DE202007004346U9

DE202007004346U9 - Rohranordnung

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Publication number: DE202007004346U9
Application number: DE202007004346U
Authority: DE
Original assignee: Rehau AG and Co
Current assignee: Rehau Automotive SE and Co KG
Priority date: 2007-03-21
Filing date: 2007-03-21
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2017-03-22
Also published as: EA022199B1; US8167027B2; US20080236784A1; EP2084465A1; EA200970876A1; DE202008016917U1; WO2008113569A1; DE202007004346U1

Abstract

Rohranordnung für Erdwärmesonden aus zumindest zwei Rohren (1, 2), die zumindest eine, ein Lumen (3) umgebende Schicht aufweisen, die an einem Ende wenigstens ein, wenigstens eine Schicht aufweisendes Verbindungselement (4) aufweisen, wobei mindestens eines der Rohre (1, 2) wenigstens teilweise aus einem unvernetzten polymeren Material hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material der wenigstens einen Schicht der Rohre (1, 2) und/oder des Verbindungselementes (4) einen FNCT-Wert (Full Notched Creep Test) nach ISO 16770 von mindestens 3000 h aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rohranordnung für Erdwärmesonden gemäß dem Obergriff des Anspruches 1.
Derartige Rohranordnungen für Erdwärmesonden sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Diese Rohranordnungen haben die Aufgabe, Wärme aus der Erde aufzunehmen bzw. Wärme in die Erde abzugeben.
So ist beispielsweise in der DE 20 2004 007 567 U1 eine Erdwärmesonde zum Einbringen in ein Bohrloch im Erdreich beschrieben. Diese Erdwärmesonde umfasst ein eine Außenwand der Erdwärmesonde bildendes Außenrohr, welches an seinem unteren Ende verschlossen ist und ein innerhalb des Außenrohres verlaufendes Innenrohr, wobei der Ringraum zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr und der Innenraum des Innenrohres Leitungen für ein Wärmeträgermedium bilden. Das Außenrohr ist dabei zumindest über einen Großteil seiner Längenausdehnung als Wellrohr ausgebildet.
Es sind weiter Rohranordnungen für Erdwärmesonden bekannt, bei denen Rohrpaare eingesetzt werden, die an ihrem unteren Ende einen Verbindungsbogen bzw. ein Verbindungsstück aufweisen. Das eine Rohr bildet die Zuleitung und das andere Rohr die Rückleitung. Es können aber in einem Bohrloch auch mehrere derartige Rohrpaare zum Einsatz kommen, die an ihrem unteren Ende ein oder mehrere Formstücke als Verbindungselemente aufweisen.
Weiterhin ist aus der EP 0582118 A1 eine Rohranordnung aus langen, parallel laufenden Kunststoffrohren bekannt, die am unteren Ende verbunden sind. Dabei ist mindestens ein Kopfteil mit mindestens zwei geraden, parallelen Langrohren durch Schweißung oder Klebung flüssigkeitsdicht verbunden und durch mindestens einen Bodenteil, das mit mindestens einem der geraden Rohre durch Schweißung oder Klebung flüssigkeitsdicht verbunden ist, beschrieben.
Schließlich ist aus der DE 202 02 578 U1 eine Rohranordnung bekannt, zu deren Herstellung Rohre aus vernetztem Polyethylen erforderlich sind.
Es ist weiterhin bekannt, derartige Rohranordnungen für Erdwärmesonden in Bohrlöcher einzubringen und diese Bohrlöcher anschließend mit gut wärmeleitendem Material zu verfüllen.
Derartige Rohranordnungen für Erdwärmesonden insbesondere aus unvernetzten polymeren Materialien sind aber nur bis zu bestimmten Betriebstemperaturen bis ca. 40°C langjährig einsetzbar.
Außerdem weisen die bisher für Rohranordnungen für Erdwärmesonden verwendeten unvernetzten Materialien signifikantes langsames Rißwachstum auf, wodurch insbesondere bei Transport, Handhabung auf der Baustelle und Einbringen in das Bohrloch entstandene Riefen bzw. Kerben im Betrieb zu einem Bruch der Rohranordnungen für Erdwärmesonden führen können.
Darüber hinaus weisen unvernetzte Rohranordnungen für Erdwärmesonden nach dem Stand der Technik den gravierenden Nachteil auf, dass sie nicht punktlastbeständig sind. Entgegen der bisherigen Einschätzung muss jedoch auch bei Rohranordnungen für Erdwärmesonden davon ausgegangen werden, dass im eingebauten Zustand Punktlasten wirken. Im Widerspruch zu den den Stand der Technik bildenden Darstellungen sind die Rohranordnungen für Erdwärmesonden nämlich keineswegs mittig im Bohrloch zentriert und ringsum von einer Beton-Bentonit-Mischung umgeben, sondern liegen immer teilweise an der Wand des Bohrloches an.
Weiterhin muss – wiederum entgegen der bisherigen Einschätzungen und Darstellungen die Beschaffenheit der Bohrlochwand nicht glatt, sondern schartig eingeschätzt werden. Deshalb muss damit gerechnet werden, dass Punktlasten auf die Wände der Rohranordnungen für Erdwärmesonden wirken. Zusätzlich wurde bisher nicht genügend berücksichtigt, dass nach dem Einbringen der Rohranordnungen für Erdwärmesonden in das Bohrloch fallende Steine ebenfalls Punktlasten ausüben können.
Und schließlich wurde bisher nicht berücksicht, dass Rohranordnungen für Erdwärmesonden erheblichen Wechselbelastungen ausgesetzt sind; bereits im reinen Heizbetrieb bei Einschalten der Wärmepumpe treten sehr schnelle Temperaturänderungen um etwa 10 K mit den damit verbundenen Wärmeausdehnungen auf, bei Heiz- und Kühlbetrieb können diese Temperaturänderungen bis 40 K betragen. Diese Belastungen können insbesondere im Dauerbetrieb zur Bildung von Rissen an der der Punktlast gegenüberliegenden Innenseite der Rohranordnungen für Erdwärmesonden führen, die bis zum Bruch weiterwachsen können.
Rohranordnungen für Erdwärmesonden aus vernetzten polymeren Materialien sind zwar gegen Punktlasten beständig und weisen kein langsames Rißwachstum auf, jedoch besteht dort das Problem, dass beim Anbringen der Verbindungselemente von Rohrpaaren diese nicht stumpf geschweißt werden können, so dass die Herstellung einer derartigen Rohranordnung für Erdwärmesonden material- und kostenintensiv ist.
Hier setzt die Erfindung ein, die sich die Aufgabe gestellt hat, die Nachteile des bekannten Standes der Technik zu überwinden und eine Rohranordnung für Erdwärmesonden aufzuzeigen, die kostengünstig und wirtschaftlich herstellbar ist, die einfach, effizient und schadensfrei installierbar ist und die ein nochmals verbessertes mechanisches Verhalten, insbesondere ein ausgewogenes Verhältnis der Beständigkeit der Rohranordnung gegenüber äußeren Punktlasten sowie äußeren Kerben und Rissen aufweist.
Erfindungsgemäß wird dies durch eine Rohranordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Es wird eine Rohranordnung für Erdwärmesonden aus zumindest zwei Rohren, die zumindest eine, ein Lumen umgehende Schicht aufweisen, die an einem Ende wenigstens ein, wenigstens eine Schicht aufweisendes, Verbindungselement aufweisen, wobei mindestens eines der Rohre wenigstens teilweise aus einem unvernetzten polymeren Material hergestellt ist, vorgeschlagen, wobei das polymere Material der wenigstens einen Schicht der Rohre und/oder des Verbindungselementes einen FNCT-Wert (Full Notched Creep Test) nach ISO 16770 von mindestens 3000 h (Stunden) aufweist.
Damit ist mit der erfindungsgemäßen Rohranordnung für Erdwärmesonden eine weitgehende Punktlastbeständigkeit erreichbar und im Temperaturbereich bis 20°C kann kein langsames Risswachstum auftreten, das innerhalb einer definierten Lebensdauer von etwa 50 Jahren zu einem Versagen der Rohranordnungen für Erdwärmesonden führen könnte. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Rohranordnung für Erdwärmesonden wird darin gesehen, dass diese kostengünstig und wirtschaftlich herstellbar, sowie mit den entsprechenden Verbindungselementen stumpf verschweißbar sind. Somit kann eine erfindungsgemäße Rohranordnung für Erdwärmesonden aufgezeigt werden, die wirtschaftlich und kostengünstig herstellbar ist, die aber auch effizient transportierbar bzw. montierbar ist, ohne das das Material der Rohranordnung für Erdwärmesonden einer Beschädigung ausgesetzt ist.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Rohranordnung für Erdwärmesonden wird darin gesehen, dass das polymere Material der wenigstens einen Schicht der Rohre und/oder des Verbindungselementes einen FNCT-Wert (Full Notched Creep Test) nach ISO 16770 von mindestens 5000 Stunden aufweist. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Rohranordnung für Erdwärmesonden wird eine nochmals erhöhte Punktlastbeständigkeit und im Dauerbetrieb ein deutlich reduziertes Wachstum von Riefen und Kerben erreicht. Zusätzlich wird bei dieser Ausgestaltung eine Punktlastbeständigkeit bis zu einer Temperatur von 40°C erreicht, womit eine dauerhafte Sicherheit der Rohranordnungen für Erdwärmesonden mit entsprechend hohen Vorlauftemperaturen sicher gestellt werden kann.
In einer weiteren ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Rohranordnung für Erdwärmesonden weist das polymere Material der wenigstens einen Schicht der Rohre und/oder des Verbindungselementes einen MRS-Wert (minimum required strength) von mindestens 10 MPa bei 20°C über 50 Jahre auf. Damit können Rohranordnungen für Erdwärmesonden mit einem Durchmesser-Wanddickenverhältnis von 11:1 dauerhaft einem Druck von 20 bar standhalten.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Rohranordnung für Erdwärmesonden weist das polymere Material der wenigstens einen Schicht der Rohre und/oder des Verbindungselementes einen MRS-Wert (minimum required strength) von mindestens 12,5 MPa bei 20°C über 50 Jahre auf. Somit können erfindungsgemäße Rohranordnungen für Erdwärmesonden vorteilhafterweise zur Verfügung gestellt werden, die innerhalb einer Lebensdauer von ca. 50 Jahren einen problemfreien Dauerbetrieb gewährleisten, ohne das beim Transport oder der Montage insbesondere in die Bohrlöcher Vorschädigungen eingebracht worden sind.
In einer weiteren ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Rohranordnung weist das polymere Material der wenigstens einen Schicht der Rohre und/oder des Verbindungselementes wenigstens einen die UV-Beständigkeit erhöhenden Zuschlagsstoff auf, mit dem die zulässigen Zeitspannen für Freilagerung der erfindungsgemäßen Rohranordnungen für Erdwärmesonden erhöht werden können.
Weiterhin vorteilhaft bei den erfindungsgemäßen Rohranordnungen für Erdwärmesonden wird gesehen, dass das polymere Material der wenigstens einen Schicht der Rohre und/oder des Verbindungselementes wenigstens einen die mechanische Beständigkeit erhöhenden Zuschlagsstoff bzw. Verstärkungsstoff aufweisen.
Somit kann durch die Zugabe an sich bekannter Zuschlagsstoffe bzw. Verstärkungsstoffe wie beispielsweise Glasfasern eine erfindungsgemäße Rohranordnung für Erdwärmesonden zur Verfügung gestellt werden, die gemäß der gesetzlichen Anforderungen bzw. Normen problemlos und kostengünstig dimensionierbar ist.
Die erfindungsgemäße Rohranordnung für Erdwärmesonden ist vorteilhafterweise so ausgebildet, dass das polymere Material der wenigstens einen Schicht der Rohre und/oder des Verbindungselementes wenigstens einen die Diffusionsbeständigkeit erhöhenden Zuschlagsstoff aufweist. Diese Zuschlagsstoffe können dabei in Zusätzen von ca. 1% bis 30% zugefügt werden und lassen somit optimal dimensionierbare mechanische Eigenschaften der erfindungsgemäßen Rohranordnung für Erdwärmesonden zu.
Weiterhin vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Rohranordnung für Erdwärmesonden wird gesehen, dass das polymere Material der wenigstens einen Schicht der Rohr und/oder des Verbindungselementes wenigstens einen farbgebenden Zuschlagsstoff aufweisen, so dass beispielsweise bei Rohranordnungen für Erdwärmesonden, die ineinander verlegbar sind, durch verschiedene farbgebende Zuschlagsstoffe der Vorlauf bzw. der Rücklauf kennzeichenbar sind.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Rohranordnung für Erdwärmesonden wir darin gesehen, dass das polymere Material der wenigstens einen Schicht der Rohre und/oder des Verbindungselementes eine Beimischung wenigstens eines antistatisch wirkenden Zuschlagsstoffes aufweist, wobei der Oberflächenwiderstand der Rohr und/oder des Verbindungselementes höchstens 10^–10 Ohm/cm beträgt.
Die Erfindung lehrt weiterhin eine Rohranordnung für Erdwärmesonden, bei der das polymere Material der wenigstens einen Schicht der Rohre und/oder des Verbindungselementes eine Beimischung wenigstens eines elektrisch leitfähig eingestellten Zuschlagsstoffes aufweist, wobei der Oberflächenwiderstand der Rohre und/oder des Verbindungselementes höchsten 10^–6 Ohm/cm beträgt.
Diese Zuschlagsstoffe können im Allgemeinen zwischen etwa 1% bis ca. 20% dem polymeren Material zugegeben werden, je nach den gesetzlichen Anforderungen sowie den Dimensionierungsnormen.
Hinsichtlich der Durchführung des Full Notched Creep Tests wird auf den Aufsatz von S.H. Beech, S.J. Palmer und R.W. Burbidge mit dem Titel "Accelerated Laboratory Tests to Pre dict the Resistance to Slow Crack Growth of High Performance Polyethylene Pipe Resins" 1997, International Plastic Pipe Symposium Seite 205 ff verwiesen.
Weiterhin wird auf den Aufsatz von M. Fleissner verwiesen, mit dem Titel "Experience With a Full Notched Creep Test in Determining the Stress Crack Performance of Polyethylenes" in Polymer Engineering and Science, Februar 1998, Vol. 38, Nr. 2.
Basierend auf den beschriebenen Testbedingungen beträgt bei einem ersten Ausführungsbeispiel bei 80°C, 4,0 MPa und bei Anwesenheit von 2% Netzmittel Arkopal der FNCT-Wert des Materials für die Außenschicht des erfindungsgemäßen Rohres aus Polyethylen PE100 gemäß EN 12201 mit einem Außendurchmesser von 110 + 0,6 mm sowie einer Wanddicke von 10,0 + 0,3 mm etwa 200 bis 750 h und der FNCT-Wert des Materials der Innenschicht des erfindungsgemäßen Rohres aus einem Polyethylen mit einer Wanddicke von etwa 1,5 mm etwa 3.000 h.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist dieses mehrschichtige Rohr eine Innenschicht aus einem Polyethylen mit einer Wanddicke von etwa 0,7 mm auf, mit einem FNCT-Wert von etwa 6.000 h, bei 80°C, 4,0 MPa und bei Anwesenheit von 2% Netzmittel Arkopal.
Die erfindungsgemäße Rohranordnung für Erdwärmesonden soll nun an diesen nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden.
1 schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Rohranordnung für Erdwärmesonden
2 schematische Schnittdarstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Rohranordnung für Erdwärmesonden
In 1 ist eine erfindungsgemäße Rohranordnung dargestellt, die zwei Rohren 1, 2, die zumindest eine, ein Lumen 3 umgebende Schicht aufweisen. An den freien Enden 10, 20 der Rohre 1, 2 ist ein Verbindungselement 4 angeordnet, welches flüssigkeitsdicht mit den Rohren 1, 2 verbunden ist.
Die Rohre 1, 2 sowie das Verbindungselement 4 sind aus einem unvernetzten polymeren Material, z.B. Polyethylen, hergestellt. Das polymere Material der wenigsten einen Schicht der Rohre 1, 2 und des Verbindungselementes 4 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen FNCT-Wert von 3550 Stunden auf.
Weiterhin ist das polymere Material der wenigstens einen Schicht der Rohre 1, 2 und des Verbindungselementes 4 so ausgebildet, dass es einen MRS-Wert von 11,1 MPa bei 20°C über 50 Jahre aufweist.
In 2 ist eine weitere schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Rohranordnung für Erdwärmesonden aus zwei Rohren 1, 2 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Rohr 2 in das Lumen 3 des Rohres 1 konzentrisch eingebracht. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, dass in das Lumen 3 des Rohres 1 mehrere Rohre 2 einbringbar sind, die sowohl konzentrisch als auch exzentrisch anordenbar sind.
Am freien Ende 10 des Rohres 1 ist ein Verbindungselement 4 angeordnet, welches über eine stoffschlüssige Verbindung wie beispielsweise Verschweißen flüssigkeitsdicht mit dem freien Ende 10 des Rohres 1 verbunden ist.
Das Rohr 1 sowie das Rohr 2 weisen etwa die gleiche Länge auf, so dass zwischen dem freien Ende 20 des Rohres 2 und dem gegenüberliegenden Verbindungselement 4 ein Freiraum entsteht, in dem die durch das Lumen 3 des Rohres 2 transportierte Flüssigkeit über das Lumen 3 des Rohres 1 wieder zurückführbar ist.
Das polymere Material der wenigstens einen Schicht des Rohres 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen FNCT-Wert von 5550 Stunden auf und einen MRS-Wert von 13,1 MPa. Das polymere Material der wenigstens einen Schicht des Rohres 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen FNCT-Wert von 3100 Stunden und einen MRS-Wert von 10,5 MPa bei 20°C über 50 Jahre auf.
Das Verbindungselement 4 der erfindungsgemäßen Rohranordnung für Erdwärmesonden kann vielfältig ausgeführt sein, insbesondere umfasst die Lehre der Erfindung auch an sich bekannte Mittel zu flüssigkeitsdichten Verbindung des Verbindungsmittels 4 mit den Rohr 1, 2 in Form von ein- oder mehrteiligen Steck- oder Schweißfittings aus beliebigen Materialien, die auch als Sicherungshülse, Schiebehülse, Rastelement, Elektroschweißmuffe und dergleichen ausgebildet sein können.
Die Lehre der Erfindung umfasst auch Rohranordnungen für Erdwärmesonden, bei denen das Verbindungsmittel 4 durch zusätzlich Komponenten wie zB umfassende Halbschalen, eine Umschäumung oder Umspritzung mechanisch geschützt ist.

Claims

Rohranordnung für Erdwärmesonden aus zumindest zwei Rohren (1, 2), die zumindest eine, ein Lumen (3) umgebende Schicht aufweisen, die an einem Ende wenigstens ein, wenigstens eine Schicht aufweisendes Verbindungselement (4) aufweisen, wobei mindestens eines der Rohre (1, 2) wenigstens teilweise aus einem unvernetzten polymeren Material hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material der wenigstens einen Schicht der Rohre (1, 2) und/oder des Verbindungselementes (4) einen FNCT-Wert (Full Notched Creep Test) nach ISO 16770 von mindestens 3000 h aufweist.
Rohranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material der wenigstens einen Schicht der Rohre (1, 2) und/oder des Verbindungselementes (4) einen FNCT-Wert (Full Notched Creep Test) nach ISO 16770 von mindestens 5000 h aufweist.
Rohranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material der wenigstens einen Schicht der Rohre (1, 2) und/oder des Verbindungselementes (4) einen MRS-Wert (minimum required strength) von mindestens 10,0 MPa bei 20°C über 50 Jahre aufweist.
Rohranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material der wenigstens einen Schicht der Rohre (1, 2) und/oder des Verbindungselementes (4) einen MRS-Wert (minimum required strength) von mindestens 12,5 MPa bei 20°C über 50 Jahre aufweist.
Rohranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der wenigstens einen Schicht des Verbindungselementes (4) mit dem Material wenigstens einer, ein Lumen (3) umgebenden Schicht eines Rohres (1, 2) stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig verbindbar ist.