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Die Erfindung betrifft einen Erdwärmetauscher, insbesondere ein Erdkabelwärmetauscher-Modul sowie ein Erdkabelwärmetauscher-System, mit einem Außenrohr, das einen Vorlaufanschluss und einen Rücklaufanschluss aufweist, um ein Wärmeträgermedium durch das Außenrohr zirkulieren zu lassen. Insbesondere betrifft die Erfindung einen erdverlegten Stromkabelwärmetauscher.
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Es sind Erdwärmetauscher bekannt, die im frostsicheren Bereich verlegt werden, um dem Erdreich, das den Wärmetauscher umgibt, Wärme zu entziehen. Beispielsweise werden herkömmliche Erdwärmesonden in vertikale Tiefenbohrungen eingebracht und benötigen dementsprechend tiefe Bohrlöcher, was hohe Kosten durch die Bohrung selbst und durch in der Regel aufwändiges Abdichten und/oder Verpressen der Bohrstelle nach sich zieht. Ein solcher Erdwärmetauscher für den vertikalen Einbau ist aus der
DE 10 2013 006 416 B4 bekannt.
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Aus der
DE 10 2006 008 379 B4 ist es bekannt, an einem als Beton-Fertigteilerohr ausgebildetes Abwasserrohr für den horizontalen Einbau ein Kollektorrohr vorzusehen, welches das Abwasserrohr ganz oder teilweise umschlingt. Das Kollektorrohr kann dann mit einem Wärmetauscher verbunden werden, um dem Abwasser Wärme zu entziehen. Weiter ist aus der
DE 10 2007 061 177 A1 die Nutzung von Abwärme eines als Wickelrohr aus Kunststoff hergestellten Kanalrohres bekannt. Auf der Außenseite des Kanalrohres ist u.a. aus Stabilitätsgründen eine Profilverstärkung erforderlich, die als ein Rohrabschnitt ausgebildet sein kann, um gleichzeitig einen Wärmetauscher zu bilden. Dies ermöglicht es, Wärme aus dem das Kanalrohr umgebenden Erdreich dem Wärmetauscher zuzuführen.
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Zudem ist es bekannt, dass sich Erdkabel erwärmen, die für Hochspannungsleitungstrassen im Boden verlegt werden. Diese Abwärme kann unerwünschte Effekte beispielsweise auf Flora und Fauna in der Nähe der Hochspannungsleitungstrassen haben. Zudem steigt bei Erdkabeln, die aus metallischen Leitern gebildet werden, aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten des spezifischen elektrischen Widerstandes mit steigender Temperatur auch der Widerstand an, so dass eine starke Erhitzung auftreten kann, die wiederum negative Folgen haben und Schäden an dem Erdkabel selbst verursachen kann.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Erdwärmetauscher (im Folgenden auch Erdkabelwärmetauscher bzw. abgekürzt EKW genannt) bereitzustellen, der langfristig eine gleichmäßige Kühlung von Erdkabeln gewährleisten kann.
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Diese Aufgabe wird im Wesentlichen mit einem Erdwärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, den Erdwärmetauscher als einen Doppelrohrwärmetauscher für erdverlegte Stromtrassen auszubilden, der einen Vorlaufanschluss und einen Rücklaufanschluss beinhaltet. Dieser EKWwird hierzu mit einem Zu- und Ablaufrohr mit einer Pumpe verbunden, so dass ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser oder Sole (z.B. ein Glykol-Wasser-Gemisch), eine gleichmäßige Kühlung des Stromkabels bewirken kann. Das Zulaufrohr kann dabei identisch mit dem Ablaufrohr ausgestaltet sein. Ein solcher EKW gewährleistet außerdem langfristig einen gleichmäßigen Entzug von Wärme aus den Höchst-/Hochspannungsleitungstrassen, so dass diese Wärmeenergie nutzbar wird. Zudem dient der erfindungsgemäße EKW auch als Kabelschutzrohr für Erdkabel.
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Nach einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann ein EKW ein Innenrohr, ein Außenrohr sowie einen Vorlaufanschluss und einen Rücklaufanschluss aufweisen, die mit dem Außenrohr verbunden sind. In dem Außenrohr ist das Innenrohr derart aufgenommen, dass zwischen diesen ein mit dem Vorlaufanschluss und dem Rücklaufanschluss in Strömungsverbindung stehender Fluidraum ausgebildet ist, in dem ein Wärmeträgermedium zirkulieren kann. Das Wärmeträgermedium kommt bei dieser Ausgestaltung als Doppelrohrwärmetauscher nicht mit dem Erdkabel in Kontakt, sondern ist von diesem durch das Innenrohr getrennt.
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Der Fluidraum ist als ein Ringspalt ausgebildet, der durch Rohrabstandshalter eingehalten wird. Pro Rohrstange sind je nach Länge der Rohre beispielsweise drei oder mehr Rohrabstandshalter zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr vorgesehen, zudem müssen die Rohrabstandshalter einen Durchfluss des Mediums gewährleisten. Das Innenrohr wird damit konzentrisch zu dem Außenrohr angeordnet, was zu einem besonders guten und gleichmäßigen Wärmeentzug führt, wenn in dem Ringspalt ein aus Wasser oder Sole bestehendes Fluid (z.B. Glykol-Wasser-Gemisch) fließt, das für den Wärmeaustausch sorgt. Bei dieser Anordnung als Doppelrohr, welches die Höchst-/Hochspannungsleitungstrassen ummantelt, werden Erdkabel auch besonders gut im Erdreich geschützt.
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Zumindest das Innenrohr, und ggf. auch das Außenrohr, weist dabei nach 50 Jahren eine Zeitstand-Innendruckfestigkeit (MRS) von mindestens 10 N/mm2 (PE 100) bei 20°C auf. Vorzugsweise weist das thermisch stärker beanspruchte Innenrohr auch bei Temperaturen bis 70°C eine Nutzungsdauer von mind. 50 Jahren auf.
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Der Nachweis der Langzeitfestigkeit kann z. B. nach dem in ISO 9080 oder DIN 16887 festgelegten Verfahren geführt werden. Die so ermittelten Zeitstand-Innendruckkurven dürfen in keinem Punkt die jeweiligen in DIN 8074/8075 vorgegebenen Referenzkennlinien unterschreiten. Zudem existieren Polyethylene, die besonders hohen Anforderungen an die Spannungsrissbeständigkeit genügen, nämlich als PE 100-RC (Polyethylene of Raised Crack Resistance) bezeichnete Polyethylene, die die im DVGW-Merkblatt GW 323 geforderten Mindestanforderung von Standzeiten im FNC-Test erfüllen (3300 h). Weiter werden als PE 100-RT (Polyethylene of Raised Temperature Resistance) Polyethylene bezeichnet, die einen Einsatz auch bei erhöhten Betriebstemperaturen ermöglichen (PE 100-RT). Als PE 100-RT-RC werden PE 100 Formmassen bezeichnet, die sowohl besonders temperaturbeständig sind, als auch eine besonders gute Spannungsrissbeständigkeit aufweisen. Für den erfindungsgemäßen Einsatz als Innenrohr und/oder als Außenrohr wird die Verwendung von PE 100, PE 100-RT, PE 100-RC und/oder PE 100-RT-RC bevorzugt.
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Das Innenrohr hat vorzugsweise eine SDR-Klasse zwischen 7,4 und 26, vorzugsweise 11 bis 21. Die SDR-Klasse (Standard Dimension Ratio) ist eine dimensionslose Kenngröße für Rohre, die das Verhältnis von Außendurchmesser zu Wanddicke angibt. Das Innenrohr kann beispielsweise einen Außendurchmesser von 180 mm bis 400 mm aufweisen. Das Außenrohr kann beispielsweise eine SDR-Zahl zwischen 7,4 und 33, vorzugsweise 17 bis 26 und/oder einen Außendurchmesser ab 200 mm aufweisen.
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Die Herstellung eines erfindungsgemäßen EKW ist besonders einfach möglich, wenn an beiden Enden des Innenrohrs und des Außenrohrs jeweils ein Übergangsstück vorgesehen ist, das einen Abzweigstutzen aufweist, der den Vorlaufanschluss bzw. den Rücklaufanschluss bildet. Die einzelnen Rohrstangen, die das Innenrohr bzw. das Außenrohr bilden, werden vorzugsweise mittels des Heizelementstumpfschweißverfahrens (DVS Richtlinie 2207-1) mit den beiden endseitigen Übergangsstücken geschweißt. Die Verbindung zwischen dem jeweiligen das Zu- und Ablaufrohr bildenden Abzweigstutzen und dem Doppelrohr erfolgt beispielsweise über einen durch das Übergangsstück gebildeten Doppelrohrübergang. Der Doppelrohrübergang wird ebenfalls mit Hilfe des Heizelementstumpfschweißverfahrens am Doppelrohr verbunden.
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Das Übergangsstück kann einen Innenrohrabschnitt aufweisen, dessen Durchmesser dem Durchmesser des Innenrohrs entspricht. Insbesondere kann der Innenrohrabschnitt sowohl hinsichtlich des Innendurchmessers als auch hinsichtlich des Außendurchmessers mit dem Innenrohr identisch sein und einseitig mit dem Innenrohr verbunden sein. Ein freies Ende des Innenrohrabschnitts kann zur Verbindung mit einem freien Ende eines weiteren Innenrohrabschnitts eines benachbarten EKW mittels einer Heizwendelmuffe geschweißt werden, oder kann mittels einer Heizmuffe oder mittels eines Heizelementstumpfschweißverfahrens mit einem ein Erdkabel umgebenden Rohrabschnitt verbunden werden, der bevorzugt die gleichen Innen- und Außenabmessungen, wie das Innenrohr aufweist.
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Das Übergangsstück kann ferner einen Außenrohrabschnitt aufweisen, der von dem Innenrohrabschnitt zumindest bereichsweise beabstandet ist und mit dem Außenrohr verbunden ist. Dabei zweigt der jeweilige Abzweigstutzen, der den Vorlaufanschluss bzw. den Rücklaufanschluss bildet, von dem Außenrohrabschnitt ab. Die Übergangsstücke können identisch hergestellt und spiegelverkehrt eingebaut werden.
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Die Länge eines Erdkabelwärmetauscher-Moduls ist variabel, beispielsweise zwischen 12 m bis 96 m. Ein EKW-Modul kann aus einem oder mehreren Rohrstangen bestehen, die jeweils eine Länge von 5 m, 6 m oder 12 m aufweisen können. Eine Länge der Rohrstangen von 12 m hat sich als besonders wirtschaftlich erwiesen.
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Einzelne EKW-Module können z.B. mittels einer Heizwendelmuffe zu einem EKW-System mit mehreren EKW verbunden werden. Auch diese Verbindung (vorzugsweise mittels Heizwendelschweißens) erfolgt nach der DVS Richtlinie 2207-1. Der Aufbau des Wärmetauschers-Systems ist somit modular möglich, d.h. es können mehrere Module (einzelne EKW) hintereinander (Reihenschaltung), und/oder vorzugsweise in Parallelschaltung, zu einem gesamten Wärmetauscher-System verbunden werden. Dabei kann jedes Modul einen eigenständigen Kreislauf, d.h. eine eigene Pumpe, einen eigenen Zu- und Ablauf und einen eigenen Volumenstrom aufweisen.
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Der Vorlaufanschluss und der Rücklaufanschluss jedes EKW/EKW-Systems ist zudem mit einem weiteren Wärmetauscher auf der Energieübertragungsseite verbunden, um zusammen mit der Umwälzpumpe und dem Ringraum zwischen Innenrohr und Außenrohr einen Wärmeträgerkreislauf zu bilden. Der EKW, an den die aus dem Erdkabel aufgenommene Wärme durch den Wärmeträgerkreislauf abgegeben wird, kann Bestandteil einer Wärmepumpenanlage und/oder einer Geothermie-Anlage sein. Dieser Wärmetauscher muss nicht direkt und unmittelbar mit dem Wärmeträgerkreislauf verbunden sein, sondern kann mit diesem über eine Sammelleitung verbunden sein.
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Nach einem Aspekt der Erfindung sind das Innenrohr und der Innenrohrabschnitt des Übergangsstücks innen frei von Querschnittsverjüngungen und Einbauten. Dies ermöglicht es, ein Erdkabel möglichst ungehindert in das Innenrohr einzuführen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es zeigen schematisch:
- 1 in Perspektivansicht ein EKW-Modul nach einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 in Explosionsansicht die Komponenten eines EKW-Moduls;
- 3 in Schnittansicht den EKW-Modul nach 1;
- 4 eine Draufsicht auf ein Ende des EKW ohne Stromkabel;
- 5 in einer weiteren Schnittansicht den EKW mit Stromkabel;
- 6 in Schnittansicht den Verbindungsbereich zweier EKW-Module nach 9;
- 7 eine Draufsicht auf die Innenseite eines Übergangsstücks vor der werksseitigen Anbindung;
- 8 in Schnittansicht das Übergangsstück nach 7; und
- 9 in Perspektivansicht ein EKW-System bestehend aus zwei EKW-Modulen nach einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines EKW. In 9 sind zwei miteinander zu einem EKW-System verbundene EKW-Module dargestellt.
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Der EKW 1 umfasst ein als kreiszylindrisches Kunststoffrohr ausgebildetes Innenrohr 2, ein dieses konzentrisch umgebendes Außenrohr 3 sowie mindestens einen Vorlaufanschluss 4a und mindestens einen Rücklaufanschluss 4b. Zwischen dem Innenrohr 2 und dem Außenrohr 3 sind Abstandshalter 5 vorgesehen (vgl. 2, 3 und 6), so dass zwischen den Rohren 2, 3 ein ringförmiger Fluidraum gebildet wird, durch den ein Wärmeträgermedium zirkulieren kann. An den äußeren Enden der Rohre 2, 3 sind jeweils Übergangsstücke 6 vorgesehen, in denen auch der Vorlaufanschluss 4a und der Rücklaufanschluss 4b ausgebildet sind.
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Im Inneren des Innenrohrs 2 ist ein Stromkabel (Erdkabel) 7 vorgesehen, so dass der EKW 11 das Erdkabel 7 abschnittsweise ummantelt. Die Verbindung zweier EKW-Modulen 1 kann mittels z.B. einer Heizwendelmuffe 8 erfolgen, wie in den 6 und 9 veranschaulicht wird.
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In dem durch den Ringraum zwischen Innenrohr 2 und Außenrohr 3 gebildeten Fluidraum kann über die Vor- und Rücklaufanschlüsse 4 zum Wärmetransport ein Wärmeträgermedium zirkulieren, beispielsweise Wasser oder ein Glykol-Wasser-Gemisch. Hierzu kann eine Pumpe (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
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In den Figuren dargestellten Beispiel ist das Innenrohr 2, und ggf. auch das Außenrohr ein längsextrudiertes Vollwandrohr aus Polyethylen, das nach 50 Jahren eine Zeitstand-Innendruckfestigkeit (MRS) von mindestens 10 N/mm2 (PE 100) bei 20°C auf. Vorzugsweise weist das thermisch stärker beanspruchte Innenrohr auch bei Temperaturen bis 70°C eine Nutzungsdauer von mind. 50 Jahren auf. Beispielsweise bestehen beide Rohre 2, 3 aus PE 100, PR 100-RC, PE 100-RT oder PE 100 RT-RC.
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Das Übergangsstück 6 weist sowohl in der in den 2 bis 9 gezeigten Ausführungsform einen Innenrohrabschnitt 9 auf, dessen Innen- und Außendurchmesser dem Durchmesser des Innenrohrs 2 entspricht. Ein freies Ende des Innenrohrabschnitts 9 kann, z.B. mittels einer Heizwendelmuffe 8, zur Verbindung mit einem freien Ende eines weiteren Übergangsstücks 6 eines benachbarten EKW 1 oder mit einem Rohrende geschweißt werden. Das Übergangsstück 6 weist weiter einen Außenrohrabschnitt 10 auf, der von dem Innenrohrabschnitt 9 zumindest bereichsweise beabstandet ist und mit dem Außenrohr 3 verbunden werden kann.
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In der in den 1 bis 6 gezeigten ersten Ausführungsform zweigt dabei jeweils ein Vor- und Rücklaufanschluss 4a, 4b von dem Außenrohrabschnitt 10 ab. Im Gegensatz dazu ist in der in den 7 und 8 gezeigten zweiten Ausführungsform in dem Außenrohrabschnitt 10 lediglich eine Öffnung ausgebildet, die den Vor- und Rücklaufanschluss 4a, 4b definiert. Zudem ist in der in den 7 und 8 gezeigten zweiten Ausführungsform der Außenrohrabschnitt 10 gegenüber dem Innenrohrabschnitt 9 auf der im Einbauzustand dem Innenrohr 2 und dem Außenrohr 3 zugewandten Seite leicht zurückversetzt gestaltet, was das Schweißen des Innenrohrs 2 mit dem Innenrohrabschnitt 9 erleichtert.
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Mit dem erfindungsgemäßen EKW 1 ist neben hervorragender mechanischer und thermischer Langzeitstabilität ein besonders gleichmäßiger Wärmeaustausch möglich, bei dem beispielsweise einem Stromkabel 7 einer Höchst-/Hochspannungstrasse kontinuierlich Wärme entzogen wird.
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Bezugszeichen
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- 1
- Erdkabelwärmetaucher-Modul (EKW-Modul)
- 2
- Innenrohr
- 3
- Außenrohr
- 4a
- Vorlaufanschluss
- 4b
- Rücklaufanschluss
- 5
- Abstandshalter
- 6
- Übergangsstück
- 7
- Stromkabel
- 8
- Heizwendelmuffe
- 9
- Innenrohrabschnitt
- 10
- Außenrohrabschnitt
- 11
- Erdkabelwärmetauscher-System (EKW-System)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013006416 B4 [0002]
- DE 102006008379 B4 [0003]
- DE 102007061177 A1 [0003]
