DE10236238B4

DE10236238B4 - Sondefuß für Bohrlochkollektoren in U-Rohrform

Info

Publication number: DE10236238B4
Application number: DE10236238A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Kluge
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-08-07
Filing date: 2002-08-07
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2022-08-08
Also published as: DE10236238A1

Abstract

Sondenfuß für Bohrlochkollektoren in U-Rohrform, bestehend aus einem u-förmig aus einem gebogenen Polyethylen-Rohr ausgebildeten und mit einer wärmeleitenden Schutzschicht umhüllten Rohrabschnitt für die Aufnahme der Wärmeträgerflüssigkeit, wobei die wärmeleitende Schutzschicht durch metallische oder nichtmetallische Armierungsmaterialien stabilisiert und/oder durch eine Schutzmanschette wenigstens teilweise umhüllt ist sowie mit Ballastelementen in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß in der wärmeleitenden Schutzschicht (2) Sensoren (15) für die Aufnahme von physikalischen Parametern (wie Temperatur, Dehnung des Rohrmaterials, Strömungsgeschwindigkeit) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sondenfuß für Bohrlochkollektoren in U-Rohrform, bestehend aus einem u-förmig ausgebildeten Rohrabschnitt für die Aufnahme der Wärmeträgerflüssigkeit mit einer verschleißfesten Ummantelung sowie aus Einrichtungen zur Aufnahme von Ballastelementen. Derartige technische Einrichtungen werden zur Gewinnung geothermischer Wärme aus Bohrlöchern benötigt.
An Erdwärmesonden zur Gewinnung von geothermischer Wärmeenergie werden besondere Anforderungen gestellt. Im allgemeinen müssen sie dazu geeignet sein, in ein mit Bohremulsion gefülltes Bohrloch eingebracht werden zu können. Dazu wird angestrebt, das Einbringen der Erdwärmesonde in das Bohrloch möglichst ohne axiale Druckkräfte zu gewährleisten. Unter Beachtung der erhöhten Dichte der Bohremulsion sollen dazu die Sondenfüße mit Ballastmaterialien in Verbindung stehen, die dem Auftrieb der Wärmeträgerleitungen und deren Isolation entgegen wirken können.
Dazu wird in der DE 200 21 105 U1 ein Sondenfuß beschrieben, der sowohl u-förmige Ausnehmungen für das Umlenken der Wärmeträgerflüssigkeit ausweist als auch über Anschlüsse für die Verbindung des Sondenfußes mit den Wärmeträgertransportleitungen einerseits und einem möglichen Ballastkörper andererseits verfügt. Ein derartiger Sondenfuß wirft mehrere technische Probleme auf. Zunächst erfordert die flüssigkeitsdichte Verbindung des Sondenfußes mit den Wärmeträgertransportleitungen spezielle Anschlußelemente, die ihrerseits den Strömungsquerschnitt möglichst nicht verringern sollen. Weiterhin stellt die vorgesehene Verbindung des Sondenfußes mit einem zusätzlichen Ballastkörper durch einen vorgesehenen Gewindebolzen einen funktionellen Schwachpunkt dar. Insbesondere läßt es der vorgeschlagene Sondenfuß nicht zu, die benötigte Erdwärmesonde rohrleitungstechnisch komplett aus am Markt verfügbaren standardisierten Bauelementen herzustellen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb im Schaffen einer technischen Lösung, mit deren Hilfe die Mängel des bekannten Standes der Technik überwunden werden können. Die zu entwickelnde technische Lösung soll aus verfügbaren Bauelementen kostengünstig herstellbar sein und eine hohe Funktionalität gekennzeichnet sein. In Abhängigkeit von der vorgesehenen Einbringtiefe sollen unterschiedliche Anforderungen an die Beschwerung des Sondenfußes auf technisch einfache Weise erfüllt werden können. Da im Bereich des Sondenfußes ebenfalls die von der Wärmeträgerflüssigkeit aufzunehmende Erdwärme gewonnen werden muß, soll die Beschwerung des Sondenfußes nicht zu einer Beeinträchtigung des Wärmeübergangs von der Bohrlochwand auf die Wärmeträgerflüsssgkeit führen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst. Die vor teilhaften Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Danach besteht ein Sondenfuß für Bohrlochkollektoren in U-Rohrform aus einem u-förmig ausgebildeten Abschnitt für die Aufnahme der Wärmeträgerflüssigkeit mit einer verschleißfesten Ummantelung sowie aus Einrichtungen zur Aufnahme von Ballastelementen. Dabei besteht der u-förmig ausgebildete Rohrabschnitt aus einem mittels Spritzgußverfahren hergestellten Polyethylenrohr. Dieser Rohrabschnitt ist weiterhin im Gegensatz zu den die Wärmeträgerflüssigkeit transportierenden Rohren im übrigen Bohrloch mit einer wärmeleitenden Schutzschicht umhüllt.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die wärmeleitende Schutzschicht durch metallische oder nichtmetallische Armierungsmaterialien stabilisiert. Die wärmeleitende Schutzschicht steht außerdem mit Ballastelementen in Verbindung.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist der im übrigen identisch ausgebildete Sondenfuß nicht mit die wärmeleitende Schutzschicht stabilisierenden Armierungsmaterialien ausgerüstet. In dieser Variante wird die wärmeleitende Schutzschicht durch eine Schutzmanschette wenigstens teilweise umhüllt, wobei diese Schutzmanschette die Stabilisierungsfunktion zum erheblichen Anteil übernimmt. Es geht darum, daß im wesentlichen die stabilisierenden Elemente in Form von Armierungsmaterialien in der wärmeleitenden Schutzschicht oder in Form der Schutzmanschette als Umhüllung der wärmeleitenden Schutzschicht die Möglichkeit der kraftschlüssigen Kopplung des u-förmig ausgebildeten Förderrohres für die Wärmeträgerflüssigkeit mit erforderlichen Ballastelementen gewährleisten.
In beiden grundsätzlichen Ausführungsvarianten der Erfindung kann der u-förmig ausgebildete Rohrabschnitt aus gefügten Formteilen bestehen. Bei diesen Formteilen handelt es sich weitgehend um standardisierte Bauelemente. Die eingesetzten Formteile sind bevorzugt schweißtechnisch verbunden, um geringstmögliche Querschnittsverengungen oder Strömungswiderstände zu sichern. Als Schweißverfahren kommen anerkannte Methoden, wie Heizelement-Stumpfschweißen, Heizelement-Muftenschweißen sowie Heizwendelschweißen zum Einsatz.
Die das u-förmig ausgebildete Rohr für den Wärmeträgertransport im Sondenfuß umgebenden wärmeleitende Schutzschicht enthält in einer besonderen Ausführungsform anorganische und/oder organische Bindemittel. Der Einsatz bindemittelhaltiger Umhüllungen sichert im Gegensatz von schalenförmig vorgefertigten Umhüllungen den formschlüssigen Verbund des wärmeleitenden Hüllmaterials mit dem Rohrmaterial für die Wärmeträgerflüssigkeit.
Bereits die wärmeleitende Schutzschicht kann die Funktion der Beschwerung des Sondenfußes zumindest teilweise übernehmen. Dazu enthält die wärmeleitende Schutzschicht schwere Zuschlagstoffe. Dies sind in der Regel Körnungen oder Aggre gate aus Materialien höherer Dichte, wie Hartgestein, Schwerspat oder Metallgranulat.
Für den Fall der beweglich mit dem Sondenfuß in Verbindung stehenden Ballastelementen sind im Tiefsten der Rohrsonde Aushängeösen angeordnet, die wahlweise mit der Schutzschichtarmierung oder mit der Schutzmanschette in Verbindung steht.
Weiterhin kann die wärmeleitende Schutzschicht oder ein unter der Rohrsonde angeordnetes Ballastelement als sich zum Tiefsten des Bohrlochs hin verjüngendes Bauelement ausgebildet sein. Derartig ausgebildete Bauteile erlauben es, den Sondenfuß trotz im Bohrloch verbliebener Sedimente in maximaler Tiefe zu positionieren.
Die wärmeleitende Schutzschicht ist bevorzugt auch im Zwischenvolumen zwischen den Rohren der Rohrsonde angeordnet. Die konstruktive Länge des Sondenfußes, der in erster Linie als der Teil für die Wärmeaufnahme des geothermischen Systems dient, wird im wesentlichen von den Anforderungen der Wärmeabnahme in Menge und Temperaturniveau einerseits und vom nutzbaren Wärmezufluß im Bohrloch bestimmt. Auf diese Weise kann bereits ein Sondenfuß mit größeren Längenabmessungen durch die in ihm enthaltene Masse der wärmeleitenden Schutzschicht eine ausreichende Beschwerung besitzen, um dem Auftrieb des Sondenfußes und der wärmeisolierten Förderleitungen zum Sondenfuß in dem mit Bohremulsion gefüllten Bohrloch entgegen zu wirken.
Der Sondenfuß hat im Bohrloch beim Einbringen nicht nur den weitesten Weg zurück zu legen, sondern ist auch mit größter Wahrscheinlichkeit mit verschleißintensivem Bohrklein als in der Bohremulsion enthaltenes Sediment im Kontakt. Dies erfordert, die wärmeleitende Schutzschicht des Sondenfußes außen mit einer zusätzliche Verschleißschicht zu begrenzen. Diese zusätzliche Verschleißschichtfunktion kann sowohl von einer Schutzmanschette als auch von aufgebrachten Umhüllungen aus speziellem Kunststoff oder aus mineralischen Schichten erfüllt werden. Diese Materialien sind dazu bevorzugt durch metallische oder nichtmetallische Gewebe stabilisiert.
Als Element des Wärmetransports kann die wärmeleitende Schutzschicht vom Tiefsten der Rohrsonde bis zum Beginn der mechanischen Schutzumhüllung der Wärmeträgenohre angeordnet sein.
Eine weitere Ausführungsform des Sondenfußes sieht vor, in der wärmeleitenden Schutzschicht Sensoren für die Aufnahme von physikalischen Parametern anzuordnen. Insbesondere betrifft dies Sensoren für die Erfassung von Temperaturen, der Dehnung des Rohrmaterials bzw. der Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgerfluids.
Sofern eine Schutzmanschette zum Einsatz kommt, ist diese bevorzugt als zusätzliche Verschleißschicht ausgebildet und kann entweder aus besonders verschleißfesten Material oder zusätzlich durch Armierungsmaterialien verstärkt ausgeführt sein. Sie steht außerdem mit der mechanischen Schutzumhüllung formschlüssig und weiterhin bedarfsweise mit einem Zusatzballast in Verbindung. Dieser Zusatzballast ist in solchen Fällen unterhalb des Sondenfußes angeordnet.
Bevorzugt wird die Schutzmanschette durch Schrumpftechnik zumindest mit der wärmeleitenden Schutzschicht des Sondenfußes, in anderen Ausführungsformen jedoch auch mit der mechanischen Schutzumhüllung der Wärmeträgenohre und einem Zusatzballast kraftschlüssig verbunden.
Die Vorteile der Erfindung bestehen zusammengefaßt in der nun verfügbaren technischen Lösung, mit deren Hilfe einfach aufgebaute, zuverlässig funktionierende und zugleich kostengünstige Sondenfüße für Bohrlochkollektoren zum Zwecke der Gewinnung geothermischer Wärme gestaltet werden können. Indem den besonderen Bedingungen von mit Bohremulsion und Restsediment gefüllten Bohrlöchern Rechnung getragen wird, lassen sich die mit dem erfindungsgemäßen Sondenfuß ausgestatteten Bohrlochkollektoren vorteilhaft in die dafür vorgesehenen Bohrlöcher einführen und zuverlässig positionieren.
Die Erfindung soll nachstehend mit Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
In der beigefügten Zeichnung zeigen:
1 die schematische Darstellung eines aus Rohrformteilen gebildeten Sondenfußes mit mechanischer Schutzumhüllung der Wärmeträgerrohre;
2 die schematische Darstellung eines als Sondenfuß u-förmig ausgebildeten Rohrabschnitts;
3 die schematische Schnittdarstellung eines Bohrlochkollektors mit verlängerter Schutzmanschette;
4 die schematische Unteransicht des Bohrlochkollektors gemäß 3;
5 die schematische Ansicht senkrecht zur Achse des Bohrlochkollektors in Richtung der Diagonalen des Kollektorquerschnitts;
6 die schematische Detailansicht des unteren Bereiches des Bohlochkolektors mit profilierter Schutzmanschettenunterkante;
7 die schematische Darstellung eines nicht umhüllten Sondenfußes mit vergrößerten Strömungsquerschnitt und zwei gekreuzt angeordneten Wärmeträgerrohren;
8 die schematische Schnittdarstellung in der Ebene A gemäß 7;
9 die schematische Schnittdarstellung eines mit Zusatzballast und Schutzmanschette ausgestattten Sondenfußes;
10 die schematische Darstellung eines aus verschweißten Formteilen ausgebildeten Sondenfußes mit Schutzumhüllungen;
Ausführungsbeispiele
Ausführungsbeispiel 1:
Gemäß der 1, 2, 3 und 10 besteht ein Sondenfuß für Bohrlochkollektoren aus einem u-förmig ausgebildeten Rohrabschnitt 1. Dieser Rohrabschnitt ist aus schweißtechnisch stumpf zusammengefügten Formteilen aus Polyethylen gebildet. An dem Sondenfuß sind Wärmeträgerrohre 14 für den Transport des Wärmeträgerfluids befestigt, die ihrerseits mit einer mechanischen Schutzumhüllung 13 ausgestattet sind. Im Bereich des Sondenfußes ist der uförmig ausgebildete Rohrabschnitt 1 mit einer wärmeleitenden Schutzschicht 2 umhüllt. Die wärmeleitende Schutzschicht 2 füllt auch das Zwischenvolumen 10 bis zum Beginn der mechanischen Schutzumhüllung 13 aus. Die wärmeleitende Schutzschicht 2 besteht aus einem Schwerbeton, der als Bindemittel 6 Zement enthält und dessen schwere Zuschlagstoffe 7 kornabgestuftes Hartgestein sind.
In dieser wärmeleitenden Schutzschicht 2 sind Armierungsmaterialien 3 in Form von Stahlfasern eingebettet. Sowohl das Armierungsmaterial 3 als auch die schweren Zuschlagstoffe 7 dienen als Ballastelemente 4.
Im Tiefsten der Rohrsonde 12 ist die mit Armierungsmaterial 3 stabilisierte wärmeleitende Schutzschicht 2 verjüngt ausgeführt, wobei sich in diesem Bereich Aufhängeösen 8 befinden. Zwischen dem Rohrsondentiefsten 12 und dem Bohrlochtiefsten 9 ist ein kegelförmiger Zusatzballast 17 angeordnet, der seinerseits mit den Aufhängeösen 8 verbunden ist. Zwischen dem u-förmig ausgebildeten Rohrabschnitt 1 und der wärmeleitenden Schutzschicht 2 sind Sensoren 15 eingebettet, von denen ein Sensor 15 die Rohrwandtemperatur und ein weiterer Sensor 15 den Spannungszustand des Rohrmaterials erfaßt.
Der gesamte Sondenfuß ist mit einem Kunststoffmantel formschlüssig umhüllt, wobei dieser Kunststoffmantel als zusätzliche Verschleißschicht 11 dient, um den Sondenfuß beim Einbringen des Bohrlochkollektors in das Bohrloch mit den funktionsbestimmenden Komponenten zu schützen.
Ausführungsbeispiel 2:
Gemäß der 4, 5, 6 und 9 ist ein Sondenfuß für Bohrlochkollektoren ähnlich wie im Ausführungsbeispiel 1 ausgebildet. Allerdings fehlen der wärmeleitenden Schutzschicht 2 in diesem Falle die Armierungsmaterialien 3.
Weiterhin ist die wärmeleitende Schutzschicht 2 im Rohrsondentiefsten 12 nicht mit Aufhängeösen 8 ausgestattet. Dagegen ist der gesamte Sondenfuß mit einer Schutzmanschette 16 umhüllt, die auch Teile der mechanischen Schutzumhüllung 13 umfaßt die dem gesamten Sondenfuß als zusätzliche Verschleißschicht 11 dient und außerdem mit dem unter dem Rohrsondentiefsten 12 angeordneten Zusatzballast 17 kraftschlüssig in Verbindung steht.
Die Schutzmanschette 16 besteht aus einem glasfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoff, der bei der Konfigurierung des Bohrlochkollektors sowohl auf die mechanische Schutzumhüllung 13 der Wärmeträgerrohre 14 als auch auf die wärmeleitende Schutzschicht 2 im Bereich des u-förmig ausgebildeten Rohrabschnitts 1 sowie auf den Zusatzballast 17 aufgeschrumpft wurde. Die Schutzmanschette 16 ist so ausgebildet, daß sie einerseits den Ballast für das zentrierte Einbringen der Rohrsonde bildet und andererseits mit dem am unteren Ende der Manschette 16 befindliche Hohlraum 18 für die Aufnahme von im Bohrloch befindlichem Geröll dient.
Durch die Kantenprofilierung 19 des Endbereiches der Schutzmanschette 16 an mehreren Stellen des Umfangs wird eine Verjüngung der Schutzmanschette 16 erreicht, was dem vereinfachten Einbringen der Rohrsonde wiederum dienlich ist.
Ausführungsbeispiel 3:
Gemäß der 7 und 8 besteht ein Bohrlochkollektor aus zwei Wärmeträgerrohren 14, die am Sondenfuß kreuzweise angeordnet sind. Zum Zwecke der kompakten Ausführung des Sondenfußes weisen die sich kreuzenden Wärmeträgerrohre 14 Verjüngungen 20 auf. Gleichzeitig sind die Rohrdimensionen so verändert, daß es auch im Kreuzungsbereich der Wärmeträgerrohre 14 nicht zu einer Verkleinerung des Strömungsquerschnittes kommt. Der Zusatzballast für das Einbringen der Bohrlochsonde in das Bohrlochtiefste 9 ist in diesem Falle oberhalb des Kreuzungspunktes der u-förmig ausgebildeten Rohrabschnitte 1 zwischen den insgesamt 4 Wärmeträgerrohrsträngen 14 angeordnet.

1: u-förmig ausgebildeter Rohrabschnitt
2: wärmeleitende Schutzschicht
3: Armierungsmaterialien
4: Ballastelemente
5: Formteile
6: Bindemittel
7: schwere Zuschlagstoffe
8: Aushängeösen
9: Bohrlochtiefstes
10: Zwischenvolumen
11: Zusätzliche Verschleißschicht
12: Rohrsondentiefstes
13: mechanische Schutzumhüllung
14: Wärmeträgerrohre
15: Sensor
16: Schutzmanschette
17: Zusatzballast
18: Hohlraum der Schutzmanschette
19: Profilierung der Schutzmanschettenunterkan
: te
20: Verjüngung der gekreuzt angeordneten u-för
: migen Rohrabschnitte

Claims

Sondenfuß für Bohrlochkollektoren in U-Rohrform, bestehend aus einem u-förmig aus einem gebogenen Polyethylen-Rohr ausgebildeten und mit einer wärmeleitenden Schutzschicht umhüllten Rohrabschnitt für die Aufnahme der Wärmeträgerflüssigkeit, wobei die wärmeleitende Schutzschicht durch metallische oder nichtmetallische Armierungsmaterialien stabilisiert und/oder durch eine Schutzmanschette wenigstens teilweise umhüllt ist sowie mit Ballastelementen in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß in der wärmeleitenden Schutzschicht (2) Sensoren (15) für die Aufnahme von physikalischen Parametern (wie Temperatur, Dehnung des Rohrmaterials, Strömungsgeschwindigkeit) angeordnet sind.
Sondenfuß für Bohrlochkollektoren in U-Rohrform nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der u-förmig ausgebildete Rohrabschnitt (1) aus gefügten Formteilen (5) besteht.
Sondenfuß für Bohrlochkollektoren in U-Rohrform nach dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzten Formteile (5) schweißtechnisch verbunden sind.
Sondenfuß für Bohrlochkollektoren in U-Rohrform nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Schutzschicht (2) anorganische und/oder organische Bindemittel (6) enthält.
Sondenfuß für Bahrlochkollektoren in U-Rohrform nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Schutzschicht (2) schwere Zuschlagstoffe (7) enthält.
Sondenfuß für Bohrlochkollektoren in U-Rohrform nach dem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der schwere Zuschlagstoff (7) Hartgestein, Schwerspat oder Metallgranulat ist.
Sondenfuß für Bohrlochkollektoren in U-Rohrform nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß daß die Schutzschichtarmierung (3) mit im Tiefsten der Rohrsonde angeordneten Aufhängeösen (8) in Verbindung steht.
Sondenfuß für Bohrlochkollektoren in U-Rohrform nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Schutzschicht (2) unterhalb der Rohrsonde als sich zum Tiefsten des Bohrlochs (4) hin verjüngendes Bauteil ausgebildet ist.
Sondenfuß für Bohrlochkallektoren in U-Rohrform nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Schutzschicht (2) im Zwischenvolumen (10) zwischen den Rohren der Rohrsonde angeordnet ist.
Sondenfuß für Hohrlochkollektoren in U-Rohrform nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Schutzschicht (2) außen mit einer zusätzliche Verschleißschicht (11) begrenzt ist.
Sondenfuß für Bohrlochkollektoren in U-Rohrform nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Schutzschicht (2) vom Tiefsten der Rohrsonde (12) bis zum Beginn der mechanischen Schutzumhüllung (13) der Wärmeträgerrohre (14) angeordnet ist.
Sondenfuß für Bohrlochkollektoren in U-Rohrform nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzmanschette (16) als zusätzliche Verschleißschicht (11) ausgebildet ist.
Sondenfuß für Bohrlochkollektoren in U-Rohrform nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzmanschette (1d) durch Armierungsmaterialien (3) verstärkt ausgebildet ist.
Sondenfuß für Hahrlochkollektoren in U-Rohrform nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzmanschette (1b) mit der mechanischen Schutzumhüllung (13) und/oder mit einem Zusatzballast (17) in Verbindung steht.
Sondenfuß für Bohrlochkollektoren in U-Rohrform nach dem Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzballast (17) unterhalb des Sondenfußes angeordnet ist.
Sondenfuß für Bahrlochkollektoren in U-Rohrform nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzmanschette (16) wenigstens im. Kontakt mit der mechanischen Schutzumhüllung (13) und dem Zusatzballast (17) durch Schrumpftechnik kraftschlüssig in Verbindung steht.