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Dokumentenidentifikation DE102009045882A1 28.04.2011
Titel Erdwärmesonde für eine geotherme Wärmepumpe
Anmelder Evonik Degussa GmbH, 45128 Essen, DE
Erfinder Hartmann, Markus, 48324 Sendenhorst, DE;
Dowe, Andreas, 46325 Borken, DE;
Göring, Rainer, 46325 Borken, DE;
Pawlik, Andreas, Dr., 45657 Recklinghausen, DE
DE-Anmeldedatum 21.10.2009
DE-Aktenzeichen 102009045882
Offenlegungstag 28.04.2011
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.04.2011
IPC-Hauptklasse F24J 3/08  (2006.01)  A,  F,  I,  20091021,  B,  H,  DE
Zusammenfassung Eine Erdwärmesonde zur Gewinnung von Erdwärme aus einer Bohrung, bei der die innere Oberfläche des Sondenrohrs folgende Rauhigkeitswerte aufweist:
a) einen arithmetischen Mittenrauwert Ra gemäß DIN EN ISO 4287 im Bereich von 1 bis 15 µm,
b) eine gemittelte Rautiefe Rz gemäß DIN EN ISO 4287 im Bereich von 8 bis 80 µm sowie
c) eine maximale Rautiefe Rz1max gemäß DIN EN ISO 4287 im Bereich von 10 bis 500 µm,
weist im Betrieb einen verbesserten Fallfilm auf, so dass die gesamte Oberfläche des Sondenrohres gleichmäßig benetzt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Erdwärmesonde zur Gewinnung von Erdwärme aus einer Bohrung.

Die Gewinnung der Erdwärme aus Bohrungen erfolgt durch das Fördern von thermalem Wasser aus aufgeschlossenen Wasserleitern oder durch die Abkühlung des Erdreiches entlang einer Bohrung. Die Abkühlung des Erdreichs erfolgt mit verschiedenen Erdwärmesonden. Für den Wärmeentzug aus dem Erdreich können verdampfbare Kältemittel eingesetzt werden, die durch die Verdampfung die Energie gewinnen. Derartige Direktverdampfersonden befinden sich auf dem Vormarsch. Sie bieten gegenüber Solesonden einen deutlich erhöhten Effizienzgrad und werden in Fachkreisen als die Technologie der Zukunft gesehen. Es bestehen beispielsweise Systeme auf Basis von Propan, Butan, Ammoniak oder Kohlenstoffdioxid, wobei Propan bevorzugt wird. Unterschieden wird zwischen der oberflächennahen Geothermie zur direkten Nutzung, etwa zum Heizen und Kühlen, meist als Wärmepumpenheizung, und der tiefen Geothermie zur direkten Nutzung im Wärmemarkt oder auch indirekt zur Stromerzeugung. Tiefe Erdwärmesonden mit Direktverdampfern werden auch als Wärmerohre oder Heatpipes bezeichnet.

In der DE 42 11 576 A1 und der DE 298 24 676 U1 werden Anordnungen von Wärmerohren beschrieben, bei denen sich die Heizzone des Wärmerohres und damit die Verdampfung des flüssigen Kältemittels im unteren Teil des Rohres befindet. Der Dampf wird durch Sieden des flüssigen Kältemittels erzeugt; er wird dann weiter in einem Rohr nach oben geleitet und gibt oben durch Kondensation seine Energie ab. Diese wird direkt oder mit Unterstützung einer Wärmepumpe genutzt.

In der WO 01/04550 wird das Kältemittel durch einen Kanal in die Sonde und durch einen zweiten Kanal nach oben geführt. Mittels einer spiralförmigen Bahn, die aufwendig hergestellt werden muss, wird eine Filmverdampfung angestrebt. Mit der dort beschriebenen Ausführung ist eine Verdampfung des Kältemittels über die gesamte Bohrungs- und damit Sondenlänge jedoch nicht erreichbar, so dass kein vollständiger Wärmeentzug ermöglicht wird.

Im Gebrauchsmuster DE 20 2004 018 559 U1 wird ein Wärmeerzeuger zur Gewinnung von Erdwärme aus einer Bohrung beschrieben, bei dem in einem Sondenrohr ein Kondensatstromverteiler eingebunden ist. Obwohl ebenfalls eine allseitige Benetzung erreicht werden soll, ist eine Filmverdampfung nicht realisierbar.

Schließlich wird in der DE 10 2007 005 270 A1 eine Erdwärmesonde beschrieben, die einen Kondensatstromverteiler mit radial und/oder tangential zur Wandung des Sondenrohres angeordneten Kondensat-Leiteinrichtungen enthält. Auf diese Weise soll ein radial verteilter Kondensatfilm erzeugt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Erdwärmesonde mit einfachen Mitteln einen vollständigen Fallfilm zu erzeugen, so dass die gesamte Innenfläche des Sondenrohres gleichmäßig benetzt wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Erdwärmesonde zur Gewinnung von Erdwärme aus einer Bohrung, bei der die innere Oberfläche des Sondenrohrs folgende Rauhigkeitskennwerte aufweist:

  • a) einen arithmetischen Mittenrauwert Ra gemäß DIN EN ISO 4287 im Bereich von 1 bis 15 &mgr;m, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 12 &mgr;m und besonders bevorzugt im Bereich von 3 bis 7 &mgr;m,
  • b) eine gemittelte Rautiefe Rz gemäß DIN EN ISO 4287 im Bereich von 8 bis 80 &mgr;m, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 60 &mgr;m und besonders bevorzugt im Bereich von 15 bis 40 &mgr;m sowie
  • c) eine maximale Rautiefe Rz1max gemäß DIN EN ISO 4287 im Bereich von 10 bis 500 &mgr;m, vorzugsweise im Bereich von 15 bis 150 &mgr;m und besonders bevorzugt im Bereich von 25 bis 65 &mgr;m.

Die Rauheitsmessung wird gemäß DIN EN ISO 4288 im Tastschnittverfahren durchgeführt. Bei der Rauheitsmessung mit einem mechanischen Tastschnittgerät wird eine Tastspitze aus Diamant mit konstanter Geschwindigkeit über die Oberfläche einer Probe verfahren. Das Messprofil ergibt sich aus der vertikalen Lageverschiebung der Tastspitze, die in der Regel durch ein induktives Wegmesssystem erfasst wird. Zur messtechnischen Beschreibung einer Oberfläche werden aus dem Messprofil genormte Rauheitskenngrößen gewonnen.

Ra ist der arithmetische Mittenrauwert aus den Beträgen aller Profilwerte.

Rz ist der Mittelwert der fünf Rautiefenwerte aus den fünf Einzelmessstrecken.

Rz1max ist die größte Rautiefe aus den fünf Einzelmessstrecken.

Die Erdwärmesonde besteht aus einem Sondenrohr, das über einen Verfüllbaustoff, beispielsweise Bentonit, mit dem Erdreich verbunden ist. Die Verdampfung des Kältemittelkondensats erfolgt auf der inneren Oberfläche des Sondenrohres. Der Transport des entstehenden Dampfes nach oben erfolgt dabei im Zentrum des Rohres.

Der Innendurchmesser des Sondenrohres liegt in der Regel im Bereich von 15 bis 80 mm, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 55 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 26 mm bis 32 mm.

Die Sondenlänge beträgt im Allgemeinen 60 bis 200 m, wobei in Einzelfällen auch größere oder kleinere Längen möglich sind. Vorzugsweise ist die Sonde 80 bis 120 m lang.

Als Kältemittel wird beispielsweise Propan, Butan, Ammoniak oder Kohlenstoffdioxid verwendet. Den physikalischen Gesetzmäßigkeiten zufolge steht das Sondeninnere damit unter relativ hohem Druck. Der aufgestiegene Kältemitteldampf wird in einem Kompressor verdichtet und damit verflüssigt. Bei der Komprimierung wird Kondensationswärme frei, die als Nutzwärme abgeführt wird. Das abgekühlte flüssige Kältemittel wird über eine Expansionseinheit erneut der Sonde zugeführt und als Fallfilm nach unten geleitet. Unter Aufnahme der Erdwärme verdampft das Kältemittel hierbei erneut. Hinsichtlich Einzelheiten der technischen Durchführung wird auf den obengenannten Stand der Technik verwiesen.

Das Sondenrohr kann beispielsweise aus Metall bestehen. In diesem Fall trägt die Innenfläche eine raue Beschichtung.

Bevorzugt besteht das Rohr jedoch aus Kunststoff und insbesondere bevorzugt aus einer thermoplastischen Formmasse. Derartige Rohre können gewickelt werden, so dass die Notwendigkeit entfällt, bei der Montage vergleichsweise kurze Stücke miteinander z. B. durch Schweißen zu verbinden.

Die verwendete Formmasse muss eine ausreichende Steifigkeit besitzen, damit die Wandstärke aus Gründen des Wärmeübergangs dünn ausgelegt werden kann. Darüber hinaus muss der Kunststoff, der die Matrix der Formmasse bildet, ausreichend beständig gegenüber dem Kältemittel sowie der Feuchtigkeit des Erdreichs sein. Dies bedeutet, dass die Wandung nicht quellen darf, da dies mit unerwünschten Längenänderungen verbunden wäre.

Geeignete Kunststoffe sind beispielsweise Fluorpolymere wie PVDF, PTFE oder ETFE, Polyarylenetherketone wie PEEK, Polyolefine wie Polyethylen oder Polypropylen sowie Polyamide.

Von den Polyamiden sind insbesondere diejenigen bevorzugt, deren Monomereinheiten im arithmetischen Mittel mindestens 8, mindestens 9 bzw. mindestens 10 C-Atome enthalten. Die Monomereinheiten können sich von Lactamen bzw. &ohgr;-Aminocarbonsäuren herleiten. Wenn sich die Monomereinheiten von einer Kombination von Diamin und Dicarbonsäure herleiten, muss das arithmetische Mittel der C-Atome von Diamin und Dicarbonsäure mindestens 8, mindestens 9 bzw. mindestens 10 betragen. Geeignete Polyamide sind beispielsweise: PA610 (herstellbar aus Hexamethylendiamin [6 C-Atome] und Sebacinsäure [10 C-Atome], das Mittel der C-Atome in den Monomereinheiten beträgt hier somit 8), PA88 (herstellbar aus Octamethylendiamin und 1.8-Octandisäure), PA8 (herstellbar aus Capryllactam), PA612, PA810, PA108, PA9, PA613, PA614, PA812, PA128, PA1010, PA10, PA814, PA148, PA1012, PA11, PA1014, PA1212 und PA12. Die Herstellung der Polyamide ist Stand der Technik.

Selbstverständlich können auch hierauf basierende Copolyamide eingesetzt werden, wobei gegebenenfalls auch Monomere wie Caprolactam mit verwendet werden können.

Ebenso können auch Mischungen verschiedener Polyamide, ausreichende Verträglichkeit vorausgesetzt, verwendet werden. Verträgliche Polyamidkombinationen sind dem Fachmann bekannt; beispielsweise seien hier die Kombination PA12/PA1012, PA12/PA1212, PA612/PA12, PA613/PA12, PA1014/PA12 und PA610/PA12 sowie entsprechende Kombinationen mit PA11 aufgeführt. Im Zweifelsfall können verträgliche Kombinationen durch Routineversuche ermittelt werden.

Die thermoplastische Formmasse kann mit Verstärkungsfasern und/oder Füllstoffen gefüllt sein. Die Fasern bzw. Füllstoffpartikel, die sich an der Oberfläche durchdrücken, erzeugen hierdurch die erforderliche Rauhigkeit. Zu diesem Zweck enthält die Formmasse 0,1 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 bis 20 Gew.-% und besonders bevorzugt 3 bis 10 Gew.-% Füllstoffe und/oder Fasern. In einer Ausführungsform enthält die Formmasse hierbei nur Fasern. In einer anderen Ausführungsform enthält die Formmasse nur Füllstoffe. In einer weiteren Ausführungsform enthält die Formmasse eine Mischung aus Fasern und Füllstoffen.

Geeignete Verstärkungsfasern sind beispielsweise Glasfasern, Carbonfasern, Aramidfasern und Kaliumtitanatwhisker, sowie Fasern aus höherschmelzenden Polymeren.

Als Füllstoffe sind beispielsweise Titandioxid, Zinksulfid, Silikate, Kreide, Aluminiumoxid und Glaskugeln geeignet.

Mit geeigneten Verstärkungsfasern bzw. Füllstoffen kann die thermische Leitfähigkeit der Sondenwandung erhöht werden. Zu diesem Zweck können als Fasermaterial Metallfasern bzw. als Füllstoff Metallpulver, Ruß, Graphit, CNTs (Carbon Nanotubes), hexagonales Bornitrid oder auch Kombinationen bzw. Mischungen der verschiedenen Materialien eingesetzt werden.

Die Formmasse kann darüber hinaus die üblichen Hilfs- bzw. Zuschlagstoffe enthalten, beispielweise Schlagzähmodifier, Weichmacher, Stabilisatoren und/oder Verarbeitungshilfsmittel.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Oberflächenrauhigkeit durch Eincompoundieren eines zweiten Polymeren erzeugt, das mit dem Matrixpolymer unverträglich oder nur gering verträglich ist und deshalb nur relativ grob dispergiert wird. Geeignete Materialkombinationen sind beispielsweise Polyamid/Polypropylen bzw. Polyamid/Ethylen-Acrylester-Acrylsäurecopolymer/Polypropylen.

Das Sondenrohr kann in einer Ausführungsform einschichtig sein und somit über die gesamte Wanddicke hinweg aus einer der oben beschriebenen Formmassen bestehen. In einer weiteren Ausführungsform ist das Sondenrohr mehrschichtig, wobei die Innenschicht aus einer der oben beschriebenen Formmassen besteht und die anderen Schichten Funktionen besitzen, die von der Schicht aus der oberflächenrauen Formmasse nicht ausreichend wahrgenommen werden, beispielsweise Flexibilität, Schlagzähigkeit oder Sperrwirkung gegenüber dem Kältemittel bzw. der Feuchtigkeit des Erdreichs. Falls die Schichten nicht ausreichend aufeinander haften, können gemäß dem Stand der Technik Haftvermittler eingesetzt werden.

Geeignete Schichtenabfolgen von innen nach außen sind beispielsweise:

  • – Polyamid (beispielsweise PA12)/Haftvermittler/Polypropylen oder Polyethylen;
  • – Polyamid (beispielsweise PA12)/Haftvermittler/Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer (EVOH)/Haftvermittler/Polyamid;
  • – Polyamid/Haftvermittler/EVOH/Haftvermittler/Polypropylen oder Polyethylen;
  • – Polyamid/Haftvermittler/Fluorpolymer (beispielsweise PVDF oder ETFE);
  • – Polyamid/haftungsmodifiziertes Fluorpolymer.

Geeignete Haftvermittler für die Verbindung von Polyamid und Polyolefinen sind beispielweise mit Maleinsäureanhydrid funktionalisierte Polyolefine.

Polyamide wie PA12 und EVOH können beispielsweise mit Hilfe maleinsäurefunktionalisierter Polyolefine oder mittels Polyamidblends entsprechend EP 1 216 826 A2 miteinander verbunden werden.

Für die Verbindung zwischen EVOH und Polyolefinen sind beispielsweise maleinsäurefunktionalisierte Polyolefine als Haftvermittler geeignet.

Haftvermittler für die Verbindung von Polyamiden und Fluorpolymeren sind beispielsweise aus der EP 0 618 390 A1 bekannt, während haftungsmodifizierte Fluorpolymere beispielsweise durch Zumischen kleiner Mengen von Polyglutarimid entsprechend EP 0 637 511 A1, durch Funktionalisierung mit Maleinsäureanhydrid oder durch Einbau von Carbonatgruppen entsprechend EP 0 992 518 A1 hergestellt werden können.

Um die Wirkung der Oberflächenrauhigkeit zu unterstützen, kann das Sondenrohr zusätzlich Einbauten enthalten, wie sie aus dem Stand der Technik, beispielsweise der DE 10 2007 005 270 A1, bekannt sind.

Mit der Erfindung wird erreicht, dass der Fallfilm über den Sondenumfang hinweg eine gleichmäßige Schichtdicke aufweist; eine Strähnenbildung oder ein Aufreißen des Films wird verhindert. Wegen der vergrößerten Oberfläche ist ein besserer Wärmeaustausch möglich; gleichzeitig wird die Fließgeschwindigkeit verringert, was einer Überflutung des untersten Teils der Sonde entgegenwirkt.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • DE 4211576 A1 [0003]
  • DE 29824676 U1 [0003]
  • WO 01/04550 [0004]
  • DE 202004018559 U1 [0005]
  • DE 102007005270 A1 [0006, 0036]
  • EP 1216826 A2 [0033]
  • EP 0618390 A1 [0035]
  • EP 0637511 A1 [0035]
  • EP 0992518 A1 [0035]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • DIN EN ISO 4287 [0008]
  • DIN EN ISO 4288 [0009]


Anspruch[de]
Erdwärmesonde zur Gewinnung von Erdwärme aus einer Bohrung,

dadurch gekennzeichnet,

dass die innere Oberfläche des Sondenrohrs folgende Rauhigkeitswerte aufweist:

a) einen arithmetischen Mittenrauwert Ra gemäß DIN, EN ISO 4287 im Bereich von 1 bis 15 &mgr;m,

b) eine gemittelte Rautiefe Rz gemäß DIN EN ISO 4287 im Bereich von 8 bis 80 &mgr;m sowie

c) eine maximale Rautiefe Rz1max gemäß DIN EN ISO 4287 im Bereich von 10 bis 500 &mgr;m,

wobei die Rauheitsmessung gemäß DIN EN ISO 4288 durchgeführt wird.
Erdwärmesonde gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Ra im Bereich von 2 bis 12 &mgr;m, Rz im Bereich von 10 bis 60 &mgr;m und Rz1max im Bereich von 15 bis 150 &mgr;m liegt. Erdwärmesonde gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Ra im Bereich von 3 bis 7 &mgr;m, Rz im Bereich von 15 bis 40 &mgr;m und Rz1max im Bereich von 25 bis 65 &mgr;m liegt. Erdwärmesonde gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sondenrohr aus einer oder mehreren Schichten besteht, die jeweils aus einer thermoplastischen Formmasse bestehen. Erdwärmesonde gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sondenrohr oder die innerste Schicht des Sondenrohrs aus einer Formmasse besteht, deren Matrix aus Fluorpolymer, Polyarylenetherketon, Polyolefin oder Polyamid besteht. Erdwärmesonde gemäß einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sondenrohr oder die innerste Schicht des Sondenrohrs aus einer Formmasse besteht, die 0,1 bis 50 Gew.-% Verstärkungsfasern und/oder Füllstoffe enthält.






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