WO2011006485A2 - Geothermisches wärmeübertragungssystem - Google Patents
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Definitions
- the innovation is a "geothermal heat conduction system", which allows a particularly efficient transfer of thermal energy through the use of the heat-conducting fluid, "heatboron.”
- Heatboron makes the system more efficient in energy conversion and, hence, in the industry.
- Geothermal energy is the heat stored in the accessible part of the earth's crust. It includes the energy stored in the earth, as far as it can be withdrawn from the source and used, it is one of the regenerative energies and is considered environmentally friendly "green" energy.
- thermal water resources In hydrothermal systems, thermal water resources, known as hot water aquifers, are tapped at great depths.
- the hot water is sent to the earth's surface, where it circulates in a closed circuit and releases its heat to a heat carrier.
- the cooled water is returned via a second hole in the layer from which it was taken.
- petrothermal systems also called hot dry rock method
- hot rock layers in 2000 to 6000 meters depth, in artificially enlarged cracks and clefts, under great pressure, water is pressed in about 200 0 C.
- a production well pumps the approximately 90 to 150 0 C hot water back to the earth's surface, where it is then used as in the hydrothermal geothermal for the heat supply and possibly simultaneous power generation by an intermediate turbine.
- Both systems require at least two holes to the same depth, which must be performed at a minimum distance of 500m, and consume a significant amount of the energy generated to maintain their own operating cycle.
- various minerals occupy the piping and equipment, resulting in excessive wear of the pumps and connectors, often resulting in damage and frequent repairs, often pushing the entire project to an uneconomic level.
- the geothermal heat source is determined from the geophysical works and bore wells drilled to reach the heat source. According to the required amount of heat, the number, the depth and the diameter of the holes can be set according to the purpose, so that a sufficient amount of heat is developed.
- a special pipe system In order to transmit the geothermal deep heat to the earth's surface, a special pipe system is needed, which leads from the earth's surface to the geothermal heat source in the ground.
- the concept is a double-walled thermal tube system made of metal or other materials that is resistant to heat and corrosion. Between the inner diameter of the outer thermal tube and the outer diameter of the inner thermal tube heat conducting fins are used, which connect the two tubes together. In this space a pipe system is inserted for filling and emptying with water.
- a leaking resistant flap is mounted at the bottom of the first double-walled thermal tube.
- a movement arm is attached for the control of the control flap. This movement arm is pulled through the cavity of the outer thermal tube to the earth's surface, to heat ingress when needed to limit or completely shut off the system from the geothermal source.
- the thermal tube segments receive at their ends Kirsnuten and mounting clamps. In addition, they are lined with insulation material to minimize heat loss.
- the inner tube of the double-walled thermal tube contains a guide for the heat transfer tube.
- the other segments are successively inserted into the wellbore to the desired depth and connected together. Now, the heat transfer tube made of heat, pressure and corrosion resistant metals is being introduced.
- the tube elements of the heat transfer tube are gradually introduced and connected together and attached at the end of a closing valve. At the earth's surface is at the end of the pipe elements
- Heat tank mounted with filling valve and pressure-tight, and provided for connection to a heat exchanger of any geothermal system.
- the invention will be explained in the following with reference to a figure by way of example, but without being limited to these.
- the heat source can be hot water or hot rock. If there are no liquids in the geothermal heat source, water is introduced into the hollow space of the double-walled thermal tube, which allows the heat transfer from the environment to the heat transfer tube. As a result, it is also possible to guarantee the production of heat from warm rocks with the help of "heatboron".
- Heatboron transfers the thermal energy from a heat source particularly efficient, from one place to another, without any additional auxiliary energy.
- the "Heatboron has a very high thermal conductivity, whereby the thermal energy is transferred quickly and efficiently and distributed homogeneously.
- thermodynamic zero law which was established in 1931 by Ralph H. Fowler, describes the following with a simple statement: if two objects with different temperatures touch each other in terms of heat, the warm object becomes cooler and the cool object becomes warmer. The basis of this is that during the heat transfer between two objects having two different temperatures, the temperature flows from the warm to the cool object, it is possible that some objects are perceived as cool and some as warm. Even if minus 30 degrees can be perceived as cold, it is still warmer than minus 50 degrees.
- the principle why the heat flow does not come from the cold to the warm is the following: heat is a factor that affects the atoms of matter, or rather, the kinetic energy of the electrons.
- the electrons always have a movement. They always want to transfer the superfluous kinetic energy and return to their basic energy level. The heat is transferred with the movement of the electrons. For this reason, the heat transfer always takes place from the warm object to the cool object.
- the effectiveness of the invention is characterized by the high area-dependent power density, which is due to the homogeneous high temperature at the heat transfer tube out.
- the "geothermal heat conduction system” does not require circulating pumps to transfer the geothermal energy through the use of "heatboron" in the heat transfer tube and without major heat losses to the consumption stations. This effect leads to a significant improvement in the economics of geothermal plants.
- the "geothermal heat conduction system” can be used everywhere for hot and hot water preparation as well as hot water and steam generation in already existing or newly constructed systems.
- the generated steam can be used to generate environmentally friendly electrical energy in downstream turbines.
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Abstract
Die Erfindung ist ein "geothermisches Wärmeleitsystem" mit einem doppelwandigem Thermorohrsystem aus Metall oder anderen Materialien, das gegen Hitze und Korrosion resistent ist. Zwischen dem Innendurchmesser des äußeren Thermorohres und dem Außendurchmesser des inneren Thermorohres werden Wärmeleitlamellen eingesetzt, die die beiden Rohre miteinander verbinden. In diesem Zwischenraum wird ein Rohrsystem zur Befüllung und Entleerung mit Wasser eingelassen. An der Unterseite wird eine Regelklappe montiert. Für die Kontrolle der Regelklappe wird ein Bewegungsarm angebracht. Die Thermorohrsegmente erhalten an ihren Enden Verbindungsnuten und Befestigungsschellen. Außerdem werden sie mit Isolierungsmaterial umkleidet um Wärmeverluste zu minimieren. Das innere Rohr des doppelwandigen Thermorohres enthält eine Führung für das Wärmetransferrohr. Nach dem ersten Thermorohrsegment mit der Regelklappe, werden die anderen Segmente nacheinander bis zur gewünschten Tiefe in das Bohrloch eingeführt und miteinander verbunden. Nun wird das gegen Hitze, Druck und Korrosion widerstandsfähigen Metallen hergestellte Wärmetransferrohr mit dem wärmeleitendem Fluide "Heatboron" eingeführt.
Description
„Geothermisches Wärmeübertragungssystem"
Die Innovation ist ein "geothermisches Wärmeleitsystem", das durch den Einsatz des wärmeleitenden Fluids, „Heatboron" eine besonders effiziente Übertragung der thermischen Energie ermöglicht. Durch "Heatboron" ist die Anlage leistungsfähiger in der Energieumwandlnung und dadruch wirschaftl icher in der Anwendung.
Geothermie ist die im zugänglichen Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme. Sie umfasst die in der Erde gespeicherte Energie, soweit sie der Quelle entzogen und genutzt werden kann, sie zählt zu den regenerativen Energien und gilt als umweltfreundliche„grüne" Energie.
Bei hydrothermalen Systemen werden Thermalwasservorkommen, sogenannte Heißwasser-Aquifere in großer Tiefe angezapft. Das heiße Wasser wird an die Erdoberfläche geleitet, zirkuliert dort in einem geschlossenen Kreislauf und gibt seine Wärme an einen Wärmeträger ab. Das ausgekühlte Wasser wird über eine zweite Bohrung in die Schicht, aus der es entnommen wurde, zurückgeleitet. Bei petrothermalen Systemen, auch Hot-Dry-Rock-Verfahren genannt, wird in ca. 2000C heiße Gesteinsschichten in 2000 bis 6000 Metern Tiefe, in künstlich vergrößerte Risse und Klüfte, unter großem Druck, Wasser eingepresst. Eine Förderbohrung pumpt das ca. 90 bis 1500C heiße Wasser wieder an die Erdoberfläche, wo es dann wie bei der hydrothermalen Geothermie für die Wärmeversorgung und möglicherweise gleichzeitigen Stromerzeugung durch eine zwischengeschaltete Turbine, verwendet wird.
Beide Systeme benötigen mindestens zwei Bohrungen bis in die gleiche Tiefe, die in einem Mindestabstand von 500m durchgeführt werden müssen, und verbrauchen einen nicht unwesentlichen Teil der erzeugten Energie zur Aufrechterhaltung des eigenen Betriebskreislaufs. Außerdem besetzen verschiedene Mineralien die Rohrleitungen und das Equipment, und führen zu übermäßiger Abnutzung der Pumpen und Verbindungselemente, was oft zu Schäden und häufigen Reparaturen führt, wodurch das gesamte Vorhaben oft auf ein unwirtschaftliches Niveau gedrückt wird.
Um die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wird anhand der geophysischen Arbeiten die geothermale Wärmequelle festgestellt und Bohrungsschächte gebohrt, um die Wärmequelle zu erreichen. Entsprechend der benötigten Wärmemenge kann die Anzahl, die Tiefe und der Durchmesser der Bohrlöcher gemäß dem Zweck festgelegt werden, so dass eine ausreichende Wärmemenge erschlossen wird.
Um die geothermische Tiefenwärme an die Erdoberfläche zu übertragen, benötigt mann ein spezielles Rohrsystem, das von der Erdoberfläche bis zur geothermalen Wärmequelle im Erdreich führt. Das Konzept ist ein doppelwandiges Thermorohrsystem aus Metall oder anderen Materialien, das gegen Hitze und Korrosion resistent ist. Zwischen dem Innendurchmesser des äußeren Thermorohres und dem Außendurchmesser des inneren Thermorohres werden Wärmeleitlamellen eingesetzt, die die beiden Rohre miteinander verbinden. In diese Zwischenraum wird ein ein Rohrsystem zur Befüllung und Entleerung mit Wasser eingelassen.
An der Unterseite des ersten doppelwandigen Thermorohres wird eine gegen Undichtigkeit beständige Regelklappe montiert. Für die Kontrolle der Regelklappe wird ein Bewegungsarm angebracht. Dieser Bewegungsarm wird durch den Hohlraum des äußeren Thermorohres bis zur Erdoberfläche durchgezogen, um bei Bedarf den Wärmeeintritt in
das System, aus der Geothermalquelle zu begrenzen oder komplett abzustellen.
Die Thermorohrsegmente erhalten an ihren Enden Verbindungsnuten und Befestigungsschellen. Außerdem werden sie mit Isolierungsmaterial umkleidet um Wärmeverluste zu minimieren.
Das innere Rohr des doppelwadigen Thermorohres enthält eine Führung für das Wärmetransferrohr.
Nach dem ersten Thermorohrsegment mit der Regelklappe, werden die anderen Segmente nacheinander bis zur gewünschten Tiefe in das Bohrloch eingeführt und miteinander verbunden. Nun wird das, aus gegen Hitze, Druck und Korrosion widerstandsfähigen Metallen hergestellte Wärmetransferrohr, eingeführt.
Die Rohrelemente des Wärmetransferrohres werden nach und nach eingeführt und miteinander verbunden und am Ende ein Schließventil angebracht. An der Erdoberfläche wird am Ende der Rohrelemente ein
Wärmebehälter mit Füllventil montiert und druckfest verschlossen, und zur Anbindung an einem Wärmetauscher einer beliebigen geothermischen Anlage bereitgestellt. Die Erfindung soll im Folgenden anhand einer Figur beispielhaft erläutert werden, ohne jedoch auf diese begrenzt zu sein.
Bezugszeichenliste 1 Wärmetransferrohr
2 Wärmeleitlamellen
3 Rohrsystem zur Befüllung und Entleerung
4 Wärmebehälter
5 Schließventil
6 Füllventil
7 Verbindungsnuten / Befestigungsschellen
8 Regelklappe
9 Bewegungsarm
Durch Öffnen der Regelklappe werden die Hohlräume des doppelwandigen Thermorohres geflutet und die Wärmeleitlamellen sowie das in der Mitte befindliche Wärmetransferrohr erwärmt.
Die Wärmequelle kann aus heißem Wasser oder heißem Gestein bestehen. Wenn sich in der geothermischen Wärmequelle keine Flüssigkeiten befinden, wird in den Hohlräum des doppelwandigen Thermorohres Wasser eingefüllt, das die Wärmeübertragung aus der Umgebung an das Wärmetransferrohr ermöglicht. Dadurch kann auch aus warmem Gestein, die Energieerzeugung mit Hilfe von„Heatboron" gewährleistet werden.
Nachdem die Rohrsysteme und das Wäemetranferrohr an eine geothermische Anlage angebunden sind, werden die wärmeleitenden Fluide "Heatboron" in das Wärmetransferrohr gefüllt und das System in Betrieb genommen. "Heatboron" überträgt die thermische Energie aus einer Wärmequelle besonders effiziente, von einer Stelle zu einer anderen Stelle, ohne zusätzliche Hilfsenergie. Das „Heatboron besitzt eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, wodurch die thermische Energie schnell und effizient übertragen sowie homogen verteilt wird. Folgende Substanzen bilden das "Heatboron":
1-20 % aus CA2B6On • 5H2O oder NA2B4O7 oder Na2B4O7-IOH2O oder
Na2B4O7-OH2O oder CaBSiO4(OH) oder Ca2B6On -13H2O oder Ca4Bi0Oi9-7H2O oder NaCaB5O9-OH2O oder NaCaB5O9-8H2O oder Mg3B7O13CI oder CaMgB6O8(OH)6-3H2O oder MgBO3(OH) oder Mx/n[(AIO2)x(SIO2)y]zH2O plus 80-99 % aus CO2 oder CHCIF2
oder CHF3 oder CH2F2 oder C2F6
oder C2H2F4 oder C2H3F2CI oder C2H3F3
oder C5Hi2 oder C2H4 oder C3H6
oder C2H6 oder C3F8 oder C3HF7
oder C3H2F6 oder C3H3F5 oder C4HiO
oder C2HF5 oder C3H8 oder C2H4F2
oder (44% C2HF5 + 4% C2H2F4 + 52% C2H3F3)
oder (23% CH2F2 + 25% C2HF5 + 52% C2H2F4)
oder (15% CH2F2 + 15% C2HF5 + 70% C2H2F4)
oder (7% C2HF5 + 46% C2H3F3 + 47% CHF2CI)
oder (60% CHF2CI + 25% C2HF4CI +15% C2H3F2CI)
oder (50% CH2F2 + 50% C2HF5)
oder (50% C2HF5 + 50% C2H3F3)
oder (46% CHF3 + 54% C2F6)
oder (65,1% C2HF5 + 35,1% C2H2F4 3,4% C4H10)
oder (88% C2H2F4 + 9% C3F8 + 3% C4H10)
oder (78,5% C2H2F4 + 19,5% C2HF5 + 1 ,4% C4H10 + 0,6% C5H12) oder (46,6% C2HF5 + 50% C2H2F4 +3,4% C4H10)
oder (85,1 % C2HF5 + 11 ,5% C2H2F4 + 3,4% C4H10)
oder (86% C2HF5 + 9% C3F8 + 5% C3H8)
sowie deren Derivate oder Homologa, oder andere Gase, die dem selben zweck dienen können. Die Prozentangaben beschreiben im Sinne der Erfindung Gewichtsprozente. Das thermodynamische Null-Gesetz, das im Jahr 1931 von Ralph H. Fowler aufgestellt wurde, beschreibt mit einer schlichten Aussage folgenden Zustand: wenn sich zwei Gegenstände mit unterschiedlichen Temperaturen im Hinblick auf die Wärme berühren, wird der warme Gegenstand kühler und der kühle Gegenstand wird wärmer. Die Basis hiervon ist, dass beim Wärmetransfer zwischen zwei Gegenständen, die zwei verschiedene Temperaturen haben, die Temperatur von dem warmen zum kühlen Gegenstand fließt, dabei ist es möglich, dass manche Gegenstände kühl und manche warm wahrgenommen werden. Auch wenn Minus 30 Grad als kalt wahrgenommen werden kann, ist es trotzdem wärmer als Minus 50 Grad. Der Grundsatz, weshalb der Wärmefluss nicht vom Kalten zum Warmen geschieht, ist folgender: die Wärme ist ein Faktor, der auf die Atome der Materie, besser gesagt, auf die kinetische Energie der Elektronen einwirkt. Die Elektronen weisen immer eine Bewegung auf. Sie wollen immer die überflüssige kinetische Energie übertragen und wieder in ihr grundsätzliches Energieniveau zurückkehren. Die Wärme wird mit der Bewegung der Elektronen übertragen. Aus diesem Grund vollzieht sich der Wärmetransfer immer vom warmen Gegenstand zum kühlen Gegenstand hin.
Die Effektivität der Erfindung zeichnet sich durch die hohe flächenabhängige Leistungsdichte, die auf die homogene hohe Temperatur am Wärmetransferrohr zurückzuführen ist, aus. Das "geothermische Wärmeleitsystem" benötigt keine Umwälzpumpen um die geothermale Energie durch den Einsatz von "Heatboron" im Wärmetransferrohr und ohne größere Wärmeverluste bis zu den Verbrauchsstationen zu übertragen. Dieser Effekt führt zur einer erheblichen Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Geothermie- Anlagen.
Das „geothermische Wärmeleitsystem" kann überall zur Warm- und Heizwasseraufbereitung sowie zur Heißwasser- und Dampferzeugung in bereits bestehenden oder neu zu errichtenden Systemen eingesetzt werden. Mit dem erzeugten Dampf kann in nachgeschalteten Turbinen umweltfreundlich elektrische Energie erzeugt werden.
Claims
1. Ein „geothermisches Wärmeleitsystem", das für die besonders effiziente Übertragung der thermischen Energie von einer Stelle zu einer anderen Stelle sorgt, und sich durch die Verwendung des wärmeleitenden Fluids „Heatboron" auszeichnet, das durch die günstigen thermodynamischen Eigenschaften die
Wärmeübertragung verbessert und die Energieeffizienz erhöht, bestehend aus einem doppelwandigen Thermorohrsystem aus Metall oder anderen Materialien, das gegen Hitze und Korrosion resistent ist zwischen dem Innendurchmesser des äußeren Thermorohres und dem Außendurchmesser des inneren Thermorohres Wärmeleitlamellen eingesetzt sind, die die beiden Rohre miteinander verbinden, wobei in diesem Zwischenraum ein Rohrsystem zur Befüllung und Entleerung mit Wasser ist, und an der Unterseite des ersten doppelwandigen Thermorohres eine Regelklappe mit Bewegungsarm montiert ist, dabei haben die Thermorohrsegmente Verbindungsnuten und Befestigungsschellen sowie eine Wärmedämmung, und das innere Rohr des doppelwadigen Thermorohres enthält eine Führung für das Wärmetransferrohr, das aus Hitze, Druck und Korrosion widerstandsfähigen Metallen hergestellte Wärmetransferrohr, wird in die Führung eingeführt, die Rohrelemente des Wärmetransferrohres werden miteinander verbunden, und am Ende ein Schließventil angebracht, an der Erdoberfläche wird am Ende der Rohrelemente ein Wärmebehälter mit druckfestem Füllventil montiert, mit dem wärmeleitenden Fluide „Heatboron" befüllt und verschlossen, durch die Einwirkung der thermischen Energie wird die Wärme im Wärmetransferrohr homogen verteilt, zur Unterstützung der Wärmeübertragung dient das Wasser in dem Thermorohr, die thermische Energie wird ohne eine Umwälzpumpe durch das Wärmetransferrohr übertragen, an die Erdoberfläche folgende Substanzen bilden das„Heatboron": 1-20 % aus
CA2B6On• 5H2O oder NA2B4O7 oder Na2B4O7-IOH2O oder
Na2B4O7-OH2O oder CaBSiO4(OH) oder Ca2B6On -13H2O oder Ca4BioOig-7H2O oder NaCaB5O9-SH2O oder NaCaB5O9-8H2O oder Mg3B7Oi3CI oder CaMgB6O8(OH)6-3H2O oder MgBO3(OH) oder Mx/n[(AIO2)χ(SIO2)y]zH2O plus 80-99 % aus CO2 oder CHCIF2
oder CHF3 oder CH2F2 oder C2F6
oder C2H2F4 oder C2H3F2CI oder C2H3F3
oder C5Hi2 oder C2H4 oder C3H6
oder C2H6 oder C3Fe oder C3HF7
oder C3H2F6 oder C3H3F5 oder C4Hi0
oder C2HF5 oder C3H8 oder C2H4F2
oder (44% C2HF5 + 4% C2H2F4 + 52% C2H3F3)
oder (23% CH2F2 + 25% C2HF5 + 52% C2H2F4)
oder (15% CH2F2 + 15% C2HF5 + 70% C2H2F4)
oder (7% C2HF5 + 46% C2H3F3 + 47% CHF2CI)
oder (60% CHF2CI + 25% C2HF4CI +15% C2H3F2CI)
oder (50% CH2F2 + 50% C2HF5)
oder (50% C2HF5 + 50% C2H3F3)
oder (46% CHF3 + 54% C2F6)
oder (65,1% C2HF5 + 35,1% C2H2F4 3,4% C4Hi0)
oder (88% C2H2F4 + 9% C3F8 + 3% C4Hi0)
oder (78,5% C2H2F4 + 19,5% C2HF5 + 1 ,4% C4Hi0 + 0,6% C5Hi2) oder (46,6% C2HF5 + 50% C2H2F4 +3,4% C4Hi0)
oder (85,1% C2HF5 + 11 ,5% C2H2F4 + 3,4% C4Hi0)
oder (86% C2HF5 + 9% C3F8 + 5% C3H8) sowie deren Derivate oder Homologa, oder andere Gase, die dem selben zweck dienen können.
2. Entsprechend Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet dass die
Wärmeleitlamellen des doppelwandigen Thermorohres aus einem doppelwandigen Material bestehen, die Wärmeleitlamellen werden ebenfalls mit dem wärmeleitenden Fluid „Heatboron" gefüllt.
3. Entsprechend Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie die sich in der Thermalen Quelle befindet, ohne Flüssigkeiten entnommen und mit dem Wärmetransferrohr an die Erdoberfläche übertragen wird.
4. Entsprechend Anspruch 1 ,2 und 3, dadurch gekennzeichnet das statt dem Mischverhältnis von 1-20 % zu 80-99 %,
das Mischverhältnis von 1-67 % zu 33-99 % angewandt wird.
5. Entsprechend Anspruch 1 ,2,3 und 4 dadurch gekennzeichnet das die Substanzen die für den Bestandteil 1-20 % aufgelistet sind, innerhalb des Prozentsatzes untereinander Kombiniert werden.
6. Entsprechend Anspruch 1 ,2, 3,4, und 5, dadurch gekennzeichnet das die Substanzen die für den Bestandteil 80-99 % aufgelistet sind, innerhalb des Prozentsatzes untereinander Kombiniert werden.
7. Entsprechend Anspruch Entsprechend Anspruch 1 ,2, 3, 4, 5, und
6, dadurch gekennzeichnet das 1-25 % Umgebungsluft eingefüllt wird, andere Substanzen werden entsprechend ihrer Anteile proportional weniger befüllt.
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