DE102019105373A1

DE102019105373A1 - System und Verfahren zur Bestimmung einer Wärmeleitfähigkeit

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Publication number: DE102019105373A1
Application number: DE102019105373.0A
Authority: DE
Inventors: Jan-Henrik Kupfernagel; Markus Schedel; Christoph Drefke; Rainer Seehaus; Lutz Müller; Ingo Sass; Jan Christopher Henze; Bastian Welsch
Original assignee: Technische Hochschule Ostwestfalen Lippe; Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Hochschule Ostwestfalen Lippe De; Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2019-03-04
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2020-09-10

Abstract

Ein System zur Bestimmung einer Wärmeleitfähigkeit (λ) umfasst: ein Rohr (110) für ein durchströmendes Medium (50); einen Temperierzylinder (120), der sich um das Rohr (110) herum erstreckt und ausgebildet ist, einen radial nach innen gerichteten Wärmestrom (Q̇1) zu erzeugen; ein innerer Vergleichszylinder (140), die sich zylinderförmig innerhalb des Temperierzylinders (120) erstreckt und eine vorbestimmte Wärmeleitfähigkeit (λ1) aufweist; und eine Vielzahl von Temperatursensoren (151, 152, ...), die ausgebildet sind, um Temperaturen (T1, T2, ...) an zumindest einer Winkelposition radial innerhalb des Temperierzylinders (120) zu messen. Mit dieser Anordnung wird eine Ermittlung folgender Größen ermöglicht: den radial nach innen gerichteten Wärmestrom (Q̇1) unter Nutzung der vorbestimmten Wärmeleitfähigkeit (λ1) durch den inneren Vergleichszylinder (140) und die Wärmeleitfähigkeit (λ) für den radial nach innen gerichteten Wärmestrom (Q̇1) durch das Rohr (110).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zur Bestimmung einer Wärmeleitfähigkeit und insbesondere auf ein Messgerät zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit einer radialsymmetrischen Messprobe.
HINTERGRUND
Zur thermischen Energieversorgung und Energiespeicherung werden u.a. Erdwärmesonden eingesetzt. Zum dauerhaften Betrieb dieser Erdwärmesonden werden Systemeigenschaften wie beispielsweise die geringe hydraulische Durchlässigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit unter thermischen Belastungen gefordert, wie sie beispielsweise bei einem Frost-Tau-Wechsel (FTW) oder bei stark schwankenden Fluidtemperaturen bei Wärmespeichern hervorgerufen werden können. Ein zentrales Element der Systemeigenschaften ist die Hinterfüllung, die als direktes Kontaktmedium zwischen Erdwärmesondenrohr und dem umgebenden Untergrund einen besonderen Einfluss auf die Funktion und Integrität des Gesamtsystems hat.
Neben der Wärmeleitfähigkeit, die möglichst hoch sein sollte, ist dabei insbesondere die hydraulische Durchlässigkeit zu untersuchen, die anderseits möglichst gering sein sollte. Durch thermische Belastungen wie bei einem Frost-Tau-Wechsel kann es zu thermischen Dehnungen und Eisbildungen und somit zu Schädigungen des Systemverbundes kommen. Hierdurch erhöht sich die hydraulische Systemdurchlässigkeit, gleichzeitig verringert sich die thermische Systemleitfähigkeit durch Erhöhung der Wärmeübergangswiderstände zwischen den einzelnen Materialien sowie durch eine Änderung der tatsächlichen Wärmeleitfähigkeit an sich. Die Schädigungen des Systems treten mitunter sukzessive auf, so dass eine Versuchsreihe aus mehreren aufeinanderfolgenden Belastungszyklen aufgebaut ist. Am Ende der Untersuchung wird ein Vergleich der hydraulischen und thermischen Systemeigenschaften zum Ursprungszustand gezogen um eine Aussage über die schwere der Schädigungsprozesse treffen zu können.
Ein konventionelles System zur Bestimmung der Wärme- und Temperaturleitfähigkeit einer Messprobe ist in der DE 10 2010 036 992 A1 offenbart, bei dem eine Messprobe in einer plattenförmigen Messprobenkammer in Reihe mit einer Vergleichsplatte zwischen einer ersten Temperierplatte und einer zweiten Temperierplatte angeordnet wird. Die Temperierplatten weisen verschiedene Temperaturen auf bzw. sind unabhängig voneinander regelbar. In diesem konventionellen System kann eine Temperatur in der Mitte oder in einem kleinen Abstand zu der Messprobe gemessen werden. Dieses System erlaubt jedoch lediglich eine Messung der Systemwärmeleitfähigkeit durch einen eindimensionalen Schichtaufbau einer Probe. Da die Wärmeströme sowie die schadensmechanischen Vorgänge innerhalb der Probe stark abhängig sind vom geometrischen Aufbau können bisherige Untersuchungsmethoden und Laborgeräte für einen radialsymmetrischen Aufbau nicht angewendet werden. Ein weiterer Nachteil konventioneller Systeme ist, dass die hydraulische Systemdurchlässigkeit für Einzelkomponenten nur durch Vergleichsversuche geschätzt werden konnte. Sie konnten bisher nicht mit derselben Probe gemessen werden.
Daher besteht ein Bedarf nach einem System, um die Systemwärmeleitfähigkeit insbesondere von Erdwärmesonden oder anderen Messproben (z.B. Erdkabel oder radialsymmetrisch angeordnete Verbundrohre) bei einer thermischen Belastung zu bestimmen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch ein System nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zur Bestimmung einer Wärmeleitfähigkeit. Das System umfasst: ein Rohr für ein durchströmendes Medium (z.B. wässrige Lösung, Wasser oder eine andere Flüssigkeit) und einen Temperierzylinder, der sich um das Rohr herum erstreckt und ausgebildet ist, um zumindest einen radial nach innen gerichteten Wärmestrom zu erzeugen. Außerdem umfasst das System einen inneren Vergleichszylinder, der sich innerhalb des Temperierzylinders zylinderförmig um das Rohr herum erstreckt und eine vorbestimmte Wärmeleitfähigkeit aufweist. Das System umfasst weiter eine Vielzahl von Temperatursensoren, die ausgebildet sind, um Temperaturen an zumindest einer Winkelposition radial innerhalb des Temperierzylinders zu messen. Damit wird es möglich, den radial nach innen gerichteten Wärmestrom unter Nutzung der vorbestimmten Wärmeleitfähigkeit durch den inneren Vergleichszylinder und die Wärmeleitfähigkeit für den radial nach innen gerichteten Wärmestrom durch das Rohr zu ermitteln.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll der Begriff Rohr breit ausgelegt werden und insbesondere auch flexibles Material umfassen, solange es sich um eine mehr oder weniger zentrierte, radialsymmetrische Anordnung eines Materials oder eines Baustoffmaterials handelt. Das Rohr kann auch als ein (verstärktes) Kabel aus Metall, Kunststoff, Isoliermaterial, etc. gebildet sein bzw. ein solches Kabel aufnehmen und hat eine Wärmeleitfähigkeit λ_PM1. So können Ausführungsbeispiele auch zur Bestimmung einer Wärmeleitfähigkeit von Erdkabeln oder radialsymmetrisch angeordneter Verbundrohre genutzt werden, die insbesondere auch horizontal verlegt sein können. Auch der Begriff Zylinder soll breit ausgelegt werden und keine Einschränkung hinsichtlich der Wandstärke bedeuten. Die Wände der Zylinder können bspw. so gewählt werden, dass sich dort ein erfassbarer Temperaturgradient ausbilden kann.
Optional kann das System eine Ummantelung (z.B. aus einem Baustoff oder auch eines Erdmaterials) aufweisen, die zwischen dem Rohr und dem Temperierzylinder angeordnet ist. Die Vielzahl von Temperatursensoren kann dann weiter ausgebildet sein, um die gemeinsame Wärmeleitfähigkeit für den radial nach innen gerichteten Wärmestrom durch das Rohr und die Ummantelung zu ermitteln. Bei der Ummantelung kann es sich um eine oder mehrere beliebige radialsymmetrische Ummantelungen des Rohrs handeln, die insbesondere aus Metall, Kunststoff, zementartige Materialien, Materialien mit wärmedämmenden Eigenschaften, etc. mit einer Wärmeleitfähigkeit λ_PM2 gebildet sein können. Die Ummantelung kann aus einer oder mehreren Ummantelungsschichten bestehen. Außerdem könnten auch die gleichen Materialien für das Rohr und die Ummantelung genutzt werden. Eine Ummantelung ist aber nicht zwingend erforderlich.
Mithilfe der mehreren Temperatursensoren kann insbesondere ein Temperaturgefälle ermittelt werden, mit dessen Hilfe der nach innen gerichtete Wärmestrom ermittelt werden kann, wobei die bekannte Wärmeleitfähigkeit des inneren Vergleichszylinders genutzt wird. Wegen der Energieerhaltung ist die durchströmte Wärmemenge durch die Ummantelung/Rohr gleich der Wärmemenge durch den angrenzenden inneren Vergleichszylinder. Da der innere Vergleichszylinder eine bekannte Wärmeleitfähigkeit aufweist und die Temperaturdifferenzen gemessen werden können, kann dieser Wärmestrom ermittelt werden. Eine unbekannte Systemwärmeleitfähigkeit/Wärmeleitfähigkeit der Ummantelung/des Rohres kann somit mittels des zuvor bestimmten Wärmestromes errechnet werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann insbesondere eine Systemwärmeleitfähigkeit bestimmt werden, die eine effektive Wärmeleitfähigkeit einer Anordnung ist, die mindestens zwei Komponenten umfasst. Die Komponenten können verschiedene Materialien aufweisen (z.B. ein Kunststoffrohr mit λ_PM1 und einen Baustoff mit λ_PM2). Die Systemwärmeleitfähigkeit beschreibt damit die effektive Wärmeleitfähigkeit einer Systemanordnung inklusiver aller Wärmeleit- und Wärmeübergangswiderstände.
Es versteht sich, dass der Wärmestrom lediglich beispielhaft als vom Temperierzylinder ausgehend betrachtet wird (z.B. wenn es sich dabei beispielhaft um einen Heizzylinder handelt). Es ist ebenfalls möglich, den Wärmestrom in umgekehrter Richtung zu betrachten, wobei dann das Rohr aufgeheizt wird (z.B. durch das Medium) und der Temperierzylinder als eine Wärmesenke fungiert. Auch in diesem Fall kann zunächst mittels einer Temperaturmessung an verschiedenen Punkten und unter Nutzung der bekannten Wärmeleitfähigkeit der Wärmestrom ermittelt werden. In einem zweiten Schritt kann dann wiederum die Systemwärmeleitfähigkeit der Ummantelung/des Rohres berechnet werden.
Die Leistung des Temperierzylinders kann zum Beispiel über den zeitlichen Energieverbrauch ermittelt werden. Es ist jedoch von vornherein nicht sichergestellt, dass diese Gesamtwärme radial nach innen geleitet wird. Im Allgemeinen wird ein bestimmter Anteil des Wärmestromes radial nach außen gerichtet sein. Um die Energiebilanz genauer erfassen zu können, ist es sinnvoll, ebenfalls diesen Anteil, d.h. den radial nach außen gerichteten Wärmestrom zu bestimmen.
Daher umfasst das System optional weiter einen äußeren Vergleichszylinder, der zylinderförmig radial außerhalb des Temperierzylinders angeordnet ist und eine vorbestimmte Wärmeleitfähigkeit für einen radial nach außen gerichteten Wärmestrom aufweist. Die Vielzahl von Temperatursensoren können ein oder mehrere Temperatursensoren aufweisen, die radial außerhalb des Temperierzylinders angeordnet sind, um eine Temperatur oder ein Temperaturgefälle in dem äußeren Vergleichszylinder an zumindest einer Winkelposition zu erfassen.
Insbesondere kann die Heizleistung des Temperierzylinders derart eingestellt werden, dass gezielt ein Wärmestrom induziert wird, der über mehrere Temperatursensoren erfassbar ist, und zwar sowohl radial nach innen durch den Aufbau der Probe (z.B. Baustoff und Rohr) als auch durch den als Referenz genutzten äußeren Vergleichszylinder radial nach außen.
Vorteilhafterweise werden die Temperaturdifferenzen auf beiden Seiten der inneren und äußeren Vergleichszylinder als auch der Temperaturabfall über der Ummantelung erfasst, wozu Temperatursensoren an vordefinierten radialen Positionen angeordnet sein können. Die Temperatursensoren sind dazu idealerweise entlang von radialen Linien angeordnet, um so das radiale Temperaturgefälle, welches den radialen Wärmestrom verursacht, direkt zu erfassen.
Optional umfasst das System außerdem eine Außenhülle und die Vielzahl von Temperatursensoren können zumindest einen äußeren Temperatursensor aufweisen, um eine Außentemperatur der Außenhülle an zumindest einer Winkelposition zu erfassen.
Optional umfasst das System ein Rohrsystem, um bei einer vertikalen Anordnung des Rohres (zusammen mit dem Temperierzylinder und der Ummantelung) eine erste Flüssigkeit entgegen der Gravitation durch die Ummantelung mit einem vorbestimmten Druck (und/oder einer vorbestimmten Temperatur) zu pressen. Die erste Flüssigkeit kann beispielsweise ebenfalls eine vorbestimmte Temperatur aufweisen, die den ersten Wärmestrom beeinflusst. Die Messungen können aber auch nacheinander ausgeführt werden. Die erste Flüssigkeit kann beispielsweise demineralisiertes und entlüftetes Wasser sein.
Optional umfasst das System weiter einen Hohlraum (z.B. zylinderförmig), der zwischen der Ummantelung und dem inneren Vergleichszylinder ausgebildet ist und von der Ummantelung durch eine Trennhülle, insbesondere eine Latex-Membran, getrennt ist. Die Trennhülle ist vorteilhafterweise undurchlässig für Wasser. Damit kann ein variierbarer radialer Zelldruck über eine zweite Flüssigkeit in dem Hohlraum auf die Ummantelung ausgeübt werden. Die zweite Flüssigkeit ist im Allgemeinen eine Flüssigkeit mit einer geringeren Erstarrungstemperatur/Schmelztemperatur als die erste Flüssigkeit und kann beispielsweise eine Mischung von Wasser und Glykol umfassen, um auch bei Frosttemperaturen den flüssigen Zustand zu erhalten. Somit kann ein gleichmäßiger horizontaler Druck auch bei Frosttemperaturen gewährleistet werden.
Die unter Druck stehende zweite Flüssigkeit bietet zwei Vorteile: Erstens wird damit erreicht, dass bei dem Durchströmen der Ummantelung ein möglichst laminares Strömungsprofil gebildet wird und die durchströmende erste Flüssigkeit nicht radial nach außen fließen kann (da die zweite Flüssigkeit in dem Hohlraum einen Gegendruck aufbaut). Außerdem verhindert die zweite Flüssigkeit in dem Hohlraum, dass die erste Flüssigkeit an der Ummantelung seitlich vorbeiströmt (z.B. direkt in den Vergleichszylinder hinein). Stattdessen strömt die erste Flüssigkeit durch die Ummantelung möglichst gleichmäßig vertikal nach oben. Dazu kann Vorteilhafterweise der Hohlraum derart ausgebildet sein, dass der Hohlraum sich in vertikaler Richtung axial über den axialen Bereich, in dem die Ummantelung ausgebildet ist, erstreckt und somit ein Vorbeiströmen an der Ummantelung vermieden wird.
Optional sind der Temperierzylinder, die Ummantelung und der innere Vergleichszylinder schichtförmig in radialer Richtung nur in einem axialen Abschnitt des Rohres angeordnet und sind beidseitig durch eine Wärmedämmung axial thermisch geschützt sind, um einen axialen Wärmestrom zu unterdrücken. In diese Wärmedämmung kann sich der Hohlraum teilweise erstrecken, um die genannte Lenkung für die erste Flüssigkeit zu erreichen.
Optional umfasst die Vielzahl von Temperatursensoren zur Bestimmung von Temperaturdifferenzen zumindest zwei der folgenden Temperatursensoren:

- zumindest einen ersten Temperatursensor an einer Innenseite des Rohres, um die Temperatur des Mediums an der Innenseite des Rohres zu erfassen;
- zumindest einen zweiten Temperatursensor an einer Außenseite der Ummantelung;
- zumindest einen dritten Temperatursensor innerhalb des inneren Vergleichszylinders (z.B. mittig davon);
- zumindest einen vierten Temperatursensor innerhalb des Temperierzylinders (z.B. mittig davon);
- zumindest einen fünften Temperatursensor innerhalb des äußeren Vergleichszylinders (z.B. mittig davon);
- zumindest einen sechsten Temperatursensor an einer Außenoberfläche der Außenhülle.

Optional umfasst der erste und/oder der zweite und/oder der dritte und/oder der vierte und/oder der fünfte und/oder der sechste Temperatursensor jeweils mehrere Temperatursensoren an verschiedenen Winkelpositionen, um eine radiale Temperaturerfassung für verschiedene Winkelpositionen zu ermöglichen. Dies bietet den Vorteil, dass die Temperaturerfassung beidseitig der Ummantelung bzw. der Vergleichszylinder für verschiedene Winkelpositionen um das Rohr herum erfolgen kann. Beispielsweise können Messketten von Temperatursensoren in 120° Winkelabstand (oder andere Winkelabstände), um das Rohr herum angeordnet werden. Durch diese redundante Temperaturerfassung der rotationssymmetrischen Anordnung kann die Genauigkeit erhöht werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auch auf ein Verfahren zur Bestimmung einer Wärmeleitfähigkeit. Das Verfahren umfasst:

- Durchleiten eines Mediums durch ein Rohr;
- Erwärmen des Rohres mittels eines Temperierzylinders, der sich um das Rohr herum erstreckt;
- Ermitteln eines radial nach innen gerichteten Wärmestromes mittels einer Temperaturerfassung in einem radialen Innenbereich des Temperierzylinders, wozu ein innerer Vergleichszylinder mit vorbestimmter Wärmeleitfähigkeit genutzt wird; und
- Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit in radialer Richtung durch das Rohr basierend auf den radial nach innen gerichteten Wärmestrom.

Optional umfasst das Verfahren ein Ermitteln einer gemeinsamen Wärmeleitfähigkeit in radialer Richtung durch das Rohr und eine Ummantelung, die zwischen dem Temperierzylinder und dem Rohr ausgebildet ist, und zwar basierend auf den radial nach innen gerichteten Wärmestrom.
Optional umfasst das Verfahren außerdem ein Durchleiten einer ersten Flüssigkeit durch die Ummantelung entgegen der Gravitation mit einem vorbestimmten Druck während die Temperaturerfassungen fortlaufend durchgeführt werden können.
Optional umfasst das Verfahren weiter ein Ausüben eines radial nach innen gerichteten Zelldruckes auf die Ummantelung mittels einer zweiten Flüssigkeit, die in einem Hohlraum zwischen der optionalen Ummantelung und dem inneren Vergleichszylinder gepresst wird.
Optional umfasst das Verfahren weiter ein Ermitteln eines radial nach außen gerichteten Wärmestromes mittels einer Temperaturerfassung in einem radialen Außenbereich des Temperierzylinders, wozu ein äußerer Vergleichszylinder, der radial außerhalb von dem Temperierzylinder angeordnet ist, mit einer vorbestimmten Wärmleitfähigkeit genutzt wird. Das Ermitteln der nach innen und außen gerichteten Wärmeströme kann durch ein Erfassen von Temperaturen im oder am Temperierzylinder und in der inneren und des äußeren Vergleichszylinders ausgeführt werden, da auf diese Weise Temperaturdifferenzen ermittelbar sind, die den Wärmestrom antreiben.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung lösen somit zumindest einen Teil der oben genannten Probleme durch ein System, welches ein realistisches Temperaturprofil simulieren kann und gleichzeitig die hydraulische Systemdurchlässigkeitsermittlung ermöglicht. Über eine Temperaturerfassung an verschiedenen Positionen (sowohl radial als auch in Bezug auf Winkelpositionen) kann die Wärmeleitfähigkeit der Systemanordnung fortlaufend erfasst werden. Gemäß Ausführungsbeispielen erfolgt die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit über eine erweiterte Messzelle, die neben der Ummantelung einen Referenzzylinder (Vergleichszylinder) mit einer definierten Wärmeleitfähigkeit und ein Temperierzylinder umfasst.
Figurenliste
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.

1 zeigt ein System zur Bestimmung einer Wärmeleitfähigkeit einer Messprobe gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt den Aufbau einen Aufbau einer Probe für ein System zur Bestimmung einer Systemwärmeleitfähigkeit anhand einer Anordnung aus zwei Komponenten gemäß weiterer Ausführungsbeispiele.
3 zeigt ein Flussdiagram für ein Verfahren zur Bestimmung einer Wärmeleitfähigkeit einer Messprobe gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt ein System zur Bestimmung einer Wärmeleitfähigkeit λ. Das System umfasst: ein Rohr 110 für ein durchströmendes Medium 50, einen Temperierzylinder 120, der sich um das Rohr 110 herum erstreckt und ausgebildet ist, einen radial nach innen gerichteten Wärmestrom Q̇₁ zu erzeugen. Das System umfasst weiter eine Ummantelung 130, die zwischen dem Rohr 110 und dem Temperierzylinder 120 angeordnet ist, und einen inneren Vergleichszylinder 140, der sich zylinderförmig um den Temperierzylinder 120 herum erstreckt und eine vorbestimmte Wärmeleitfähigkeit λ₁ aufweist.
Außerdem sind eine Vielzahl von Temperatursensoren 151,152, ... vorhanden und ausgebildet, um Temperaturen T1, T2, ... an zumindest einer Winkelposition radial innerhalb des Temperierzylinders 120 zu messen. Mit dieser Anordnung wird eine Ermittlung folgender Größen ermöglicht: den radial nach innen gerichteten Wärmestrom Q̇₁ unter Nutzung der vorbestimmten Wärmeleitfähigkeit λ₁ durch den inneren Vergleichszylinder 140 und die gesuchte Wärmeleitfähigkeit λ für den radial nach innen gerichteten Wärmestrom Q̇₁ durch das Rohr 110 und/oder die Ummantelung 130.
Die Ummantelung 130 ist in axialer Richtung (vertikale Richtung in 1) von unten und von oben über Isoliermaterial (Wärmedämmung) 201, 202 begrenzt. Außerdem ist ein beidseitiges Rohrsystem 181, 182 vorhanden, um eine erste Flüssigkeit durch die Ummantelung 130 zu leiten, insbesondere entgegen der Gravitation von unten nach oben (siehe Strömungslinien 183). Dazu wird an einer Unterseite ein erster Druck p₁ und an der Oberseite ein zweiter Druck p₂ auf die erste Flüssigkeit ausgeübt, wobei p1>p2, um den Strom entgegen der Gravitation auszulösen.
Außerdem ist in dem System ein äußerer Vergleichszylinder 160 um den Temperierzylinder 120 herum angeordnet. Zwischen dem inneren Vergleichszylinder 140 und der Ummantelung 130 ist weiter ein Hohlraum 190 ausgebildet, der über Zuleitungen 192 mit einer zweiten Flüssigkeit (z.B. Mischung aus Wasser, Glykol etc.) befüllbar ist, um zu verhindern, dass die erste Flüssigkeit 183 sich radial ausbreiten kann (z.B. die Ummantelung 130 seitlich zu verlassen oder daran vorbei zu strömen). Zur Abdichtung ist eine optionale Trennhülle 191 am Rand des Hohlraumes 190 zur Ummantelung 130 vorgesehen.
Schließlich ist eine Außenhülle 170 vorgesehen, die einen Abschluss in radialer Richtung bildet. In axialer Richtung sind der Temperierzylinder 120, die Ummantelung 130 und der innere und äußere Vergleichszylinder 140,160 beidseitig durch eine obere Wärmedämmung 201 und eine untere Wärmedämmung 202 axial thermisch geschützt, um einen axialen Wärmestrom zu unterdrücken. Außerdem kann zusätzlich zu der radialen Außenhülle 170 eine obere axiale Begrenzung 210 und eine untere axiale Begrenzung 220 mittels Befestigungsmittel 230 vorgesehen sein, die das System sicher zusammenhalten.
In dem System können eine Vielzahl von Temperatursensoren 151,152, ... vorgesehen sein, um das Temperaturprofil möglichst genau erfassen zu können. So kann beispielsweise zumindest ein erster Temperatursensor 151 an einer Innenseite des Rohres 110 angeordnet sein, um die Temperatur an der Innenseite des Rohres 110 zu erfassen. Optional kann zumindest ein zweiter Temperatursensor 152 an einer Außenseite der Ummantelung 130 vorhanden sein, sodass ein Temperaturabfall über der Ummantelung 130 bestimmbar ist. Optional kann zumindest ein dritter Temperatursensor 153 innerhalb des inneren Vergleichszylinders 160 (z.B. mittig) angeordnet sein. Optional kann zumindest ein vierter Temperatursensor 154 innerhalb des Temperierzylinders 120 (z.B. mittig) angeordnet sein. Optional kann zumindest ein fünfter Temperatursensor 155 innerhalb des äußeren Vergleichszylinders 140 (z.B. mittig) angeordnet sein. Optional kann zumindest ein sechsten Temperatursensor 156 an einer Außenoberfläche der Außenhülle 170 angeordnet sein. Alle diese oder zumindest ein Temperatursensor können entlang einer radialen Linie angeordnet sein, um radiale Temperaturgefälle direkt bestimmen zu können, die den radialen Wärmestrom antreiben. Falls die (zumindest einen) Temperatursensoren jeweils mehr als einen Temperatursensor umfassen, können sie an verschiedenen Winkelbereichen (z.B. in 120° Winkelabstand) angeordnet sein.
Der Temperierzylinder 120 kann beispielsweise als eine elektrische Heizung ausgebildet sein, die es erlaubt, die Heizleistung direkt messen zu können. Das Abkühlen der Anordnung kann beispielsweise über die Außenhülle 170 erfolgen, wobei die elektrische Heizung dann ausgeschaltet wird und die Gesamtanordnung zum Beispiel unterhalb eines Frostpunktes abgekühlt werden kann. Daran anschließend, wenn die Gesamtanordnung eine untere Tiefsttemperatur erreicht hat, kann unter Nutzung der elektrischen Heizung (des Temperierzylinders 120) die Anordnung aufgeheizt werden, wobei die Wärmeströme Q̇1, Q̇2 die radial nach innen und radial nach außen gehen, über die Temperaturerfassungen ermittelt werden (mittels der Vergleichszylinder 140, 160).
Die Berechnung kann wie folgt erfolgen. Der Wärmestrom ist definiert als zeitliche Änderung der Wärmemenge. Für radiale Anordnungen gilt: $\dot{Q} = λ * Δ T \frac{2 * π * l}{ln (r α) - ln (r i)},$
wobei ΔT die Temperaturdifferenz, λ die Wärmeleitfähigkeit, 1 die axiale Länge, und ra, ri der Außen- und Innendurchmesser des Zylinders, durch den der radiale Wärmestrom verläuft.
Da die Wärmeleitfähigkeiten λ1, λ2 der Vergleichszylinder 140,160 und die Geometrie bekannt sind, kann daraus der nach innen gerichtete Wärmstrom Q̇1 und nach außen gerichtete Wärmestrom Q2 ermittelt werden. Da die Wärme nicht verloren geht, kann mit den so ermittelten Wärmeströmen Q̇1, Q2 schließlich die unbekannte Wärmeleitfähigkeit λ der Ummantelung 130 oder des Rohres 110 oder des gesamten Systems mit der gleichen Formeln ermittelt werden, wobei die Werte für 1, ra, ri und ΔT entsprechend einzusetzen sind.
Die inneren bzw. äußeren Vergleichszylinder 140,160 mit den bekannten Wärmeleitfähigkeiten λ1, λ2 dienen somit zur Ermittlung der Wärmeströme Q̇1, Q2, wobei der Gesamtwärmestrom jener Energie entsprechen sollte, die durch den Temperierzylinder 120 erzeugt wird. Wie oben beschrieben kann mit den ermittelten Wärmeströmen Q̇1, Q̇2 der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient λ der Kombination von Ummantelung 130 und Rohres 110 ermittelt werden, da der von dem Temperierzylinder 120 ausgehende Wärmestrom Q̇1 berechnet wurde.
Das Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit λ der Ummantelung 130 kann außerdem während oder nach einem Frost-Tau-Zyklus bestimmt werden, wobei die Wärmeleitfähigkeit λ sich nach einem Auftauen des in der Ummantelung 130 vorhandenen Wassers ändern wird.
Mit dem zumindest einen sechsten Temperatursensor 156 kann eine Außentemperatur der Außenhülle 170 erfasst werden, um beispielsweise den zweiten Wärmestrom Q2, wie er ebenso durch den Temperierzylinder 120 verursacht wird und sich radial nach außen sich ausbreitet, zu erfassen. Da keine Wärme verloren geht, kann mit der Erfassung beider Wärmeströme Q̇1, Q2 die Gesamtwärmemenge Q1+Q2 bestimmt werden. Dieser Wert sollte mit dem (elektrischen) Energieverbrauch des Temperierzylinders 120 übereinstimmen (wenn der Wärmestrom durch die Wärmedämmung 201, 202 als vernachlässigbar ansehbar ist). Durch diese redundante Erfassung kann die Genauigkeit verbessert werden.
2 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine Anordnung aus zwei Materialien, deren Systemwärmeleitfähigkeit gemäß Ausführungsbeispielen zu bestimmen ist. In diesem Ausführungsbeispiel soll wiederum die Systemwärmeleitfähigkeit einer radialsymmetrischen Probe aus einer Anordnung von zwei Materialen 110,130 (z.B. Rohr 110 und Ummantelung 130) bestimmt werden. Das erste Material 110 umfasst z.B. das Rohr aus Metall, Kunststoff, etc. mit einer unbekannten Wärmeleitfähigkeit λ_PM1 .
Das zweite Material 130 umfasst z.B. eine Ummantelung aus Metall, Kunststoff, zementhaltigen Materialien, Materialien mit wärmedämmenden Eigenschaften bzw. die zuvor genannte Ummantelung mit einer unbekannten Wärmeleitfähigkeit λ_PM2. Das zweite Material 130 kann eine beliebige Dicke aufweisen. Es braucht auch nicht vorhanden zu sein und kann eine mehr oder weniger dicke Luftschicht darstellen.
Die Wärmeleitfähigkeit dieser Anordnung kann, wie zuvor beschrieben, bestimmt werden, und zwar unter Nutzung eines Vergleichszylinders 140 mit bekannter Wärmeleitfähigkeit und eines Temperierzylinders 120. Die gezeigte Anordnung wird dazu innerhalb des Vergleichszylinders 140 aus der 1 eingesetzt. Dazu werden wieder die Temperaturen T1 und T2 erfasst, z.B. unter Nutzung entsprechender Temperatursensoren 151,152 am ersten Material 110 und optional am zweiten Material 130.
3 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Ermittlung einer Wärmeleitfähigkeit λ gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren umfasst:

- Durchleiten S110 eines Mediums 50 durch ein Rohr 110;
- Erwärmen S120 des Rohres 110 mittels eines Temperierzylinder 120, der sich um das Rohr 110 herum erstreckt;
- Ermitteln S130 eines radial nach innen gerichteten Wärmestromes Q̇1 mittels einer Temperaturerfassung in einem radialen Innenbereich des Temperierzylinders 120, wozu ein innerer Vergleichszylinder 140 mit vorbestimmter Wärmeleitfähigkeit λ1 genutzt wird; und
- Ermitteln S140 der Wärmeleitfähigkeit λ in radialer Richtung R durch das Rohr 110 basierend auf den radial nach innen gerichteten Wärmestrom Q̇1.

Optional umfasst das Verfahren ein Ermitteln einer gemeinsamen Wärmeleitfähigkeit λ in radialer Richtung R durch das Rohr 110 und eine Ummantelung 130, die zwischen dem Temperierzylinder 120 und dem Rohr 110 ausgebildet ist, und zwar basierend auf den radial nach innen gerichteten Wärmestrom Q̇1.
Optional können in dem Verfahren alle Funktionen implementiert sein, wie sie zuvor für das System beschrieben wurden. Insbesondere kann das Verfahren auch ein Ermitteln eines radial nach außen gerichteten Wärmestromes Q2 mittels einer Temperaturerfassung in einem radialen Außenbereich des Temperierzylinders 120 umfassen, wobei der nach außen gerichtete Wärmestrom Q̇2 durch einen äußeren Vergleichszylinder 160, der radial außerhalb von dem Temperierzylinder 120 angeordnet ist, geleitet wird. Da auch der äußere Vergleichszylinder 160 eine vorbestimmte Wärmleitfähigkeit λ2 aufweist, kann sowohl der nach innen und nach außen gerichtete Wärmestrom Q̇1, Q2 durch ein Erfassen von Temperaturen im oder am Temperierzylinder 120 sowie der Temperaturen der Vergleichszylinder 140, 160 ermittelt werden.
Die Ummantelung 130 kann ein beliebiger Baustoff sein, wie beispielsweise Mischungen, welche Zement enthalten.
Die Wärmeleitfähigkeit λ kann somit durch einen radialsymmetrischen Prüfkörper, der ein Rohr 110 und die Ummantelung 130 aufweist, und insbesondere vor und nach einer Frost-Tau-Wechselbelastung erfolgen. Die Messung kann dabei nach jedem Wechselzyklus erfolgen, um so auch die längerfristige Systemwärmeleitfähigkeit zu bestimmen.
Ausführungsbeispiele definieren daher eine reguläre Wasserdurchlässigkeitsmesszelle, bei der ein Seitendruck (Zelldruck) aufgebracht werden kann. Der Seitendruck wird durch einen Flüssigkeitsdruck zwischen einer Trennhülle 191, die an den Prüfkörper (Rohr 110 mit Ummantelung 130) anliegt, und einer zylindrischen inneren Vergleichszylinder 140 aufgebracht. Dadurch werden unplanmäßige Umläufigkeiten am Rand des Prüfkörpers vermieden, sodass die erste Flüssigkeit (nur) durch die Ummantelung 130 strömt. Insbesondere kann ein definierter Spannungszustand eingestellt werden.
Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können wie folgt zusammengefasst werden:

Durch die exakte Bestimmung der Systemwärmeleitfähigkeit können Erdwärmesonden auf einem wirklichkeitsnahen Betrieb hin getestet werden bzw. entsprechend ausgelegt werden.

Außerdem ist es möglich, die verwendeten Baustoffe hinsichtlich einer langfristigen Beständigkeit und einer hohen Systemwärmeleitfähigkeit zu optimieren.
Durch einen Einsatz von optimierten Baustoffen ist eine Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen dem Sondenfluid 50 und dem Untergrund zu erwarten, wodurch die Effizienz und damit die Wirtschaftlichkeit als auch die ökologischen Gesichtspunkte von Erdwärmesonden weiter verbessert werden können.
Ebenso kann die Systemdurchlässigkeit nachgewiesen und damit ein nachhaltiger Betrieb der Erdwärmesonden erreicht werden.
Höhere Schadensreparaturen oder unwirtschaftlich arbeitende Anlagen können somit vermieden werden.
Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

50: durchströmendes Medium
110: Rohr
120: Temperierzylinder
130: Ummantelung
140: innerer Vergleichszylinder
151,152,...: Temperatursensoren
160: äußerer Vergleichszylinder
170: Außenhülle
181,182: Rohrsystem
183: erste Flüssigkeit durch das Rohrsystem
190: Hohlraum
191: Trennhülle
192: Zuleitungen für die zweite Flüssigkeit in den Hohlraum hinein
201, 202: axiale Wärmedämmung(en)
λ: Wärmeleitfähigkeit
λ1, λ2: vorbestimmte Wärmeleitfähigkeiten
T1, T2, ...: erfasste Temperaturen
Q̇1, Q̇2: Wärmeströme
R: radialer Richtung
p1, p2: Drücke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010036992 A1 [0004]

Claims

System zur Bestimmung einer Wärmeleitfähigkeit (λ), mit den folgenden Merkmalen: ein Rohr (110) für ein durchströmendes Medium (50); ein Temperierzylinder (120), der sich um das Rohr (110) herum erstreckt und ausgebildet ist, um zumindest einen radial nach innen gerichteten Wärmestrom (Q̇1) zu erzeugen; einen inneren Vergleichszylinder (140), der sich zylinderförmig innerhalb des Temperierzylinders (120) herum erstreckt und eine vorbestimmte Wärmeleitfähigkeit (λ1) aufweist; und eine Vielzahl von Temperatursensoren (151, 152, ...), die ausgebildet sind, um Temperaturen (T1, T2, ...) an zumindest einer Winkelposition radial innerhalb des Temperierzylinders (120) zu messen, um eine Ermittlung folgender Größen zu ermöglichen: - den radial nach innen gerichteten Wärmestrom (Q̇1) unter Nutzung der vorbestimmten Wärmeleitfähigkeit (λ1) durch den inneren Vergleichszylinder (140), und - die Wärmeleitfähigkeit (λ) für den radial nach innen gerichteten Wärmestrom (Q̇1) durch das Rohr (110).
System nach Anspruch 1, das weiter Folgendes aufweist: eine Ummantelung (130), die zwischen dem Rohr (110) und dem Temperierzylinder (120) angeordnet ist, wobei die Vielzahl von Temperatursensoren (151, 152, ...) weiter ausgebildet sind, um die gemeinsame Wärmeleitfähigkeit (λ) für den radial nach innen gerichteten Wärmestrom (Q̇1) durch das Rohr (110) und die Ummantelung (130) zu ermitteln.
System nach Anspruch 2, das weiter Folgendes umfasst: ein Rohrsystem (181,182), um bei einer vertikalen Anordnung des Rohres (110) eine erste Flüssigkeit (183) entgegen der Gravitation durch die Ummantelung (130) mit einem vorbestimmten Druck (p) zu pressen.
System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, das weiter Folgendes aufweist: einen äußeren Vergleichszylinder (160), der zylinderförmig radial außerhalb des Temperierzylinders (120) angeordnet ist und eine vorbestimmte Wärmeleitfähigkeit (λ2) für einen radial nach außen gerichteten Wärmestrom (Q̇2) aufweist, wobei die Vielzahl von Temperatursensoren (151, 152, ...) ein oder mehrere Temperatursensoren (155, 156) radial außerhalb des Temperierzylinders (120) aufweisen, um eine Temperatur oder ein Temperaturgefälle in dem äußeren Vergleichszylinder (160) an zumindest einer Winkelposition zu erfassen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiter Folgendes aufweist: eine Außenhülle (170), wobei die Vielzahl von Temperatursensoren (151, 152, ...) zumindest einen äußeren Temperatursensor (156) aufweisen, um eine Außentemperatur der Außenhülle (170) an zumindest einer Winkelposition zu erfassen.
System nach einem der Ansprüche 2 bis 5, das weiter Folgendes umfasst: einen Hohlraum (190), der zwischen der Ummantelung (130) und des inneren Vergleichszylinders (140) ausgebildet ist und von der Ummantelung (130) durch eine undurchlässige Trennhülle (191), insbesondere eine Latex-Hülle, getrennt ist, um einen variablen radialen Zelldruck über eine zweite Flüssigkeit in dem Hohlraum (190) auf die Ummantelung (130) auszuüben.
System nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Temperierzylinder (120), die Ummantelung (130) und der innere Vergleichszylinder (140) schichtförmig in radialer Richtung (R) nur in einem axialen Abschnitt des Rohres (110) angeordnet sind und beidseitig durch eine Wärmedämmung (201, 202) axial thermisch geschützt sind, um einen axialen Wärmestrom zu unterdrücken.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl von Temperatursensoren (151, 152, ...) zur Bestimmung von Temperaturdifferenzen (ΔT) zumindest zwei der folgenden Temperatursensoren umfassen: - zumindest einen ersten Temperatursensor (151) an einer Innenseite des Rohres (110), um die Temperatur des Mediums (50) an der Innenseite des Rohres (110) zu erfassen; - zumindest einen zweiten Temperatursensor (152) an einer Außenseite der Ummantelung (130); - zumindest einen dritten Temperatursensor (153) innerhalb des inneren Vergleichszylinders (160), insbesondere mittig davon; - zumindest einen vierten Temperatursensor (154) innerhalb des Temperierzylinders (120), insbesondere mittig davon; - zumindest einen fünften Temperatursensor (155) innerhalb des äußeren Vergleichszylinders (140), insbesondere mittig davon; - zumindest einen sechsten Temperatursensor (156) an einer Außenoberfläche der Außenhülle (170).
System nach Anspruch 8, wobei zumindest einer der ersten bis sechsten Temperatursensoren (151, 152, ..., 156) jeweils mehrere Temperatursensoren an verschiedenen Winkelpositionen umfasst, um eine radiale Temperaturerfassung für verschiedene Winkelpositionen zu ermöglichen.
Verfahren zur Bestimmung einer Wärmeleitfähigkeit (Il), mit den folgenden Schritten: - Durchleiten (S110) eines Mediums (50) durch ein Rohr (110); - Erwärmen (S120) des Rohres (110) mittels eines Temperierzylinders (120), der sich um das Rohr (110) herum erstreckt; - Ermitteln (S130) eines radial nach innen gerichteten Wärmestromes (Q̇1) mittels einer Temperaturerfassung in einem radialen Innenbereich des Temperierzylinders (120), wozu ein innerer Vergleichszylinder (140) mit vorbestimmter Wärmeleitfähigkeit (λ1) genutzt wird; und - Ermitteln (S140) der Wärmeleitfähigkeit (λ) in radialer Richtung (R) durch das Rohr (110) basierend auf den radial nach innen gerichteten Wärmestrom (Q̇1).
Verfahren nach Anspruch 10, das weiter Folgendes umfasst: - Ermitteln einer gemeinsamen Wärmeleitfähigkeit (λ) in radialer Richtung (R) durch das Rohr (110) und eine Ummantelung (130), die zwischen dem Temperierzylinder (120) und dem Rohr (110) ausgebildet ist, basierend auf den radial nach innen gerichteten Wärmestrom (Q̇1).
Verfahren nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, das weiter Folgendes umfasst: Durchleiten einer ersten Flüssigkeit (183) entgegen der Gravitation mit einem vorbestimmten Druck (p).
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder Anspruch 12, das weiter Folgendes umfasst: Ausüben eines radial nach innen gerichteten Zelldruckes auf die Ummantelung (130) mittels einer zweiten Flüssigkeit, die in einem Hohlraum (190) zwischen der Ummantelung (130) und des inneren Vergleichszylinders (140) gepresst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, Ermitteln eines radial nach außen gerichteten Wärmestromes (Q2) mittels einer Temperaturerfassung in einem radialen Außenbereich des Temperierzylinders (120), wozu ein äußerer Vergleichszylinder (160), der radial außerdem von dem Temperierzylinder (120) angeordnet ist und eine vorbestimmte Wärmleitfähigkeit (λ2) aufweist, genutzt wird, wobei das Ermitteln der nach innen und außen gerichteten Wärmeströme (Q̇1, Q̇2) durch ein Erfassen von Temperaturen im oder am Temperierzylinder (120) und in der inneren und des äußeren Vergleichszylinders (140, 160) ausgeführt wird.