具有混合元件的地熱探頭的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種地熱探頭，在某些情況中也被稱為土地探頭，其用于傳熱流體與地熱探頭周圍的地面之間的熱交換，其中地熱探頭被設置為工作狀態。在此，本發明涉及一種大型同軸地熱探頭，其中流出管設置在流入管內。
【背景技術】
[0002]地熱探頭可以構造為同軸的或者U型的。U型地熱探頭包括流入管，該流入管向下通往地面里，并且在下游端在連接區與流出管流體連接。因此，傳熱流體，也被稱為傳熱液體，從流入管向下流動，在連接區匯入流出管，并且又沿著流出管向上流動。在同軸地熱探頭中，流入管為探頭外管，而流出管為設置在探頭外管內的探頭內管。在探頭內管之外、探頭外管之內存在環形空間，也被稱為傳熱空間，其形成了傳熱區。在這種情況中，探頭外管相對于探頭內管被設置為同軸的。同軸地熱探頭的連接區由探頭內管的開口形成，以使得在這種情況中，位于探頭外管或環形空間中的傳熱流體能夠流進探頭內管。
[0003]在穿過地熱探頭的時候，傳熱流體與地面之間發生熱傳遞。熱傳遞實質上是通過對流發生的。熱量在哪里發出或吸收取決于地熱探頭是用于制冷過程還是加熱過程。有鑒于此，一般的地熱探頭被設置為深達地下100米，在個別情況中，甚至實現了更大的深度。
[0004]傳熱流體在入口處被引導至地熱探頭中。
[0005]當傳熱流體在入口處被引導至地熱探頭時，傳熱流體通常由增壓推動以兩次穿過地熱探頭的整個長度，一次是沿流入方向向下流過流入管，另一次是沿著與流入方向相反的方向向上流過流出管。單位時間流經地熱探頭的傳熱流體的量被稱為體積流速。在地熱探頭的下游端，傳熱流體再次向上穿過探頭內部/外管，并且能夠通過排水管移除。探頭內管也可以被連接至入口，而探頭外管被連接至排水管。
[0006]流入與流出地熱探頭的傳熱流體之間的溫度差在下文中被稱為溫度梯度。熱流或熱輸出，簡言之熱量，是從作為熱源的地面提取的。
[0007]在地熱探頭小于100米長或100米深的情況中，導入的傳熱流體和排出的傳熱流體之間的溫度梯度一般的量值為幾度。常見地，導入值介于_2°C至1°C之間，排出值介于2°C至5°C之間。溫度梯度相對較低，并且從地熱探頭離開的傳熱流體的溫度尚未符合所需的熱量要求，例如加熱住宅房間所需的熱量。然而，在熱栗的輔助下，熱輸出可以變得有利用價值，其中熱栗的效率表示了傳熱流體提供的熱輸出是如何有效地被轉化為加熱所需的熱量。在熱栗中，所提供的熱輸出在低溫水平被利用，從而在蒸發器中蒸發位于第二流體循環中的熱介質。在這一情況中，蒸發器是這樣的組件，在其中從地熱探頭提取的熱量被供給處于低溫水平的熱栗。有鑒于此，從地熱探頭排出的傳熱液體流過熱交換器，將其熱量傳遞給第二流體循環。在此之后，熱介質被提供給栗，該栗壓縮當前為氣態的熱介質，由此使其處于更高的壓力水平。在這一過程中，氣態的熱介質升溫，并且這些熱量可以被用于加熱住宅房間。當將其熱量傳遞給住宅房間后，熱介質冷卻下來并且凝結。不用說，壓力再次擴展到較低的壓力水平。這時，再次將其提供至熱栗的蒸發器中，從而提供熱栗循環。然而，也存在其他類型的熱栗，其并不是如上所述那樣運行。這對于本領域技術人員來說是眾所周知的。當熱介質本身在地熱探頭中循環時，可以省略地熱探頭中的傳熱流體。本發明并不限于具有兩個單獨的循環的地熱熱循環。
[0008]通常，在地熱探頭熱循環中使用多個地熱探頭，因為地熱探頭的可用的溫度差通常不足以蒸發第二流體循環中的熱介質。雖然地熱探頭非常適合吸收來自地面的熱量，以合并在熱栗的過程中，但是仍然需要增加溫度梯度，這可以通過傳熱流體的排出值來實現，這可以通過普通的地熱探頭來實現。一般地，可以說傳熱流體的排出值越高效率就會越高，因為這時熱栗僅需處理排出值之間的較低的溫度差，即，傳熱流體的溫度和所需的熱量。
[0009]例如，在德國，地下15米深處的溫度常年約為10°C，并且每加深30米該溫度增加約TC。特別是在長度小于70米的地熱探頭的情況中，所能達到的排出值往往是不夠的，因為熱交換并未充分有效地發生。此外，有利的是，傳熱流體能夠盡可能長時間的保持所達到的溫度而沒有損失，特別是多個地熱探頭串聯連接。特別是，大型地熱探頭適用于此。在大計量體積的儀器中，需要更多的熱量，以獲得更高的溫度。然而，一旦其達到某一溫度，基于相同的原因，就能夠有利地提供更長久的溫度穩定性。
[0010]大型地熱探頭的特征在于，由流入管內表面界定的流入管的內徑以及由流出管外表面界定的流出管的外徑這樣選擇，以使得環形空間的計量體積>10升，并且未受到進一步擾動的傳熱流體在環形空間中大致呈層流。流體是否為層流取決于流道的幾何結構、傳熱流體的粘度以及流速。由此可以獲得雷諾茲數，所謂的雷諾茲數是關于流體中的湍流發生的點的尺寸。一般來說，流速越高，越快超出臨界的雷諾茲數。低流速確保(近似)層流。此夕卜，通過低流速，傳熱流體有更多的時間來吸收流入管內表面上的熱量。然而，層流可能被看作缺點，因為在(近似)層流中形成了不均勻的層溫。不均勻的層溫豎直分布，并且因此平行于流入管內表面，其中溫度更高的層位于流入管內表面附近，作為內層的絕緣體。
【發明內容】
[0011]本發明的目的在于，增進地熱探頭中傳熱流體和熱源之間的熱交換，以及增進地熱探頭熱循環的效率。此外，本發明使得在法律限制容許鉆孔深度的地區有效利用地熱探頭成為可能。
[0012]該目的通過具有權利要求1所述特征的地熱探頭來實現。本發明的其他優點和特征可以由從屬權利要求獲得。此外，還要求保護地熱探頭的熱循環和用于運行地熱探頭的熱循環的方法。必須指出的是，權利要求中單獨提到的特征可以通過任何技術上可行的方式相結合，并示出了本發明的其他結構。本發明的其他特征和詳細說明將結合附圖進一步描述。
[0013]根據本發明的地熱探頭被地面圍繞，其處于運行狀態，并且用于地面和位于地熱探頭中的傳熱流體之間的熱交換。地熱探頭包括流入管和流出管，傳熱流體通過流入管被引導至地熱探頭，從而進入地面，傳熱流體通過流出管又被排出。通常，傳熱流體通過入口被弓I導進入流入管，并且由入口向土地內部的方向被稱為流入方向(流動方向)。根據本發明，流出管被設置在流入管內，以使得流入管內表面與流出管外表面之間形成環形空間，傳熱流體流進該環形空間。根據本發明的地熱探頭中的熱交換發生在流入管中。本發明涉及大型地熱探頭，其中由流入管內表面界定的直徑具有這樣的尺寸，其通常使得層流出現。由流出管外表面界定的流出管的外徑這樣選擇，以使得一般地環形空間具有大于8升的計量體積。優選地，由流入管內表面界定的直徑大于120mm，并且環形空間的計量體積大于12升。
[0014]可以知道的是，特別地，近似層流與傳熱流體的混合反復更替會引起有效的熱交換。在根據本發明的地熱探頭中，傳熱流體以層流的狀態流進流入管。地熱探頭進一步包括至少兩個混合元件，其在環形空間內沿著流出管的縱軸線彼此間隔設置。在這種情況中，混合元件之間的距離被選擇為使得經過混合元件的傳熱流體再次平靜，并在其遇到下一個混合元件之前再次形成層流。通常，混合元件之間的距離為I至2.5m，優選為1.5m至2m之間，其中必須注意的是，這些值應視為量級，并且為了確定理想的距離，需要考慮流速、流入管的內徑、流出管的外徑和傳熱流體的粘度。在此，可以注意到，實際中沒有流體是純粹的層流，即沒有湍流，這便是為什么在下文中使用近似層流或大致層流。對于本發明的實質內容，混合元件之間的流體完全地再次穩定并不是必須的，其穩定并且又變得近似層流就足夠了。
[0015]混合元件包括至少兩個局部環狀盤，每個局部環狀盤具有外邊緣、內邊緣和兩個自由端，界定了局部環狀表面。局部環狀盤可以通過任何方式連接至流出管，例如，焊接或者粘結。因此，混合元件的組件可以由與流出管相同的材料制成，優選地，由熱塑性塑料制成，這樣確保了局部環狀盤與流出管容易連接。在有利的結構中，混合元件能夠可變地設置在環形空間中，從而能夠與地熱探頭的個別具體任務中的混合元件的距離相匹配。例如，如果地熱探頭的傳熱流體不同，混合元件之間的理想距離也會不同。例如，混合元件可以包括套筒，局部環狀盤通過套筒設置在流出管外表面上。例如，此時，在流出管外表面上沿著流出管的縱軸線形成的具有內螺紋的孔用于鎖定套筒。此時，可以利用平頭螺絲來固定混合元件。一旦確定混合元件之間的距離，這些部件也可以焊接在流出管上。
[0016]根據本發明，局部環狀盤的外邊緣與流入管內表面相間隔設置，這樣形成了環形間隙，一部分傳熱流體可以從其中流過。一般地，該環形間隙為1-12_，優選為4-8_。
[0017]局部環狀盤的每一個自由端與相鄰的局部環狀盤的其中一個自由端彼此間隔設置。此外，相鄰的局部環狀盤被設置為與流出管的縱軸線的正交平面具有不同的傾斜度。大致間隔意味著在相鄰的兩個局部環狀盤的其中一個自由端之間形成了開口，具有沿著流出管的縱軸線的豎直分量的流道引導經過該開口。取決于局部環狀盤的結構和布置，具有不同量級的豎直分量的流道的分量直接沿著流出管外表面引導。例如，局部環狀表面被配置為半環狀表面，以使得局部環狀盤的自由端在每種情況中彼此間都具有180°的角。然而，圓形片段部分的其他變體也是可以想到的。如果局部環狀盤的自由端所包含的角小于180°，那么直接沿著流出管外表面引導的具有豎直分量的流道的分量增加。
[0018]傾斜的直立局部環狀盤形成了另一個流道，其具有在局部環狀表面上圍繞流出管的旋轉分量。在俯視圖中，順著向混合元件的流動方向，傳熱流體圍繞流出管順時針方向流動或逆時針方向流動，取決于局部環狀盤的布置。優選地，不同混合元件的局部環狀盤被設置為使得相鄰的混合元件的旋轉分量的方向不同。
[0019]上述流道彼此相交并引起混合，也被稱為傳熱流體的渦流。這樣的混合優選地由渦狀件通過旋轉運動作用于傳熱流體上。總之，在這一區域的流體也可以被描述為湍流或渦流，其中這一名稱僅用于表明在該區域里傳熱流體的不同熱量層的強烈混合。
[0020]通過有利的結構，特別地，在流入管內表面的區域以及流出管外表面的區域中引起混合，即，恰好在層流的層之間具有最大溫差的區域。在優選的大型地熱探頭的情況中，在純粹的層流中存在這樣的風險，即內層幾乎不吸收任何熱量。出于這樣的原因，這樣的層構造隨著傳熱流體的混合被消除。
[0021]流體之間的邊界層被打破。通過這樣的打破和其導致的混合，地面與傳熱流體之間發生了完全有效的熱交換。通過混合元件的特別布置，地