auftrieb mindestens auf einen Wert nahe Null reduziert ist.

2. Thermosyphon, bzw. Wärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Ballast durch eine gegenüber einem herkömmli­chen Thermosyphon, bzw. gegenüber einem herkömmlichen Wärmerohr vergrößerte Wandstärke des Rohrmantels realisiert ist.

3. Thermosyphon, bzw. Wärmerohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren bzw. vorderen Ende ein Schwerstück angebracht ist.

4. Thermosyphon, bzw. Wärmerohr nach Anspruch 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Schwerstück mit einem zylindrischen Fanghals versehen ist.

5. Thermosysphon, bzw. Wärmerohr nach Anspruch 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Schwerstück mit einer eingedrehten Fangnut ver­sehen ist.

6. Thermosyphon, bzw. Wärmerohr nach Anspruch 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß an der Spitze des Schwerstücks ein Auge, bzw. eine Öse, ein Haken oder dergleichen angebracht ist.

7. Thermosyphon, bzw. Wärmerohr nach Anspruch 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß der größte Außendurchmesser des Schwerstücks ent­weder gleich groß oder geringfügig größer ist, als der Außen­durchmesser des Wellrohrs, welches das Gehäuse des Thermosyphons, bzw. des Wärmerohrs bildet.

8. Thermosyphon, bzw. Wärmerohr nach Anspruch 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Schwerstück über eine lösbare und gegen unbeab­sichtigtes Lösen gesicherte Verbindung angekoppelt ist.

9. Thermosyphon, bzw. Wärmerohr nach einem oder mehreren der vor­stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ballast min­destens zum Teil, vorzugsweise im Verdampferbereich, durch einen außen schraubenlinienförmig aufgewickelten metallischen Draht vorzugsweise runden Querschnitts gebildet ist.

10. Thermosysphon, bzw. Wärmerohr nach Anspruch 9, dadurch ge­kennzeichnet, daß der außen schraubenlinienförmig in die Wellung des Wellrohres eingelegte Draht in seinen Abmessungen so festge­legt ist, daß seine Außenkontur nach dem Einlegen einen geringfü­gig größeren Durchmesser bildet als der Durchmesser des Wellroh­res, um bei der Montage oder beim Einziehen z.B. in eine Tiefboh­rung die Wandung des Wellrohres vor Beschädigungen zu schützen.

11. Thermosyphon, bzw. Wärmerohr nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ballast mindestens zum Teil, vorzugsweise im Transportbereich, in den thermisch isolierenden Mantel integriert ist.

12. Thermosyphon, bzw. Wärmerohr nach Anspruch 11, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Ballast aus einem vorzugsweise mit einem Kunststoff oder Elastomer isolierten metallischen Draht vorzugs­weise runden Querschnitts besteht, welcher schraubenlinienförmig in die Wellen des Gehäusemantels gelegt und vorzugsweise in einen weiteren Kunststoff oder Elastomer eingebettet oder durch diesen nach außen umhüllt ist.

13. Thermosyphon, bzw. Wärmerohr nach Anspruch 11, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Ballast aus schweren Partikeln gebildet ist, welche direkt in Mischung mit einem Kunststoff oder Elasto­mer auf den Gehäusemantel des Thermosyphons, bzw. des Wärmerohrs gebracht sind.

14. Thermosyphon, bzw. Wärmerohr nach Anspruch 13, dadurch ge­kennzeichnet, daß die schweren Partikel eine schlechte thermische Leitfähigkeit besitzen.

15. Thermosyphon, bzw. Wärmerohr nach Anspruch 14, dadurch ge­kennzeichnet, daß die schweren Partikel aus Schwerspat (Barium­sulfat) bestehen.

Zeichnung