WO2007110030A2 - Geothermal probe - Google Patents

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WO2007110030A2
WO2007110030A2 PCT/DE2007/000438 DE2007000438W WO2007110030A2 WO 2007110030 A2 WO2007110030 A2 WO 2007110030A2 DE 2007000438 W DE2007000438 W DE 2007000438W WO 2007110030 A2 WO2007110030 A2 WO 2007110030A2
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geothermal probe
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Wolfgang Feldmann
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Wolfgang Feldmann
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24TGEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T10/00Geothermal collectors
    • F24T10/10Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground
    • F24T10/13Geothermal 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
    • F24T10/15Geothermal 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 using bent tubes; using tubes assembled with connectors or with return headers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24TGEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T10/00Geothermal collectors
    • F24T10/40Geothermal collectors operated without external energy sources, e.g. using thermosiphonic circulation or heat pipes
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/10Geothermal energy

Definitions

  • the invention relates to a geothermal probe for the use of geothermal heat with a bundle of several closed heat pipes, which are filled for heat transfer with a two-phase working medium, which is vaporized by geothermal and condensable in a heat output zone, wherein the respective heat pipes over the length in at least one Subdivide heat absorption zone, heat transfer zone and heat delivery zone.
  • the document DE 30 37721 A1 describes a heat pipe for exploiting the heat capacity of the soil and / or groundwater, for example for preventing the freezing of switches.
  • the probe tube is introduced into the soil in the form of a drill core so that the surrounding soil as Heat capacity acts.
  • the heat pipe is here a closed tube with a liquid / gaseous working medium and the surface-increasing deposits for improved heat transfer at the heat source from the heat in the ground to the working medium.
  • a special feature here is an increased by satellite tubes or ribs heat absorption surface mentioned. This measure attempts to maximize the amount of incoming heat.
  • the inflowing amount of heat is predominantly limited by the conductivity of the surrounding soil, so that an increase in the amount of heat that can be absorbed is achieved primarily by increasing the diameter of the cylindrical receiving surface.
  • heat switches are installed in the heat pipe, which regulate the heat transfer by interrupting the condensate backflow or by separation of condensation and evaporation or by a switching fluid according to the requirements.
  • the working fluid used here is a water / alcohol mixture, CFC or HFC.
  • the condensate stream is separated from the gas stream by the fact that the gas stream rises centrally in a separate, central, perforated tube and the condensate stream flows down along the tube outer wall.
  • the document DE29824676U1 describes a probe which can be provided with ribs in order to improve the heat transfer.
  • the document DE20320409U1 describes a stainless steel probe in the form of a corrugated tube, designed as a monotube or a double tube. This is to make it possible that even larger diameter stainless steel tubes can be introduced from a roll in one piece in the wellbore. Another goal here is that at larger wells, large pipe diameter and thus large moving volume of the working medium, the downflowing condensate film is not hindered by the ascending gas flow. With the pipe diameter or volume of the probe tube provided here, this component is subject to stricter provisions of the GPSG (Equipment and Product Safety Act).
  • the heat is either collected in pipes of the largest possible diameter and fed exactly to a use or it is collected in several pipes with a smaller diameter and fed exactly one use, such as a heat exchanger with downstream heat pump.
  • the invention has the object of developing a device for collecting geothermal heat, which are adapted to the specific requirements of an application purpose and thereby represent a more efficient and economical solution.
  • the invention includes the technical teaching relating to a geothermal probe for the use of geothermal heat with a bundle of several closed heat pipes, which are filled for the heat transport with a two-phase working medium, which can be evaporated by means of geothermal and condensable in a heat delivery zone.
  • the respective heat pipes are subdivided along their length into at least one heat absorption zone, heat transport zone and heat release zone, wherein at least two heat pipes in the heat absorption zone and / or in the heat transfer zone have different lengths.
  • the invention is based on the consideration that in geothermal probes for the collection of geothermal heat pipes using a liquid-gas working medium is used, the condensation temperature is slightly below the temperature of the heat source used.
  • geothermal heat means any low-temperature heat source available below the earth's surface, for example also waste heat from sewers.
  • the invention proposed here operates on the principle of a heat pipe, known in technical language as heatpipes. It is a gas-tight, predominantly vertical or steeply inclined installed pipe in which the working medium evaporated at the heat source, rises to the heat sink, condenses there and flows down into the same pipe back to the heat source.
  • the mass flow is the main factor influencing transmitted power.
  • the maximum transmittable power results from the chain yield of the soil in the heat receiving area, the thermal conductivity of the soil in the bore environment and the injection material around the hole, the thermal conductivity of the pipe material and the type, orientation and size of the heat receiving surface.
  • the fertility and conductivity as well as the size and orientation of the receiving surface are the main criteria. This shows that the heat conduction of the probe material is of secondary importance.
  • the requirement for different temperatures for the respective heat sinks can be met.
  • the individual tubes can be made of different lengths and then deliver different temperatures through their limited heat-receiving zone from the respective layers.
  • the heat absorption surface is limited by the fact that above it the pipe is thermally insulated, so that a heat absorption area is defined according to temperature and area.
  • the amount of heat required at the heat sink is adjusted by adjusting the length of the respective heat absorption zone.
  • a division of the heat flow in a tube bundle with a plurality of heat exchangers improves the operational and functional safety by a plurality of independently operating subsystems. This avoids a source of error in the adaptation of the heat flows which supply the heat quantity to the heat exchangers, as well as a potential source of damage, namely leakage of the probe tube at at least three additional connection points per division.
  • Such geothermal probes with novel components for heat recovery are suitable for the heating of buildings and facilities.
  • traffic systems for example in the railway industry for snow and ice clearance of switches, platforms and railroad crossings and other traffic areas outside the railway.
  • the heat requirement related to the application can be met with heat radiating smaller diameter than usual.
  • the use of a smaller pipe diameter allows for thinner equal wall thickness significantly thinner wall thickness. This results in the following additional advantages: Material savings, better processability and handling and greater flexibility in the choice of materials.
  • the different probe tube lengths allow further material savings of up to 45%.
  • At least two heat pipes can have different diameters in the heat absorption zone and / or in the heat transport zone.
  • different gas pressures can prevail in at least two heat pipes.
  • different working media can be introduced into at least two heat pipes. All of these embodiments open up the possibility of carrying out individual heat pipes with different heat outputs, as required.
  • Heat transfer zone to be thermally insulated.
  • each tube in the section above the heat receiving zone can be thermally insulated, and indeed against the parallel probe tubes with lower lying heat absorption zones. This ensures that takes place in the heat transport zone of each tube only a negligible small uncontrolled heat exchange with the environment.
  • the heat absorption zone is located at the lower end of each heat pipe in the tube bundle to ensure in each case that can accumulate no liquid working fluid at the end of the tube, which would be removed from the heat circulation.
  • the different heat absorption zones of a tube bundle are arranged at different depths.
  • a plurality of heat receiving zones and heat transport zones can be arranged on a heat pipe.
  • the heat absorption zones of the individual heat pipes can be arranged in tiers.
  • several heat pipes with heat absorption zones can be arranged on each floor around the circumference of the tube bundle. The number is based on the fact that each point is taken from the heat in the ground is not significantly affecting the adjacent heat extraction zones. For example, about six heat pipes are arranged circumferentially with heat receiving zones in each floor.
  • the heat pipes may at least partially have axially extending bulges or guide plates may be arranged in the interior, through whose influence the transport of the refluxing condensate takes place in a targeted manner.
  • the refluxing condensate is fed into the probe tube in a partially separated by continuous bulges or plates from the gas area and also flows through it in the transport zone down to the heat absorption zone.
  • the effectiveness is increased by the rising gas has little contact with the refluxing condensate, so that the flow and pressure losses are minimized in the tubes.
  • the heat pipe can advantageously have a spirally running embossing.
  • the heat pipe as a twisted tube with spiral embossing improves the flow conditions and thus the efficiency. This causes the ascending gas to be charged with a swirl and also the condensate that flows down. Due to the different density of the two states of aggregation of the working medium and the resulting different centrifugal forces, the substantial separation of the gas is achieved by the condensate, the condensate flows down to the outer wall.
  • the heat receiving surfaces of the heat pipes by helical guiding of the heat pipes in the heat receiving zone around the borehole axis and / or be increased by additional outer ribs. Due to the smaller diameter of the probe tubes, the circumference and thus the receiving surface is correspondingly reduced in relation to a tube of large diameter. Nevertheless, in order to optimally utilize the heat capacity of the soil surrounding the heat absorption zone, the tube can be guided spirally around the tube bundle in the respective heat-absorbing zone, as a result of which the absorption area is multiplied.
  • the heat pipes may be at least partially formed in the heat absorption zone as a surface heat exchanger, which engages wholly or partially around the inner heat pipes of the bundle.
  • the inner wall of the heat pipes can be rough.
  • the fluid flowing back can also be distributed to the entire surface in the interior of the tube.
  • At least one heat pipe can be widened in the region of the heat absorption zone at its pipe end.
  • the heat pipes can be twisted about the e-axis in the region of the respective heat absorption zones.
  • a fundamental improvement of the heat absorption is achieved by arranging the tubes such that only absorb the external heat and can additionally be improved by the heat receiving surface is increased by helical guide to the insulated heat pipes, which here form a kind of isolated core, in the receiving zone. This can also be done in the way that several tubes are guided quasi parallel as a multi-start thread with a larger pitch. If this results in a flat slope of the spiral of the heat receiving pipe section and the condensate flows only at the tube sheet and is not evenly distributed on the tube wall, it is proposed that the tube is rotated in the heat receiving area in itself. This ensures that the condensate with each revolution of the tube is at least partially reflected back to the pipe inner wall.
  • the heat pipe can be made of aluminum or steel.
  • FIG. 2 shows a heat probe with heat pipes of different lengths of the heat transport zone N by an insulation below the earth's surface and heat receiving zones H, arranged in layers, FIG. 2 shows a heat probe with heat pipes of different lengths.
  • Fig. 3 is a heat probe with tiered spiral guide of
  • FIG. 5 shows a heat probe with heat pipes, which are formed in the heat absorption zone H as surface heat exchanger, which engages around the inner heat pipes of the bundle
  • 6 A to H show a cross section of different embodiments of surface heat exchangers on different levels of a heat probe, which at least partially engage around the inner heat pipes of the bundle
  • FIG. 7 shows a heat pipe of a heat probe with a wall-side bulge
  • FIG. 8 shows a cross-section of a heat pipe according to FIG. 7, FIG.
  • FIG. 9 shows a heat pipe of a heat probe with inner guide plates
  • FIG. 10 shows a cross section of a heat pipe according to FIG. 9.
  • the 1 shows a heat probe 1 with heat pipes 2 of different lengths of the heat absorption zone H below the surface of the earth O.
  • the bundle is formed from a plurality of parallel in the ground heat pipes 2, which are filled for the heat transfer with a two-phase working medium.
  • the working medium evaporates due to the geothermal heat in the area of the heat absorption zone H and is transported via the heat transport zone N into a heat emission zone K.
  • the temperature of the vaporous working medium corresponds approximately to that of the surrounding earth layer, so that no heat is exchanged here.
  • the working fluid condenses after heat release and flows through gravity again in the heat pipe 2 in the depth.
  • the heat transferred in the respective heat pipe 2 depends on the different pipe lengths in the heat absorption zone H.
  • Fig. 2 shows a heat probe 1 with heat pipes 2 of different lengths in the heat transport zone N.
  • the length of the heat transfer zone N is defined by an insulation 3 below the earth's surface O.
  • the heat is transmitted via the exposed pipe ends of the heat pipes 2 to the working medium.
  • the exposed pipe ends form a heat absorption zone H arranged for the respective heat pipe 2.
  • FIG. 3 shows a heat probe 1 with floor-wise spiral guiding the heat pipes 2 in the heat absorption zone H around the borehole axis.
  • FIG. 3 shows a heat probe 1 with a spiral guide two heat pipes 2 in the heat absorption zone H to the borehole axis.
  • Both solutions have in common the enormously enlarged heat absorption surfaces by a helical guiding of the heat pipes 2 in the heat absorption zone H.
  • Fig. 5 shows a heat probe 1 with heat pipes 2, which are formed in the heat receiving zone H as a surface heat exchanger 7, which engage around the inner heat pipes 2 of the bundle.
  • the pipe end 8 of the deepest heat pipe 2 is widened conically in the region of the heat absorption zone H.
  • FIGS. 6A to 6G show a cross section of different embodiments of surface heat exchangers 7 on different levels of a heat probe 1, which at least partially engage around the inner heat pipes 2 of the bundle.
  • an annular surface heat exchanger 7 is formed on the lowest floor (Fig. 6A), which opens into the heat pipe 2, which leads centrally upwards.
  • Fig. 6B Around the central heat pipe 2, on the first floor (FIG. 6B), three further surface heat exchangers 7 are arranged, each one third of the circumference.
  • the heat pipes 2 opening out of the surface heat exchangers 7 are in turn led as close as possible to the centrally extending heat pipe 2 parallel to this upward.
  • the further floors are shown analogously in FIGS. 6C to 6G. Fig.
  • FIG. 6H shows a cross section through the tube bundle, as it is found for example in the heat transport zone N.
  • the inside pipe sections are thermally shielded by an insulation.
  • the back-flowing condensate is fed into the probe tube in a partially separated by continuous bulges or plates from the gas area and flows through it in the transport zone N down to into the heat absorption zone H.
  • the reflux channel 6 directs the liquid working medium directly into the bulge 4.
  • FIG. 8 shows the cross section of a heat pipe according to FIG. 7.
  • FIG. 9 shows a heat pipe 2 of a heat probe 1 with inner guide plates by means of which the transport of the refluxing condensate also takes place in a targeted manner.
  • FIG. 10 shows a cross section of a heat pipe according to FIG. 9.

Abstract

The invention relates to a geothermal probe for the exploitation of geothermal heat, comprising a cluster of several closed heat tubes, which for transporting the heat are filled with a two-phase working medium that can be evaporated by means of the geothermal heat and can be condensed in a heat discharging zone. In this case, the respective heat tubes are subdivided over their length into at least a heat receiving zone, a heat transporting zone and a heat discharging zone, at least two heat tubes in the heat receiving zone and/or in the heat transporting zone being of different lengths.

Description

B e s c h r e i b u n g Description
Erdwärmesondegeothermal probe
Die Erfindung betrifft eine Erdwärmesonde zur Nutzung von Erdwärme mit einem Bündel aus mehreren abgeschlossenen Wärmerohren, die für den Wärmetransport mit einem zweiphasigen Arbeitsmedium gefüllt sind, das mittels Erdwärme verdampfbar und in einer Wärmeabgabezone kondensierbar ist, wobei sich die jeweiligen Wärmerohre über deren Länge in zumindest eine Wärmeaufnahme- zone, Wärmetransportzone und Wärmeabgabezone untergliedern.The invention relates to a geothermal probe for the use of geothermal heat with a bundle of several closed heat pipes, which are filled for heat transfer with a two-phase working medium, which is vaporized by geothermal and condensable in a heat output zone, wherein the respective heat pipes over the length in at least one Subdivide heat absorption zone, heat transfer zone and heat delivery zone.
Erdwärme zum Beheizen von Straßen wird in der DE 35 32 542 A1 vorgeschlagen. Der geplante Einsatzzweck war eine Automobilteststrecke. Um diese große Fläche während eines Testprogramms sicher zu beheizen, sind sehr große Wärmeaufnahmeräume im Erdreich durch viele lange Bohrungen zu erschließen. Um dies zu begrenzen wurde die Wärme in Vorratsbehältern gesammelt und gelagert und bei Bedarf über eine durch Klimasensoren geführte Steuerung an die zu beheizende Straße abgegeben. Deshalb ist bei dieser Beheizung eine schaltbar ausgeführte Anlage vorgesehen, die erst bei Über- bzw. Unterschreiten von klimaspezifischen Grenzwerten wie Luftfeuchtigkeit, Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit, Oberflächentemperatur und Oberflächenfeuchtigkeit Wärme abgibt und so den Wärmevorrat des Erdreiches schont.Geothermal for heating roads is proposed in DE 35 32 542 A1. The intended use was an automobile test track. In order to safely heat this large area during a test program, very large heat receiving spaces in the ground can be opened up by many long holes. To limit this, the heat was collected in storage tanks and stored and delivered as needed via a guided by climate sensors control to the street to be heated. Therefore, a switchable running system is provided in this heating, which gives off heat when exceeding or falling below of climate-specific limits such as humidity, air temperature, wind speed, surface temperature and surface moisture and thus protects the heat storage of the soil.
Die Druckschrift DE 30 37721 A1 beschreibt ein Wärmerohr zur Ausnützung der Wärmekapazität des Erdreichs und/oder Grundwassers, beispielsweise zum Verhindern des Einfrierens von Weichen. Das Sondenrohr ist in Form eines Bohrkerns so in den Boden eingebracht, dass das umgebende Erdreich als Wärmekapazität wirkt. Das Wärmerohr ist hier ein abgeschlossenes Rohr mit einem flüssigen/gasförmigen Arbeitsmedium sowie die Oberfläche vergrößernden Einlagen für einen verbesserten Wärmeübergang an der Wärmequelle von der Wärme im Erdreich auf das Arbeitsmedium. Als Besonderheit ist hier eine durch Satellitenrohre oder Rippen vergrößerte Wärmeaufnahmefläche erwähnt. Durch diese Maßnahme wird versucht, die Menge der zufließenden Wärme zu maxi- mieren. Tatsächlich ist die zufließende Wärmemenge überwiegend durch die Leitfähigkeit des umgebenden Erdreiches begrenzt, so dass eine Erhöhung der aufnehmbaren Wärmemenge vorwiegend durch eine Vergrößerung des Durch- messers der zylinderförmigen Aufnahmefläche erreicht wird. Zur rationelleren Wärmeausnutzung sind Schalter im Wärmerohr eingebaut, die durch Unterbrechung des Kondensatrückflusses oder durch Trennung von Kondensationsund Verdampfungsteil oder durch eine Schaltflüssigkeit den Wärmetransport entsprechend den Anforderungen regeln. Als Arbeitsflüssigkeit wird hier eine Wasser-/Alkoholmischung, FCKW oder FKW verwendet.The document DE 30 37721 A1 describes a heat pipe for exploiting the heat capacity of the soil and / or groundwater, for example for preventing the freezing of switches. The probe tube is introduced into the soil in the form of a drill core so that the surrounding soil as Heat capacity acts. The heat pipe is here a closed tube with a liquid / gaseous working medium and the surface-increasing deposits for improved heat transfer at the heat source from the heat in the ground to the working medium. A special feature here is an increased by satellite tubes or ribs heat absorption surface mentioned. This measure attempts to maximize the amount of incoming heat. In fact, the inflowing amount of heat is predominantly limited by the conductivity of the surrounding soil, so that an increase in the amount of heat that can be absorbed is achieved primarily by increasing the diameter of the cylindrical receiving surface. For more efficient use of heat switches are installed in the heat pipe, which regulate the heat transfer by interrupting the condensate backflow or by separation of condensation and evaporation or by a switching fluid according to the requirements. The working fluid used here is a water / alcohol mixture, CFC or HFC.
Des Weiteren ist nach einem ähnlichen Verfahren eine ausgeführte Prototypanlage mit Propan als Arbeitsmedium bekannt.Furthermore, according to a similar method, an executed prototype plant with propane as the working medium is known.
In der Druckschrift EP 1529880 und WO002005045134 handelt es sich um eine direkt Verkehrsanlagen beheizende Erdwärmesonde, deren Wärmestrom über mindestens ein Wärmerohr von der Wärmequelle über die Transportzone geleitet und auf mehrere Wärmeverteilrohre aufgeteilt wird, bevor im Bereich einer Wärmesenke die Wärme abgegeben wird.The document EP 1529880 and WO002005045134 concerns a geothermal probe which directly radiates traffic systems, the heat flow of which is conducted via the heat source via the transport zone via at least one heat pipe and split over several heat distribution tubes before the heat is released in the region of a heat sink.
In der Patentschrift EP 1194723 B1 wird eine Ausführung dargestellt, in der das flüssige Medium in einem spiralförmig geführten Rohr hinabfließt, das sich um das Rohr mit dem aufsteigenden Medium windet. Ein ähnlicher Vorschlag wird in US5816314 gemacht.In the patent EP 1194723 B1, an embodiment is shown, in which the liquid medium flows down in a spirally guided tube which winds around the tube with the ascending medium. A similar proposal is made in US5816314.
In der Patentschrift DE 4240082 C1 wird eine Sonde beschrieben, in der der Vorlauf des Gases vom Rücklauf des Kondensates des Arbeitsmediums durch Lochbleche getrennt ist. Dies geschieht, um im Falle eines Kapillarrohres bereits auf dem Transportweg die Gasblasen aus der Flüssigkeit zu separieren und dem Gasstrom zuzuführen.In the patent DE 4240082 C1, a probe is described in which the flow of the gas from the return of the condensate of the working medium is separated by perforated plates. This happens to already in case of a capillary tube to separate the gas bubbles from the liquid on the transport route and to supply them to the gas stream.
Über Anwendungen von CO2 als Medium in Erdwärmesonden sind als Veröffentlichungen bekannt DE29824676U1 , DE20320409U1 , DE20210841 U1.Applications of CO 2 as a medium in geothermal probes are known as publications DE29824676U1, DE20320409U1, DE20210841 U1.
In DE20210841U1 wird eine Sonde beschrieben, deren Kondensatstrom vom Gasstrom dadurch getrennt ist, dass der Gasstrom mittig in einem separaten, zentralen, gelochten Rohr aufsteigt und der Kondensatstrom an der Rohraußenwand entlang hinabfließt.In DE20210841U1 a probe is described, the condensate stream is separated from the gas stream by the fact that the gas stream rises centrally in a separate, central, perforated tube and the condensate stream flows down along the tube outer wall.
In der Druckschrift DE29824676U1 wird eine Sonde beschrieben, die, um den Wärmeübergang zu verbessern, mit Rippen versehen sein kann.The document DE29824676U1 describes a probe which can be provided with ribs in order to improve the heat transfer.
In der Druckschrift DE20320409U1 wird eine Sonde aus nicht rostendem Stahl in Form eines Wellrohres beschrieben, als Einrohr oder Doppelrohr ausgeführt. Hiermit soll ermöglicht werden, dass auch längere Rohre aus nicht rostendem Stahl mit größerem Durchmesser von einer Rolle in einem Stück in das Bohrloch eingebracht werden können. Weiteres Ziel hierbei ist, dass bei größeren Bohrlochtiefen, großem Rohrdurchmesser und damit großem bewegten Volumen des Arbeitsmediums, der hinabfließende Kondensatfilm nicht von dem aufsteigenden Gasstrom behindert wird. Mit dem hier vorgesehenen Rohrdurchmesser bzw. Volumen des Sondenrohres, unterliegt dieses Bauteil schärferen Bestimmungen des GPSG (Geräte- und Produktsicherheitsgesetz).The document DE20320409U1 describes a stainless steel probe in the form of a corrugated tube, designed as a monotube or a double tube. This is to make it possible that even larger diameter stainless steel tubes can be introduced from a roll in one piece in the wellbore. Another goal here is that at larger wells, large pipe diameter and thus large moving volume of the working medium, the downflowing condensate film is not hindered by the ascending gas flow. With the pipe diameter or volume of the probe tube provided here, this component is subject to stricter provisions of the GPSG (Equipment and Product Safety Act).
In den bekannten Ausführungen von Erdwärmesonden werden auch Kupferrohre, durch PE-Folienbeschichtung korrosionsgeschützt, mit dem maximal möglichen Durchmesser verwendet, der noch eine leichte Verformbarkeit erlaubt, so dass die Rohre von einer Rolle abgewickelt, gerade geformt, in das Bohrloch versenkt werden können. Der größtmögliche Rohrdurchmesser wird durch die für den Einbau notwendige Mindestverformbarkeit vorgegeben. Es werden hier mehrere gleichlange Rohre in einer Bohrung verwendet. Diese Ausführungen wurden bereits zahlreich bei Erdwärme nutzenden Gebäudeheizungen installiert. Ebenso ist es Stand der Technik ein Verpressungsmaterial im Bohrloch mit die Wärmeleitung verbessernden Zusätzen zu verwenden. In allen bekannten Fällen erfolgt die Wärmeaufnahme gleichmäßig über die gesamte Bohrlochtiefe mindestens ab unterhalb der neutralen Zone, der Tiefe, die keinen Temperaturschwankungen im Jahresverlauf aufweist.In the known versions of geothermal probes and copper pipes, corrosion protected by PE film coating, used with the maximum possible diameter, which still allows easy deformability, so that the tubes unwound from a roll, just shaped, can be sunk into the well. The largest possible pipe diameter is specified by the minimum ductility required for installation. It will be used here several equal-length pipes in a hole. These versions have already been installed in numerous geothermal building heaters. As well It is known in the art to use a downhole grout with the heat conduction enhancing additives. In all known cases, the heat absorption takes place uniformly over the entire borehole depth at least below the neutral zone, the depth that has no temperature fluctuations over the course of the year.
Bei einem überwiegenden Anteil der bekannten Sonden wird die Wärme entweder in Rohren möglichst großen Durchmessers gesammelt und genau einer Nutzung zugeführt oder sie wird in mehreren Rohren mit kleinerem Durchmesser gesammelt und genau einer Nutzung, beispielsweise einem Wärmeübertrager mit nachgeschalteter Wärmepumpe zugeführt.In a majority of the known probes, the heat is either collected in pipes of the largest possible diameter and fed exactly to a use or it is collected in several pipes with a smaller diameter and fed exactly one use, such as a heat exchanger with downstream heat pump.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Sammlung von Erdwärme weiterzubilden, die den speziellen Anforderungen eines Einsatzzwecks angepasst sind und dabei eine effizientere und wirtschaftlichere Lösung darstellen.The invention has the object of developing a device for collecting geothermal heat, which are adapted to the specific requirements of an application purpose and thereby represent a more efficient and economical solution.
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiter- bildungen der Erfindung.The invention is represented by the features of claim 1. The further dependent claims relate to advantageous developments and further developments of the invention.
Die Erfindung schließt die technische Lehre bezüglich einer Erdwärmesonde zur Nutzung von Erdwärme mit einem Bündel aus mehreren abgeschlossenen Wärmerohren ein, die für den Wärmetransport mit einem zweiphasigen Arbeits- medium gefüllt sind, das mittels Erdwärme verdampfbar und in einer Wärmeabgabezone kondensierbar ist. Dabei untergliedern sich die jeweiligen Wärmerohre über deren Länge in zumindest eine Wärmeaufnahmezone, Wärmetransportzone und Wärmeabgabezone, wobei zumindest zwei Wärmerohre in der Wärmeaufnahmezone und/oder in der Wärmetransportzone unterschiedliche Längen aufweisen. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass bei Erdwärmesonden zur Sammlung von Erdwärme mittels Wärmerohren ein flüssig -gasförmiges Arbeitsmedium verwendet wird, dessen Kondensationstemperatur etwas unterhalb der Temperatur der genutzten Wärmequelle ist. Sie dient vorzugsweise als Wärme- quelle zur Frostfreihaltung von Verkehrswegen und -anlagen, wie Bahnanlagen. Dies geschieht vorwiegend unter Nutzung eines geringen Temperaturgefälles zwischen Erdwärme und/oder der im Grundwasser und/oder Abwasser enthaltenen Wärme gegenüber der für die zu beheizenden Bauten oder Anlagen erforderlichen Temperaturen mindestens gegenüber dem Gefrierpunkt von Wasser. Dabei werden keine zusätzlichen, mit Fremdenergie angetriebenen Pumpen oder sonstige bewegte Teile benötigt. Als Erdwärme ist in diesem Zusammenhang jegliche unterhalb der Erdoberfläche zur Verfügung stehende Niedertemperaturwärmequelle zu verstehen, beispielsweise auch Abwärme aus Abwasserkanälen.The invention includes the technical teaching relating to a geothermal probe for the use of geothermal heat with a bundle of several closed heat pipes, which are filled for the heat transport with a two-phase working medium, which can be evaporated by means of geothermal and condensable in a heat delivery zone. In this case, the respective heat pipes are subdivided along their length into at least one heat absorption zone, heat transport zone and heat release zone, wherein at least two heat pipes in the heat absorption zone and / or in the heat transfer zone have different lengths. The invention is based on the consideration that in geothermal probes for the collection of geothermal heat pipes using a liquid-gas working medium is used, the condensation temperature is slightly below the temperature of the heat source used. It preferably serves as a source of heat for freezing of traffic routes and facilities, such as railway systems. This is done predominantly using a small temperature gradient between geothermal and / or the heat contained in the groundwater and / or wastewater compared to the temperatures required for the buildings to be heated or plants at least to the freezing point of water. No additional pumps powered by external energy or other moving parts are required. In this context, geothermal heat means any low-temperature heat source available below the earth's surface, for example also waste heat from sewers.
Die hier vorgeschlagene Erfindung arbeitet nach dem Prinzip eines Wärmerohres, in der Fachsprache auch unter Heatpipes bekannt. Es ist das ein gasdicht verschlossenes, überwiegend vertikal oder stark geneigt installiertes Rohr, in dem das Arbeitsmedium an der Wärmequelle verdampft, zur Wärmesenke aufsteigt, dort kondensiert und in demselben Rohr wieder zur Wärmequelle hinabfließt.The invention proposed here operates on the principle of a heat pipe, known in technical language as heatpipes. It is a gas-tight, predominantly vertical or steeply inclined installed pipe in which the working medium evaporated at the heat source, rises to the heat sink, condenses there and flows down into the same pipe back to the heat source.
Der Massenstrom ist die wesentliche Einflussgröße für übertragene Leistung. Die maximal übertragbare Leistung ergibt sich aus der Kette Ergiebigkeit des Erdreiches im Wärmeaufnahmebereich, der Wärmeleitfähigkeit des Erdreiches in der Bohrungsumgebung und des Verpressmaterials um die Bohrung, der Wärmeleitfähigkeit des Rohrmaterials und der Art, Ausrichtung und Größe der Wärmeaufnahmefläche. Dabei sind die Ergiebigkeit und Leitfähigkeit sowie die Größe und Ausrichtung der Aufnahmefläche die Hauptkriterien. Das zeigt, dass die Wärmeleitung des Sondenmaterials von nachrangiger Bedeutung ist.The mass flow is the main factor influencing transmitted power. The maximum transmittable power results from the chain yield of the soil in the heat receiving area, the thermal conductivity of the soil in the bore environment and the injection material around the hole, the thermal conductivity of the pipe material and the type, orientation and size of the heat receiving surface. The fertility and conductivity as well as the size and orientation of the receiving surface are the main criteria. This shows that the heat conduction of the probe material is of secondary importance.
Da hier die Forderung nach der Möglichkeit besteht, mehrere kleine, teilweise gleichgroße Leistungen auf jeweils genau die gleiche Anzahl Wärmesenken zu übertragen und nicht eine möglichst große Leistung aus einem oder mehreren Rohren auf einen Wärmeübertrager zu führen, wird nicht vorgeschlagen mehrere Wärmesenken aus einem Sondenrohr zu speisen, sondern jeder Wärmesenke genau ein Wärmerohr aus einem Rohrbündel einer Sonde zuzuordnen. Dabei wird dem Erdreich über die Größe der jeweiligen Wärmeaufnahmefläche eines Wärmerohrs nur soviel Wärme entnommen, wie für die jeweilige Wärmesenke benötigt wird.Since there is the demand for the possibility of several small, sometimes equal-sized services to each exactly the same number of heat sinks It is not proposed to feed a plurality of heat sinks from a probe tube, but to assign each heat sink exactly one heat pipe from a tube bundle to a probe and not to lead the largest possible power from one or more tubes to a heat exchanger. In this case, only the amount of heat that is required for the respective heat sink is taken from the ground via the size of the respective heat absorption surface of a heat pipe.
Auf diese Weise kann auch die Forderung nach verschiedenen Temperaturen für die jeweiligen Wärmesenken erfüllt werden. Da das Erdreich mit größerer Tiefe auch wärmer wird, können die einzelnen Rohre verschieden lang ausgeführt werden und durch deren begrenzte Wärmeaufnahmezone aus den jeweiligen Schichten dann unterschiedlichen Temperaturen liefern. Die Wärmeaufnahme - fläche wird dadurch begrenzt, dass oberhalb davon das Rohr thermisch isoliert wird, somit ein nach Temperatur und Fläche genau definierter Wärmeaufnahme- bereich vorliegt.In this way, the requirement for different temperatures for the respective heat sinks can be met. As the soil also gets warmer with greater depth, the individual tubes can be made of different lengths and then deliver different temperatures through their limited heat-receiving zone from the respective layers. The heat absorption surface is limited by the fact that above it the pipe is thermally insulated, so that a heat absorption area is defined according to temperature and area.
In den Fällen, in denen die Aufnahmezone einer Sonde durch mehrere geologische Schichten mit jeweils unterschiedlicher Wärmekapazität reicht, wird durch eine Anpassung der Länge der jeweiligen Wärmeaufnahmezone, die an der Wärmesenke geforderte Wärmemenge geliefert.In cases where the receiving zone of a probe extends through several geological layers, each with a different heat capacity, the amount of heat required at the heat sink is adjusted by adjusting the length of the respective heat absorption zone.
Aus der Anschauung ist es einleuchtend, dass ein hoher Gasdurchsatz in einem Rohr zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten führt. Der Rohrdurchmesser limitiert den Massendurchsatz bei vorgegebener Maximalgeschwindigkeit des Mediums. Dies bedeutet, dass der gleichmäßige Fluss des Kondensatfilms an der Rohrwand, hinab zum Sondenfuß, von dem aufsteigenden Gasstrom behindert wird, sobald die Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Massenstrom die kritische Größe überschreitet. Dies wird hier dadurch verhindert, dass die Wärmeaufnahmefläche, die Menge des Fluids im Rohr und damit der maximale Leistungsdurchsatz begrenzt werden. Die Wärmeaufnahmefläche wird dadurch begrenzt, dass oberhalb davon das Rohr thermisch isoliert wird, somit ein nach Temperatur und Fläche genau definierter Wärmeaufnahme bereich vorliegt. Der besondere Vorteil besteht darin, dass die erfindungsgemäße Erdwärmesonde eine den heutigen Stand übertreffende Effizienz bezüglich Wärmenutzung, Materialeinsatz und Wirtschaftlichkeit aufweist. Die Effizienz bezüglich der Wärmenutzung ergibt sich aus der optimierten Wärmeaufnahme der aus dem Erdreich gesteuert über einen Temperaturgradienten zufließenden Wärme.From the point of view it is obvious that a high gas flow rate in a pipe leads to high flow velocities. The pipe diameter limits the mass flow rate at a given maximum speed of the medium. This means that the uniform flow of the condensate film on the tube wall, down to the probe foot, is hindered by the ascending gas flow as soon as the flow velocity and / or the mass flow exceeds the critical size. This is prevented here in that the heat absorption surface, the amount of fluid in the pipe and thus the maximum power throughput are limited. The heat absorption surface is limited by the fact that above it, the tube is thermally insulated, thus there is a temperature range and area exactly defined heat absorption area. The particular advantage is that the geothermal probe according to the invention has a surpassing the current level efficiency with respect to heat, material usage and efficiency. The efficiency with regard to the use of heat results from the optimized heat absorption of the heat flowing from the soil via a temperature gradient.
So ergibt sich bei einer Sonde anwendungsspezifisch eine Aufteilung der im Erdreich zur Verfügung stehenden Wärme auf das Arbeitsmedium im Rahmen mehrerer kleiner Wärmesenken mit genau definierten Wärmemengen. Eine Aufteilung des Wärmestromes in ein Rohrbündel mit mehreren Wärmeübertragern verbessert die Betriebs- und Funktionssicherheit durch eine Vielzahl von unabhängig voneinander arbeitenden Teilsystemen. Dadurch wird eine Fehlerquelle bei der Anpassung der die Wärmemenge an die Wärmeübertrager lie- fernden Wärmeströme ebenso vermieden, wie eine potentielle Schadensquelle, nämlich Undichtigkeit des Sondenrohres an mindestens drei zusätzlichen Verbindungsstellen je Aufteilung.Thus, in the case of a probe, application-specific division of the heat available in the ground into the working medium results in the context of several small heat sinks with precisely defined amounts of heat. A division of the heat flow in a tube bundle with a plurality of heat exchangers improves the operational and functional safety by a plurality of independently operating subsystems. This avoids a source of error in the adaptation of the heat flows which supply the heat quantity to the heat exchangers, as well as a potential source of damage, namely leakage of the probe tube at at least three additional connection points per division.
Unterschiedliche Leistungsanforderungen von mehreren Wärmeübertragern können vom Konzept her aus einer einzigen Sonde erfüllt werden. Dabei kann auch der Materialaufwand insbesondere durch die unterschiedlichen Längen der Sondenrohre minimiert werden.Different performance requirements of several heat exchangers can be conceptually fulfilled from a single probe. In this case, the cost of materials can be minimized in particular by the different lengths of the probe tubes.
Derartige Erdwärmesonden mit neuartigen Komponenten zur Wärmegewinnung eignen sich für die Beheizung von Gebäuden und Anlagen. Insbesondere für Verkehrsanlagen, beispielsweise im Eisenbahnwesen zur Schnee- und Eisfreihaltung von Weichen, Bahnsteigen und Bahnübergängen und anderen Verkehrsflächen auch außerhalb des Eisenbahnwesens.Such geothermal probes with novel components for heat recovery are suitable for the heating of buildings and facilities. In particular for traffic systems, for example in the railway industry for snow and ice clearance of switches, platforms and railroad crossings and other traffic areas outside the railway.
Der auf die Anwendung bezogene Wärmebedarf lässt sich mit Wärmero hren kleineren Durchmessers als bisher üblich erfüllen. Die Verwendung eines kleineren Rohrdurchmessers erlaubt bei gleich großer Berstfestigkeit wesentlich dünnere Wandstärken. Dadurch ergeben sich folgende weitere Vorteile: Materialeinsparung, bessere Verarbeitbarkeit und Handhabung und größere Flexibilität bei der Materialwahl. Überdies kann durch die unterschiedlichen Sondenrohr- längen eine weitere Materialeinsparung von bis zu 45% realisiert werden.The heat requirement related to the application can be met with heat radiating smaller diameter than usual. The use of a smaller pipe diameter allows for thinner equal wall thickness significantly thinner wall thickness. This results in the following additional advantages: Material savings, better processability and handling and greater flexibility in the choice of materials. In addition, the different probe tube lengths allow further material savings of up to 45%.
Vorteilhafterweise können zumindest zwei Wärmerohre in der Wärmeaufnahme - zone und/oder in der Wärmetransportzone unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Alternativ oder in Kombination hierzu können in zumindest zwei Wärmerohren unterschiedliche Gasdrücke herrschen. Des Weiteren können in zumindest zwei Wärmerohren unterschiedliche Arbeitsmedien eingebracht sein. All diese Ausführungsformen eröffnen die Möglichkeit, einzelne Wärmerohre mit unterschiedlichen Wärmeleistungen, dem Bedarf entsprechend, auszuführen.Advantageously, at least two heat pipes can have different diameters in the heat absorption zone and / or in the heat transport zone. Alternatively or in combination, different gas pressures can prevail in at least two heat pipes. Furthermore, different working media can be introduced into at least two heat pipes. All of these embodiments open up the possibility of carrying out individual heat pipes with different heat outputs, as required.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können die Wärmerohre in derIn a preferred embodiment of the invention, the heat pipes in the
Wärmetransportzone thermisch isoliert sein. Um die Wärmegewinnung weiter zu verbessern, kann jedes Rohr im Abschnitt oberhalb der Wärmeaufnahmezone thermisch isoliert werden und zwar auch gegen die parallel laufenden Sondenrohre mit weiter unten liegender Wärmeaufnahmezonen. Damit wird erreicht, dass in der Wärmetransportzone eines jeden Rohres nur ein vernachlässigbar kleiner unkontrollierter Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet.Heat transfer zone to be thermally insulated. In order to further improve the heat recovery, each tube in the section above the heat receiving zone can be thermally insulated, and indeed against the parallel probe tubes with lower lying heat absorption zones. This ensures that takes place in the heat transport zone of each tube only a negligible small uncontrolled heat exchange with the environment.
In bevorzugter Ausführungsform befindet sich die Wärmeaufnahmezone am unteren Ende des jeweiligen Wärmerohres im Rohrbündel, um in jedem Falle zu gewährleisten, dass sich am Rohrende kein flüssiges Arbeitsmedium ansammeln kann, das dem Wärme kreislauf entzogen wäre. Um eine effektivere Nutzung der Wärmequelle zu erreichen, werden die verschiedenen Wärmeaufnahmezonen eines Rohrbündels so in verschiedenen Tiefen angeordnet.In a preferred embodiment, the heat absorption zone is located at the lower end of each heat pipe in the tube bundle to ensure in each case that can accumulate no liquid working fluid at the end of the tube, which would be removed from the heat circulation. In order to achieve a more effective use of the heat source, the different heat absorption zones of a tube bundle are arranged at different depths.
Vorteilhafterweise können an einem Wärmerohr mehrere Wärmeaufnahmezonen und Wärmetransportzonen angeordnet sein. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können die Wärmeaufnahmezonen der einzelnen Wärmerohre etagenweise angeordnet sein. Hierdurch können um den Umfang des Rohrbündels auf jeder Etage mehrere Wärmerohre mit Wärme- aufnahmezonen angeordnet sein. Die Anzahl richtet sich danach, dass jede Stelle an der Wärme im Erdreich entnommen wird nicht die benachbarten Wärmeentnahmezonen maßgeblich beeinflusst. Beispielsweise werden so umfänglich ungefähr sechs Wärmerohre mit Wärmeaufnahmezonen in jeder Etage angeordnet.Advantageously, a plurality of heat receiving zones and heat transport zones can be arranged on a heat pipe. In a preferred embodiment of the invention, the heat absorption zones of the individual heat pipes can be arranged in tiers. As a result, several heat pipes with heat absorption zones can be arranged on each floor around the circumference of the tube bundle. The number is based on the fact that each point is taken from the heat in the ground is not significantly affecting the adjacent heat extraction zones. For example, about six heat pipes are arranged circumferentially with heat receiving zones in each floor.
Vorteilhafterweise können die Wärmerohre zumindest abschnittsweise axial verlaufende Auswölbungen aufweisen oder Führungsbleche im Innern angeordnet sein, durch deren Einfluss der Transport des zurückfließenden Kondensats gezielt erfolgt. Dabei wird das zurückfließende Kondensat in das Sondenrohr in einen teilweise durch fortlaufende Auswölbungen oder Bleche vom Gas getrennten Bereich eingespeist und fließt auch darin durch die Transportzone hinab bis in die Wärmeaufnahmezone. Hierdurch wird die Effektivität gesteigert, indem das aufsteigende Gas kaum Kontakt zum zurückfließenden Kondensat hat, so dass die Strömungs- und Druckverluste in den Rohren minimiert werden.Advantageously, the heat pipes may at least partially have axially extending bulges or guide plates may be arranged in the interior, through whose influence the transport of the refluxing condensate takes place in a targeted manner. In this case, the refluxing condensate is fed into the probe tube in a partially separated by continuous bulges or plates from the gas area and also flows through it in the transport zone down to the heat absorption zone. As a result, the effectiveness is increased by the rising gas has little contact with the refluxing condensate, so that the flow and pressure losses are minimized in the tubes.
Alternativ kann vorteilhafterweise das Wärmerohr inwändig eine spiralförmig verlaufende Prägung besitzen. Das Wärmerohr als in sich verdrehtes Rohr mit spiralförmiger Prägung verbessert die Strömungsverhältnisse und damit die Effizienz. Dies bewirkt, dass das aufsteigende Gas mit einem Drall beaufschlagt wird und ebenso das herabfließende Kondensat. Durch die unterschiedliche Dichte der beiden Aggregatszustände des Arbeitsmediums und die sich daraus ergebenden unterschiedlichen Zentrifugalkräfte, wird die weitgehende Trennung des Gases vom Kondensat erreicht, wobei das Kondensat an der Außenwand hinabfließt.Alternatively, the heat pipe can advantageously have a spirally running embossing. The heat pipe as a twisted tube with spiral embossing improves the flow conditions and thus the efficiency. This causes the ascending gas to be charged with a swirl and also the condensate that flows down. Due to the different density of the two states of aggregation of the working medium and the resulting different centrifugal forces, the substantial separation of the gas is achieved by the condensate, the condensate flows down to the outer wall.
Vorteilhafterweise können die Wärmeaufnahmeflächen der Wärmerohre durch spiralförmige Führung der Wärmerohre in der Wärmeaufnahmezone um die Bohrlochachse und/oder durch zusätzliche äußere Rippen vergrößert sein. Durch den kleineren Durchmesser der Sondenrohre ist der Umfang und damit die Aufnahmefläche gegenüber einem Rohr großen Durchmessers entsprechend verringert. Um dennoch die Wärmekapazität des die Wärmeaufnahmezone umgebenden Erdreichs optimal auszunutzen kann das Rohr in der jeweils Wärme aufnehmenden Zone beispielsweise um das Rohrbündel spiralförmig herumgeführt werden, wodurch die Aufnahmefläche vervielfacht wird.Advantageously, the heat receiving surfaces of the heat pipes by helical guiding of the heat pipes in the heat receiving zone around the borehole axis and / or be increased by additional outer ribs. Due to the smaller diameter of the probe tubes, the circumference and thus the receiving surface is correspondingly reduced in relation to a tube of large diameter. Nevertheless, in order to optimally utilize the heat capacity of the soil surrounding the heat absorption zone, the tube can be guided spirally around the tube bundle in the respective heat-absorbing zone, as a result of which the absorption area is multiplied.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können in der Wärmeaufnahmezone die Wärmerohre zumindest abschnittsweise als Flächenwärmeaustauscher ausgebildet sein, der ganz oder teilweise um die innen liegenden Wärmerohre des Bündels greift. Hierdurch wird über den gesamten Umfang oder auch nur einen Teil des Rohrbündels auf einfache Weise größere Anteile der Erdwärme effizient gesammelt und beispielsweise ausgewählten Wärmerohren zur Verfügung gestellt.In a preferred embodiment of the invention, the heat pipes may be at least partially formed in the heat absorption zone as a surface heat exchanger, which engages wholly or partially around the inner heat pipes of the bundle. As a result, over the entire circumference or even only part of the tube bundle, larger portions of the geothermal energy are collected in a simple manner and, for example, made available to selected heat pipes.
Vorteilhafterweise kann zumindest im Bereich der Wärmeaufnahmezone die Innenwand der Wärmerohre rau sein. Hierdurch kann neben der erhöhten Wärmeübertragungsfläche zudem das zurückfließende Fluid auch auf die gesamte der Oberfläche im Rohrinneren verteilt werden.Advantageously, at least in the region of the heat absorption zone, the inner wall of the heat pipes can be rough. As a result, in addition to the increased heat transfer surface, the fluid flowing back can also be distributed to the entire surface in the interior of the tube.
Ebenso kann zumindest ein Wärmerohr im Bereich der Wärmeaufnahmezone an seinem Rohrende aufgeweitet sein. Hierdurch findet insbesondere am untersten Sammelpunkt des zurückfließenden flüssigen Arbeitsmediums ein erhöhter Wärmeeintrag statt.Likewise, at least one heat pipe can be widened in the region of the heat absorption zone at its pipe end. As a result, in particular at the lowest collection point of the returning liquid working medium, an increased heat input takes place.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können im Bereich der jeweiligen Wärmeaufnahmezonen die Wärmerohre um die e igene Achse tordiert sein. Eine prinzipielle Verbesserung der Wärmeaufnahme wird erreicht durch Anordnung der Rohre derart, dass nur die äußeren Wärme aufnehmen und kann zusätzlich dadurch verbessert werden, dass die Wärmeaufnahmefläche durch spiralförmige Führung um die isolierten Wärmerohre, die hier eine Art isolierten Kern bilden, in der Aufnahmezone vergrößert wird. Dies kann auch in der Art erfolgen, dass mehrere Rohre quasi parallel wie ein mehrgängiges Gewinde mit größerer Stei- gung geführt werden. Wenn sich daraus eine flache Steigung der Spirale des Wärme aufnehmenden Rohrabschnittes ergibt und das Kondensat nur am Rohrboden fließt und nicht gleichmäßig an der Rohrwand verteilt ist, wird vorgeschlagen, dass das Rohr im Wärmeaufnahmebereich in sich gedreht ist. Damit wird erreicht, dass das Kondensat mit jeder Umdrehung des Rohres wieder zumindest teilweise an die Rohrinnenwand zurückgeworfen wird.In a preferred embodiment of the invention, the heat pipes can be twisted about the e-axis in the region of the respective heat absorption zones. A fundamental improvement of the heat absorption is achieved by arranging the tubes such that only absorb the external heat and can additionally be improved by the heat receiving surface is increased by helical guide to the insulated heat pipes, which here form a kind of isolated core, in the receiving zone. This can also be done in the way that several tubes are guided quasi parallel as a multi-start thread with a larger pitch. If this results in a flat slope of the spiral of the heat receiving pipe section and the condensate flows only at the tube sheet and is not evenly distributed on the tube wall, it is proposed that the tube is rotated in the heat receiving area in itself. This ensures that the condensate with each revolution of the tube is at least partially reflected back to the pipe inner wall.
Vorteilhafterweise kann das Wärmerohr aus Aluminium oder Stahl sein.Advantageously, the heat pipe can be made of aluminum or steel.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to schematic drawings.
Darin zeigen schematisch:In it show schematically:
Fig. 1 eine Wärmesonde mit Wärmerohren unterschiedlicher Längen der Wärmeaufnahmezone H unterhalb der Erdoberfläche, Fig. 2 eine Wärmesonde mit Wärmerohren unterschiedlicher Längen der Wärmetransportzone N durch eine Isolierung unterhalb der Erdoberfläche und etagenweise angeordneten Wärmeaufnahmezonen H,2 shows a heat probe with heat pipes of different lengths of the heat transport zone N by an insulation below the earth's surface and heat receiving zones H, arranged in layers, FIG. 2 shows a heat probe with heat pipes of different lengths.
Fig. 3 eine Wärmesonde mit etagenweise spiralförmiger Führung derFig. 3 is a heat probe with tiered spiral guide of
Wärmerohre in der Wärmeaufnahmezone H um die Bohrlochachse,Heat pipes in the heat absorption zone H around the borehole axis,
Fig. 4 eine Wärmesonde mit spiralförmiger Führung zweier Wärmerohre in der Wärmeaufnahmezone H um die Bohrlochachse,4 shows a heat probe with a spiral guide of two heat pipes in the heat absorption zone H about the borehole axis,
Fig. 5 eine Wärmesonde mit Wärmerohren, die in der Wärmeaufnahmezone H als Flächenwärmeaustauscher ausgebildet sind, der um die innen liegenden Wärmerohre des Bündels greift, Fig. 6 A bis H ein Querschnitt unterschiedlicher Ausführungen von Flächenwärmeaustauscher auf unterschiedlichen Etagen einer Wärmesonde, die zumindest teilweise um die innen liegenden Wärmerohre des Bündels greifen,5 shows a heat probe with heat pipes, which are formed in the heat absorption zone H as surface heat exchanger, which engages around the inner heat pipes of the bundle, 6 A to H show a cross section of different embodiments of surface heat exchangers on different levels of a heat probe, which at least partially engage around the inner heat pipes of the bundle,
Fig. 7 ein Wärmerohr einer Wärmesonde mit wandseitiger Auswölbung, Fig. 8 Querschnitt eines Wärmerohrs nach Fig. 7,7 shows a heat pipe of a heat probe with a wall-side bulge, FIG. 8 shows a cross-section of a heat pipe according to FIG. 7, FIG.
Fig. 9 ein Wärmerohr einer Wärmesonde mit inneren Führungsblechen, und Fig. 10 Querschnitt eines Wärmerohrs nach Fig. 9.9 shows a heat pipe of a heat probe with inner guide plates, and FIG. 10 shows a cross section of a heat pipe according to FIG. 9.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
Fig. 1 zeigt eine Wärmesonde 1 mit Wärmerohren 2 unterschiedlicher Längen der Wärmeaufnahmezone H unterhalb der Erdoberfläche O. Das Bündel wird aus einer Vielzahl im Erdreich parallel verlaufender Wärmerohre 2 gebildet, die für den Wärmetransport mit einem zweiphasigen Arbeitsmedium gefüllt sind. Das Arbeitsmedium verdampft durch die Erdwärme im Bereich der Wärmeaufnahmezone H und wird über die Wärmetransportzone N in eine Wärmeab- gabezone K transportiert. Im Bereich der Wärmetransportzone N entspricht die Temperatur des dampfförmigen Arbeitsmediums ungefähr derjenigen der umgebenden Erdschicht, so dass hier keine Wärme ausgetauscht wird. In der Wärmeabgabezone K kondensiert das Arbeitsmedium nach Wärmeabgabe und fließt durch die Schwerkraft wieder im Wärmerohr 2 in die Tiefe. Die im jeweiligen Wärmerohr 2 übertragene Wärme ist abhängig von den unterschiedlichen Rohrlängen in der Wärmeaufnahmezone H.1 shows a heat probe 1 with heat pipes 2 of different lengths of the heat absorption zone H below the surface of the earth O. The bundle is formed from a plurality of parallel in the ground heat pipes 2, which are filled for the heat transfer with a two-phase working medium. The working medium evaporates due to the geothermal heat in the area of the heat absorption zone H and is transported via the heat transport zone N into a heat emission zone K. In the region of the heat transport zone N, the temperature of the vaporous working medium corresponds approximately to that of the surrounding earth layer, so that no heat is exchanged here. In the heat release zone K, the working fluid condenses after heat release and flows through gravity again in the heat pipe 2 in the depth. The heat transferred in the respective heat pipe 2 depends on the different pipe lengths in the heat absorption zone H.
Auch Fig. 2 zeigt eine Wärmesonde 1 mit Wärmerohren 2 unterschiedlicher Länge bei der Wärmetransportzone N. Die Länge der Wärmetransportzone N ist durch eine Isolierung 3 unterhalb der Erdoberfläche O festgelegt. Die Wärme wird über die freiliegenden Rohrenden der Wärmerohre 2 auf das Arbeitsmedium übertragen. Die freiliegenden Rohrenden bilden etagenweise angeordnete Wärmeaufnahmezone H für das jeweilige Wärmerohr 2.Also, Fig. 2 shows a heat probe 1 with heat pipes 2 of different lengths in the heat transport zone N. The length of the heat transfer zone N is defined by an insulation 3 below the earth's surface O. The heat is transmitted via the exposed pipe ends of the heat pipes 2 to the working medium. The exposed pipe ends form a heat absorption zone H arranged for the respective heat pipe 2.
Fig. 3 zeigt eine Wärmesonde 1 mit etagenweise spiralförmiger Führung der Wärmerohre 2 in der Wärmeaufnahmezone H um die Bohrlochachse. Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 4 dargestellt. Dort ist eine Wärmesonde 1 mit spiralförmiger Führung zweier Wärmerohre 2 in der Wärmeaufnahmezone H um die Bohrlochachse gezeigt. Beiden Lösungen gemeinsam sind die enorm ver- größerten Wärmeaufnahmeflächen durch eine spiralförmige Führung der Wärmerohre 2 in der Wärmeaufnahmezone H.Fig. 3 shows a heat probe 1 with floor-wise spiral guiding the heat pipes 2 in the heat absorption zone H around the borehole axis. Another embodiment is shown in FIG. There, a heat probe 1 is shown with a spiral guide two heat pipes 2 in the heat absorption zone H to the borehole axis. Both solutions have in common the enormously enlarged heat absorption surfaces by a helical guiding of the heat pipes 2 in the heat absorption zone H.
Fig. 5 zeigt eine Wärmesonde 1 mit Wärmerohren 2, die in der Wärmeaufnahmezone H als Flächenwärmeaustauscher 7 ausgebildet sind, der um die innen liegenden Wärmerohre 2 des Bündels greifen. Das Rohrende 8 des tiefsten Wärmerohrs 2 ist im Bereich der Wärmeaufnahmezone H konisch aufgeweitet.Fig. 5 shows a heat probe 1 with heat pipes 2, which are formed in the heat receiving zone H as a surface heat exchanger 7, which engage around the inner heat pipes 2 of the bundle. The pipe end 8 of the deepest heat pipe 2 is widened conically in the region of the heat absorption zone H.
Fig. 6 A bis H zeigen einen Querschnitt unterschiedlicher Ausführungen von Flächenwärmeaustauschern 7 auf unterschiedlichen Etagen einer Wärmesonde 1 , die zumindest teilweise um die innen liegenden Wärmerohre 2 des Bündels greifen. Dabei ist auf der am tiefsten liegende Etage (Fig. 6A) ein ringförmiger Flächenwärmeaustauscher 7 ausgebildet, der in das Wärmerohr 2 mündet, das zentral nach oben führt. Um das zentrale Wärmerohr 2 sind auf der ersten Etage (Fig. 6B) drei weitere Flächenwärmeaustauscher 7 zu jeweils einem Drittel des Umfangs angeordnet. Die aus den Flächenwärmeaustauschern 7 mündenden Wärmerohre 2 werden wiederum möglichst nahe dem zentral verlaufenden Wärmerohr 2 parallel zu diesem nach oben geführt. Die weiteren Etagen sind analog in den Figuren 6C bis 6G dargestellt. Fig. 6H zeigt einen Querschnitt durch das Rohrbündel, wie er beispielsweise in der Wärmetransportzone N anzutreffen ist. In jeder Etage sind die innen verlaufenden Rohrstücke durch eine Isolation thermisch abgeschirmt. Fig. 7 zeigt ein Wärmerohr 2 einer Wärmesonde 1 mit wandseitiger Auswölbung 4. Durch diese axial verlaufenden Auswölbungen wird das zurückfließende Kondensat in das Sondenrohr in einen teilweise durch fortlaufende Auswölbungen oder Bleche vom Gas getrennten Bereich eingespeist und fließt auch darin durch die Transportzone N hinab bis in die Wärmeaufnahmezone H. Der Rückflusskanal 6 leitet das flüssige Arbeitsmedium direkt in die Auswölbung 4. Fig. 8 zeigt den Querschnitt eines Wärmerohrs nach Fig. 7.6 A to H show a cross section of different embodiments of surface heat exchangers 7 on different levels of a heat probe 1, which at least partially engage around the inner heat pipes 2 of the bundle. In this case, an annular surface heat exchanger 7 is formed on the lowest floor (Fig. 6A), which opens into the heat pipe 2, which leads centrally upwards. Around the central heat pipe 2, on the first floor (FIG. 6B), three further surface heat exchangers 7 are arranged, each one third of the circumference. The heat pipes 2 opening out of the surface heat exchangers 7 are in turn led as close as possible to the centrally extending heat pipe 2 parallel to this upward. The further floors are shown analogously in FIGS. 6C to 6G. Fig. 6H shows a cross section through the tube bundle, as it is found for example in the heat transport zone N. On each floor, the inside pipe sections are thermally shielded by an insulation. Through these axially extending bulges, the back-flowing condensate is fed into the probe tube in a partially separated by continuous bulges or plates from the gas area and flows through it in the transport zone N down to into the heat absorption zone H. The reflux channel 6 directs the liquid working medium directly into the bulge 4. FIG. 8 shows the cross section of a heat pipe according to FIG. 7.
Alternativ zeigt Fig. 9 ein Wärmerohr 2 einer Wärmesonde 1 mit inneren Führungsblechen durch deren Einfluss der Transport des zurückfließenden Kondensats ebenfalls gezielt erfolgt. Durch beide Lösungen wird die Effektivität gesteigert, indem das aufsteigende Gas kaum Kontakt zum zurückfließenden Kondensat hat, so dass die Strömungs- und Druckverluste in den Rohren minimiert werden. Fig. 10 zeigt einen Querschnitt eines Wärmerohrs nach Fig. 9. Alternatively, FIG. 9 shows a heat pipe 2 of a heat probe 1 with inner guide plates by means of which the transport of the refluxing condensate also takes place in a targeted manner. Through both solutions, the effectiveness is increased by the rising gas has little contact with the refluxing condensate, so that the flow and pressure losses are minimized in the tubes. FIG. 10 shows a cross section of a heat pipe according to FIG. 9. FIG.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Erdwärmesonde1 geothermal probe
2 Wärmerohr2 heat pipe
3 Isolierung3 insulation
4 Auswölbung4 bulge
5 Führungsblech 6 Rückflusskanal5 guide plate 6 return channel
7 Flächenwärmeaustauscher7 area heat exchanger
8 aufgeweitetes Rohrende8 flared pipe end
H Wärmeaufnahmezone N WärmetransportzoneH heat absorption zone N heat transport zone
K WärmeabgabezoneK heat release zone
O Erdoberfläche O earth surface

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Erdwärmesonde (1) zur Nutzung von Erdwärme mit einem Bündel aus mehreren abgeschlossenen Wärmerohren (2), die für den Wärmetransport mit einem zweiphasigen Arbeitsmedium gefüllt sind, das mittels Erdwärme verdampfbar und in einer Wärmeabgabezone kondensierbar ist, wobei sich die jeweiligen Wärmerohre über deren Länge in zumindest eine Wärmeaufnahmezone (H), Wärmetransportzone (N) und Wärmeab- gabezone (K) untergliedern, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Wärmerohre (2) in der Wärmeaufnahmezone (H) und/oder in der Wärmetransportzone (N) unterschiedliche Längen aufweisen.1. Geothermal probe (1) for the use of geothermal heat with a bundle of several completed heat pipes (2), which are filled for heat transfer with a two-phase working medium, which can be evaporated by means of geothermal and condensable in a heat delivery zone, wherein the respective heat pipes on their Length in at least one heat absorption zone (H), heat transfer zone (N) and heat output zone (K) subdivide, characterized in that at least two heat pipes (2) in the heat receiving zone (H) and / or in the heat transport zone (N) have different lengths ,
2. Erdwärmesonde nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Wärmerohre (2) in der Wärmeaufnahmezone (H) und/oder in der Wärmetransportzone (N) unterschiedliche Durchmesser haben.2. geothermal probe according to claim 1, characterized in that at least two heat pipes (2) in the heat receiving zone (H) and / or in the heat transport zone (N) have different diameters.
3. Erdwärmesonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest zwei Wärmerohren (2) unterschiedliche Gasdrücke herrschen.3. geothermal probe according to claim 1 or 2, characterized in that in at least two heat pipes (2) prevail different gas pressures.
4. Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest zwei Wärmerohren (2) unterschiedliche Arbeitsmedien eingebracht sind. 4. geothermal probe according to one of claims 1 to 3, characterized in that in at least two heat pipes (2) different working media are introduced.
5. Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (2) in der Wärmetransportzone (N) thermisch isoliert sind.5. Geothermal probe according to one of claims 1 to 4, characterized in that the heat pipes (2) in the heat transport zone (N) are thermally insulated.
6. Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahmezone (H) eines Wärmerohres (2) sich zumindest am unteren Ende dieses Rohres befindet.6. geothermal probe according to one of claims 1 to 5, characterized in that the heat receiving zone (H) of a heat pipe (2) is located at least at the lower end of this tube.
7. Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn- zeichnet, dass an einem Wärmerohr (2) mehrere Wärmeaufnahmezonen7. geothermal probe according to one of claims 1 to 6, characterized in that on a heat pipe (2) a plurality of heat receiving zones
(H) und Wärmetransportzonen (N) angeordnet sind.(H) and heat transfer zones (N) are arranged.
8. Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahmezonen (H) der einzelnen Wärmerohre (2) etagenweise angeordnet sind.8. Geothermal probe according to one of claims 1 to 7, characterized in that the heat absorption zones (H) of the individual heat pipes (2) are arranged in tiers.
9. Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (2) zumindest abschnittsweise axial verlaufende Auswölbungen (4) aufweist oder Führungsbleche (5) im Innern angeordnet sind, durch deren Einfluss der Transport des zurückfließenden Kondensats gezielt erfolgt.9. Geothermal probe according to one of claims 1 to 8, characterized in that the heat pipes (2) at least partially axially extending bulges (4) or guide plates (5) are arranged in the interior, through the influence of the transport of the back-flowing condensate is targeted.
10. Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (2) inwändig eine spiralförmig verlaufende Prägung besitzt.10. geothermal probe according to one of claims 1 to 8, characterized in that the heat pipe (2) has inwändig a spirally extending embossing.
11. Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahmeflächen der Wä rmerohre (2) durch spiralförmige Führung der Wärmerohre in der Wärmeaufnahmezone (H) um die Bohrlochachse und/oder durch zusätzliche äußere Rippen vergrößert sind. 11. Geothermal probe according to one of claims 1 to 10, characterized in that the heat receiving surfaces of the heat pipe (2) are enlarged by spiraling the heat pipes in the heat absorption zone (H) around the borehole axis and / or by additional outer ribs.
12. Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wärmeaufnahmezone (H) die Wärmerohre zumindest abschnittsweise als Flächenwärmeaustauscher (7) ausgebildet sind, der ganz oder teilweise um die innen liegenden Wärmerohre (2) des12. geothermal probe according to one of claims 1 to 11, characterized in that in the heat receiving zone (H) the heat pipes are at least partially formed as a surface heat exchanger (7), which is wholly or partially around the inner heat pipes (2) of
Bündels greift.Bundle attacks.
13. Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich der Wärmeaufnahmezone (H) die Innenwand der Wärmerohre (2) rau ist.13. Geothermal probe according to one of claims 1 to 12, characterized in that at least in the region of the heat absorption zone (H), the inner wall of the heat pipes (2) is rough.
14. Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Wärmerohr (2) im Bereich der Wärmeaufnahmezone (H) an seinem Rohrende aufgeweitet ist.14. Geothermal probe according to one of claims 1 to 13, characterized in that at least one heat pipe (2) in the region of the heat absorption zone (H) is widened at its tube end.
15. Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der jeweiligen Wärmeaufnahmezonen (H) die Wärmerohre (2) um die eigene Achse tordiert sind.15. Geothermal probe according to one of claims 1 to 14, characterized in that in the region of the respective heat absorption zones (H) the heat pipes (2) are twisted around its own axis.
16. Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (2) aus Aluminium oder aus Stahl ist. 16. Geothermal probe according to one of claims 1 to 15, characterized in that the heat pipe (2) made of aluminum or steel.
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