DE3887349T2

DE3887349T2 - Gewelltes Wärmerohr.

Info

Publication number: DE3887349T2
Application number: DE3887349T
Authority: DE
Inventors: Kouichi Mashiko; Masataka Mochizuki; Tsuneaki Motai; Masuji Sakaya
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1987-03-11
Filing date: 1988-03-11
Publication date: 1994-09-01
Anticipated expiration: 2008-03-12
Also published as: US4836275A; EP0282092A3; EP0282092B1; KR930000658B1; EP0400687B1; DE3878703T2; US4854372A; US4858679A; US4917175A; DE3887349D1; DE3878703D1; KR880011513A; EP0282092A2; EP0400687A1

Description

Die Erfindung betrifft ein gewelltes Wärmerohr gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Rohr ist in JP-A-59-77 292 angegeben.
Bisher wird ein gewelltes Wärmerohr verwendet, um Erdwärme von untertägigem Heißwasser durch Wärmeleitung zur Erdoberfläche zu leiten, ohne dem Erdreich Heißwasser oder Dampf zu entziehen. Mehrere Tausende starre Wärmerohre aus Stahl oder legiertem Stahl, die jeweils z. B. 10 m lang sind, werden am Einbauort ausgelegt und einzeln unter Verwendung von Außen- und Innengewinden miteinander verbunden, um ein einziges langes Wärmerohr zu erhalten, das dann in den Erdboden eingebracht wird. Ein Rohr mit dieser Konstruktion kann der hängenden Last sowie radialem Druck gut standhalten, der in der Tiefe von außen darauf aufgebracht wird. Dieses Einbauverfahren ist jedoch mit Problemen in bezug auf seine Durchführbarkeit behaftet. Der Vorgang, der durchgeführt wird, wenn die Rohre am Einbauort miteinander verbunden werden, trifft auf große Schwierigkeiten je nach dem Zustand und der Umgebung des Einbauorts. Trotzdem wird die Einbaumethode angewandt, bei der die Rohre am Einbauort miteinander verbunden werden. Denn wenn ein einziges langes Wärmerohr aus Stahl oder legiertem Stahl werksseitig komplettiert wird, kann es wegen seiner Größe und seines Gewichts nicht zum Einbauort transportiert werden. Es wurde bereits ein Vorschlag gemacht, um die Durchführbarkeit am Einbauort zu verbessern. Dieser Vorschlag besteht darin, ein Wärmerohr vorzusehen, das Biegsamkeit und verminderte Wandstärke hat. Wenn ein einziges langes gewelltes Wärmerohr mit Flexibilität und verringerter Wandstärke werksseitig komplettiert wird, kann es ohne weiteres nach Aufwickeln auf eine Trommel zum Einbauort transportiert werden. Außerdem hat das biegsame Material gegenüber Stahl oder legiertem Stahl sehr geringes Gewicht. Das flexible Wärmerohr wird als Wärmesiphon verwendet und in den Erdboden eingebracht, indem es bis zu einer Tiefe von 200-5000 m abgeteuft wird.
Dieses Verfahren weist jedoch folgende Probleme auf. Da ein Rohr einer Länge von einigen hundert bis einigen tausend Metern so erdverlegt wird, daß es an der Erdoberfläche in den Erdboden hinein aufgehängt ist, unterliegt es einer Dehnung infolge seines Eigengewichts, was in einer Abplattung seiner gewellten Außenumfangsfläche oder einem Bruch resultiert. Die Abplattung der gewellten Außenumfangsfläche führt zu Schwankungen der Wärmeübertragungseigenschaften in der Längsrichtung.
Wenn sich das Rohr in der Erde befindet, besteht die Gefahr, daß es infolge eines darauf aufgebrachten radialen äußeren Drucks gequetscht wird. Im allgemeinen unterliegt das Rohr einem Druck, der bis zu 0,12 bar, multipliziert mit der Tiefe in Metern, betragen kann. In der Tiefe von einigen tausend Metern unterliegt das Rohr einem Außendruck von einigen hundert Bar, so daß es zerquetscht wird, wenn es verringerte Wandstärke hat.
Zur Lösung der obigen Probleme wird im Fall eines Energieversorgungskabels für ein Bergwerk ein Stahldraht schraubenbzw. wendelförmig eng auf den gesamten Außenumfang des Innenmantels gewickelt, und der wendelförmig gewickelte Stahldraht wird mit einem Außenmantel aus Vinyl oder Polyethylen beschichtet. In diesem Fall ist jedoch die Handhabung einer Hängevorrichtung am Oberende eines Wärmerohrs ein sehr schwieriger Vorgang. Wenn ferner das mit dieser Einrichtung versehene Wärmerohr in das Erdreich abgeteuft wird, geht seine Biegsamkeit infolge seines sehr hohen Gewichts verloren. Außerdem führt die Verwendung des Vinyl- oder Polyethylenmantels zu Problemen der Beständigkeit gegenüber der Erdwärme bei hohen Temperaturen von 200 ºC oder darüber und zu einer Verringerung der Wärmeleitfähigkeit.
Die eingangs genannte JP-A-59-77 292 zeigt ein flexibles gewelltes Wärmerohr, das frei biegbar ist und auf engem Raum an jedem Ort angebracht werden kann. Das Wärmerohr weist eine Reihe von metallischen oder Kunststoffilamenten auf, die ringförmig in der Längsrichtung längs der Innenfläche des gewellten Rohrs zusammengebündelt sind. Das Bündel von Filamenten wird gegen das Rohr von dessen Innenseite durch die Spannung von Schraubenfedern gepreßt und ist zwischen den Schraubenfedern und dem gewellten Rohr gehalten. Insoweit sind die Schraubenfedern im Inneren des Wärmerohrs als ein Verstärkungselement wirksam, das fähig ist, von außen aufgebrachten radialen Druck aufzunehmen.
Diese Konstruktion des Wärmerohrs ist jedoch trotz dessen Wellung relativ steif. Außerdem ist es offensichtlich, daß weder das vorgenannte Bündel von Filamenten noch die in Längsrichtung verlaufenden Schraubenfedern die Wirkung eines Spannelements aufweisen, das eine Dehnung des gewellten Wärmerohrs aufgrund seines Gewichts verhindert, wenn das Rohr abgeteuft wird.
Die Erfindung wurde im Hinblick auf die obigen Ausführungen gemacht, und ihre Aufgabe ist die Bereitstellung eines gewellten Wärmerohrs, das in die Erde abgeteuft werden kann, ohne daß die Gefahr einer Dehnung infolge seines Gewichts besteht, was zu einer Abplattung seines gewellten Außenumfangs oder seinem Bruch führen würde.
Gemäß der Erfindung wird ein gewelltes Wärmerohr bereitgestellt, das an beiden Enden dicht verschlossen ist, das eine in Längsrichtung gewellte Umfangswand hat und eine Arbeitsflüssigkeit darin enthält, wobei das gewellte Wärmerohr außerdem mindestens ein kabelartiges Spannelement aufweist, das sich entlang seiner Außenumfangsfläche in seiner Längsrichtung erstreckt und an beiden Enden befestigt ist.
Das kabelartige Spannelement bildet eine einfache und saubere Lösung, um eine Dehnung des gewellten Wärmerohrs aufgrund seines Eigengewichts zu verhindern, wenn das Rohr abgeteuft wird, wodurch die Gefahr von örtlicher Abplattung des gewellten Außenumfangs oder eines Rohrbruchs vermieden wird. Selbst wenn ferner die Wärmedehnzahl des kabelartigen Spannelements von derjenigen des gewellten Wärmerohrs verschieden ist, kann das gewellte Wärmerohr, weil sein Außenumfang in Wellenform in der Längsrichtung gewellt ist, die Wärmedehnung des kabelartigen Spannelements ausreichend absorbieren.
Zusätzlich zu dem vorgenannten Stand der Technik kann auf die Wärmerohranordnung von US-A-4 090 555 Bezug genommen werden, die einen geraden rohrförmigen Behälter mit einer Arbeitsfluidfüllung darin aufweist, wobei der Behälter an einer gesonderten Haltekonstruktion in Form eines Stromleitungsmasts, eines Konstruktionspfahls oder dergleichen befestigt ist, um den rohrförmigen Behälter im Erdreich zu haltern. Dabei ist weder die Verwendung eines gewellten Wärmerohrs noch die vorgenannte Ausbildung eines gewellten Wärmerohrs offenbart.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus der nachstehenden genauen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen; die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht, die eine erste Ausführungsform des gewellten Wärmerohrs nach der Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine schematische seitliche Schnittansicht, die das gewellte Wärmerohr von Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 eine schematische Teilansicht, die eine Modifikation des gewellten Wärmerohrs nach Fig. 1 und 2 zeigt, wobei ein Drahtelement auf das Rohr mit der Steigung der wendelförmigen Wellung des Rohrumfangs gewickelt ist;
Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI von Fig. 3, in Pfeilrichtung betrachtet;
Fig. 5 eine schematische Teilansicht, die eine andere Modifikation des gewellten Wärmerohrs der Fig. 1 und 2 zeigt, wobei kabelartige Spannelemente in innigem Kontakt mit dem Rohraußenumfang von einem vorgeformten Drahtelement gehalten werden;
Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie VIII-VIII in Fig. 5 und in Pfeilrichtung betrachtet;
Fig. 7 eine schematische Teilansicht, die eine weitere Modifikation des gewellten Wärmerohrs der Fig. 1 und 2 zeigt, wobei kabelartige Spannelemente in innigem Kontakt mit dem Rohraußenumfang von gelenkigen bandförmigen Elementen gehalten sind; und
Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie X-X in Fig. 7 und in Pfeilrichtung betrachtet.
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen des gewellten Wärmerohrs gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die Fig 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung. Dabei sind kabelartige Spannelemente 2 an der Außenseite eines gewellten Wärmerohrs vorgesehen. Das gewellte Wärmerohr besteht aus einem Metall wie Stahl, Kupfer, Aluminium und hautlosem Stahl und hat einen Innendurchmesser von 50-300 mm. Seine Umfangswand 101 ist in Längsrichtung wellig, d. h. wellenförmig profiliert. Das gezeigte gewellte Wärmerohr 1 hat Flexibilität, und sein Hauptbereich wird im wesentlichen vertikal in den Erdboden 100 auf eine Tiefe von 200-300 m abgeteuft. Kabelartige Spannelemente 2 bestehen aus Stahldrahtsträngen und verlaufen entlang der Außenumfangsfläche des gewellten Wärmerohrs 1 in dessen Längsrichtung. Ihr Unterende ist durch Preßverspannen an einem unteren Endbefestigungselement 202 des gewellten Wärmerohrs befestigt. Der Befestigungsvorgang kann werksseitig durchgeführt werden. Ihr oberer Bereich, der aus dem Erdboden herausragt, ist mittels einer Klemmeinrichtung 16 verspannt. Die kabelartigen Spannelemente 2 sind über die Klemmeinrichtung 16 an einer obertägigen Konstruktion 10 gehaltert.
Ein oder mehr (in der Praxis vier oder mehr) kabelartige Spannelemente 2 werden je nach Größe und Gewicht des gewellten Wärmerohrs 1 verwendet. Die Zahl von kabelartigen Spannelementen, die an der Außenumfangsfläche des gewellten Wärmerohrs 1 vorgesehen sind, sowie Zahl und Durchmesser der Drahtstränge bzw. -litzen werden in Abhängigkeit von der gewünschten mechanischen Festigkeit geeignet gewählt. Da an der Außenumfangsfläche des gewellten Wärmerohrs 1 eine Vielzahl von kabelartigen Spannelementen vorgesehen ist, können sie auch im Fall des Auftretens einer Beschädigung an einigen davon ohne weiteres inspiziert und gewartet werden.
18 bezeichnet einen Draht, der ein Vollmetalldraht oder ein verlitzter Metalldraht ist. Wie Fig. 3 zeigt, ist er wendelförmig und fortlaufend auf die Außenumfangsfläche des gewellten Wärmerohrs 1 über eine erforderliche Länge davon mit einer im wesentlichen konstanten Steigung gewickelt, wodurch kabelartige Spannelemente 2 in innigem Kontakt mit dem Umfang des Rohrs 1 gehalten werden. Wenn der Umfang des gewellten Wärmerohrs 1 wendelförmig gewellt ist, wird der Draht 18 mit einer Zugkraft P (wie Fig. 4 zeigt) gezogen, während gleichzeitig seine Lage so eingestellt wird, daß er in der Wendelnut 19 der Wellung mit deren Steigung aufgenommen wird. Die Enden des so gewickelten Drahts 18 sind mit geeigneten verfügbaren Mitteln behandelt, so daß sich der Draht nicht lockert. Der Draht 18 kann mit einer konstanten Steigung, d. h. mit der gleichen Steigung wie die Steigung der Wellung des gewellten Wärmerohrs, gewickelt werden, oder die Steigung kann verkleinert werden, so daß der Draht enger gewickelt wird, wodurch sein Eigengewicht stark abgestützt wird.
Ferner kann der Draht 18 wendelförmig gewickelt sein, oder er kann wendelförmig in einer Richtung und dann in der Gegenrichtung so gewickelt sein, daß seine Windungen einander überlappen. Wenn das gewellte Wärmerohr 1 eine faltenbalgartige Wellung hat, kann der Draht 18 natürlich entweder wendelförmig oder nichtwendelförmig gewickelt sein.
Die verschiedenen Komponenten des gewellten Wärmerohrs können werksseitig oder an der Einbaustelle angebracht werden. Ein Bereich des gewellten Wärmerohrs, der aus der Erdoberfläche herausragt, ist mit einer Kühleinrichtung 20 verbunden. Eine Arbeitsflüssigkeit 102, die in dem gewellten Wärmerohr unter verminderter Druckbedingung hermetisch eingeschlossen ist (Fig. 3), wiederholt einen Zyklus, bei dem sie durch die Erdwärme verdampft wird, um in die Kühleinrichtung 20 einzutreten und ihre Wärme dort zu übertragen, wodurch sie zu Flüssigkeit kondensiert, um zum Unterende des gewellten Wärmerohrs zur erneuten Verdampfung im Kreislauf rückgefühlt zu werden.
Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Modifikation des gewellten Wärmerohrs der Fig. 3 und 4.
Bei dieser Modifikation sind kabelartige Spannelemente in innigem Kontakt mit dem gewellten Wärmerohr 1 durch einen vorgeformten wendelförmigen Draht gehalten. Insbesondere ist, ebenso wie bei der Ausführungsform der Fig. 1-4 vorgeformter wendelförmiger Draht 31 in Wendelform mit einer im wesentlichen konstanten Steigung und einer geeigneten Länge auf die Außenumfangsfläche des gewellten Wärmerohrs 1 gewickelt als eine Einrichtung, um die kabelartigen Spannelemente 2, die in der Längsrichtung des Rohrs 1 entlang dessen Außenumfang verlaufen, in innigem Kontakt mit dem Rohr 1 zu halten. Der vorgeformte wendelförmige Draht 31 besteht aus einem Metall mit vergleichsweise hohen Federeigenschaften, z. B. Stahl oder Nichteisenmetalle oder -legierungen. Die wendelförmige Wicklung des Drahts 31 hat einen geringfügig kleineren Innendurchmesser als der Außendurchmesser des gewellten Wärmerohrs 1 einschließlich der kabelartigen Spannelemente 2. Wenn der Draht 31 manuell angebracht wird, wird in diesem Fall ein hinreichender Federdruck erzeugt, um einen Schlupf zwischen dem kabelartigen Spannelement 2 und dem gewellten Wärmerohr 1 auszuschließen. Erforderlichenfalls kann eine Vielzahl von vorgeformten wendelförmigen Drähten 31 verwendet werden, so daß sie vorher zu bandartiger Form zusammengesetzt werden. Außerdem kann die Innenseite der Wendelwicklung des Drahts angerauht sein, um eine erhöhte Reibungskraft zu liefern. In diesem Fall ist es möglich, einen Schlupf zwischen dem vorgeformten wendelförmigen Draht 31 und dem gewellten Wärmerohr 1 zu verhindern und das Gewicht des gewellten Wärmerohrs wirkungsvoll zu haltern. Ein solcher vorgeformter wendelförmiger Draht 31 braucht nicht über die Gesamtlänge des Rohrs 1 vorgesehen zu sein, sondern er kann an geeigneten Bereichen des Rohrs 1 in dessen Längsrichtung vorgesehen sein (beispielsweise in einem Abstand von 5 m in Längsrichtung). Somit kann der vorgeformte wendelförmige Draht 31 ohne weiteres an der Einbaustelle angebracht werden. In diesem Fall kann der Draht in einem gleichbleibenden Intervall wie bei der Ausführungsform von Fig. 5 vorgesehen sein, aber er kann enger angeordnet sein, wenn ein hohes Gewicht abzustützen ist.
Der vorgeformte wendelförmige Draht 31 kann zweckmäßig vorgesehen sein ohne Rücksicht darauf, ob der Außenumfang des gewellten Wärmerohrs 1 eine wendelförmige oder eine faltenbalgartige Wellung aufweist.
Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Modifikation einer Ausführungsform der Fig. 1-4. In diesem Fall werden gelenkige bandartige Elemente als Einrichtung zum Halten der kabelartigen Spannelemente in innigem Kontakt mit dem gewellten Wärmerohr verwendet.
Speziell werden in diesem Fall bandartige Elemente 33 jeweils mit einem Gelenk bzw. Scharnier 32 verwendet. Jedes bandartige Element 33 ist eingerichtet, um ein gewelltes Wärmerohr 1 und kabelartige Spannelemente zu umgeben, und wird dann durch Drehen einer Schraube 34 festgezogen, um einen Befestigungsspalt 35 zu verkleinern. Es besteht aus einem Material wie Stahl oder Nichteisenmetallen oder -legierungen. Es hat im wesentlichen die gleiche Innengestalt und den gleichen Innendurchmesser wie der Außendurchmesser des gewellten Wärmerohrs 1 einschließlich der kabelartigen Spannelemente 2. Es weist zwei Hälften auf, die an einem Gelenk 32 gelenkig miteinander verbunden sind, und es ist an dem gewellten Wärmerohr 1 dieses umgebend durch Festspannen mit der Schraube 34 an dem Befestigungsspalt 35 befestigt. Da die bandartigen Elemente 33 festgespannt sind, wird zwischen den kabelartigen Spannelementen und dem gewellten Wärmerohr kein Schlupf erzeugt. Die bandartigen Elemente 33 können an dem gewellten Wärmerohr 1 an geeigneten Bereichen davon in der Längsrichtung (beispielsweise in einem Abstand von jeweils 5 m) vorgesehen sein. Daher kann der Vorgang des Haltens der kabelartigen Spannelemente in innigem Kontakt mit dem gewellten Wärmerohr ohne weiteres an der Einbaustelle durchgeführt werden. Anstelle des bandartigen Elements 33 können zwei bandartige Elemente ohne jedes Gelenk verwendet werden. In diesem Fall werden die beiden bandartigen Elemente einander zugewandt auf dem Rohraußenumfang angeordnet, und ihre gegenüberstehenden Ränder werden mit Schrauben an Befestigungsspalten verspannt. Außerdem ist es möglich, ein Set von bandartigen Elementen zu verwenden, das aus mehr als zwei gesonderten Abschnitten besteht.
Selbstverständlich weist das gewellte Wärmerohr außerdem andere normalerweise verwendete Zusatzeinrichtungen auf, z. B. ein Erdwärmeleitungsrohr, ein Flüssigkeitsrücklaufrohr, Abzweigrohre usw. Außerdem ist das gewellte Wärmerohr 1 erforderlichenfalls an einer obertägigen Konstruktion abgestützt und gehalten, und es kann außerdem mit Wärmeisolierung, Korrosionsschutz- und anderen Schutzbehandlungen versehen sein.
Die vorstehenden Ausführungsformen betreffen Fälle, in denen das gewellte Wärmerohr gemäß der Erfindung vertikal in den Erdboden abgeteuft wird. Das ist jedoch keineswegs als Einschränkung anzusehen. Beispielsweise kann das gewellte Wärmerohr in die See eingebracht werden, oder es kann so eingebaut werden, daß es in bezug auf die Erdoberfläche geneigt ist. Wenn beispielsweise ein Hindernis im Erdreich vorhanden ist, kann es zur Umgehung eines solchen Hindernisses schräg eingebaut werden. Außerdem kann es horizontal eingebaut werden. Wenn das gewellte Wärmerohr horizontal eingebaut wird, hat das kabelartige Spannelement beim Aufbringen einer Kraft, die aus einer thermischen Längsdehnung resultiert, den Effekt, eine Dehnung und damit Verformung des gewellten Wärmerohrs zu verhindern. Es ist somit möglich, befriedigende Wärmeübertragungseigenschaften zu unterhalten.
Wie oben beschrieben wurde, ist es gemäß der Erfindung möglich, ein langes Wärmerohr vorzusehen, das leicht zu transportieren ist. Dieses lange Wärmerohr kann die Durchführung von Arbeiten mit geringem Nutzeffekt an der Einbaustelle ausschließen. Außerdem kann das lange Wärmerohr werksseitig mit verschiedenen Komponenten versehen werden. Durch die Funktionen dieser Komponenten ist es möglich, eine Dehnung des Rohrs aufgrund seines Eigengewichts zu verhindern und speziell zu verhindern, daß das Rohr infolge von hohen radialen äußeren Drücken, die auf den tief untertage befindlichen Teil davon wirken, zerquetscht wird, und außerdem zu verhindern, daß ein oberer Teil des Rohrs austrocknet, und zwar aufgrund einer positiven Förderung der Verdampfung durch den Flüssigkondensatbehälter, eine Dochteinrichtung und sonstige Teile. Außerdem ist es im einfachsten Fall an der Einbaustelle nur erforderlich, das gewellte Wärmerohr in einen Schacht einzuführen und aufzuhängen.

Claims

l. Gewelltes Wärmerohr (1), das an beiden Enden dicht verschlossen ist, das eine in Längsrichtung gewellte Umfangswand (101) hat und eine Arbeitsflüssigkeit (102) darin enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das gewellte Wärmerohr (1) mindestens ein kabelartiges Spannelement (2) aufweist, das sich entlang seiner Außenumfangsfläche in seiner Längsrichtung erstreckt und an beiden Enden befestigt ist.
2. Gewelltes Wärmerohr (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein kabelartiges Spannelement (2) auf die Außenumfangsfläche des gewellten Wärmerohrs (1) gewickelt ist.
3. Gewelltes Wärmerohr (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein kabelartiges Spannelement (2) auf der Außenumfangsfläche des gewellten Wärmerohrs (1) spiralförmig vorgeformt ist.
4. Gewelltes Wärmerohr (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein kabelartiges Spannelement (2) ein spiralförmig vorgeformter Draht ist, der auf der Außenumfangsfläche des gewellten Wärmerohrs (1) angebracht ist.
5. Gewelltes Wärmerohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner ein gelenkiges bandförmiges Element (33) aufweist, das auf der Außenumfangsfläche des gewellten Wärmerohrs (1) angebracht ist.
6. Gewelltes Wärmerohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner ein teilbares bandförmiges Element (33) aufweist, das auf der Außenumfangsfläche des gewellten Wärmerohrs (1) angebracht ist.