DE20320409U1 - Earth heat probe has heat exchange tube inserted in earth and housing two-phase heat transfer medium, whereby at least heating zone of heat exchange tube is constructed as flexible coilable tubular material - Google Patents

Earth heat probe has heat exchange tube inserted in earth and housing two-phase heat transfer medium, whereby at least heating zone of heat exchange tube is constructed as flexible coilable tubular material Download PDF

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Abstract

The earth heat probe (1) has a heat exchange tube (2) inserted in the earth and which houses a two-phase heat transfer medium such as carbon dioxide which by the earth's heat is evaporable and in a cooling zone condensable. The condensate as a liquid film on the walls of the heat exchange tube flows onto a heat zone, and the vapour in the opposite flow from the heating zone rises to a cooling zone. At least the heating zone of the heat exchange tube is constructed from a flexible coilable tubular material.

Description

Die Erfindung betrifft eine Erdwärmesonde gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a geothermal probe according to the preamble of claim 1.

Die Nutzung von fossilen Energien gewinnt in der Bundesrepublik Deutschland immer mehr an Bedeutung, da der Treibhauseffekt der Atmosphäre im wesentlichen auf das Verbrennen fossiler Primärenergieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas) zurückzuführen ist. Durch den verstärkten Einsatz regenerativer und geothermischer Energien kann eine Verminderung der Kohlendioxidemission in die Atmosphäre erreicht werden.The use of fossil energies is becoming increasingly important in the Federal Republic of Germany, because the greenhouse effect of the atmosphere Burning fossil primary energy sources (coal, Oil, Natural gas). Through the reinforced Use of regenerative and geothermal energies can reduce the Carbon dioxide emissions can be achieved in the atmosphere.

Die Bundesrepublik Deutschland verwendet für Gebäudeheizungen etwa ein Drittel ihrer gesamten Endenergie in einem Temperaturbereich unter 100°C. In diesem Temperaturbereich ist die Arbeitsfähigkeit der Wärme, der so genannte Exergiegehalt gering. Das führt dazu, dass herkömmliche Verbrennungsheizungen auf Erdgas- bzw. Erdölbasis eine erhebliche Entwertung der als Exergie gespeicherten chemischen Brennstoffenergie durch Verbrennung und anschließenden Wärmeübergang auf die genannten tieferen Temperaturen vornehmen, was zu exergetischen Primärenergie-Nutzungsgraden von nur ca. 6 % führt.The Federal Republic of Germany uses for building heating about a third of their total final energy in a temperature range below 100 ° C. In this temperature range, the ability of the heat to work so-called exergy content low. The result is that conventional Combustion heaters based on natural gas or petroleum have a significant devaluation the chemical fuel energy stored as exergy Combustion and subsequent Heat transfer make to the lower temperatures mentioned, leading to exergetic Primary energy usage levels of only about 6% leads.

Kesselsysteme, beispielsweise im Betrieb mit Heizöl oder Erdgas sind praktisch am Ende ihrer technischen Entwicklung angekommen. Derartige Systeme erreichen einen Nutzungsgrad, der geringfügig unter dem physikalischen Maximum liegt.Boiler systems, for example in Operation with heating oil or natural gas are practically at the end of their technical development arrived. Such systems achieve a degree of utilization that slight is below the physical maximum.

Wärmepumpen als thermodynamische Heizung können exergetische Primärenergienutzungsgrade von etwa dem vierfachen erreichen, da sie Wärme aus der Umgebung aufnehmen und diese auf die für die Beheizung erforderliche Temperatur pumpen. Als Energieträger kommen dabei beispielsweise die Energie der Umgebungsluft, der Oberflächengewässer oder Oberflächen naher Bodenschichten in Frage. Geothermische Energie zur Beheizung von Gebäuden kann durch Nutzung warmer hydrothermaler Tiefengewässer direkt verwendet werden, bei der Anwendung von Erdsonden bis ca. 100 m Tiefe jedoch nur indirekt mit Wärmepumpenanlagen, die Erdwärme im Temperaturbereich von 8°C bis 12°C auf ein für die Gebäudebeheizung nutzbares Temperaturniveau (35°C oder höher) anheben.Heat pumps as a thermodynamic heater exergetic primary energy utilization rates about four times as they absorb heat from the environment and this on the for pump the heating required temperature. Come as an energy source for example the energy of the ambient air, surface water or surfaces near soil layers in question. Geothermal energy for heating of buildings can directly by using warm hydrothermal deep water be used when using geothermal probes up to approx. 100 m Depth, however, only indirectly with heat pump systems, the geothermal energy in the temperature range of 8 ° C up to 12 ° C one for heating the building usable temperature level (35 ° C or higher) Lift.

Etwa zwei Drittel aller in Deutschland im Jahr 2001 installierten Wärmepumpen nutzen Erdwärme als Wärmequelle, wobei bei 46 % der Anlagen vertikale Erdsonden zur Nutzung der Erdwärme verwendet wurden.About two thirds of all in Germany heat pumps installed in 2001 use geothermal energy as Heat source vertical geothermal probes are used to utilize geothermal energy in 46% of the plants were.

Als Wärmeträger für diese Erdwärmetauscher werden gegenwärtig häufig einphasige Arbeitsstoffe, wie Wasser-Glykol oder Wasser-Salzmischungen verwendet, die durch die Sonden zum Verdampfer der Wärmepumpe gepumpt werden (Solesonden). Nachteilig bei derartigen Sonden ist, dass diese Solen in die Wassergefährdungsklasse 1 eingestuft sind, was eine wasserrechtliche Genehmigung erforderlich macht. Des weiteren ist bei diesen Anlagen eine Pumpe zum Umwälzen der einphasigen Flüssigkeit erforderlich, wodurch der Energiebedarf und der vorrichtungstechnische Aufwand der Anlage erheblich erhöht ist. Eine derartige Solesonde ist beispielsweise aus www.hakagerodur.ch bekannt.As a heat transfer medium for these geothermal heat exchangers become present frequently single-phase materials, such as water-glycol or water-salt mixtures, which are pumped through the probes to the evaporator of the heat pump (brine probes). A disadvantage of such probes is that these brines fall into the water hazard class 1 are classified as requiring a water permit makes. Furthermore, a pump for circulating the single phase liquid required, whereby the energy requirement and the device technology Plant expenditure increased considerably is. Such a brine probe is for example from www.hakagerodur.ch known.

Aus der DE 42 115 76 A1 sind auch zweiphasige Systeme bekannt, bei denen ein Wärmeträger verwendet wird der in einer Heizzone verdampft und in einer Kühlzone kondensiert wird. Derartige zweiphasige Systeme weisen eine höhere energetische Effizienz auf, da keine Umwälzpumpe benötigt wird. Bei der Wärmeübertragung vom Wärmeträger der Erdwärmesonde auf das Kältemittel einer Wärmepumpe haben die einphasigen Wärmeträger des weiteren den Nachteil, dass in Folge der nicht kongruenten Temperaturverläufe des Wärmeträgers und des Kältemittels im Kältemittelverdampfer der Wärmepumpen Wärmetauscherverluste entstehen, da das Kältemittel bei im wesentlichen konstanter Temperatur verdampft und der Wärmeträger von der Eintrittstemperatur auf die Austrittstemperatur abgekühlt wird. Dieser Nachteil besteht bei zweiphasigen Wärmeträgern nicht.From the DE 42 115 76 A1 two-phase systems are also known in which a heat transfer medium is used which is evaporated in a heating zone and condensed in a cooling zone. Such two-phase systems have a higher energy efficiency because no circulation pump is required. When transferring heat from the heat transfer medium of the geothermal probe to the coolant of a heat pump, the single-phase heat transfer medium has the further disadvantage that, as a result of the non-congruent temperature profiles of the heat transfer medium and the coolant in the coolant evaporator of the heat pumps, heat exchanger losses occur because the coolant evaporates and remains at a substantially constant temperature the heat transfer medium is cooled from the inlet temperature to the outlet temperature. This disadvantage does not exist with two-phase heat carriers.

In der DE 298 24 676 U1 der Anmelderin wird eine Erdwärmesonde beschrieben, bei der als Wärmeträger CO2 verwendet wird. Der wesentliche Vorteil dieses Wärmeträgers liegt in der guten Umweltverträglichkeit, so dass bei einer Leckage des Erdwärmerohres keine Umweltgefährdung zu befürchten ist. Des weiteren weist CO2 gegenüber den herkömmlichen Kältemitteln ein vernachlässigbares Treibhauspotential auf. In the DE 298 24 676 U1 the applicant describes a geothermal probe in which CO 2 is used as the heat carrier. The main advantage of this heat transfer medium is its good environmental compatibility, so that there is no risk of environmental damage if the geothermal pipe leaks. Furthermore, CO 2 has a negligible global warming potential compared to conventional refrigerants.

sEin Nachteil aller bestehenden Lösungen mit vertikal ins Erdreich eingebrachten Wärmerohren besteht darin, dass ein erheblicher Aufwand erforderlich ist, um die zur Aufnahme der Wärmerohre vorgesehenen Bohrungen, die eine Tiefe bis zu 200 m haben können, ins Erdreich einzubringen und dann die Wärmerohre in diese Aufnahmebohrungen einzusetzen. Da die Wärmerohre bei zweiphasigen Systemen erheblichen Drücken (bis 60 bar) ausgesetzt sind, müssen druckfeste Rohre eingesetzt werden. Die Verwendung von herkömmlichen starren Stahlrohren ist vergleichsweise kompliziert und teuer, da das Wärmerohr an der Baustelle aus mehreren Einzelrohren zusammengeschweißt und einer Qualitätskontrolle unterzogen werden muss.It's a disadvantage of all existing solutions Heat pipes placed vertically in the ground consist of the fact that Significant effort is required to accommodate the heat pipes planned holes, which can have a depth of up to 200 m, into the Soil and then the heat pipes in these receiving holes use. Because the heat pipes exposed to considerable pressures (up to 60 bar) in two-phase systems are, must pressure-resistant pipes are used. The use of conventional rigid steel pipes is comparatively complicated and expensive because the heat pipe welded together on site from several individual pipes and one quality control must be subjected.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Erdwärmesonde mit einem zweiphasigen Wärmeträger zu schaffen, bei der der Aufwand zur Installation im Erdreich gegenüber herkömmlichen Lösungen verringert ist.In contrast, the invention is the Task based on a geothermal probe with a two-phase heat transfer medium, where the effort to install in the ground compared to conventional solutions is reduced.

Diese Aufgabe wird durch eine Erdwärmesonde mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.This task is carried out by a geothermal probe solved with the features of claim 1.

Erfindungsgemäß wird ein Wärmerohr einer Erdwärmesonde zumindest abschnittsweise aus einem flexiblen, wickelbaren Rohrmaterial hergestellt, das in der erforderlichen Gesamtlänge (beispielsweise 70 m) aufgewickelt zur Baustelle gebracht und dort direkt vom Wickel in die Bohrung eingebracht wird. Durch diese Maßnahme lässt sich die Handhabung des Wärmerohres gegenüber den bekannten Lösungen ganz erheblich verringern. Die die erforderliche Druckfestigkeit aufweisenden Rohrmaterialien sind am freien Markt erhältlich, so dass keine Sonderanfertigungen erforderlich sind, wodurch der Preis der Erdwärmesonde gegenüber herkömmlichen Lösungen weiter verringert werden kann.According to the invention, a heat pipe of a geothermal probe is produced, at least in sections, from a flexible, windable pipe material, which is brought to the construction site and wound up in the required total length (for example 70 m) is brought directly into the bore from the winding. With this measure, the handling of the heat pipe can be considerably reduced compared to the known solutions. The pipe materials with the required compressive strength are available on the open market, so that no special designs are required, which means that the price of the geothermal probe can be further reduced compared to conventional solutions.

Erfindungsgemäß wird es besonders bevorzugt, wenn das flexible, wickelbare Rohrmaterial Stahl ist, der entweder korrosionsfest ausgebildet wird oder mit einer korrosionsfesten Ummantelung versehen ist.According to the invention, it is particularly preferred if the flexible, windable pipe material is steel, either is formed corrosion-resistant or with a corrosion-resistant Sheathing is provided.

Zur Erhöhung der Berstsicherheit kann das Rohrmaterial mit einem die Festigkeit erhöhenden Schutzmantel versehen sein.Can increase burst safety provide the pipe material with a protective jacket that increases its strength his.

Als Material für das Wärmerohr kommen aus der chemischen Technik bekannte Metallschläuche oder Wellrohre in Frage, wie sie beispielsweise als Kompensatoren zum Ausgleich von Längenänderungen von Rohrleitungen eingesetzt werden. Die Wellen können in Umfangsrichtung (parallel gewellt) oder wendelförmig (spiralgewellt) angeordnet sein.As a material for the heat pipe come from the chemical Technology known metal hoses or Corrugated pipes in question, such as those used as compensators for Compensation for changes in length of pipelines. The waves can be in Circumferential direction (parallel corrugated) or helical (spiral corrugated) arranged his.

Das Wärmerohr selbst kann erfindungsgemäß als einfaches Rohr mit einem die Rohröffnung fußseitig abschließenden Fußteil, als U-Rohr oder als Koaxialrohr ausgebildet sein. Bei letzterem sind zwei Rohre koaxial ineinander gesteckt, wobei das Innenrohr einen Strömungsraum für den aufsteigenden Dampf und der Ringraum zwischen Innenrohr und Außenrohr eine Oberfläche für den abströmenden Kondensatfilm bildet.The heat pipe itself can be simple according to the invention Pipe with a pipe opening on the foot side final foot, be designed as a U-tube or as a coaxial tube. With the latter are two tubes coaxially inserted into each other, the inner tube a flow space for the rising steam and the annulus between the inner tube and outer tube a surface for the outflowing condensate film forms.

Das U-förmige Wärmerohr kann einstückig aus einem Rohrmaterial oder durch zwei getrennt voneinander ausgebildete Parallelrohre gebildet werden, die mittels eines geeigneten Fußteils miteinander verbunden sind.The U-shaped heat pipe can be made in one piece a pipe material or by two separately formed Parallel tubes are formed, which are joined together by means of a suitable foot part are connected.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.Other advantageous further training the invention are the subject of further dependent claims.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The following are preferred embodiments the invention with reference to schematic drawings. Show it:

1 eine Darstellung mehrerer Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Erdwärmesonde und 1 a representation of several embodiments of a geothermal probe according to the invention and

2 eine vergrößerte Darstellung einer Erdwärmesonde aus 1. 2 an enlarged view of a geothermal probe 1 ,

In 1 sind vier Ausführungsbeispiele eines Wärmerohres 2 einer Erdwärmesonde 1 dargestellt, das in Vertikalrichtung in eine ins Erdreich eingebrachte Bohrung 4 eingesetzt wird. Die Länge des Wärmerohres 2 kann beispielsweise etwa 70 – 90 m betragen und als Wärmeträger wird vorzugsweise CO2 eingesetzt. Bei diesem Wärmeträger können Betriebsdrücke von bis zu 50 bar erreicht werden, so dass die Druckfestigkeit des Wärmerohres 2 ein wesentliches Auslegungskriterium ist. Eine weitere wesentliche Anforderung besteht darin, das Wärmerohr 2 mit einer hinreichenden Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem Erdreich auszubilden. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Wärmerohr 2 aus Stahl hergestellt.In 1 are four embodiments of a heat pipe 2 a geothermal probe 1 shown in the vertical direction in a hole made in the ground 4 is used. The length of the heat pipe 2 can be, for example, about 70-90 m and CO 2 is preferably used as the heat carrier. Operating pressures of up to 50 bar can be achieved with this heat transfer medium, so that the pressure resistance of the heat pipe 2 is an essential design criterion. Another essential requirement is the heat pipe 2 with sufficient corrosion resistance to the ground. In the described embodiment, the heat pipe 2 made of steel.

Das in 1a) dargestellte Wärmerohr 2 ist als Einzelrohr ausgebildet, das durch ein so genanntes Wellrohr gebildet ist. Derartige Wellrohre werden – wie eingangs erwähnt – im Anlagenbau beispielsweise als Kompensatoren verwendet. Bei diesen Wellrohren ist die Außenumfangswandung wellenförmig (parallel gewendelt oder spiralgewendelt) ausgeführt, so dass das Rohr in Axialrichtung eine gewisse Flexibilität aufweist, die ein Aufwickeln des Rohres ermöglicht. Durch diese flexible Ausgestaltung des Wärmerohres 2 kann dieses auf einer Trommel aufgerollt zur Baustelle gebracht und dort direkt von der Trommel in die Bohrung 4 eingebracht- werden. Gegenüber den herkömmlicher Weise verwendeten starren Stahlrohren hat diese Vorgehensweise den Vorteil, dass das kostenintensive Schweißen und die Röntgenprüfung an der Baustelle entfallen, so dass die Erdwärmesonde wesentlich schneller und mit geringerem Aufwand in das Erdreich eingebracht werden kann.This in 1a ) shown heat pipe 2 is designed as a single tube, which is formed by a so-called corrugated tube. Corrugated pipes of this type are used - as mentioned at the beginning - in plant construction, for example as compensators. In these corrugated pipes, the outer peripheral wall is designed to be corrugated (coiled in parallel or helically) so that the pipe has a certain flexibility in the axial direction, which enables the pipe to be wound up. This flexible design of the heat pipe 2 can be rolled up on a drum and brought to the construction site and there directly from the drum into the hole 4 be introduced. Compared to the rigid steel pipes used in the conventional way, this procedure has the advantage that there is no need for expensive welding and X-ray inspection on the construction site, so that the geothermal probe can be introduced into the ground much faster and with less effort.

2 zeigt eine vergrößerte Prinzipdarstellung einer Erdwärmesonde 1 gemäß 1a). Das aufgewickelt angelieferte Wärmerohr 2 mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden Wellen 6 (parallel gewendelt oder spiralgewendelt) wird in die Bohrung 4 direkt vom Wickel eingelassen, wobei das fußseitige Ende mit einem Fußteil 8 verschlossen ist. Das Wärmerohr 2 wird vorzugsweise mit einer Vergussmasse 10 oder dergleichen in der Bohrung 4 lagefixiert. Bei einer Bohrungstiefe im Bereich von 70 – 100 m herrscht fußseitig eine Temperatur von 10°C bis 13°C. Diese Temperatur reicht aus, um das im Wärmerohr 2 mit einem Druck von bis zu 50 bar aufgenommene CO2 zu verdampfen, so dass der Dampf 12 in Pfeilrichtung etwa im Mittelbereich des Wärmerohres 2 nach oben strömt. Diese Heizzone mit einer konstanten Erdtemperatur erstreckt sich über einen vergleichsweise großen Axialbereich des Wärmerohres 2. 2 shows an enlarged schematic diagram of a geothermal probe 1 according to 1a ). The delivered heat pipe 2 with a multitude of circumferential waves 6 (coiled in parallel or spiral coiled) is in the hole 4 embedded directly from the wrap, the foot end with a foot part 8th is closed. The heat pipe 2 is preferably with a potting compound 10 or the like in the bore 4 fixed in position. With a drilling depth in the range of 70 - 100 m, the temperature on the foot side is between 10 ° C and 13 ° C. This temperature is sufficient for this in the heat pipe 2 Vaporize CO 2 absorbed with a pressure of up to 50 bar, so that the steam 12 in the direction of the arrow approximately in the middle of the heat pipe 2 flows upwards. This heating zone with a constant earth temperature extends over a comparatively large axial area of the heat pipe 2 ,

An diese Heizzone schließt sich eine sogenannte neutrale Zone an, die üblicherweise in den oberen Schichten des Erdreiches liegt. In dieser neutralen Zone ist der Wärmeaustausch zwischen dem Erdreich und dem Wärmeträger gering. Diese neutrale Zone und eine im folgenden noch näher beschriebene Kühlzone müssen nicht zwangsweise an dem in 2 dargestellten Wärmerohr 2 ausgebildet sein, sondern können auch getrennt von diesem ausgeführt werden. Die neutrale Zone geht zur Erdoberfläche hin in die Kühlzone über, in der die Kondensation des CO2 durch Wärmeabgabe an ein anderes Medium erfolgt. Dieses andere Medium kann bei indirekter Kühlung eine frostsichere Lösung (Glykol und Wasser, Salzlösung und Wasser) oder bei direkter Kühlung ein Kältemittel einer Wärmepumpe sein, deren Verdampfer 16 thermodynamisch an die Kühlzone gekoppelt ist. In diesem Verdampfer 16 wird das Kältemittel durch die frei werdende Kondensationsenthalpie des CO2 verdampft, wobei beide Wärmeträger (Kältemittel des Wärmepumpenkreislaufes, CO2 der Erdwärmesonde) im wesentlichen bei konstant bleibender Temperatur kondensieren bzw. verdampfen. Das Kondensat 14 strömt als Film an der gewellten Innenumfangswandung des Wärmerohres 2 nach unten und gelangt von der Kühlzone zur neutralen Zone und dann in die Heizzone, in der das Kondensat 14 dann wieder auf die Verdampfungstemperatur aufgeheizt und verdampft wird. Anstelle des vorbeschriebenen Wärmeaustausches über einen Zwischenwärmetauscher 16 mit einem Kältemittel einer Wärmepumpe ist es prinzipiell auch möglich, die Erdwärmesonde ohne Zwischenwärmeaustauscher direkt an den Kältemittelkreislauf anzuschließen. Dabei müssen jedoch geeignete Maßnahmen getroffen werden, die eine Verschmutzung des Wärmeträgers ausschließen. So wäre beispielsweise ein ölfreier Betrieb des Kältemittelkreislaufes zu bevorzugen.This heating zone is followed by a so-called neutral zone, which is usually in the upper layers of the ground. In this neutral zone, the heat exchange between the soil and the heat transfer medium is low. This neutral zone and a cooling zone described in more detail below do not necessarily have to be on the in 2 illustrated heat pipe 2 be formed, but can also be carried out separately from this. The neutral zone merges with the surface of the earth in the cooling zone, in which the condensation of the CO 2 takes place through the transfer of heat to another medium. With indirect cooling, this other medium can be a frost-proof solution (glycol and water, saline and water) or with direct cooling, a refrigerant of a heat pump, its evaporator 16 is thermodynamically coupled to the cooling zone. In this vaporizer 16 becomes the calf evaporated by the released condensation enthalpy of CO 2 , whereby both heat transfer media (refrigerant of the heat pump circuit, CO 2 of the geothermal probe) condense or evaporate essentially at a constant temperature. The condensate 14 flows as a film on the corrugated inner circumferential wall of the heat pipe 2 down and goes from the cooling zone to the neutral zone and then into the heating zone, in which the condensate 14 then again heated to the evaporation temperature and evaporated. Instead of the previously described heat exchange via an intermediate heat exchanger 16 With a refrigerant from a heat pump, it is in principle also possible to connect the geothermal probe directly to the refrigerant circuit without an intermediate heat exchanger. However, suitable measures must be taken to prevent contamination of the heat transfer medium. For example, oil-free operation of the refrigerant circuit would be preferable.

Die neutrale Zone und die Kühlzone können – wie in 2 dargestellt – direkt am Wärmerohr 2 ausgeführt sein. Für den Fall, dass die Wärmepumpe an einem anderen Ort als die Erdwärmesonde 1 angeordnet ist, wird die Kühlzone nicht in das Wärmerohr 2 integriert sondern getrennt davon ausgeführt, wobei die neutrale Zone überirdisch als Verbindung zwischen Heiz- und Kühlzone ausgeführt sein kann. In diesem Fall können die neutrale Zone und die Kühlzone aus einem anderen geeigneten druckfesten Material hergestellt sein.The neutral zone and the cooling zone can - as in 2 shown - directly on the heat pipe 2 be executed. In the event that the heat pump is in a different location than the geothermal probe 1 is arranged, the cooling zone is not in the heat pipe 2 integrated but carried out separately, whereby the neutral zone can be designed above ground as a connection between the heating and cooling zones. In this case, the neutral zone and the cooling zone can be made of another suitable pressure-resistant material.

Die Länge, der Durchmesser und die Wandstärke des Wärmerohres 2 hängen sehr stark von der Art des verwendeten Wärmeträgers ab. Neben dem bevorzugten Wärmeträger CO2 können auch alle anderen geeigneten Arbeitsstoffe wie beispielsweise Ammoniak oder Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden.The length, diameter and wall thickness of the heat pipe 2 depend very much on the type of heat transfer medium used. In addition to the preferred heat carrier CO 2 , all other suitable working materials such as ammonia or hydrocarbons can also be used.

Zur Erhöhung der Druckfestigkeit und als Schutz gegen mechanische Beschädigung des Wärmerohres 2 kann dieses mit einem Verstärkungs- oder Schutzmantel versehen werden.To increase the pressure resistance and as protection against mechanical damage to the heat pipe 2 this can be provided with a reinforcement or protective jacket.

Ein wesentliches Auslegungskriterium bei derartigen Erdwärmesonden ist die so genannte Flutgrenze. Diese Flutgrenze ist erreicht, wenn der aufströmende Dampf 12 aufgrund der Schubspannungen in der Phasengrenze zwischen dem Flüssigkeitsfilm 14 und dem Dampf 12 das Abströmen der Flüssigkeit aus der Kühlzone verhindert, so dass Flüssigkeit in der Kühlzone angestaut wird. Zur Vermeidung dieses Flutens sind die Entzugsleistung, die Länge und der Durchmesser des Wärmerohres in Abhängigkeit vom verwendeten Wärmeträger so aufeinander abzustimmen, dass die maximal mögliche Gasgeschwindigkeit (Flutpunkt) nicht erreicht wird. Vorversuche zeigten, dass die Wellstruktur des Wärmerohres 2 diese Flutgrenze nicht oder nur geringfügig gegenüber einem glatten Rohr absenkt. Überraschender Weise zeigte es sich, dass die wellenförmige Struktur der Umfangswandung des Wärmerohres 2 den Aufbau des Kondensatfilmes nur in vernachlässigbarem Umfang stört und somit keinen nachteiligen Einfluss auf den Wärmeaustausch hat. Besonders gute Ergebnisse wurden mit Wellrohren erzielt, bei denen die Wellen nicht in Umfangsrichtung (quer zur Längsachse des Wärmerohres 2) sondern wendelförmig verlaufen. Diese spiralförmige Wendelform begünstigt möglicherweise das Strömen des Kondensats von der Kühlzone hin zur Heizzone und in der Heizzone. Es zeigte sich, dass eine Strähnenbildung im Kondensationsfilm bei der spiralförmigen Wellung im vorgesehenen Betriebsbereich verhindert werden kann.An essential design criterion for such geothermal probes is the so-called flood limit. This flood limit is reached when the steam is flowing 12 due to the shear stresses in the phase boundary between the liquid film 14 and the steam 12 prevents the liquid from flowing out of the cooling zone, so that liquid is accumulated in the cooling zone. To avoid this flooding, the withdrawal capacity, the length and the diameter of the heat pipe, depending on the heat transfer medium used, must be coordinated so that the maximum possible gas velocity (flood point) is not reached. Preliminary tests showed that the corrugated structure of the heat pipe 2 this flood limit is not or only slightly lowered compared to a smooth pipe. Surprisingly, it was found that the wavy structure of the peripheral wall of the heat pipe 2 disturbs the build-up of the condensate film only to a negligible extent and thus has no adverse effect on the heat exchange. Particularly good results have been achieved with corrugated pipes in which the corrugations are not circumferential (transverse to the longitudinal axis of the heat pipe 2 ) but have a helical shape. This spiral shape may favor condensate flow from the cooling zone to the heating zone and in the heating zone. It was shown that streak formation in the condensation film can be prevented in the spiral-shaped corrugation in the intended operating range.

In 1b) ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem anstelle eines einzigen Wärmerohres 2 ein U-förmiges Wärmerohr in die Bohrung 4 eingesetzt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat das Wärmerohr 2 zwei Parallelrohre 17, 18, die fußseitig durch ein Fußteil 20 miteinander verbunden sind. Die beiden Parallelrohre 17, 18 sind in der vorbeschriebenen Weise ebenfalls wieder als Wellrohr ausgeführt. Dieser U-förmige Aufbau ermöglicht es, bei gleicher oder besserer Entzugsleistung geringere Rohrquerschnitte einzusetzen.In 1b ) An embodiment is shown in which instead of a single heat pipe 2 a U-shaped heat pipe in the bore 4 is used. In this embodiment, the heat pipe 2 two parallel tubes 17 . 18 , foot side by a foot section 20 are interconnected. The two parallel tubes 17 . 18 are again designed as corrugated pipe in the manner described. This U-shaped design enables smaller pipe cross-sections to be used with the same or better withdrawal performance.

Bei dem in 1c) dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Wärmerohr 2 ebenfalls U-förmig ausgeführt, wobei diese Konstruktion einstückig aus einem einzigen Wellrohr ausgeführt ist, das unter Berücksichtigung des zulässigen Biegeradius fußseitig gebogen ist. Ein derartiges Wärmerohr kann auch als Pumpensonde mit einer Wärmabfuhr nach unten hin zum Fuß betrieben werden, wobei im Sommerbetrieb Wärme ans Erdreich abgegeben wird.At the in 1c ) illustrated embodiment is the heat pipe 2 also made U-shaped, this construction being made in one piece from a single corrugated tube which is bent on the foot side taking into account the permissible bending radius. Such a heat pipe can also be operated as a pump probe with heat dissipation down to the foot, heat being given off to the ground in summer operation.

Bei dem in 1b) dargestellten Ausführungsbeispiel werden die jeweils auf einer Trommel angelieferten Wellrohre 17,18 vor dem Einsetzen in die Bohrung mit dem Fußteil 20 versehen und anschließend gleichzeitig in die Bohrung abgesenkt. Bei dem in 1c) dargestellten Ausführungsbeispiel wird das im aufgewickelten Zustand angelieferte Wellrohr abgewickelt, mittig gebogen und in die Bohrung eingesetzt. Es ist auch möglich, das U-Rohr vorgefertigt und zweistrangig aufgewickelt zur Bohrstelle zu liefern.At the in 1b ) shown embodiment are the corrugated pipes delivered on a drum 17 . 18 before inserting into the hole with the foot part 20 provided and then lowered into the hole at the same time. At the in 1c ) illustrated embodiment, the corrugated tube delivered in the wound state is unwound, bent in the middle and inserted into the bore. It is also possible to deliver the U-pipe prefabricated and wound up in two strands to the drilling site.

1d) zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Wärmerohr 2 durch zwei koaxial angeordnete Rohre 22, 24 ausgebildet ist. Diese sind jeweils wieder als Wellrohr ausgeführt. Fußseitig ist auf das außen liegende Rohr 22 mit größerem Durchmesser ein Fußteil 20 aufgesetzt, der fußseitige Endabschnitt des Innenrohres 24 bleibt offen. Bei dieser Konstruktion strömt der Dampf 12 durch das Innenrohr 24 nach oben hin zur Kühlzone, während der Kondensatfilm 14 sich im Ringraum zwischen dem äußeren Rohr 22 und dem inneren Rohr 24 ausbildet und nach unten von der Kühlzone zur Heizzone strömt. Eine derartige Variante hat eine höhere Flutgrenze als die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele, da der direkte Kontakt zwischen Dampf und Kondensatfilm weitestgehend verhindert ist. 1d ) finally shows an embodiment in which the heat pipe 2 through two coaxially arranged pipes 22 . 24 is trained. These are each designed as corrugated pipes. Is on the outside of the pipe 22 with a larger diameter a foot part 20 put on, the foot-side end portion of the inner tube 24 stays open. With this construction, the steam flows 12 through the inner tube 24 up to the cooling zone while the condensate film 14 itself in the annulus between the outer tube 22 and the inner tube 24 forms and flows down from the cooling zone to the heating zone. Such a variant has a higher flood limit than the exemplary embodiments described above, since the direct contact between steam and condensate film is largely prevented.

Das Innenrohr 24 kann im Prinzip aus allen flexiblen Rohrmaterialien (Metalle, Kunststoffe) mit glatten oder gewellten Außenumfangswandungen ausgebildet werden. Die erforderliche Druckfestigkeit muss nur vom Außenrohr 22 aufgebracht werden. Das Innenrohr 24 kann mit einem geschlossenen Rohrmantel oder als perforiertes Rohr gemäß dem deutschen Gebrauchsmuster DE 202 10 841.4 ausgeführt sein.The inner tube 24 can in principle be made from all flexible pipe materials (metals, plastics) with smooth or corrugated outer peripheral walls. The required pressure resistance only has to come from the outer tube 22 be applied. The inner tube 24 can with a closed pipe jacket or as a perforated pipe according to the German utility model DE 202 10 841.4 be executed.

In dem Fall, in dem die Möglichkeit besteht, dass der wärmeträger mit Öl in Berührung kommt, ist innerhalb des flexiblen Wärmerohres 2 ein Ölabscheider oder geeignete Vorrichtungen zur Ölrückführung vorzusehen.In the event that there is a possibility that the heat transfer medium comes into contact with oil, it is inside the flexible heat pipe 2 to provide an oil separator or suitable devices for oil return.

Es ist auch vorstellbar, die erfindungsgemäße Erdwärmesonde mit umlaufenden Wärmeträgern in einem Pumpenumlaufsystem zu verwenden, so dass einphasige oder zweiphasige Zustände im Wärmeträger erzeugt werden. In einem solchen Fall ist auch eine Umkehrung der Transportrichtung der Wärme denkbar, so dass beispielsweise im Sommerbetrieb Wärme ins Erdreich zurückgespeist werden kann. Eine Kombination zwischen Wärmerohrbetrieb und einem Umlaufbetrieb ist bei geeigneter Ausführung der oberirdischen Anlage möglich.It is also conceivable that the geothermal probe according to the invention with circulating heat carriers in to use a pump circulation system so that single-phase or two-phase conditions generated in the heat transfer medium become. In such a case there is also a reversal of the transport direction of warmth conceivable, so that heat ins Soil fed back can be. A combination between heat pipe operation and a circulation operation is in suitable execution the above-ground system possible.

Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen ist das Wärmerohr 2 aus einem oder mehreren Wellrohren ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch keineswegs auf derartige Wellrohre beschränkt. So lassen sich beispielsweise auch nahtlose, glatte Rohre vom Wickel beziehen und können somit bei der erfindungsgemäßen Erdwärmesonde 1 eingesetzt werden. Unter Umständen kann es ausreichend sein, flexible Rohre aus Kunststoff zu verwenden, die mit einer Stahlarmierung versehen sind.In the above-described embodiments, the heat pipe 2 formed from one or more corrugated pipes. However, the invention is in no way limited to such corrugated pipes. For example, seamless, smooth pipes can also be obtained from the winding and can thus be used with the geothermal probe according to the invention 1 be used. Under certain circumstances, it may be sufficient to use flexible plastic pipes that are provided with steel reinforcement.

Offenbart ist eine Erdwärmesonde, bei der zumindest der eine Heizzone eines Wärmerohres ausbildende Teil aus einem flexiblen, wickelbaren Rohr ausgeführt ist.A geothermal probe is disclosed, in which at least the part forming a heating zone of a heat pipe is made of a flexible, windable tube.

11
Erdwärmesondegeothermal probe
22
Wärmerohrheat pipe
44
Bohrungdrilling
66
Wellewave
88th
Fußfoot
1010
Vergussmassepotting compound
1212
Dampfsteam
1414
Kondensatcondensate
1616
Zwischenverdampferbetween the evaporator
1717
Parallelrohrparallel pipe
1818
Parallelrohrparallel pipe
2020
Fußteilfootboard
2222
Innenrohrinner tube
2424
Aussenrohrouter tube

Claims (11)

Erdwärmesonde mit einem ins Erdreich eingebrachten Wärmerohr (2), das einen zweiphasigen Wärmeträger aufnimmt, der mittels der Erdwärme verdampfbar und in einer Kühlzone kondensierbar ist, wobei das Kondensat (14) als Flüssigkeitsfilm an den Wandungen des Wärmerohres hin zu einer Heizzone strömt und der Dampf (12) im Gegenstrom von der Heizzone zu einer Kühlzone aufsteigt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Heizzone des Wärmerohres (2) im wesentlichen aus einem flexiblen, wickelbaren Rohrmaterial ausgebildet ist.Geothermal probe with a heat pipe in the ground ( 2 ), which receives a two-phase heat transfer medium that can be evaporated using geothermal energy and condensable in a cooling zone, the condensate ( 14 ) flows as a liquid film on the walls of the heat pipe towards a heating zone and the steam ( 12 ) rises in countercurrent from the heating zone to a cooling zone, characterized in that at least the heating zone of the heat pipe ( 2 ) is essentially made of a flexible, windable tube material. Erdwärmesonde nach Anspruch 1, wobei das Material Stahl ist.geothermal probe according to claim 1, wherein the material is steel. Erdwärmesonde nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Rohrmaterial mit einem Schutz- oder Verstärkungsmantel versehen ist.geothermal probe according to claim 1 or 2, wherein the tube material with a protective or reinforcement jacket is provided. Erdwärmesonde nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Wärmerohr als Wellrohr ausgebildet ist.geothermal probe according to claim 2 or 3, wherein the heat pipe is designed as a corrugated tube is. Erdwärmesonde nach Anspruch 4, wobei das Wellrohr mit in Umfangsrichtung verlaufenden parallelen Wellen oder mit wendelförmig verlaufenden Wendeln versehen ist.geothermal probe according to claim 4, wherein the corrugated tube with extending in the circumferential direction parallel shafts or with helical spirals is. Erdwärmesonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmerohr (2) als U-Rohr mit zwei Parallelrohrschenkeln und einem Fuß gebildet ist.Geothermal probe according to one of the preceding claims, wherein the heat pipe ( 2 ) is formed as a U-tube with two parallel tube legs and a foot. Erdwärmesonde nach Anspruch 6, wobei das U-Rohr einstückig ausgebildet ist.geothermal probe according to claim 6, wherein the U-tube is integrally formed. Erdwärmesonde nach Anspruch 6, wobei das U-Rohr durch zwei Parallelrohre (17, 18) gebildet ist, die mittels eines Fußteiles (20) miteinander verbunden sind.Geothermal probe according to claim 6, wherein the U-tube through two parallel tubes ( 17 . 18 ) is formed by means of a foot part ( 20 ) are connected. Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Wärmerohr (2) zwei koaxiale Rohre (22, 24) hat, von denen das innere vom Dampf (12) und das äußere vom Kondensat (14) durchströmt ist.Geothermal probe according to one of claims 1 to 6, wherein the heat pipe ( 2 ) two coaxial tubes ( 22 . 24 ), of which the interior of the steam ( 12 ) and the outside of the condensate ( 14 ) is flowed through. Erdwärmesonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlzone einen Wärmetauscher hat, über den ein weiteres Medium aufheizbar oder verdampfbar ist.geothermal probe according to one of the preceding claims, wherein the cooling zone a heat exchangers has about which another medium can be heated or evaporated. Erwärmesonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Wärmeträger CO2 verwendet wird.Heating probe according to one of the preceding claims, wherein CO 2 is used as the heat carrier.
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