DE8702244U1

DE8702244U1 - Vorrichtung zum Austausch von Wärme zwischen einer Speichermasse und einem mit dichten Wandungen von der Speichermasse getrenntem Fluidum

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Priority date: 1987-02-13
Filing date: 1987-02-13
Publication date: 1987-04-02

Description

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Vorrichtung zum Austausch von Wärme zwischen einer Speichermasee und einem mit dichten Wandungen von der Sneiehermasse aetrenntem Fluldum

Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme zwischen einer Speichermasse und einem mit dichten Wandungen von der Speichermasse getrennten fluiden Medium, mit mindestens einem Kanal für das in Richtung zur Speichermasse fliessende' fluide* Medium, welcher Kanal Wandungen aufweist, um das fluide Medium von der Wärmespeichermasse zu trennen, und mindestens einem Kanal für das in Richtung weg von der Speichermasse fliessende fluide Medium, wobei der Kanal dichte Wandungen aufweist, um das wegfliessende vom hinfliessenden Medium zu trennen.

Zur Speicherung von Wärme über längere Zeit, zum Beispiel vom Sommer in den Winter, sind grosse Speichermassen notwendig. Es ist bekannt, dass hierzu Erdspeicher benutzt werden. Fels- oder geröllhaltige Massen werden durch Bohrungen, in welche Rohre eingelegt werden, erschlossen. Durch die Rohre zirkuliert eine Flüssigkeit oder ein Gas, allgemein, ein fluides Medium, das durch die Rohrwandung mit der Speichermasse Wärme austauscht, in der Richtung des Temperaturgefälles.

«.'ine weitere Art der Nutzung von derartigen Speichermassen besteht darin, dass nur Wärme entzogen wird. Die Nachlieferung der Wärme in die Speichennasse erfolgt durch die Wärme aus dem Erdinnern oder durch einen Grundwasserstrom. Derartige Speichermassen können als selbstregenerlerende Speicher angesehen werden.

Zur Erschliessung der Speichermassen sind Bohrungen bis einige Hundert Meter Tiefe nötig. Zur Einsparung der Kosten ist angestrebt, möglichst wenige Bohrungen anbringen zu müssen. Es ist deshalb bekannt, dass in eine einzelne Bohrung sowohl die in die Speichermasse hineinführende wie auch die hinausführende Leitung eingelegt wird, wobei an der tiefsten Stelle das fluide Medium durch einen Bogen eine Richtungsumkehr erfolgt.

Das zirkulierende fluide Medium weist beim Austritt in die Speichermasse eine andere Temperatur auf als beim Eintritt, bei Wärmeentnahme aus dem Speicher hat der Austritt eine höhere Temperatur, bei einer Aufladung des Speichers, zum Beispiel mit Sonnenwärme, hat der Austritt eine tiefere Temperatur als der Eintritt.

Bei der Wärmeentnahme aus einem selbstregenerierenden Speicher zeigt sich sehr oft, dass die höchsten Temperaturen an der tiefsten Stelle der Bohrung sind. Wenn aus einem derartigen Speicher Wärme entzogen wird, so ist die Leitung des fluiden Mediums ab der tiefsten Stelle der Bohrung zurück zum Beginn der Bohrung mit Vorteil mit einer thermischen Isolierung zu versehen, damit das fluide Medium beim Aufsteigen nicht mehr in Wärmetausch treten kann_f Insbesondere, dass es sich nicht wieder abkühlen kann.

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Die thermische Isolierung der Leitung in einer Zirkulationsri^htung von derjenigen in der anderen Zirkulationsrichtung ist nun in jedem Fall anzustreben, damit durch das bestehende Temperaturgefälle zwischen den beiden Zirkulationsrichtungen kein Wärmetausch stattfinden kann.

Die Notwendigkeit der thermischen Isolierung entspricht dan physikalischen Forderungen und ist allgemein bekannt. So sind Vorrichtungen bekannt, die aus konzentrischen Kunststoffrohren bestehen, wobei das innere Rohr die geringe Härmeleitung der üblichen Kunststoffe als wärmedämmende Schicht nutzt. Ein Nachteil dieser Anordnung ist die verhältnismässig dicke notwendige Rohrwandstärke des äusseren Rohres, womit dem Austausch der Wärme ein grosser Widerstand entgegengesetzt wird.

Es sind auch Vorrichtungen bekannt, bei denen die Leitung in die Bohrung aus einem Rohr besteht, welches an der tiefsten Stelle mit einem 180-Grad-Bogen mit der Leitung verbunden ist, die aus der Bohrung führt. Dadurch dass die Rohre mittels Distanzhaltern möglichst an gegenüberliegenden Flanken der Bohrung gehalten werden, wird der Wärmetausch zwischen den Rohren vermindert. Zur besseren Nutzung der möglichen Wärmetauschfläche in der Bohrung werden mehrere, mindestens zwei derartige, üblicherweise als &agr;-Rohre bezeichnete Vorrichtungen mittels Distanzkaltem miteinander verbunden und in die Bohrung eingeführt. Ein Nachteil neben dem Wärmetausch zwischen den hinein- und herausleitenden Rohren ist die beschränkte Austauschfläche, die mit einer derartigen Vorrichtung pro Meter Bohrung eingebracht werden kann.

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Es ist Aufgabe der Neuerung/ eine Vorrichtung anzugeben, bei der die bekannten/ geschilderten Nachteile nicht auftreten. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einer Vorrichtung zum Austausch von Wärme zwischen einer Speichermssse und einem von der Speichermasse getrennten fluiden Medium mit mindestens einem Kanal für das in Richtung zur Speichermasse fliessende Medium, der Wandungen aufweist/ um das fluide Medium von der Wärmespeichermasse zu trennen/ und mindestens einem Kanal für das in Richtung weg von der Speichermasse fliessende fluide Medium/ der Wandungen aufweist/ um das wegfliessende vom hinfliessenden Medium zu trennen, zwischen dem Kanal für das hineinfliessende Medium und dem Kanal für das wegfliessende Medium eine thermische Isolation angebracht ist.

Vorteilhaft bestehen die Wandungen aus nebeneinanderliegenden Rohren/ von denen das oder die Rohre/ die dazu bestimmt sind/ fluides Medium von der Speichermasse wegzuführen/ eine thermisch isolierende Wandung aufweisen. Die Vorrichtung kann aber auch dadurch gekennzeichnet, sein, dass die Wandungen aus zwei konzentrischen Rohren bestehen, bei welchen Wärme von der Speichermasse durch die Aussenwandung des äusseren Rohrs und dem fluiden Medium ausgetauscht werden kann und das innere Rohr eine Wandung mit thermischer Isolierung aufweist. Um die Wärmeleitung zu verbessern, können die Rohre, durch deren Wandung die Wärme mit der Speichermasse ausgetauscht wird, aus beständigem thermoplastischem Kunststoff mit einem Zusatz von dessen Wärmeleitfähigkeit erhöhendem Graphit bestehen. Weiter kann die Wärmeleitung dadurch verbessert werden, dass die Rohre, durch deren Wandung die Wärme mit der Speichermasse ausgetauscht wird, mit wärmeleitenden, die Austauschfläche vergrössernden Rippen versehen sind.

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Vorteilhaft wird vorgesehen, dass an das aussere Rohr gleichzeitig die innere Wandung zur dichten Führung des flulden Mediums durch Stege verbunden ist. Es ist auch möglich, das innere Rohr verschiebbar im äusseren Rohr und in der Inneren Wandung des äusseren Rohrs durch Zentrierleisten zu halten. Dabei wird vorteilhaft im Zwischenraum zwischen der inneren Wandung des äusseren Rohrs und dem inneren Rohr isolierendes Material angebracht.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung gemäss der Neuerung ist anhand der Zeichnung dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch die Leitungen der Vorrichtung und

Fig. 2 im Längsschnitt die Anordnung der Vorrichtung in der Bohrung.

Der Querschnitt von Fig. 1 zeigt die Kanäle 1 für das fluide Medium. Nach dem Einsetzen der Vorrichtung in eine Bohrung ist das durch die Kanäle 1 fliessende Medium mit der, ausserhalb des gezeigten Querschnittes sich befindenden, z.B. mit Gas oder Flüssigkeit durchsetzten Speichermasse umgeben und steht mit dieser im Austausch von Wärme. Die Wärmetauschfläche besteht aus einer Wandung in Form eines gewölbeartigen Bogens 2.DIe Wandung kann aufgrund der bekannten statischen Eigenschaften gegen die Einwirkung von Druck von aussen mit verhältnismässig geringer Wandstärke ausgeführt werden, wodurch die Verwendung von beständigem Kunststoff ohne erheblichen Wärmeleitwiderstand möglich wird.

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Die Form des Querschnitts der Kanäle 1 ist im vorliegenden Beispiel als kreisrund 'dargestellt. Die Kanäle 1 können jedoch auch oval oder vieleckig sein. Die kreisrunde Ausführung ergibt allerdings ebenfalls die geringste Wandstärke für einen Druck von innen.

Durch die gewölbeartigen Ausbuchtungen 2 wird zudem eine erwünschte Vergrösserung der Wärmetauschfläche mit der, ausserhalb des Querschnittes sich befindenen Speichermasse erreicht.

Bei der Herstellung in extrudierbarem Kunststoff wird der Teil 3 der Vorrichtung in einem einzigen Extrudiervorgang hergestellt. Gleichzeitig werden bei der Extrudierung durch entsprechende Ausführung des Werkzeuges drei oder mehrere Zentrier leisten 4 angebracht.

Zum Rückfluss des fluiden Mediums nach der Richtungsumkehr an der tiefsten Stelle der Bohrung dient das Rohr 5, welches Rohr aus handelsüblichen Lagern bezogen und in den Teil 3 eingezogen werden kann.

Der Zwischenraum vom Teil 3 und dem konzentrischen Rohr 5 wird ganz oder teilweise, zumindest an den Enden der Vorrichtung, durch injizierten thermisch isolierenden Wexncstoff 6 ausgefüllt. Mit Vorteil wird dabei ein geschlossenporiger Werkstoff gewählt, der Eindringen von Flüssigkeit verhindert.

In Fig. 2 ist die Anordnung in der Bohrung gezeigt. Die Kontur der Bohrung selbst ist dabei nicht gezeigt, sie uraschliesst die gezeigte Vorrichtung, wobei die wärmeleitende Verbindung zur Kontur der festen Speichermasse durch Gas oder Flüssigkeit hergestellt wird.

Zn den Kanälen 1 wird das fluide Medium bis zu den Umkehr-Gf fnungen 10 gefördert, worauf es durch den Kanal 5', der durch das zentrale Rohr 5 gebildet wird, in der Gegenrichtung die Bohrung in der Speichermasse verlässt. Der Wärmetausch mit der Speichermasse findet im gezeigten Beispiel an der Aussenwand 7 statt.

Der Zwischenraum zwischen den beiden Zirkulationsrichtungen ist durch islierenden Werkstoff 6 ausgefüllt. Da auch Luft ein gut isolierender Stoff ist, ist an Stellen des Zwischenraumes kein Werkstoff 6 injiziert, so zum Beispiel bei 6a. Die Zentrier leisten 4 verhindern in jedem Fall, dass der Teil 3 der Vorrichtung in wärmeleitenden Feststoffkontakt zum Zen.tralrohr 5 treten kann.

Die Vorrichtung i*vb unten mit einer Platte 11a ausgerüstet, die durch geeignete Verbindungstechnik, beispielsweise der Spiegelschweissung, mit den Teilen 3 und 5 verbunden ist.

Am Einführungspunkt der Sonde ist ein Kopfstück 8 durch geeignete Verbindung angebracht, wo die Zuleitung des fluiden Mediums durch den Stutzen 9 und die Wegleitung durch den Anschluss 11 erfolgt.

Als vorteilhaft erweist sich, wenn der Werkstoff zur Herstellung des Teiles 3 der Vorrichtung möglichst gute Wärmeleiteigenschaften aufweist. Es hat sich gezeigt, dass ein thermoplastischer Werkstoff durch Zugabe von Kohlenstoff in elementarer Form, beispielsweise als Graphit, eine erhebliche Zunahme der wärmeleitung erreicht wird.

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Die gezeigte Vorrichtung, wobei das zentrale Rohr 5 nur durcn Zentrler leisten 4 im Teil 3 geführt ist, hat den Vorteil, dass eine Verschiebung der beiden Teile möglich ist. Werden Vorrichtungen in grosser Länge von 30 Metern und mehr im Extrudierwerk hergestellt, so müssen diese aufgerollt werden. Es ist nun bekannt, dass sich Schichtungen aufweisende statische Gebilde, deren Schichtungen gegeneinander verschiebbar sind, bessere Biegeeiger. schäften aufweisen, a?vs wenn die Schichtungen f achwerkartig miteinander verbunden sind. Die gezeigte Vorrichtung eignet sich deshalb gut bsi der Herstellung langer, nur durch Aufrollen transportierbarer Vorrichtungen.

Claims

Anwaltsakte 35 419 VII.; ···· Anton Broder Sargans / Schweiz Schutzansprüche

1. Vorrichtung zum Austausch von Wärme zwischen einer Speichermasse und einem mit dichten Wandungen (2) von der Speichermasse getrennten fluiden Medium, mit mindestens einem Kanal (1) für das in Richtung zur Speichermasse fliessende fluide- Medium-, . welcher Kanal (1) Wandungen (2) aufweist, um das fluide Medium von der Wärmespeichermasse zu trennen, und mindestens einem Kanal (5¹) für das in Richtung weg von der Speichermasse fliessende fluide Medium, wobei der Kanal (5¹) dichte Wandungen (5) aufweist, um das wegfliessende vom hinfliessenden Medium zu trennen, "dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kanal (1) für das hineinfliessende Mediun und dem Kanal (5^f) für das wegf liessende Medium eine thermische Isolation (6) angebracht ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungen aus nebeneinanderliegenden Rohren (2, 5) bestehen, von denen das oder die Rohre (5), welche dazu bestimmt sind, fluides Medium von der Speichermasse wegzuführen, eine thermisch isolierende Wandung (6) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungen aus zwei konzentrischen Rohren bestehen, bei welchen Wärme von der Speichermasse durch die Aussenwandung (7) des äusseren Rohrs und dem fluiden Medium ausgetauscht werden kann und das innere Rohr (5) eine Wandung (6) mit thermischer Isolation aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (1), durch deren Wandung die Wärme mit der Speichermasse ausgetauscht wird, aus beständigem thermoplastischem Kunststoff mit einem Zusatz von dessen Wärmeleitfähigkeit erhöhendem Graphit bestehen.

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5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre, durch deren Wandung die Wärme mit der Speichermasse ausgetauscht wird, mit Wärmeleitendem, die Austauschfläche vergrössernden Rippen versehen sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an das äussere Rohr gleichzeitig die innere Wandung zur dichten Führung des fluiden Mediums durch Stege verbunden ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6," dadurch gekennzeichnet, dass das innere Rohr (5) verschiebbar im äusseren Rohr und in der inneren Wandung des äusseren Rohres durch Zentrierleisten (4) gehalten wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Zwischenraum zwischen der inneren Wandung de^i äusseren Rohres und dem inneren Rohr isolierendes Material (6) angebracht ist.