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Thermosyphon

Als Thermosyphon wird ein System bezeichnet in dem ein Arbeitsmittel nur aufgrund von Temperatureinwirkung, also ohne zusätzlichen Antrieb, zirkuliert. Der Antrieb ist in der Regel die Gravitation, bedingt dadurch, dass in dem Systemteil (z.B. Förderbohrung) das Arbeitsmittel aufwärts fließt dieses leichter ist als in dem Systemteil (z.B. Injektionsbohrung) in dem es abwärts fließt, da es dort schwerer ist. Die beiden Systemteile können auch innerhalb einer Bohrung sein, beispielsweise in einer Koaxialanordnung.

Der für den Antrieb des Thermosyphons notwendige Dichteunterschied entsteht nun meist dadurch, dass die Dichte des Arbeitsmittels temperaturabhängig ist. Sie somit in wärmeren Systemteilen kleiner als in kälteren Systemteilen ist. Im Falle einer geothermischen Dublette ist das Thermalwasser in der Förderbohrung wärmer als in der Injektionsbohrung. Dadurch entsteht eine gravitative Zirkulation. Diese stabilisiert sich im Laufe des Betriebs der Anlage dadurch, dass in der Umgebung der Förderbohrung das umgebende Gebirge aufgeheizt, in der Umgebung der Injektionsbohrung ausgekühlt wird.

sCO2

Wird als Arbeitsmittel nicht Wasser sondern z.B. überkritisches CO2 verwendet kann der Thermosyphon Effekt dann wesentlich stärker sein, wenn die Temperaturabhängigkeit größer ist als bei Wasser. Dies ist für überkritisches CO2 deutlich der Fall, so dass für Dubletten, die mit diesem Arbeistmittel arbeiten oft auf den Thermosyphon Effekt verwiesen wird und auf eine Tauchpumpe als Zirkulations-Antrieb verzichtet wetrden soll.

Heat pipe, Wärmerohr, Phasenwechselsonde

Einen wesentlich größeren Einfluss auf die Dichte hat eine Temperaturerhöhung, wenn sie zu einem Phasenwechsel führt, wenn also das Arbeistmittel im warmen Teil als Gas, im kalten Teil als Flüssigkeit vorliegt. Diese Art des Thermosyphoneffekts wird bei Phasenwechselsonden (heat pipes, Wärmerohren) genutzt. Auch sie brauchen, im Gegensatz zu normalen Erdwärmesonden keinen zusätzlichen Antrieb.

Eigenschaften verschiedener Arbeitsmittel von Phasenwechselsonden:

 

 

Ammonik

Kohlendioxid

Propan

Siedetemperatur (°C)

bei Normaldruck (1 bar)

−33

−78

−42

Dichte (10−3 kg/m3)

bei Siedetemperatur

0,682

1,032

0,58

Dampfdruck (bar)

bei 0 °C

4,82

34,91

4,76

Verdampfungsenthalpie (kJ/mol)

21,4

23,2

19,0

zuletzt bearbeitet September 2020