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Die
Erfindung betrifft eine Anlage zur geothermischen Energiegewinnung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es
ist bekannt, eine Anlage zur geothermischen Energiegewinnung derart
auszugestalten, dass ein flüssiges
Medium über
ein Rohr in die Tiefe des Erdinneren gefördert wird, wobei dieses Medium im
Erdinneren – insbesondere
in zunehmender Tiefe – Wärmeenergie
der Erde aufnimmt und durch eine Temperaturerhöhung sowie einen Phasenübergang speichert,
wobei diese gespeicherte Wärmeenergie genutzt
wird, wenn das Medium wieder an die Oberfläche tritt. Es ist auch bekannt,
eine sogenannte Duplex-Sonde zu benutzen, bei der die Nutzung der Erdwärme durch
die Verdampfung in einem inneren Rohr erfolgt, das von einem äußeren Rohr
umgeben ist, In diesem äußeren Rohr
wird eine Flüssigkeit – beispielsweise
Wasser – in
einem Kreislauf gefördert. Insbesondere
im Sommer kann dieser Kreislauf des äußeren Rohres auch zur Kühlung verwendet
werden. Es wird also im Sommer Wärme
in das äußere Rohr
eingebracht. In diesem Fall wird auch diese Wärme wiederum durch den Verdampfungsprozess im
inneren Rohr genutzt.
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Die
Nutzung der durch das Medium gespeicherten Wärmeenergie kann erfolgen, indem
das Medium die Wärmeenergie
durch einen Phasenwechsel flüssig ➜ gasförmig speichert,
wobei das Gas an der Oberfläche
zunächst
verdichtet wird, wobei anschließend
in einem Wärmetauscher
die Wärmeenergie
wieder entzogen wird. Das wieder verflüssigte Medium kann wieder in
das Erdinnere nach unten gefördert
werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Übertragung
von Wärmeenergie
aus der Umgebung des Rohres zu dem Medium im Rohrinneren zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 1 gelöst, indem
die Innenseite des Rohrs eine Oberflächenstruktur aufweist, so dass
die Oberfläche
der Innenseite des Rohres gegenüber
einer glatten Rohrwand vergrößert ist.
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Es
hat sich gezeigt, dass eine Flüssigkeit beim
Abwärtsströmen in einem
Rohr, das von der Flüssigkeit
nicht vollständig
ausgefüllt
wird, in Rinnsalen bzw. in Strömen
auf der Innenseite des Rohres nach unten strömt, ohne die Oberfläche der
Innenseite des Rohres vollständig
zu bedecken. Es ist bei der beschriebenen geothermischen Anlage
nicht möglich,
das Rohr vollständig
mit dem Medium zu füllen, weil
dann das Medium in der gasförmigen
Phase nicht durch das entgegen strömende Medium in der flüssigen Phase
nach oben gelangen kann.
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Da
die Oberfläche
der Innenseite des Rohres aber lediglich teilweise von dem Medium
in der flüssigen
Phase benetzt ist, ist die mögliche
Wärmeübergangsfläche nicht
vollständig
genutzt.
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Mit
der beschriebenen Lösung
nach Anspruch 1 lässt
sich dies verbessern, wie nachfolgend noch im einzelnen erläutert wird.
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Bei
der Ausgestaltung nach Anspruch 2 wird die Oberflächenstruktur
durch eine Aufrauhung der Oberfläche
der Innenseite des Rohres erreicht.
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Diese
Aufrauhung zeigt eine derartige Oberflächenstruktur, dass die beschriebene
Ausbildung der Rinnsale bzw. Ströme
reduziert wird. Diese Rinnsale bzw. Ströme treten auf wegen der Oberflächenspannung
des Mediums in der flüssigen
Phase. Durch eine Aufrauhung der Oberfläche lässt sich die Ausbildung von
Rinnsalen bzw. Strömen
reduzieren, wenn das Medium in der flüssigen Phase durch die Rauhigkeiten
der Oberfläche
an einem Abwärtsströmen in einer
sich selbst stabilisierenden dreidimensionalen geometrischen Struktur
gehindert wird.
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Eine
Flüssigkeit
besteht in der Schwerelosigkeit auf Grund der Oberflächenspannung
aus einem Tropfen. Unter dem Einfluss der Schwerkraft wird dieser
Tropfen in die Länge
gezogen. Bezogen auf die vorliegende Situation der geothermischen
Anlage bedeutet dies, dass das Medium in der flüssigen Phase eine entsprechend
längliche
geometrische Struktur hat. Es hat sich gezeigt, dass diese geometrische Struktur
gestört
wird, wenn die geometrische Struktur des Mediums in der flüssigen Phase
im Bereich der Berührung
mit der Innenwand des Rohres gestört wird.
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Dies
lässt sich
durch die Rauhigkeiten nach Anspruch 2 erreichen, indem das Medium
in der flüssigen
Phase wiederum mit diesen Rauhigkeiten auf Grund der Oberflächenspannung
des Mediums in der flüssigen
Phase entsprechende Strukturen ausbildet, die eine Gesamtstruktur
des Mediums in der flüssigen
Phase für
sich stören.
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Im
Ergebnis wird dadurch die benetzte Fläche der Innenseite des Rohres
vergrößert, wodurch die
Wärmeübergangsfläche vergrößert wird.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu dieser Maßnahme
gemäß Anspruch
2 kann die Oberflächenstruktur entsprechend
der Ausgestaltung nach Anspruch 3 durch Vertiefungen und/oder Erhöhungen in
der Oberfläche
der Innenseite des Rohres erreicht werden.
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Durch
diese Vertiefungen bzw. Erhöhungen wird
die Fläche
vergrößert, entlang
der das Medium in der flüssigen
Phase abwärts
strömt.
Im Unterschied zu den Aufrauhungen nach Anspruch 2 wird durch die
Oberflächenstruktur
nach Anspruch 3 in erster Linie nicht die Struktur verändert, in
der das Medium in der flüssigen
Phase nach unten strömt sondern
die Strecke, die das Medium beim Abwärtsströmen zurücklegt. Dadurch wird wiederum
die Wärmeabgabefläche vergrößert.
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Diese
Erhöhungen
bzw. Vertiefungen können
beispielsweise erreicht werden durch einen zweischichtigen Aufbau
der Rohrwand, indem ein Rohr mit entsprechenden Löchern flächenbündig anliegend
in ein Rohr eingebracht wird, das eine geschlossene Außenfläche aufweist.
Die Löcher
in dem inneren Rohr wirken dabei als Vertiefungen. Es ist möglich, die
Kanten dieser Löcher
abzurunden, um ein Strömen
des Mediums in der flüssigen
Phase entlang der Fläche
zu erleichtern, ohne dass das Medium sich auf Grund seiner Oberflächenspannung
zunächst
an einer Kante sammelt und dann abtropft, ohne „durch die Vertiefung hindurch" zu fließen.
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Bei
der Ausgestaltung nach Anspruch 4 wird die Oberflächenstruktur
erreicht, indem wenigstens ein Bauteil mit guter Wärmeleitfähigkeit
in thermischen Kontakt mit der Innenseite des Rohres gebracht wird,
wobei dieses Bauteil eine gewebeförmige Struktur aufweist.
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Dieses
Bauteil kann beispielsweise eine Struktur aufweisen, die vergleichbar
der Stahlwolle ist. Auf Grund des Materials ist bei der Stahlwolle auch
eine gute Wärmeleitfähigkeit
gegeben. Vorteilhaft handelt es sich um ein Material, das bei Kontakt mit
dem Medium in der flüssigen
Phase nicht aufquillt und dadurch den Rohrquerschnitt verstopft.
Dies würde
sowohl das Abwärtsströmen des
Mediums in der flüssigen
Phase verhindern bzw. erschweren wie auch das Aufwärtsströmen des
gasförmigen
Mediums. Dieses Bauteil kann beispielsweise auch ein Edelstahlfilter
sein oder ein Edelstahlvlies.
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Bei
diesem Bauteil mit der netzförmigen Struktur
wird das Medium in der flüssigen
Phase innerhalb der gewebeförmigen
Struktur nach unten tropfen und/oder nach unten fließen und
dabei jeweils in Kontakt mit einem Teil des Bauteils kommen. Durch
die gute Wärmeankopplung
an die Rohraußenwand
wäre damit
eine gute Wärmeübertragung zu
dem Medium in der flüssigen
Phase gegeben.
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Bei
der Ausgestaltung nach Anspruch 5 wird das Bauteil mit der gewebeförmigen Struktur
auf den im Querschnitt des Rohres äußeren Bereich des Rohres beschränkt, wobei
eine Durchlässigkeit
zumindest für
das Medium im gasförmigen
Zustand von dem äußeren Bereich
des Rohres zum inneren Bereich des Rohres gegeben ist.
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Dadurch
lässt sich
vorteilhaft erreichen, dass das Aufwärtsströmen des Mediums in der gasförmigen Phase
durch das Bauteil mit der gewebeförmigen Struktur behindert wird.
Das Medium kann dabei vorteilhaft mit einer guten Wärmeübertragung
im äußeren Bereich
des Rohres verdampfen und im inneren Bereich des Rohres nach oben
strömen.
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Bei
der Ausgestaltung nach Anspruch 6 ist die Durchlässigkeit vom äußeren Bereich
des Rohres zum inneren Bereich des Rohres realisiert, indem der äußere Bereich
des Rohres vom inneren Bereich des Rohres durch ein inneres Rohr
getrennt ist, das entsprechende Öffnungen
aufweist, durch die das Medium im gasförmigen Zustand strömen kann,
wobei weiterhin das Bauteil durch diese Öffnungen nicht in den inneren
Bereich des Rohres hindurch treten kann.
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Dadurch
wird vorteilhaft eine gute und störungsfreie Trennung des äußeren Bereichs
des Rohres vom inneren Bereich des Rohres erreicht.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt dabei:
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1:
eine Prinzipdarstellung einer geothermischen Anlage mit einem Verdampfungskreislauf und
einem Kühlmittelkreislauf,
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2:
eine Prinzipdarstellung einer geothermischen Anlage mit einem Verdampfungskreislauf,
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3:
ein Ausführungsbeispiel
für den Wandaufbau
einer geothermischen Anlage in einer Draufsicht auf das Rohr und
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4:
das Ausführungsbeispiel
der 3 in einem seitlichen Schnitt.
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Die
Figur zeigt eine Anlage 1 zur geothermischen Energiegewinnung
in einer Prinzipdarstellung. Es ist ein Rohr 2 zu sehen,
innerhalb dem ein Medium in einer flüssigen Phase nach unten strömt. Vorteilhaft
strömt
dieses Medium entlang der Innenseite der Rohrwand nach unten.
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Es
handelt sich bei diesem Medium beispielsweise um das Kältemittel
R723, das eine Verdampfungstemperatur aufweist, die für die vorliegenden
Zwecke geeignet ist. Die Energiegewinnung erfolgt, indem das Medium
auf dem Weg nach unten Wärme
aufnimmt und dabei in die gasförmige
Phase übergeht.
An der Oberfläche
wird dieses Gas komprimiert, wobei mittel Wärmetauschern die geothermische
Energie als Heizenergie nutzbar gemacht wird.
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Es
ist in der Figur weiterhin zu sehen, dass das Medium in der gasförmigen Phase
nach Erreichen der Oberfläche
entlang des Rohres 3 geführt wird.
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Über einen
Flüssigkeitsabscheider 4 und
einen Unterkühler/Zwischenerhitzer 5 wird
das Gas über
einen vorzugsweise drehzahlgeregelten Verdichter 6 zum
Primärkreislauf
eines Wärmetauschers 7 geführt.
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Dort
kann eine zirkulierende Flüssigkeit
wie beispielsweise Wasser im Sekundärkreislauf des Wärmetauschers 7 von
beispielsweise 50 Grad Celsius auf 70 Grad Celsius erwärmt werden.
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Am
Ausgang des Primärkreislaufs
des Wärmetauschers 7 hat
das Medium einen Druck von weniger als 20 hPa und liegt wiederum
in der flüssigen Phase
vor.
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Über einen
Sammler 8 wird das Medium wiederum über den Unterkühler/Zwischenerhitzer 5 sowie
ein Schauglas 9 und ein Expansionsventil 10 wieder
in das Rohr 2 geleitet.
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Das
Medium wird dann auf dem Weg nach unten wieder verdampft.
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Die
Rohre dieser geothermischen Anlage gehen typischerweise bis zu einer
Tiefe von 100 m. Die Wärmeaufnahme
erfolgt bei einer typischen Temperatur von 12 Grad Celsius im Erdreich,
die sich unabhängig
von den Wetterbedingungen an der Erdoberfläche bereits ab einer vergleichsweise
geringen Tiefe als konstant erweist.
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Das
Rohr 2 stellt den Innenteil einer sogenannten DVD-Duplex-Sonde 11 dar.
Diese DVD-Duplex-Sonde 11 weist
außer
dem Rohr 2, das vorzugsweise aus Edelstahl besteht und
auch als „Kernsonde" bezeichnet wird,
noch ein Kunststoff-Mantelrohr 12 auf, das beispielsweise
aus Polyethylen (PE) bestehen kann.
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Dieses
Kunststoff-Mantelrohr 12 schützt das Gebirge und überträgt die Erdwärme zur
Kernsonde 2 und dient zur Auszirkulation von Kälte.
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Es
ist zu sehen, dass die Wärmeübertragung von
dem Kunststoff-Mantelrohr 12 zum Rohr 2 mittels eines
Wasser-Glykol-Gemisches erfolgt, das sich im Zwischenraum zwischen
dem Kunststoff-Mantelrohr 12 und dem Rohr 2 befindet.
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Vorteilhaft
lässt sich
mit diesem Wasser-Glykol-Gemisch nochmals Erdwärme gewinnen, indem dieses
Wasser-Glykol-Gemisch in einem Kreislauf über den Primarkreislauf eines
Wärmetauschers 13 geführt wird.
Dieser Kreislauf lässt
sich als Kühlmittelkreislauf
bezeichnen, weil damit in erster Linie im Sommer eine Kühlung erfolgen
kann. Selbstverständlich
kann aber auch im Winter bei entsprechenden niedrigen Außentemperaturen über diesen Kreislauf
auch nochmals Wärme
gewonnen werden. Im Sekundärkreislauf
dieses Wärmetauschers 13 kann
beispielsweise Wasser von einer Temperatur von 6 Grad Celsius auf
12 Grad Celsius erwärmt
werden.
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Das
Wasser-Glykol-Gemisch kann beispielsweise mittels einer drehzahlgeregelten
Pumpe 14 gefördert
werden, die beispielsweise abhängig
von der Temperatur des Wasser-Glykol-Gemisches in dem Kreislauf geregelt
werden kann.
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2 zeigt
die geothermische Anlage entsprechend der 1, wobei
bei der Ausführungsform
nach der 2 der Kühlmittelkreislauf entfallen ist.
Die geothermische Anlage besteht daher nur aus dem Verdampfungskreislauf.
Im übrigen
sind identische Bauteile zur 1 mit identischen
Bezugszeichen versehen.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
für den Wandaufbau
einer DVD-Sonde 11 gemäß 1 in einer
Draufsicht.
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Es
ist das äußere Kunststoffmantelrohr 12 zu sehen.
Außerdem
ist zu sehen, das im inneren ein Rohr 2 vorhanden ist,
das einen äußeren Mantel 15 aufweist.
Dieser äußere Mantel 15 wird
mittels Abstandshaltern 16 von dem Kunststoffmantelrohr 12 auf
Abstand gehalten.
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Der
Zwischenraum zwischen diesem Kunststoffmantelrohr 12 und
dem äußeren Mantel 15 des Rohres 2 ist
Bestandteil des Kühlmittelkreislaufes.
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Es
ist weiterhin zu sehen, dass außer
diesem äußeren Mantel 15 ein
innerer Mantel 17 vorhanden ist.
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Der
Zwischenraum zwischen dem inneren Mantel 17 und dem äußeren Mantel 15 ist
mit einem Material mit einer gewebeartigen Struktur gefüllt. Diese
Material kann beispielsweise ein Metall sein. Vorteilhaft weist
dieses Material eine gute Wärmeleitfähigkeit
auf und quillt auch bei Kontakt mit Feuchtigkeit nicht auf. Dieses
Material mit der gewebeartigen Struktur ist mit der Bezugsziffer 18 bezeichnet.
Das Material kann beispielsweise ein metallisches Vlies sein.
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4 zeigt
die Sonde 11 der Darstellung der 3 in einem
seitlichen Schnitt.
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Es
sind wiederum das Kunststoffmantelrohr 12, die Abstandhalter 16,
der äußere Mantel 15 sowie der
innere Mantel 17 zu sehen. Außerdem ist zu sehen, dass sich
das Material 18 mit der gewebeartigen Struktur im Zwischenraum
zwischen dem äußeren Mantel 15 sowie
dem inneren Mantel 17 befindet.
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Außerdem ist
in der Darstellung der 4 noch zu sehen, dass der innere
Mantel 17 Öffnungen 19 aufweist,
die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
als kreisförmige Öffnungen
ausgebildet sind. Diese Öffnungen 19 sind
vorteilhaft so dimensioniert, dass die Flüssigkeit nach dem Phasenwechsel
in die gasförmige
Phase aus dem Zwischenraum zwischen dem äußeren Mantel 15 und
dem inneren Mantel 17 durch die Öffnungen 19 hindurch
in das Innere des Rohres 2 dringen kann. Dieses Innere
des Rohres 2 wird durch den inneren Mantel 17 gebildet.
In diesem Hohlraum kann das verdampfte Medium nach oben treten.
An der Oberfläche
kann die thermische Energie, die in dem Phasenwechsel gespeichert
ist, wieder entzogen werden.
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Vorteilhaft
sind die Öffnungen 19 weiterhin so
dimensioniert, dass das Material 18 nicht durch diese Öffnungen 19 in
das Innere des Rohres 2 gelangen kann.