DE102007005270B4

DE102007005270B4 - Erdwärmesonde

Info

Publication number: DE102007005270B4
Application number: DE102007005270A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. Wagner
Original assignee: BLZ GEOTECHNIK GmbH
Current assignee: BLZ GEOTECHNIK GmbH
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2027-01-27
Also published as: DE102007005270A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Erdwärmesonde zur Gewinnung von Erdwärme aus einer Bohrung, wobei in einem Sondenrohr ein Kondensatstromverteiler eingebunden ist. Damit ist jedoch eine Verdampfung des Kältemittels über die gesamte Bohrungs- und damit Sondenlänge nicht gewährleistet. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Erdwärmesonde mit einem vollständigen Fallfilm im Sondenrohr zu entwickeln, damit ein Wärmeentzug über die gesamte Sondenlänge bei gleichmäßiger Schichtdicke erreichbar ist. Dies wird dadurch erreicht, dass erfindungsgemäß ein Kondensatstrom-Verteiler mit radial und/oder tangential zur Wandung des Sondenrohres angeordneten Kondensat-Leiteinrichtungen versehen ist, derart, dass ein radial verteilter Kondensatfilm erzeugbar ist. Der Kondensatstrom-Verteiler ist als Verteilerrohr, Drehrohr oder Überlaufrohr mit Verteilerdüsen in verschiedenen Ebenen oder als Bürsteneinrichtung in verschiedenen Ebenen ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Erdwärmesonde zur Gewinnung von Erdwärme aus einer Bohrung.
Stand der Technik
Die Gewinnung der Erdwärme aus Bohrungen erfolgt durch das Fördern von thermalem Wasser aus aufgeschlossenen Wasserleitern oder durch die Abkühlung des Erdreiches entlang einer Bohrung. Die Abkühlung des Erdreiches erfolgt mit verschiedenen Erdwärmesonden. Gegenwärtig werden U-Rohr-Anordnungen in den Bohrungen bevorzugt, bei denen durch eine zwangsgeführte Zirkulation Wasser oder Wasser-Frostschutzmittel-Gemische auf dem Weg erwärmt werden und somit die Energie nach oben transportieren. Durch Abkühlung des Wassers wird die Energie in einen Wärmepumpenkreis übertragen und hier auf ein verwertbares Temperaturniveau gebracht. Ebenso werden für den Wärmeentzug aus dem Erdreich verdampfbare Kältemittel eingesetzt, die durch die Verdampfung die Energie gewinnen.
In den DE 42 11 576 A1 und DE 298 24 676 U1 werden Anordnungen von Wärmerohren beschrieben, bei dem sich die Heizzone des Wärmerohres und damit die Verdampfung des flüssigen Kältemittels im unteren Teil des Rohres befindet. Der Dampf wird durch Sieden des flüssigen Kältemittels erzeugt. Der Dampf wird dann weiter in einem Rohr nach oben geleitet und gibt oben durch Kondensation seine Energie ab. Diese wird direkt oder mit Unterstützung einer Wärmepumpe genutzt.
In der EP 1194 723 B1 wird das Kältemittel durch einen Kanal in die Sonde und durch einen zweiten Kanal nach oben geführt. Mittels einer spiralförmigen Bahn, die aufwändig hergestellt werden muss, wird eine Filmverdampfung angestrebt. Eine Verdampfung des Kältemittels über die gesamte Bohrungs- und damit Sondenlänge ist jedoch nicht erreichbar, so dass kein vollständiger Wärmeentzug ermöglicht wird. Durch das DE 20 2004 018 559 U1 ist ein Wärmeerzeuger zur Gewinnung von Erdwärme aus einer Bohrung bekannt geworden, bei dem in einem Sondenrohr ein Kondensatstromverteiler eingebunden ist. Obwohl ebenfalls eine allseitige Benetzung erreicht werden soll, ist eine Filmverdampfung nicht realisierbar.
Zweck der Erfindung
Es besteht somit der Bedarf Erdwärmesonden einzusetzen, in denen der Wärmeentzug durch eine Verdampfung eines Kältemittels über die gesamte Sondenlänge an einer einfachen Sondenkonstruktion stabil erfolgt. Besondere Bedeutung hat die Nutzung der gesamten Rohrlänge in tiefen Bohrungen.
Charakteristik der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Erdwärmesonde mit einem vollständigen Fallfilm zu entwickeln, der einen Wärmeentzug über die gesamte Sondenlänge und den gesamten Sondenumfang gewährleistet. Der Fallfilm soll dabei eine möglichst gleichmäßige Schichtdicke über die Sondenlänge und -umfang aufweisen. Die Erdwärmesonden sollen deshalb aus einem Rohr bestehen, in dem die Verdampfung des Kältemittels an der Rohrinnenwand und der Transport des Dampfes nach oben im Zentrum des Rohres erfolgt. Das hat den Vorteil, dass die tiefen, aufwändig hergestellten Bohrungen auch optimal zur Wärmegewinnung aus dem gesamten durchbohrten Erdreich genutzt werden können.
Dies wird dadurch erreicht, dass erfindungsgemäß ein Kondensatstrom-Verteiler mit radial und/oder tangential zur Wandung des Sondenrohres angeordneten Kondensat-Leiteinrichtungen versehen ist, derart, dass ein radial verteilter Kondensatfilm erzeugbar ist. Dabei ist es möglich, verschiedene Kondensatstrom-Verteiler so zu verbinden, dass eine optimale Benetzung der gesamten Innenfläche des Sondenrohres erreicht wird. Der Kondensatstrom-Verteiler ist weiterhin in der Lage, die Zonen mit einer besseren Wärmeleitfähigkeit im Erdreich mit einer größeren Kondensatmenge zu versorgen. Die Verdampfung und damit der Wärmeentzug wird an diesen Bereichen erhöht. Der Kondensatstrom-Verteiler sorgt für eine vollständige Verdampfung an der Innenfläche des Sondenrohres und verhindert eine vollständige oder teilweise Überflutung der Erdwärmesonden. Mit den Kondensat-Verteilern wird auch die Benetzung von profilierten Rohren, beispielsweise Wellrohre, und von geneigten Rohren verbessert.
Vorteile der Erfindung
Eine optimale und gleichmäßige Ausbildung eines Fallfilms über das Sondenrohr hat den Vorteil, dass der Wärmeentzug über die gesamte Sondenlänge und Rohrfläche erfolgt und damit ein gleichmäßiger und maximaler Wärmeentzug aus dem Erdreich erreicht wird. Diese Wärmegewinnung ermöglicht zudem einen intensiveren Entzug von Energie aus den Bereichen des Erdreiches, wo die Wärmeleitfähigkeit größer ist. Bei gleicher Wärmeleistung werden geringere Bohrungslängen benötigt. Der Wärmeüber tragungswiderstand des Kältemittels wird durch seine geringe Schichtstärke verringert. Eine Verdampfung des Kondensatfilms auf der Rohrinnenwand verhindert eine Überflutung des Sondenrohres, so dass die Verdampfung in den unteren, sonst überfluteten Bereichen der Sonde bei einem geringeren Druck besser erfolgen kann, da nur eine zusätzliche Beeinflussung durch den geringen hydrostatischen Druck der Dampfsäule und nicht durch den wesentlich höheren hydrostatischen Druck einer Kondensatsäule bewirkt wird. Der Wärmeentzug mit einer hohen Temperaturdifferenz über die gesamte Sondenlänge verbessert die Regeneration des Erdreiches in der Ruhephase und trägt zur hohen Lebensdauer der Sondennutzung bei. Auf eine Konzentration der Verdampfung auf den unteren überfluteten Bereich der Sonde kann verzichtet werden.
Mit der Anordnung eines Verteilerrohres innerhalb der Sonde kann das flüssige Kältemittel an verschiedenen gewünschten Positionen eingebracht und auf der Innenfläche der Sonde zielgerichtet verteilt werden. Die Ableitung des flüssigen Kältemittels in einem Rohr lässt den verdampften Teil des Kältemittels ungehindert aufsteigen. Der Flutungseffekt, der sonst bei einer Einrohrvariante durch den Gegenstrom zwischen dem herabfließenden Kondensat und dem aufsteigenden Dampf entstehen kann, entsteht hier nicht. Die über Düsen verteilte Flüssigkeit sichert eine umfassende Benetzung der Rohrinnenfläche ab. Eine Strähnenbildung oder ein Aufreißen des Filmes wird verhindert und die Wärmeübertragung zwischen Erdreich und Sondenrohr verbessert. Mit jeder Verteilerdüse wird der benetzende Film des Kondensates auch in größeren Tiefen neu aufgebaut. Die Filmstabilisierung ist besonders in geneigten Sonden oder Sonden mit gewellten Rohren notwendig, da das Kondensat sonst von der Wand abtropft bevor es verdampft wurde. Die Erfindung ist deshalb gut geeignet, die Wärmegewinnung mit Fallfilmen für tiefe Sonden und Sonden mit gewellten Rohren zu verbessern.
Mit einem Verdrängungskörper auf dem Boden der Sonde kann ein Siedebereich erzeugt werden, der in der Anfangsphase, bevor der Film aufgebaut ist, den Kältemitteldampf liefert.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer senkrechten Verdampfersonde mit Verteilerrohr
2: eine schematische Darstellung einer senkrechten Verdampfersonde mit drehbarem Verteilerrohr
3: eine schematische Darstellung einer Verdampfersonde mit einem spiralförmigen Bürsteneinsatz
4a: eine schematische Darstellung einer Kondensatverteilung am Kopf des Verdampferrohres mit Zackenkrone
4b: dsgl. mit gebohrter Krone
5a: eine schematische Darstellung eines drehbaren Verteilerrohres mit Bürstenwischer
5b: dsgl. mit Bürste
6a: eine schematische Darstellung eines Überlaufverteilers am Verteilerrohr
6b: eine schematische Darstellung eines Überlaufverteilers am Sondenrohr
7: eine schematische Darstellung einer Verdampfersonde mit Verteilerrohr und Düsen zur Expansion
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die Verdampfererdwärmesonde besteht aus dem Sondenrohr 2, das über den Verfüllbaustoff 4 mit dem Erdreich 19 verbunden ist. Die Verdampfung des Kältemittelskondensates 13 erfolgt auf der Innenfläche des Sondenrohres 2 in der Verdampfererdwärmesonde. Das Kondensat 13 wird über das mit dem Überlaufrohr 18 verbundene Verteilerrohr 1 in die Erdwärmesonde eingebracht und über Verteilerdüsen 3 in verschiedenen Ebenen an das Sondenrohr 2 gespritzt. Die Abstände der Ebenen sind so zu bemessen, dass die Verdampfung des Kondensates 13 bis zum Einspritzen des Kondensates in der darunter liegenden Ebene weitestgehend abgeschlossen ist. Die Verteilerdüsen 3 zeigen in verschiedene Richtungen, so dass eine allseitige Benetzung des Sondenrohres 2 erreicht wird. In der Regel werden sie um 90° versetzt radial angeordnet. Das Verteilerrohr 1 ist entweder von dem Kondensat 13 mit freiem Überlauf oder direkt in den Kältekreislauf der Kompressionswärmepumpe als Expansionseinheit direkt in den Kältekreislauf der Kompressionswärmepumpe als Expansionseinheit (siehe 7) betrieben. Bei freiem Überlauf werden die Durchmesser der Verteilerdüsen 3 in Abhängigkeit von der hydrostatischen Säule ausgelegt. Bei direkter Beschickung mit dem Kältemittelkondensat 13 wirkt zusätzlich noch der Kompressionsdruck des Verdichters auf die Verteilerdüsen, die die Expansion für den Kreisprozess übernehmen.
2 zeigt eine Abwandlung des Verteilerrohres als Drehrohr 9, in das ein axiales Drehgelenk 8 eingebaut ist. Damit wird die Rotation des Drehrohres 9 zugelassen. Die Verteilerdüsen 3 werden als tangentiale Drehdüsen 10 ausgeführt, die mit der hydraulischen Kraft das Drehrohr 9 in Rotation versetzen, so dass damit eine vollständige Benetzung des gesamten Umfangs des Sondenrohres 2 bei geringerer Düsenanzahl erreichbar ist. Das Drehrohr 9 kann auch mit einem direkten äußeren Antrieb – hier nicht dargestellt – verbunden werden, wenn die hydraulische Rückstoßkraft dafür nicht ausreicht.
In das Sondenrohr 2 ist die spiralförmige Bürste 12 mit dem Bürstenhalter 15 zur Kondensatverteilung eingebaut (3). Die Borsten der Bürste 12 zeigen nach unten, so dass das Kondensat 13 zur Verdampfung an das Sondenrohr 2 geleitet wird. Unverdampftes Kondensat 13 fließt durch die Borsten oder auf den Borsten zur nächsten Ebene. Die Borsten werden vorzugsweise aus gut wärmeleitfähigem Material ausgeführt, so dass sie die Verdampfungsfläche im Sondenrohr 2 erhöhen. Zur Kondensatbenetzung sind auch gelochte Rohre – nicht dargestellt –, die in das Sondenrohr, ähnlich wie die Bürstenanordnung, eingebaut. Ebenso werden in die Sondenrohre wärmeleitfähige offenporige Metallschäume oder Metallgewebe bzw. -wollen an der Innenwand öder über den gesamten Querschnitt über die gesamte Länge des Sondenrohres 2 oder über ausgewählte Teilabschnitte eingebaut werden. Diese Systeme werden zur Verteilung und zur Verdampfung des Kondensates eingesetzt. Diese Anordnungen sind auch in Kombination mit den anderen Verteilsystemen zu verwenden.
Die Kondensatstrom-Verteilungen sind am Einlauf in das Sondenrohr 2 angeordnet (4a und 4b). Zur Gewährleistung eines gleichmäßigen Kondensatstromes am Einlauf in das Sondenrohr 2 sind gezackte Überlaufkronen 12 oder gebohrte Überlaufkronen 14 verwendet.
Im Sondenrohr 2 sind die Bürstenhalter 15 mit Bürsten 12 (5a) unterhalb der Düsen 3 angeordnet. Ebenso sind am Drehrohr 9 Bürstenhalter 15 mit Bürsten 12 anordenbar (5b). Mit den Bürsten 12 wird das aus radialen Verteilerdüsen 3 oder aus tangentialen Verteilerdüse 10 eingespritzte Kondensat 13 über den gesamten Umfang des Sondenrohrs 2 verteilt und so eine optimale Verdampfung erreicht. Es empfiehlt sich, das Drehrohr 9 mit einem äußeren Antrieb zu versehen.
In das Verteilerrohr 1 ist das Überlaufrohr 18 angeordnet (6a), das in verschiedenen Ebenen eingebaut ist. Das Kondensat 13 wird über das Verteilerrohr 1 in die Erdwärmesonde geleitet. Mit dem Überlaufrohr 18 wird ein konstanter Druck für das Ausströmen des Kondensates 13 über die Verteilerdüsen 3 eingestellt. Kondensat 13, das nicht über die Verteilerdüsen 3 ausströmt, wird über das Überlaufrohr 18 und Verteilerrohr 1 zu dem darunter liegenden Verteilersystem geleitet. Der Kondensatabweiser 16 sorgt dafür, dass das Kondensat 13 in das Auffangrohr 17 gelangt, bevor es in das darunter liegende Verteilersystem geleitet wird. Das Verteilerrohr wird freihängend in das Sondenrohr 2 eingebaut.
Das Überlaufrohr 18 ist über das Auffangrohr 17 mit dem Sondenrohr 2 verbunden (6b) dargestellt. An dem Auffangrohr 17, das unten dicht mit dem Sondenrohr 2 verbunden ist, sind mehrere Verteilerdüsen 3 angebracht. Diese Verteilerdüsen 3 verteilen das Kondensat 13 auf die jeweils gegenüberliegende Seite des Sondenrohres 2, so dass eine gleichmäßige Benetzung erzeugt wird. Kondensat 13, das nicht durch die Verteilerdüsen 3 ausströmt, wird über das Überlaufrohr 18 nach unten auf ein analoges Verteilersystem abgeleitet.
Das Verteilerrohr 1 ist direkt in den Kältekreislauf einer Kompressionswärmepumpe mit Verdichter 20, Motor 21, Ölabscheider 22 und Wärmetauscher 23 sowie dem Heizkreislauf 24 eingebunden (7) und wird so als Expansionseinheit betrieben.
In dem Fußbereich des Sondenrohres 2 ist ein Verdrängungskörper anzuordnen (nicht dargestellt), durch den eine größere Siedezone mit einer geringen Kondensatmenge erreichbar ist. Der Verdrängungskörper ist vorzugsweise mit einer großen Oberfläche aus gut wärmeleitfähigem Material auszustatten, um den Verdampfungsprozess in diesen Bereich zu verbessern.
Durch die Erfindung ist eine Erdwärmesonde mit einer Fallfilmverdampfung entwickelt worden, dessen erfindungsgemäßes Prinzip ohne Weiteres auch für Fallfilmapparaturen in der Verfahrenstechnik anwendbar ist. Der Einsatz der Kondensat-Verteiler ist auch in verschiedenartig profilierten und gewellten Rohren und in geneigten Rohren (nicht dargestellt) gegeben.

1: Verteilerohr
2: Sondenrohr
3: radiale Verteilerdüsen
4: Verfüllbaustoff
5: Kältemittelkondensat
6: Kältemitteldampf
7: Dampfstrom
8: Drehgelenk
9: Drehrohr
10: tangentiale Verteiler
11: Kondensatfilm
12: Bürste
13: Kondensat
14: Überlaufkrone gebohrt
15: Bürstenhalter
16: Kondensatabweiser
17: Auffangrohr
18: Überlaufrohr
19: Erdreich
20: Verdichter
21: Motor
22: Ölabscheider
23: Wärmetauscher
24: Heizkreis
25: Überlaufkrone gezackt

Claims

Erdwärmesonde zur Gewinnung von Erdwärme aus einer Bohrung, wobei in einem Sondenrohr ein Kondensatstromverteiler eingebunden ist, gekennzeichnet dadurch, dass der Kondensatstromverteiler (1) mit radial und/oder tangential zur Wandung des Sondenrohres (2) angeordneten Kondensat-Leiteinrichtungen (3; 10; 12; 14; 15; 16; 17; 18; 25) versehen ist, derart, dass ein radial verteilter Kondensatfilm (11) erzeugbar ist.
Erdwärmesonde nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Kondensatstrom-Verteiler als Verteilerrohr mit in verschiedenen Ebenen angeordneten Verteilerdüsen ausgebildet ist.
Erdwärmesonde nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Kondensatstrom-Verteiler als Drehrohr mit verschiedenen Ebenen angeordneten Verteilerdüsen ausgebildet ist.
Erdwärmesonde nach Anspruch 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Verteilerdüsen radial oder tangential mit unterschiedlichen Austrittswinkeln am Kondensatstrom-Verteiler angeordnet sind.
Erdwärmesonde nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass in verschiedenen Ebenen des Kondensatrohr-Verteilers einstellbare Überlaufeinrichtungen aufweisende Verteiler mit in verschiedenen Ebenen angeordneten Verteilerdüsen angeordnet sind.
Erdwärmesonde nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass innerhalb des Sondenrohres eine in verschiedenen Ebenen vorgesehene spiralförmige Bürsteneinrichtung angeordnet ist.
Erdwärmesonde nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass innerhalb des Sondenrohres eine in verschiedenen Ebenen vorgesehene Wischereinrichtung angeordnet ist.
Erdwärmesonde nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass innerhalb des Sondenrohres eine in verschiedenen Ebenen komplette oder nur innenwandbedeckende Ausfüllung mit offenporigem Schaum, Gewebe oder Wolle vorzugsweise aus gut wärmeleitfähigem Material mit einer großen Oberfläche angeordnet ist.
Erdwärmesonde nach Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass das Sondenrohr mit einer Überlaufkrone, mit einem Überlaufverteilerring oder einem Überlauflochring versehen ist.
Erdwärmesonde nach Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass das Sondenrohr mit einer ebenen, welligen, strukturierten und/oder beschichteten Oberfläche ausgebildet ist.
Erdwärmesonde nach Ansprüchen 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, dass die Ebenen der Kondensatstrom-Verteiler in Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit des Erdreiches angeordnet sind.
Erdwärmesonde nach Ansprüchen 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, dass im Fußbereich des Sondenrohres ein Verdrängungskörper vorzugsweise aus gut wärmeleitfähigem Material mit einer großen Oberfläche angeordnet ist.
Erdwärmesonde nach Ansprüchen 1 bis 12, gekennzeichnet dadurch, dass der Kondensatstrom-Verteiler in einem geneigten Sondenrohr angeordnet ist.
Erdwärmesonde nach Ansprüchen 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, dass der Verteiler als perforiertes Rohr ausgebildet ist.
Anwendung des Kondensatstrom-Verteilers nach den Ansprüchen 1 bis 14 für eine Fallfilm-Apparatur der Verfahrenstechnik, gekennzeichnet dadurch, dass die Verteiler in Langrohrverdampfern zur gleichmäßigen Flüssigkeitsverteilung und gleichmäßigen Benetzung angeordnet sind.