DE102008052934B4

DE102008052934B4 - Stufenerdwärmesonde

Info

Publication number: DE102008052934B4
Application number: DE102008052934A
Authority: DE
Inventors: Rolf Wagner
Original assignee: BLZ GEOTECHNIK GmbH
Current assignee: BLZ GEOTECHNIK GmbH
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2028-10-24
Also published as: DE102008052934A1

Abstract

Erdwärmedirektverdampfersonde, für eine Rieselfilmverdampfung, die in eine Bohrung ins Erdreich eingebracht ist, wobei an der inneren Oberfläche des Sondenrohres flüssiges Kältemittel nach unten rieselt und unter Einfluss von Erdwärme verdampft, gekennzeichnet dadurch, dass das Sondenrohr aus mehreren Sondenrohr-Abschnitten gebildet ist und der jeweils obere Sondenrohr-Abschnitt einen größeren Durchmesser als der jeweils darunter liegende Sondenrohr-Abschnitt aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stufenerdwärmesonde für eine Rieselfilmverdampfung.
Stand der Technik
Für die Gewinnung von Erdwärme aus dem Erdreich werden Erdwärmesonden eingesetzt, die in Bohrungen eingebaut werden. Bei Erdwärmesonden mit Zirkulationspumpen wird ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch über ein Leitungssystem, das in die Bohrung eingebaut ist, umgepumpt. Es nimmt auf dem Weg durch das Erdreich Energie auf. Diese Energie wird oben über einen Wärmetauscher an den Wärmepumpenkreislauf abgegeben. Bei Erdwärmesonden mit Phasenwechsel wird in das Bohrloch ein zylindrisches Rohr eingebaut. Das Rohr ist mit einem Kältemittel gefüllt, das unter Einfluss der Erdwärme verdampft. Bei Erdwärmedirektverdampfersonden mit einer Rieselfilmverdampfung wird das flüssige Kältemittel an der Innenwand des Sondenrohres aufgegeben. Der dabei erzeugte Dampf wird im gleichen Rohr nach oben geführt. Zur Verbesserung der Verdampfung hat man verschiedene Einbauten, Verteileinrichtungen und profilierte Rohre verwendet.
Diese Anordnungen weisen aufgrund der vollständig zylindrischen Form des Sondenrohres den Nachteil auf, dass sie, um den Flutpunkt zu umgehen, über die gesamte Länge mit einem sehr großen Durchmesser ausgeführt werden müssen.
Für die Erdwärmegewinnung werden Wärmetauscher vorgestellt, die nur für Zirkulationserdwärmesonden geeignet sind. In der Offenlegungsschrift 29 28 414 werden Wärmetauscher mit verschiedene Querschnittsformen beschrieben, die auf einfache Weise ins Erdreich eingedrückt und ohne Abstufung verwendet werden können. Sie haben den Nachteil, dass sie nur in den oberen Bereich und nur bei lockerer Bodenlagerung angewendet werden können. In der Offenlegungsschrift DE 3627 680 A1 wird ein Verfahren für sehr tiefe Erdwärmebohrungen vorgestellt, bei dem eine abwärts- und eine aufwärtsführende Leitung verwendet wurde. Diese Installation ist für eine Phasenwechselsonde, die über die gesamte Sondenlänge Wärme aus dem Erdreich gewinnen soll, ungeeignet. Für die Anwendung wird dafür wie bei der Herstellung von Tiefbohrungen üblich ein sich im Durchmesser stufenweise verringerndes Bohrloch verwendet. Der Sondendurchmesser bleibt über die gesamte Sondenlänge konstant und kann für Pha senwechselsonden nicht genutzt werden. Die Gebrauchsmusterschrift DE 299 04 010 U1 beschreibt eine Zirkulationssonde, bei der sich die Rücklaufrohre mit zunehmender Tiefe im Querschnitt stetig und stufenartig verengt ausbilden und mit Querschlitzen versehen werden. Auch diese Anordnung ist für eine Phasenwechselsonde ungeeignet, da sie ausschließlich für eine Wasserzirkulation genutzt werden soll, um Druckverteilung in den Rohren zu beeinflussen und die Durchströmung des Füllmaterials außerhalb der Sondenrohre zu gewährleisten. Alle bekannten Anordnungen für Zirkulationssonden können nicht für Phasenwechselsonden eingesetzt werden.
Charakteristik der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stufenerdwärmesonde für eine Rieselfilmverdampfung zu entwickeln, bei der das Sondenrohr aus mehreren Sondenrohr-Abschnitten gebildet ist und dass der jeweilige Sondenrohr-Abschnitt an die günstigsten thermodynamischen Bedingungen angepasst ist. Dies wird dadurch erreicht, dass erfindungsgemäß das obere Sonderohr einen größeren Durchmesser als der jeweils darunter angeordnete Sondenrohr-Abschnitt aufweist.
Mit dieser Anordnung trägt man dem Prozess der Rieselfilmverdampfung Rechnung, dass im oberen Bereich eine wesentlich größere Menge an flüssigem Kältemittel verdampft und eine größere Menge an Kältemitteldampf transportiert werden muss, als in den darunter liegenden Abschnitten der Erdwärmedirektverdampfersonde. Die Sondenrohr-Abschnitte sind so bemessen, dass die Kältemittelmenge, die Oberfläche des Innenrohres vollständig benetzt und der aufsteigende Dampf den herunterrieselnden Flüssigkeitsfilm nicht behindert, so dass der Flutpunkt nicht eintreten kann. Der Durchmesser wird so lange aufrecht erhalten, solange eine Gefahr besteht, dass der Flutpunkt bei extremen Betriebszuständen erreicht werden kann. Wenn bereits eine entsprechende Menge des flüssigen Kältemittels, das im Rieselfilm nach unten strömt, verdampft ist, ist der nächste Sondenrohr-Abschnitt mit einem geringeren Durchmesser auszuführen. Mit der Verringerung des Durchmessers erreicht man gleichzeitig eine turbulente Strömung im Rieselfilm und damit einen besseren Wärmeübergang zum Entzug der Wärme aus dem Erdreich. Bei sehr langen Sondenrohren kann die Verjüngung des Sondenrohres mehrfach realisiert werden. Neben der gewünschten turbulenten Strömung im Rieselfilm erreicht man durch die Verjüngung auch eine Vermeidung der Strähnenbildung des herunterlaufenden flüssigen Kältemittels.
Vorteile der Erfindung
Mit der Erfindung erreicht man

1. einen besseren Wärmeentzug,
2. einen besseren Wärmetransport nach oben,
3. ein sicheres Betriebsverhalten einer Erdwärmedirektverdampfersonde und
4. eine wirtschaftliche Ausführung einer Erdwärmedirektverdampfersonde, da man im unteren Teil mit kostengünstigeren klein dimensionierten Sondenrohren arbeiten kann.

Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen zu dem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Figur zeigt die schematische Darstellung einer Stufenerdwärmesonde mit teleskopiertem Sondenrohr
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die Stufenerdwärmesonde 1 besteht aus dem großen Sondenrohr-Abschnitt 2 im oberen Bereich, dem mittleren Sondenrohr-Abschnitt 3 im mittleren Bereich und dem kleinen Sondenrohr-Abschnitt 4 im unteren Bereich. Das Sondenrohr 2 mit den unterschiedlichen Durchmessern wird in das Bohrloch 5 eingebaut und mit dem Erdreich 7 durch die Verfüllung 6 verbunden. Die Sondenrohr-Abschnitte 2, 3 und 4 sind miteinander dicht verbunden. Der Sondenfuß 12 dichtet den Sondenrohr-Abschnitt 4 nach unten ab. Der große Sondenrohr-Abschnitt 2 weist die Sondenkopföffnung 13 auf, die dann mit einem Sondenkopf verbindbar ist. Alternativ kann der obere Sondenrohr-Abschnitt 2 auch direkt mit der Saugseite eines Verdichters verbunden werden. Das im Kreislaufprozess verflüssigte Kältemittel wird über eine Verteilereinrichtung der Stufenerdwärmesonde 1 am oberen Ende wieder zugeführt. Vorzugsweise ist an den Übergangsstellen bei Durchmesserwechsel die Verteileinrichtung 9 eingebracht. Ebenso sind in den Sondenrohr-Abschnitten 2, 3, 4 Verteilereinrichtungen angeordnet. Die einzelnen Sondenrohr-Abschnitte 2, 3, 4 sind aus glatten zylindrischem Rohr oder auch aus Spiralwellrohren oder Parallelwellrohren hergestellt. Als Material für die Sondenrohr-Abschnitte 2, 3, 4 sind üblicherweise Stahl, Edelstahl, Kupfer oder auch geeignete Kunststoffe oder deren Kombinationen verwendet. Der Prozess der Rieselfilmverdampfung mit den Sondenrohr-Abschnitten 2, 3, 4 wird durch Aufgabe des flüssigen Kältemit tels an der Sondenkopföffnung 13 in Gang gesetzt. Die Sondenrohr-Abschnitte 2, 3, 4 sind Teil eines geschlossenen Kreislaufes und sind vollständig mit Kältemitteldampf gefüllt. Das eingebrachte flüssige Kältemittel 10 läuft an der Wand des Sondenrohr-Abschnittes 2 nach unten und verdampft zum Teil. Das unverdampfte Kältemittel wird an die Verteileinrichtung 9 übergeben, die am Übergang vom Sondenrohr-Abschnitt 2 zum Sondenrohr-Abschnitt 3 angebracht ist. Die Verteileinrichtung 9 hat die Aufgabe, das flüssige Kältemittel 10 auf die Rohrinnenwand des Sondenrohr-Abschnittes 3 aufzutragen, so dass eine vollständige Benetzung entsteht. Dies wird vorzugsweise zur Verlängerung der Verweilzeit des Kältemittelkondensates an der Wand der Sondenrohr-Abschnitte 2, 3, 4 und zur vollständigeren Benetzung der Sondenrohr-Abschnitte 2, 3, 4 mit Kältemittelkondensat durch eine tangentiale Einströmung aus der Verteileinrichtung 9 erreicht. In analoger Weise erfolgt die Übergabe des flüssigen Kältemittels 10 an dem Sondenrohr-Abschnitt 4. Nur dass hier die Mengen des flüssigen Kältemittels wiederum geringer sind und deshalb ein kleiner Durchmesser des Sondenrohr-Abschnittes 4 verwendbar ist. Der bei der Verdampfung des flüssigen Kältemittels 10 entstehende Dampf 11 wird im Zentrum der jeweiligen Sondenrohr-Abschnitte 2, 3, 4 nach oben gefördert. Hierbei darf die Dampfgeschwindigkeit in den jeweiligen Sondenrohr-Abschnitten 2, 3, 4 den Grenzwert für den Flutpunkt nicht überschreiten. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Dampf aus dem unteren Sondenrohr-Abschnitt 4 auch durch den mittleren Sondenrohr-Abschnitt 3 befördert werden muss und im oberen Sondenrohr-Abschnitt 2 der Dampf aus dem unteren Sondenrohr-Abschnitt 4 und mittleren Sondenrohr-Abschnitt 3 gefördert werden muss. Der Durchmesser wird so optimiert, dass eine vollständige Benetzung ohne Strähnenbildung des flüssigen Kältemittels entsteht und dass der Rieselfilm möglichst im turbulenten Bereich nach unten strömt.
Mit derartig ausgebildeten Sondenrohr-Abschnitten 2, 3, 4 ist es möglich, wesentlich größere Tiefen für Erdwärmedirektverdampfersonden zu erreichen, ohne dass der unerwünschte Effekt des Behältersiedens im unteren Abschnitt angewendet werden muss oder der Verdampfungsdruck von dem hydrostatischen Druck des flüssigen Kältemittels überschritten und damit eine Verdampfung vollständig unterbunden wird. Ebenso werden die „trockenen” vom Kondensat nicht benetzten Stellen auf den Rohrinnenoberflächen vermieden. Die Bohrung 5 ist in den unteren Abschnitten mit kleineren Durchmessern und damit preiswerter ausgeführt worden. Ein weiterer Vorteil entsteht durch die bessere Nutzung der Regenerationsphase für die Wärmeverteilung in der Stufenerdwärmesonde 1. Mit dem großen Durchmesser des Sondenrohr-Abschnittes 2 wird na türlich ein größerer Wärmeentzug auf das Erdreich 7 ausgeübt, als bei den Sondenrohr-Abschnitten 3, 4 mit den kleinen Durchmessern. Das hat zur Folge, dass in dem oberen Sondenrohr-Abschnitt 2 eine größere Temperaturabsenkung als in den darunter liegenden Sondenrohr-Abschnitten 3, 4 erfolgt. Im Ruhezustand der Stufenerdwärmesonde 1, das heißt, wenn keine Wärme von der Sonde an die Wärmepumpe abgegeben wird, erfolgt eine Regeneration des Temperaturfeldes im Erdreich 7. Diese Regeneration wird wesentlich unterstützt, in dem aus den unteren noch weniger ausgebeuteten Bereichen eine Verdampfung verstärkt einsetzt und der Dampf an den stark beanspruchten oberen Bereichen kondensiert und damit Wärme ins Erdreich 7 im oberen Bereich speichert, die dann bei der nächsten aktiven Phase der Stufenerdwärmesonde 1 effektiv nutzbar ist.

1: Stufenerdwärmesonde
2: Sondenrohr-Abschnitt
3: Sondenrohr-Abschnitt
4: Sondenrohr-Abschnitt
5: Bohrloch
6: Verfüllung
7: Erdreich
8: Geländeoberfläche
9: Verteileinrichtung
10: Kältemittelflüssigkeit
11: Kältemitteldampf
12: Sondenfuß
13: Sondenöffnung

Claims

Erdwärmedirektverdampfersonde, für eine Rieselfilmverdampfung, die in eine Bohrung ins Erdreich eingebracht ist, wobei an der inneren Oberfläche des Sondenrohres flüssiges Kältemittel nach unten rieselt und unter Einfluss von Erdwärme verdampft, gekennzeichnet dadurch, dass das Sondenrohr aus mehreren Sondenrohr-Abschnitten gebildet ist und der jeweils obere Sondenrohr-Abschnitt einen größeren Durchmesser als der jeweils darunter liegende Sondenrohr-Abschnitt aufweist.
Erdwärmedirektverdampfersonde nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass die Sondenrohr-Abschnitte aus glattem zylindrischen Rohr oder aus Spiral- oder Parallelwellrohr bzw. einer Kombination aus beiden bestehen.
Erdwärmedirektverdampfersonde nach Anspruch 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, dass die Sondenrohr-Abschnitte aus metallischen Rohren oder aus Kunststoffrohren bzw. einer Kombination aus beiden bestehen.
Erdwärmedirektverdampfersonde nach Ansprüchen 1 bis 3 gekennzeichnet dadurch, dass die Durchmesser der Sondenrohr-Abschnitte so gebildet sind, dass in dem Rieselfilm eine turbulente Strömung auftritt.
Erdwärmedirektverdampfersonde nach Ansprüchen 1 bis 4 gekennzeichnet dadurch, dass die Durchmesser der Sondenrohr-Abschnitte so gebildet sind, dass der nach unten fliesende Rieselfilm von dem aufsteigenden Dampf unbeeinflusst bleibt.
Erdwärmedirektverdampfersonde nach Ansprüchen 1 bis 5 gekennzeichnet dadurch, dass am oberen Bereich der Sondenrohr-Abschnitte eine Verteileinrichtung für das flüssige Kältemittel zur Verteilung auf die gesamte Innenoberfläche der Sondenrohr-Abschnitte angeordnet ist.
Erdwärmedirektverdampfersonde nach Anspruch 1 bis 6 gekennzeichnet dadurch, dass Verteileinrichtungen an beliebigen Stellen in den Sondenrohr-Abschnitten angeordnet sind.
Erdwärmedirektverdampfersonde nach Anspruch 6 und 7 gekennzeichnet dadurch, dass die Verteileinrichtungen so angeordnet sind, dass das flüssige Kältemittel tangential auf die Innenoberfläche der Sondenrohr-Abschnitte aufgeben wird.
Erdwärmedirektverdampfersonde nach Ansprüchen 1 bis 8 gekennzeichnet dadurch, dass der obere Sondenrohr-Abschnitt durch einen Sondenkopf zur Wärmeübertragung an den Kältekreislauf einer Wärmepumpe abgeschlossen ist.
Erdwärmedirektverdampfersonde nach Anspruch 1 bis 8 gekennzeichnet dadurch, dass der obere Sondenrohr-Abschnitt direkt mit einem Verdichter verbunden ist und eine Verteileinrichtung aufweist.