EP2491316A1 - Erdwärmesonde für eine geotherme wärmepumpe - Google Patents

Erdwärmesonde für eine geotherme wärmepumpe

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Publication number
EP2491316A1
EP2491316A1 EP10768913A EP10768913A EP2491316A1 EP 2491316 A1 EP2491316 A1 EP 2491316A1 EP 10768913 A EP10768913 A EP 10768913A EP 10768913 A EP10768913 A EP 10768913A EP 2491316 A1 EP2491316 A1 EP 2491316A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
range
geothermal
probe
roughness
din
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10768913A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Hartmann
Andreas Dowe
Rainer Göring
Andreas Pawlik
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Evonik Operations GmbH
Original Assignee
Evonik Degussa GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Evonik Degussa GmbH filed Critical Evonik Degussa GmbH
Publication of EP2491316A1 publication Critical patent/EP2491316A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24T—GEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T10/00—Geothermal collectors
    • F24T10/10—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground
    • F24T10/13—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground using tube assemblies suitable for insertion into boreholes in the ground, e.g. geothermal probes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F28F13/185—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/10—Geothermal energy

Definitions

  • the invention relates to a geothermal probe for the extraction of geothermal energy from a bore.
  • the extraction of geothermal heat from drilling is done by pumping thermal water from digested aquifers or by cooling the soil along a bore.
  • Soil is done with different geothermal probes.
  • vaporizable refrigerants can be used, which gain the energy by the evaporation.
  • Direct evaporator probes are on the rise. Compared to brine probes, they offer a significantly higher level of efficiency and are seen by experts as the technology of the future. For example, there are systems based on propane (R290), butane, ammonia (R7 7) or carbon dioxide (R744), with propane being preferred.
  • Deep geothermal probes with direct evaporators are also referred to as heat pipes or heat pipes.
  • DE 10 2007 005 270 A1 describes a geothermal probe which contains a condensate flow distributor with condensate guide devices arranged radially and / or tangentially to the wall of the probe tube. In this way, a radially distributed condensate film is to be generated.
  • EP 1 450 142 A2 describes a heat exchanger tube which consists of a filler-containing polymer material. The tube is used for
  • Geothermal probes are known in which the tubes have at least one layer of a polymer molding composition containing a mechanical resistance increasing filler or reinforcing material. So that should
  • the pipe arrangement is provided for the transport of a liquid heat transfer medium.
  • the invention has for its object to produce in a geothermal probe by simple means a complete falling film, so that the entire inner surface of the probe tube is wetted evenly.
  • This object is achieved by a geothermal probe designed as a direct evaporator probe for obtaining geothermal heat from a bore, in which the inner surface of the probe tube has the following roughness characteristics: a) an arithmetic mean roughness Ra according to DIN EN ISO 4287 in
  • the roughness measurement is carried out in accordance with DIN EN ISO 4288 using the profile method.
  • Stylus instrument becomes a probe tip made of diamond with constant
  • the measuring profile results from the vertical positional shift of the probe tip, which is usually detected by an inductive distance measuring system.
  • Ra is the arithmetic mean roughness from the amounts of all profile values.
  • Rz is the average of the five surface roughness values from the five
  • Rz1 max is the largest roughness depth from the five individual measuring sections.
  • the geothermal probe consists of a probe tube, which has a Verfullbaustoff, such as bentonite, is connected to the soil. The evaporation of the refrigerant condensate takes place on the inner surface of the probe tube. The transport of the resulting vapor upwards takes place in the center of the tube.
  • the inner diameter of the probe tube is usually in the range of 15 to 80 mm, preferably in the range of 20 to 55 mm and more preferably in the range of 26 mm to 32 mm.
  • the probe length is generally 60 to 200 m, in some cases larger or smaller lengths are possible. Preferably, the probe is 80 to 120 meters long.
  • the refrigerant used is, for example, propane (R290), butane, ammonia (R717) or carbon dioxide (R744).
  • Further suitable refrigerants are for example propene (R 270), tetrafluoroethane (R 34a), difluoromethane (R32), pentafluoroethane (R125), a mixture of R32, R125 and R134a in the ratio 23/25/52 (R407C) or a mixture of R32 and R125 in the
  • Ratio 50:50 (R410A). According to the physical laws, the probe interior is thus under relatively high pressure. The ascended refrigerant vapor is compressed in a compressor and liquefied with it. When compressing condensation heat is released, which is dissipated as useful heat. The cooled liquid refrigerant is via a
  • the probe tube may for example consist of metal.
  • the inner surface carries a rough coating.
  • the outer surface may be coated, for example for reasons of corrosion protection.
  • the metal may be aluminum, an aluminum alloy, Steel, such as stainless steel, or any other metal.
  • Coating may be accomplished by powder coating or by coating with the melt of a molding compound described below, for example by extrusion coating.
  • the tube is preferably made of plastic and particularly preferably of a thermoplastic molding compound.
  • Such pipes can be wound, so that the need is eliminated during assembly comparatively short pieces with each other z. B. to connect by welding.
  • the molding compound used must have sufficient rigidity so that the wall thickness can be made thin for reasons of heat transfer.
  • Forming mass be sufficiently resistant to the refrigerant and the moisture of the soil. This means that the wall must not swell, as this would be associated with undesirable changes in length.
  • Suitable plastics are, for example, fluoropolymers such as PVDF, PTFE or ETFE, polyarylene ether ketones such as PEEK, polyolefins such as polyethylene or polypropylene and polyamides.
  • the monomer units can be derived from lactams or ⁇ -aminocarboxylic acids.
  • Dicarboxylic acid at least 8, at least 9 or at least 10.
  • Suitable polyamides are, for example: PA610 (preparable from
  • PA88 can be prepared from octamethylenediamine and 1 .8-octanedioic acid
  • PA8 preparable from capryllactam
  • the preparation of the polyamides is state of the art.
  • copolyamides based thereon can also be used, it also being possible for monomers such as caprolactam to be used as well.
  • Polyamide combinations are known in the art; For example, here are the combination PA12 / PA1012, PA12 / PA1212, PA612 / PA12,
  • the thermoplastic molding compound may be filled with reinforcing fibers and / or fillers.
  • the fibers or filler particles which press through on the surface thereby produce the required roughness.
  • the molding composition contains 0.1 to 50 wt .-%, preferably 0.5 to 20 wt .-% and particularly preferably 3 to 10 wt .-% fillers and / or fibers.
  • the molding composition here contains only fibers.
  • the molding compound contains only fillers.
  • the molding composition contains a mixture of fibers and fillers.
  • Suitable reinforcing fibers are, for example, glass fibers, basalt fibers, carbon fibers, aramid fibers and potassium titanate whiskers, as well as fibers of higher melting polymers.
  • suitable fillers are titanium dioxide, zinc sulfide, silicates, chalk, aluminum oxide and glass beads.
  • suitable reinforcing fibers or fillers the thermal conductivity of the probe wall can be increased.
  • fiber material metal fibers or as a filler metal powder carbon black, graphite, CNTs (carbon nanotubes), hexagonal boron nitride or combinations or mixtures of different materials can be used.
  • the molding composition may contain the customary auxiliaries or additives, for example impact modifiers, plasticizers, stabilizers and / or processing aids.
  • the surface roughness is produced by compounding a second polymer which is compatible with the
  • Matrix polymer is incompatible or only slightly compatible and therefore only relatively coarse dispersed. Suitable material combinations are
  • polyamide / polypropylene for example, polyamide / polypropylene or polyamide / ethylene acrylic ester acrylic acid copolymer / polypropylene.
  • the probe tube may be single-layered and thus consist of one of the above-described molding compositions over the entire wall thickness. In a further embodiment this is
  • Multi-layer probe tube wherein the inner layer consists of one of the molding compositions described above and the other layers have functions that are not sufficiently perceived by the layer of the surface-gray molding compound, such as flexibility,
  • adhesion promoters can be used according to the prior art.
  • Suitable layer sequences from the inside to the outside are, for example: Polyamide (for example PA12) / adhesion promoter / polypropylene or
  • Polyamide for example PA12
  • adhesion promoter / adhesion promoter / ethylene-vinyl alcohol copolymer (EVOH) / adhesion promoter / polyamide;
  • EVOH ethylene-vinyl alcohol copolymer
  • Polyamide / coupling agent / fluoropolymer for example PVDF or ETFE
  • Suitable adhesion promoters for the combination of polyamide and polyolefins are, for example, with maleic anhydride functionalized polyolefins.
  • polyamides such as PA12 and EVOH can be used
  • maleic acid-functionalized polyolefins are suitable as adhesion promoters.
  • Adhesion promoters for the combination of polyamides and fluoropolymers are known, for example, from EP 0 618 390 A1, while
  • adhesion-modified fluoropolymers for example, by admixing small amounts of polyglutarimide according to EP 0 637 51 1 A1, by
  • Carbonate groups according to EP 0 992 518 A1 can be prepared.
  • Probe tube additionally contain internals, as they are known from the prior art, for example, DE 10 2007 005 270 A1.
  • the falling film over the circumference of the probe has a uniform layer thickness; Stripping or tearing of the film is prevented. Due to the enlarged surface, a better heat exchange is possible; at the same time the

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Abstract

Eine Erdwärmesonde zur Gewinnung von Erdwärme aus einer Bohrung, bei der die innere Oberfläche des Sondenrohrs folgende Rauhigkeitswerte aufweist: a) einen arithmetischen Mittenrauwert Ra gemäß DINEN ISO 4287 im Bereich von 1 bis 15 μm, b) eine gemittelte Rautiefe Rz gemäß DIN EN ISO 4287 im Bereich von 8 bis 80 μm sowie c) eine maximale Rautiefe Rz1max gemäß DIN EN ISO 4287 im Bereich von 10 bis 500 μm, weist im Betrieb einen verbesserten Fallfilm auf, so dass die gesamte Oberfläche des Sondenrohres gleichmäßig benetzt wird.

Description

Erdwärmesonde für eine geotherme Wärmepumpe
Die Erfindung betrifft eine Erdwärmesonde zur Gewinnung von Erdwärme aus einer Bohrung.
Die Gewinnung der Erdwärme aus Bohrungen erfolgt durch das Fördern von thermalem Wasser aus aufgeschlossenen Wasserleitern oder durch die Abkühlung des Erdreiches entlang einer Bohrung. Die Abkühlung des
Erdreichs erfolgt mit verschiedenen Erdwärmesonden. Für den Wärmeentzug aus dem Erdreich können verdampfbare Kältemittel eingesetzt werden, die durch die Verdampfung die Energie gewinnen. Derartige
Direktverdampfersonden befinden sich auf dem Vormarsch. Sie bieten gegenüber Solesonden einen deutlich erhöhten Effizienzgrad und werden in Fachkreisen als die Technologie der Zukunft gesehen. Es bestehen beispielsweise Systeme auf Basis von Propan (R290), Butan, Ammoniak (R7 7) oder Kohlenstoffdioxid (R744), wobei Propan bevorzugt wird.
Unterschieden wird zwischen der oberflächennahen Geothermie zur direkten Nutzung, etwa zum Heizen und Kühlen, meist als Wärmepumpenheizung, und der tiefen Geothermie zur direkten Nutzung im Wärmemarkt oder auch indirekt zur Stromerzeugung. Tiefe Erdwärmesonden mit Direktverdampfern werden auch als Wärmerohre oder Heatpipes bezeichnet.
In der DE 42 1 1 576 A1 und der DE 298 24 676 U1 werden Anordnungen von Wärmerohren beschrieben, bei denen sich die Heizzone des Wärmerohres und damit die Verdampfung des flüssigen Kältemittels im unteren Teil des Rohres befindet. Der Dampf wird durch Sieden des flüssigen Kältemittels erzeugt; er wird dann weiter in einem Rohr nach oben geleitet und gibt oben durch Kondensation seine Energie ab. Diese wird direkt oder mit
Unterstützung einer Wärmepumpe genutzt.
In der WO 01/04550 wird das Kältemittel durch einen Kanal in die Sonde und durch einen zweiten Kanal nach oben geführt. Mittels einer spiralförmigen Bahn, die aufwendig hergestellt werden muss, wird eine Filmverdampfung angestrebt. Mit der dort beschriebenen Ausführung ist eine Verdampfung des Kältemittels über die gesamte Bohrungs- und damit Sondenlänge jedoch nicht erreichbar, so dass kein vollständiger Wärmeentzug ermöglicht wird.
Im Gebrauchsmuster DE 20 2004 018 559 U1 wird ein Wärmeerzeuger zur Gewinnung von Erdwärme aus einer Bohrung beschrieben, bei dem in einem Sondenrohr ein Kondensatstromverteiler eingebunden ist. Obwohl ebenfalls eine allseitige Benetzung erreicht werden soll, ist eine Filmverdampfung nicht realisierbar.
Schließlich wird in der DE 10 2007 005 270 A1 eine Erdwärmesonde beschrieben, die einen Kondensatstromverteiler mit radial und/oder tangential zur Wandung des Sondenrohres angeordneten Kondensat-Leiteinrichtungen enthält. Auf diese Weise soll ein radial verteilter Kondensatfilm erzeugt werden.
In der EP 1 450 142 A2 wird ein Wärmetauscherrohr beschrieben, das aus einem füllstoffhaltigen Polymerwerkstoff besteht. Das Rohr dient zur
Förderung von Luft als Wärmeträgermedium.
Schließlich ist aus der WO 2008/1 13569 eine Rohranordnung für
Erdwärmesonden bekannt, bei der die Rohre wenigstens eine Schicht aus einer Polymerformmasse besitzen, die einen die mechanische Beständigkeit erhöhenden Füll- oder Verstärkungsstoff enthält. Damit sollen
Beschädigungen der äußeren Oberfläche bei der Montage und nachfolgendes Risswachstum verhindert werden. Die Rohranordnung ist für den Transport eines flüssigen Wärmeträgermediums vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Erdwärmesonde mit einfachen Mitteln einen vollständigen Fallfilm zu erzeugen, so dass die gesamte Innenfläche des Sondenrohres gleichmäßig benetzt wird. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine als Direktverdampfersonde ausgelegte Erdwärmesonde zur Gewinnung von Erdwärme aus einer Bohrung, bei der die innere Oberfläche des Sondenrohrs folgende Rauhigkeitskennwerte aufweist: a) einen arithmetischen Mittenrauwert Ra gemäß DIN EN ISO 4287 im
Bereich von 1 bis 15 μιη, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 12 μιτι und besonders bevorzugt im Bereich von 3 bis 7 μιη,
b) eine gemittelte Rautiefe Rz gemäß DIN EN ISO 4287 im Bereich von 8 bis 80 μιτι, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 60 μηη und besonders bevorzugt im Bereich von 15 bis 40 μιτι sowie
c) eine maximale Rautiefe Rzl max gemäß DIN EN ISO 4287 im Bereich von 10 bis 500 μιη, vorzugsweise im Bereich von 15 bis 150 μιη und besonders bevorzugt im Bereich von 25 bis 65 μιτι.
Die Rauheitsmessung wird gemäß DIN EN ISO 4288 im Tastschnittverfahren durchgeführt. Bei der Rauheitsmessung mit einem mechanischen
Tastschnittgerät wird eine Tastspitze aus Diamant mit konstanter
Geschwindigkeit über die Oberfläche einer Probe verfahren. Das Messprofil ergibt sich aus der vertikalen Lageverschiebung der Tastspitze, die in der Regel durch ein induktives Wegmesssystem erfasst wird. Zur
messtechnischen Beschreibung einer Oberfläche werden aus dem Messprofil genormte Rauheitskenngrößen gewonnen.
Ra ist der arithmetische Mittenrauwert aus den Beträgen aller Profilwerte.
Rz ist der Mittelwert der fünf Rautiefenwerte aus den fünf
Einzel messstrecken.
Rz1 max ist die größte Rautiefe aus den fünf Einzelmessstrecken. Die Erdwärmesonde besteht aus einem Sondenrohr, das über einen Verfullbaustoff, beispielsweise Bentonit, mit dem Erdreich verbunden ist. Die Verdampfung des Kältemittel kondensats erfolgt auf der inneren Oberfläche des Sondenrohres. Der Transport des entstehenden Dampfes nach oben erfolgt dabei im Zentrum des Rohres.
Der Innendurchmesser des Sondenrohres liegt in der Regel im Bereich von 15 bis 80 mm, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 55 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 26 mm bis 32 mm.
Die Sondenlänge beträgt im Allgemeinen 60 bis 200 m, wobei in Einzelfällen auch größere oder kleinere Längen möglich sind. Vorzugsweise ist die Sonde 80 bis 120 m lang.
Als Kältemittel wird beispielsweise Propan (R290), Butan, Ammoniak (R717) oder Kohlenstoffdioxid (R744) verwendet. Weitere geeignete Kältemittel sind beispielsweise Propen (R 270), Tetrafluorethan (R 34a), Difluormethan (R32), Pentafluorethan (R125), ein Gemisch aus R32, R125 und R134a im Verhältnis 23/25/52 (R407C) oder ein Gemisch aus R32 und R125 im
Verhältnis 50 : 50 (R410A). Den physikalischen Gesetzmäßigkeiten zufolge steht das Sondeninnere damit unter relativ hohem Druck. Der aufgestiegene Kältemitteldampf wird in einem Kompressor verdichtet und damit verflüssigt. Bei der Komprimierung wird Kondensationswärme frei, die als Nutzwärme abgeführt wird. Das abgekühlte flüssige Kältemittel wird über eine
Expansionseinheit erneut der Sonde zugeführt und als Fallfilm nach unten geleitet. Unter Aufnahme der Erdwärme verdampft das Kältemittel hierbei erneut. Hinsichtlich Einzelheiten der technischen Durchführung wird auf den obengenannten Stand der Technik verwiesen.
Das Sondenrohr kann beispielsweise aus Metall bestehen. In diesem Fall trägt die Innenfläche eine raue Beschichtung. Selbstverständlich kann hier auch die Außenfläche beschichtet sein, beispielsweise aus Gründen des Korrosionsschutzes. Das Metall kann Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Stahl, beispielsweise Edelstahl, oder jedes andere Metall sein. Die
Beschichtung kann durch Pulverbeschichtung oder durch Beschichtung mit der Schmelze einer weiter unten beschriebenen Formmasse erfolgen, beispielsweise mittels Extrusionsbeschichtung.
Bevorzugt besteht das Rohr jedoch aus Kunststoff und insbesondere bevorzugt aus einer thermoplastischen Formmasse. Derartige Rohre können gewickelt werden, so dass die Notwendigkeit entfällt, bei der Montage vergleichsweise kurze Stücke miteinander z. B. durch Schweißen zu verbinden.
Die verwendete Formmasse muss eine ausreichende Steifigkeit besitzen, damit die Wandstärke aus Gründen des Wärmeübergangs dünn ausgelegt werden kann. Darüber hinaus muss der Kunststoff, der die Matrix der
Formmasse bildet, ausreichend beständig gegenüber dem Kältemittel sowie der Feuchtigkeit des Erdreichs sein. Dies bedeutet, dass die Wandung nicht quellen darf, da dies mit unerwünschten Längenänderungen verbunden wäre.
Geeignete Kunststoffe sind beispielsweise Fluorpolymere wie PVDF, PTFE oder ETFE, Polyarylenetherketone wie PEEK, Polyolefine wie Polyethylen oder Polypropylen sowie Polyamide.
Von den Polyamiden sind insbesondere diejenigen bevorzugt, deren
Monomereinheiten im arithmetischen Mittel mindestens 8, mindestens 9 bzw. mindestens 10 C-Atome enthalten. Die Monomereinheiten können sich von Lactamen bzw. ω-Aminocarbonsäuren herleiten. Wenn sich die
Monomereinheiten von einer Kombination von Diamin und Dicarbonsäure herleiten, muss das arithmetische Mittel der C-Atome von Diamin und
Dicarbonsäure mindestens 8, mindestens 9 bzw. mindestens 10 betragen. Geeignete Polyamide sind beispielsweise: PA610 (herstellbar aus
Hexamethylendiamin [6 C-Atome] und Sebacinsäure [10 C-Atome], das Mittel der C-Atome in den Monomereinheiten beträgt hier somit 8), PA88 (herstellbar aus Octamethylendiamin und 1 .8-Octandisäure), PA8 (herstellbar aus Capryllactam), PA612, PA810, PA108, PA9, PA613, PA614, PA812, PA128, PA1010, PA10, PA814, PA148, PA1012, PA1 1 , PA1014, PA1212 und PA12. Die Herstellung der Polyamide ist Stand der Technik.
Selbstverständlich können auch hierauf basierende Copolyamide eingesetzt werden, wobei gegebenenfalls auch Monomere wie Caprolactam mit verwendet werden können.
Ebenso können auch Mischungen verschiedener Polyamide, ausreichende Verträglichkeit vorausgesetzt, verwendet werden. Verträgliche
Polyamidkombinationen sind dem Fachmann bekannt; beispielsweise seien hier die Kombination PA12/PA1012, PA12/PA1212, PA612/PA12,
PA613/PA12, PA1014/PA12 und PA610/PA12 sowie entsprechende
Kombinationen mit PA1 1 aufgeführt. Im Zweifelsfall können verträgliche Kombinationen durch Routineversuche ermittelt werden.
Die thermoplastische Formmasse kann mit Verstärkungsfasern und/oder Füllstoffen gefüllt sein. Die Fasern bzw. Fül Istoffpartikel, die sich an der Oberfläche durchdrücken, erzeugen hierdurch die erforderliche Rauhigkeit. Zu diesem Zweck enthält die Formmasse 0,1 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 bis 20 Gew.-% und besonders bevorzugt 3 bis 10 Gew.-% Füllstoffe und/oder Fasern. In einer Ausführungsform enthält die Formmasse hierbei nur Fasern. In einer anderen Ausführungsform enthält die Formmasse nur Füllstoffe. In einer weiteren Ausführungsform enthält die Formmasse eine Mischung aus Fasern und Füllstoffen.
Geeignete Verstärkungsfasern sind beispielsweise Glasfasern, Basaltfasern, Carbonfasern, Aramidfasern und Kaliumtitanatwhisker, sowie Fasern aus höherschmelzenden Polymeren.
Als Füllstoffe sind beispielsweise Titandioxid, Zinksulfid, Silikate, Kreide, Aluminiumoxid und Glaskugeln geeignet. Mit geeigneten Verstärkungsfasern bzw. Füllstoffen kann die thermische Leitfähigkeit der Sondenwandung erhöht werden. Zu diesem Zweck können als Fasermaterial Metallfasern bzw. als Füllstoff Metallpulver, Ruß, Graphit, CNTs (Carbon Nanotubes), hexagonales Bornitrid oder auch Kombinationen bzw. Mischungen der verschiedenen Materialien eingesetzt werden.
Die Formmasse kann darüber hinaus die üblichen Hilfs- bzw. Zuschlagstoffe enthalten, beispielweise Schlagzähmodifier, Weichmacher, Stabilisatoren und/oder Verarbeitungshilfsmittel .
In einer weiteren Ausführungsform wird die Oberflächenrauhigkeit durch Eincompoundieren eines zweiten Polymeren erzeugt, das mit dem
Matrixpolymer unverträglich oder nur gering verträglich ist und deshalb nur relativ grob dispergiert wird. Geeignete Materialkombinationen sind
beispielsweise Polyamid/Polypropylen bzw. Polyamid/Ethylen-Acrylester- Acrylsäurecopolymer/Polypropylen.
Das Sondenrohr kann in einer Ausführungsform einschichtig sein und somit über die gesamte Wanddicke hinweg aus einer der oben beschriebenen Formmassen bestehen. In einer weiteren Ausführungsform ist das
Sondenrohr mehrschichtig, wobei die Innenschicht aus einer der oben beschriebenen Formmassen besteht und die anderen Schichten Funktionen besitzen, die von der Schicht aus der oberflächenrauen Formmasse nicht ausreichend wahrgenommen werden, beispielsweise Flexibilität,
Schlagzähigkeit oder Sperrwirkung gegenüber dem Kältemittel bzw. der Feuchtigkeit des Erdreichs. Falls die Schichten nicht ausreichend aufeinander haften, können gemäß dem Stand der Technik Haftvermittler eingesetzt werden.
Geeignete Schichtenabfolgen von innen nach außen sind beispielsweise: - Polyamid (beispielsweise PA12)/Haftvermittler/Polypropylen oder
Polyethylen;
- Polyamid (beispielsweise PA12)/Haftvermittler/Ethylen-Vinylalkohol- Copolymer (EVOH)/Haftvermittler/Polyamid;
- Polyamid/Haftvermittler/EVOH/Haftvermittler/Polypropylen oder
Polyethylen;
- Polyamid/Haftvermittler/Fluorpolymer (beispielsweise PVDF oder ETFE);
- Polyamid/haftungsmodifiziertes Fluorpolymer;
- Polyamid/Haftvermittler/Polybutylen-2,6-naphthalat/Haftvermittler/Polyamid.
Geeignete Haftvermittler für die Verbindung von Polyamid und Polyolefinen sind beispielweise mit Maleinsäureanhydrid funktionalisierte Polyolefine.
Polyamide wie PA12 und EVOH können beispielsweise mit Hilfe
maleinsäurefunktionalisierter Polyolefine oder mittels Polyamidblends entsprechend EP 1 216 826 A2 miteinander verbunden werden.
Für die Verbindung zwischen EVOH und Polyolefinen sind beispielsweise maleinsäurefunktionalisierte Polyolefine als Haftvermittler geeignet.
Haftvermittler für die Verbindung von Polyamiden und Fluorpolymeren sind beispielsweise aus der EP 0 618 390 A1 bekannt, während
haftungsmodifizierte Fluorpolymere beispielsweise durch Zumischen kleiner Mengen von Polyglutarimid entsprechend EP 0 637 51 1 A1 , durch
Funktionalisierung mit Maleinsäureanhydrid oder durch Einbau von
Carbonatgruppen entsprechend EP 0 992 518 A1 hergestellt werden können.
Um die Wirkung der Oberflächenrauhigkeit zu unterstützen, kann das
Sondenrohr zusätzlich Einbauten enthalten, wie sie aus dem Stand der Technik, beispielsweise der DE 10 2007 005 270 A1 , bekannt sind.
Mit der Erfindung wird erreicht, dass der Fallfilm über den Sondenumfang hinweg eine gleichmäßige Schichtdicke aufweist; eine Strähnenbildung oder ein Aufreißen des Films wird verhindert. Wegen der vergrößerten Oberfläche ist ein besserer Wärmeaustausch möglich; gleichzeitig wird die
Fließgeschwindigkeit verringert, was einer Überflutung des untersten Teils der Sonde entgegenwirkt.

Claims

Patentansprüche:
1 . Erdwärmesonde, die als Direktverdampfersonde ausgelegt ist, zur
Gewinnung von Erdwärme aus einer Bohrung,
dadurch gekennzeichnet,
dass die innere Oberfläche des Sondenrohrs folgende Rauhigkeitswerte aufweist:
a) einen arithmetischen Mittenrauwert Ra gemäß DIN EN ISO 4287 im Bereich von 1 bis 15 μιη,
b) eine gemittelte Rautiefe Rz gemäß DIN EN ISO 4287 im Bereich von 8 bis 80 μιτι sowie
c) eine maximale Rautiefe Rzi max gemäß DIN EN ISO 4287 im Bereich von 10 bis 500 μιτι,
wobei die Rauheitsmessung gemäß DIN EN ISO 4288 durchgeführt wird.
2. Erdwärmesonde gemäß Anspruch ,
dadurch gekennzeichnet,
dass Ra im Bereich von 2 bis 12 μητι, Rz im Bereich von 10 bis 60 μηη und Rzi max im Bereich von 15 bis 150 μιτι liegt.
3. Erdwärmesonde gemäß Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass Ra im Bereich von 3 bis 7 μιτι, Rz im Bereich von 15 bis 40 μηη und Rz1 max im Bereich von 25 bis 65 μιτι liegt.
4. Erdwärmesonde gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Sondenrohr aus einer oder mehreren Schichten besteht, die jeweils aus einer thermoplastischen Formmasse bestehen.
5. Erdwärmesonde gemäß Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das Sondenrohr oder die innerste Schicht des Sondenrohrs aus einer Formmasse besteht, deren Matrix aus Fluorpolymer,
Polyarylenetherketon, Polyolefin oder Polyamid besteht.
6. Erdwärmesonde gemäß einem der Ansprüche 4 und 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Sondenrohr oder die innerste Schicht des Sondenrohrs aus einer Formmasse besteht, die 0,1 bis 50 Gew.-% Verstärkungsfasern und/oder Füllstoffe enthält.
7. Erdwärmesonde gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Sondenrohr aus Metall besteht, wobei die Innenfläche eine raue Beschichtung trägt.
8. Verwendung einer Erdwärmesonde gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Gewinnung von Erdwärme aus einer Bohrung, wobei ein verdampfbares Kältemittel eingesetzt wird,
der aufgestiegene Kältemitteldampf in einem Kompressor verdichtet und verflüssigt wird und die Kondensationswärme als Nutzwärme abgeführt wird und
das abgekühlte flüssige Kältemittel erneut der Sonde zugeführt und als Fallfilm nach unten geleitet wird.
EP10768913A 2009-10-21 2010-10-11 Erdwärmesonde für eine geotherme wärmepumpe Withdrawn EP2491316A1 (de)

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