DE202007008880U1

DE202007008880U1 - Wärmeübertragungsrohr

Info

Publication number: DE202007008880U1
Application number: DE202007008880U
Authority: DE
Original assignee: Rehau AG and Co
Current assignee: Rehau Automotive SE and Co KG
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2017-06-23

Abstract

Wärmeübertragungsrohr (1) zur Übertragung von Wärme zwischen einem durch das Wärmeübertragungsrohr (1) fließenden Medium und einem das Wärmeübertragungsrohr (1) umgebenden Medium, insbesondere für den Entzug von Erdwärme, die Beheizung von Biogasanlagen und für in Gebäudeteilen verlegten Heiz- und Kühlleitungen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Rohraußendurchmessers (D) zur Rohrwandstärke (s) größer als 11, bevorzugt größer als 13 ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungsrohr zur Übertragung von Wärme zwischen einem durch das Wärmeübertragungsrohr fließenden Medium und einem das Wärmeübertragungsrohr umgebenden Medium, insbesondere für den Entzug von Erdwärme, die Beheizung von Biogasanlagen und für in Gebäudeteilen verlegten Heiz- und Kühlleitungen.
Ein Wärmeübertragungsrohr für den Entzug von Erdwärme, das aus dem Stand der Technik bekannt ist, umfasst eine Innenschicht aus Polyethylen PE 80 oder PE 100 mit einem Verhältnis des Rohraußendurchmessers zur Rohrwandstärke von 11 zu 1. Die Rohrwand muss entsprechend stark sein, um eine ausreichende Widerstandsfähigkeit gegenüber Risswachstum aufzuweisen.
Ein derartiges Verhältnis von Rohrdurchmesser zur Rohrwandstärke führt in Verbindung mit der geringen Wärmeleitfähigkeit von Polyethylen in Höhe von 0,4 W/mK zu einer spezifischen Wärmeübertragungsleistung von nur 12 W/K je Meter Rohr.
Ein weiteres bekanntes Wärmeübertragungsrohr für die Beheizung von Biogasanlagen umfasst eine Innenschicht aus vernetztem Polyethylen, wobei das Wärmeübertragungsrohr ebenfalls ein Verhältnis des Rohraußendurchmessers zur Rohrwandstärke von 11 zu 1 aufweist.
Diese Rohre werden üblicherweise in der Hausinstallation eingesetzt, wo sie 6 bis 10 bar Dauerbetriebsdruck bei Temperaturen bis 95°C aushalten und deshalb so dickwandig ausgeführt werden müssen.
Die geringe Wärmeübertragungsleistung ist dort sogar gewünscht; zur weiteren Verringerung werden diese Rohre meist zusätzlich wärmegedämmt.
Beim Einsatz als Wärmeübertragungsrohr in Biogasanlagen, bei oberflächennah verlegten Erdwärmekollektoren und bei in Wänden oder Estrichen verlegten Wärmeübertragungsrohren sind jedoch nur geringe Druckanforderungen zu erfüllen, der Wärmeübergang soll dagegen aber möglichst hoch sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das herkömmliche Wärmeübertragungsrohr dahingehend weiter zu entwickeln, dass einerseits die spezifische Wärmeübertragungsleistung, darüber hinaus aber auch in einer besonderen Ausführungsform – zumindest gegenüber Rohren aus PE 80 oder PE 100 – die Widerstandsfähigkeit des Wärmeübertragungsrohres erhöht wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung das Wärmeübertragungsrohr nach Anspruch 1 bereit, das zur Übertragung von Wärme zwischen einem durch das Wärmeübertragungsrohr fließenden Medium und der Umgebung dient, wobei das Verhältnis zwischen Außendurchmesser des Wärmeübertragungsrohres und seiner Wanddicke größer als 11, bevorzugt mindestens 13 ist.
In einer besonderen Ausführungsform weist das Wärmeübertragungsrohr zumindest eine Innenschicht aus Polypropylen (PP), Polybuten (PB) oder erhöht temperaturbeständigem Polyethylen (PE-RT) auf.
In einer nochmals verbesserten Ausführungsform weist das Wärmeübertragungsrohr zumindest eine Innenschicht aus einem vernetzten Polyethylen auf.
Vernetztes Polyethylen ermöglicht aufgrund der hervorragenden mechanischen Eigenschaften die Reduzierung der Wanddicke ohne Einbußen an Robustheit im Vergleich zu herkömmlichen Rohren aus unvernetztem Polyethylen.
Insbesondere weist vernetztes Polyethylen praktisch kein sogenanntes langsames Risswachstum auf. Durch das erfindungsgemäße Verhältnis des Rohraußendurchmessers zur Rohrwandstärke ergibt sich gegenüber dem herkömmlichen Wärmeübertragungsrohr eine erheblich verbesserte Wärmeübertragungsleistung.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungsrohr nach der vorangegangenen Ausführung, wobei das Wärmeübertragungsrohr eine Diffusionssperrschicht, vorzugsweise aus Ethylvinylalkohol (EVOH) oder Polyamid (PA), aufweist.
Die Diffusionsschicht aus EVOH oder PA bildet eine Diffusionssperre gegenüber Sauerstoff, Ammoniak und Kohlenwasserstoffen.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungsrohr nach einer der vorangegangenen Ausführungen, wobei die Diffusionssperrschicht eine Schichtdicke von 0,1 mm bis 1,0 mm, vorzugsweise 0,2 mm aufweist. Die Diffusionssperrwirkung erhöht sich mit zunehmender Schichtdicke. Gleichzeitig verringert sich aber die spezifische Wärmeübertragungsleistung des Wärmeübertragungsrohres mit zunehmender Schichtdicke der Diffusionssperrschicht. Im Bereich von 0,1 bis 1,0 mm Schichtdicke der Diffusionssperrschicht werden im Hinblick auf die Sperrwirkung einerseits und auf die Wärmeübertragungsleistung andererseits die besten Ergebnisse erhalten. Eine Schichtdicke von 0,2 mm erweist sich als ideal.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungsrohr nach einer der vorangegangenen Ausführungen, wobei zwischen der Innenschicht und der Diffusionssperrschicht eine Haftvermittlerschicht angeordnet ist. Die Haftvermittlerschicht verbessert die Haftung und den Kontakt zwischen der Innenschicht und der Diffusionssperrschicht, was die spezifische Wärmeübertragungsleistung des Wärmeübertragungsrohres weiter verbessert. Vorzugsweise weist die Haftvermittlerschicht auch eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf, als die Innenschicht und/oder die Diffusionssperrschicht, was gegebenenfalls durch Beigabe von Zusatzstoffen bewerkstelligt werden kann. Weil durch die Haftvermittlerschicht der Kontakt der benachbarten Schichten verbessert wird, verbessert die Maßnahme der Bereitstellung der Haftvermittlerschicht die Wärmeübertragungsleistung des Wärmeübertragungsrohres weiter.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungsrohr nach einer der vorangegangenen Ausführungen, wobei das Wärmeübertragungsrohr eine Schutzschicht, vorzugsweise aus hochdichtem Polyethylen (HDPE) aufweist. Diese Schutzschicht bildet vorzugsweise einen äußeren Schutzmantel gegenüber mechanischen Einwirkungen auf das Wärmeübertragungsrohr. Das hochdichte Polyethylen (HDPE) weist gegenüber einem Polyethylen mit normaler Dichte eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit auf, was einer spezifischen Wärmeübertragungsleistung des Wärmeübertragungsrohrs weiter zuträglich ist.
Die Lehre der Erfindung umfasst auch andere polymere Schutzschichten, insbesondere solche aus vernetztem Polyethylen oder vernetzten Poylethylen-Copolymeren.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungsrohr nach einer der vorangegangenen Ausführungen, wobei das Wärmeübertragungsrohr unter der Schutzschicht eine Haftvermittlerschicht aufweist. Die Haftvermittlerschicht erhöht die Haftung und verbessert den Kontakt zwischen den benachbarten Schichten, was zu einem besseren Wärmeübergang über die Kontaktstelle der benachbarten Schichten und im Ergebnis zu einer höheren spezifischen Wärmeübertragungsleistung des Wärmeübertragungsrohrs führt. Vorzugsweise weist die Haftvermittlerschicht eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf, als die daran angrenzenden Schichten, d.h. als die Innenschicht und/oder die Diffusionssperrschicht und/oder die äußere Schutzschicht.
Eine weitere Ausführungsform weist ein Wärmeübertragungsrohr aus vernetztem oder unvernetztem Polyethylen, eine sich an deren äußerem Umfang anschließende metallische Schicht und eine äußere polymere Schutzschicht auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der inneren und/oder der äußeren polymeren Schicht und der metallischen Schicht ein Haftvermittler angeordnet.
Bevorzugte Ausführungen der Erfindung betreffen Wärmeübertragungsrohre nach einer der vorangegangenen Ausführungen, wobei das Wärmeübertragungsrohr folgende Abmessungen aufweist:

Außendurchmesser Wanddicke

32mm 2,2mm

25mm 1,8mm

20mm 1,5mm

17mm 1,3mm.
Diese Abmessungen erweisen sich für kommerzielle Anwendungen der Erfindung als besonders vorteilhaft.
Die Erfindung sieht keine Einschränkung für das Verhältnis des Durchmessers des Wärmeübertragungsrohres zu der Dicke der äußeren Schutzschicht vor. Insbesondere bei einer äußeren Schutzschicht aus vernetztem Polyethylen kann dessen Wanddicke auch stärker ausfallen als die der Innenschicht.
Damit kann die Flexibilität eines Rohres mit polymerer Diffusionssperrschicht oder metallischer Schicht verbessert werden, da diese in der Regel einen höheren E-Modul aufweisen als das Wärmeübertragungsrohr, welches dann näher an der Rohrachse angeordnet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsrohres, umfassend: eine Innenschicht, eine Diffusionssperrschicht und eine äußere Schutzschicht, wobei zwischen der Innenschicht und der Diffusionssperrschicht sowie zwischen der Diffusionssperrschicht und der äußeren Schutzschicht Haftvermittlerschichten vorhanden sind.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungsrohr 1 zur Übertragung von Wärme zwischen einem durch das Wärmeübertragungsrohr 1 fließenden Medium und einem das Wärmeübertragungsrohr 1 umgebenden Medium. Das Wärmeübertragungsrohr 1 eignet sich insbesondere für den Entzug von Erdwärme und für die Beheizung von Biogasanlagen. Das erfindungsgemäße Wärmeübertragungsrohr 1 umfasst in seiner einfachsten Variante eine Innenschicht 11 aus einem vernetzten Polyethylen, wobei ein Verhältnis des Rohraußendurchmessers (D) zur Rohrwandstärke (s) größer als 13 ist.
Die Wärmeübertragungsleistung eines Rohrs berechnet sich nach der Formel (1):
wobei:

• λ = Wärmeleitwert,
• r₂ = Außenradius des Rohres,
• r₁ = Innenradius des Rohres und
• L = Länge des Rohres.

Polyethylen weist eine durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit von λ = 0,4 W/m·K auf. Polyethylen mit hoher Dichte bzw. hochdichtes Polyethylen (HDPE) weist im Allgemeinen eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf, als Polyethylen mit geringerer Dichte (LDPE).
In einer bevorzugten Variante des Wärmeübertragungsrohrs 1 umfasst das Wärmeübertragungsrohr 1 eine Diffusionssperrschicht 12, bevorzugt aus Sperrschichtkunststoffen wie Polyvinylidenfluorid (PVDF), Ethylvinylalkohol (EVOH), Ethylentetrafluorethylen (ETFE) oder Polyamid (PA). Die Diffusionssperrschicht 12 bildet eine Diffusionssperre gegenüber Sauerstoff, Ammoniak und/oder Kohlenwasserstoffen. Die Schichtdicke der Diffusionssperrschicht 12 beträgt vorzugsweise zwischen 0,1 mm bis 1,0 mm, bevorzugt 0,2 mm. Gerade bei einer dünnwandigen Innenschicht 11 aus vernetztem Polyethylen (PE-X) bewirkt eine versteifende, dickere Diffusionssperrschicht 12 eine erhebliche Erhöhung der Ringsteifigkeit des Wärmeübertragungsrohrs 1. Die Diffusionssperrschicht 12 ist bevorzugt außerhalb der Innenschicht 11 angeordnet.
In einer weiteren bevorzugten Variante des Wärmeübertragungsrohrs 1 ist zwischen der Innenschicht 11 und der Diffusionssperrschicht 12 eine Haftvermittlerschicht 13 vorgesehen. Die Haftvermittlerschicht 13 weist vorzugsweise eine Dicke von 0,1 mm auf und verbessert die Haftung und den Kontakt zwischen der Innenschicht 11 und der Diffusionssperrschicht 12. Die Haftvermittlerschicht 13 weist vorzugsweise eine bessere bzw. höhere Wärmeleitfähigkeit auf, als die benachbarten Schichten, was gegebenenfalls durch Beigabe von Zusatzstoffen bewerkstelligt werden kann. Gängige Haftvermittler sind für die Zwecke der Erfindung jedoch auch geeignet. Die Haftvermittlerschicht 13 ermöglicht unter dem Gesichtspunkt der Wärmeübertragung einen idealen Kontakt zwischen der Innenschicht 11 und der Diffusionssperrschicht 13 und trägt zur Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung des Wärmeübertragungsrohrs 1 bei.
In einer weiteren bevorzugten Variante des Wärmeübertragungsrohrs 1 weist das Wärmeübertragungsrohr 1 eine Schutzschicht 14 auf. Die Schutzschicht 14 schützt das Wärmeübertragungsrohr vor mechanischen Einwirkungen und insbesondere eine etwaige Diffusionssperrschicht 12 vor einer Quellung bei Kontakt mit Wasser. Die Schutzschicht 14 besteht vorzugsweise aus hochdichtem Polyethylen (HDPE) und weist vorzugsweise eine Schichtdicke von 0,1 bis 1,0 mm, bevorzugt 0,2 mm auf. Die Schutzschicht 14 ist bevorzugt an der Außenseite des Wärmeübertragungsrohrs 1 angeordnet.
In einer weiteren bevorzugten Variante des Wärmeübertragungsrohrs 1 weist das Wärmeübertragungsrohr 1 unter der Schutzschicht 14 eine Haftvermittlerschicht 15 auf. Die Haftvermittlerschicht 15 verbessert die Haftung und den Kontakt zwischen den angrenzenden Schichten, d.h. zwischen der Innenschicht 11 oder der Diffusionssperrschicht 12 und der Schutzschicht 14. Die Haftvermittlerschicht 15 umfasst vorzugsweise dieselben Ausgangsmaterialien wie die Haftvermittlerschicht 12. Die Schichtdicke der Haftvermittlerschicht 15 beträgt vorzugsweise 0,1 mm.
1 zeigt eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsrohres 1, umfassend: eine Innenschicht 11, eine Diffusionssperrschicht 11 außerhalb der Innenschicht 11 und eine Schutzschicht 14 an der Rohraußenseite, wobei zwischen der Innenschicht 11 und der Diffusionssperrschicht 12 sowie zwischen der Diffusionssperrschicht 12 und der äußeren Schutzschicht 14 Haftvermittlerschichten 13, 15 vorhanden sind.
Die bevorzugten Varianten von Wärmeübertragungsrohren 1 sind:

1. Wärmeübertragungsrohr 1 aus vernetztem Polyethylen (PE-X), wobei das Verhältnis Rohraußendurchmesser (D) zu Rohrwandstärke (s) größer als 11, bevorzugt größer als 13 ist;
2. Wärmeübertragungsrohr 1 mit einer Innenschicht 11 aus vernetztem Polyethylen (PE-X), wobei eine Diffusionssperrschicht 12 aus EVOH mit einer Schichtdicke von 0,1 mm außerhalb der Innenschicht 11 angeordnet ist, wobei ein Verhältnis Rohraußendurchmesser (D) zu Rohrwandstärke (s) größer als 11, bevorzugt größer als 13 ist;
3. Wärmeübertragungsrohr 1 mit einer Innenschicht 11 aus vernetztem Polyethylen (PE-X), wobei eine Diffusionssperrschicht 12 aus EVOH mit einer Schichtdicke von 0,2 bis 1,0 mm außerhalb der Innenschicht 11 angeordnet ist, wobei ein Verhältnis Rohraußendurchmesser (D) zu Rohrwandstärke (s) größer als 11, bevorzugt größer als 13 ist;
4. Wärmeübertragungsrohr 1 mit einer Innenschicht 11 aus vernetztem Polyethylen (PE-X), wobei eine Diffusionssperrschicht 12 aus PA mit einer Schichtdicke von 0,2 bis 1,0 mm außerhalb der Innenschicht 11 angeordnet ist, wobei ein Verhältnis Rohraußendurchmesser (D) zu Rohrwandstärke (s) größer als 11, bevorzugt größer als 13 ist;
5. Wärmeübertragungsrohr 1 nach 2. bis 4., wobei eine Haftvermittlerschicht 13 zwischen der Innenschicht 11 und der Diffusionssperrschicht 12 ausgebildet ist;
6. Wärmeübertragungsrohr 1 nach 2. bis 5., wobei eine Schutzschicht 14 aus Polyethylen an der Außenseite des Wärmeübertragungsrohrs 1 ausgebildet ist; und
7. Wärmeübertragungsrohr 1 nach 6., wobei eine Haftvermittlerschicht 15 unter der äußeren Schutzschicht 14 ausgebildet ist.

Das erfindungsgemäße Wärmeübertragungsrohr 1 wird insbesondere für den Entzug von Erdwärme, die Beheizung von Biogasanlagen und für in Gebäudeteilen verlegten Heiz- und Kühlleitungen eingesetzt. Im Vergleich zu dem herkömmlichen Wärmeübertragungsrohr, bei welchem das Verhältnis Rohraußendurchmesser zu Rohrwandstärke mindestens gleich 11 ist und eine spezifische Wärmeübertragungsleistung 12 W/m·K beträgt, weist ein erfindungsgemäßes Wärmeübertragungsrohr 1, bei welchem das Verhältnis Rohraußendurchmesser (D) zu Rohrwandstärke (s) gleich 17 beträgt, eine spezifische Wärmeübertragungsleistung von 20 W/m·K auf. Das erfindungsgemäße Wärmeübertragungsrohr 1 besitzt aufgrund des vernetzten Polyethylens in der Innenschicht 11 hervorragende mechanische Eigenschaften, die kein oder nur ein minimales, langsames Risswachstum zulassen.

Claims

Wärmeübertragungsrohr (1) zur Übertragung von Wärme zwischen einem durch das Wärmeübertragungsrohr (1) fließenden Medium und einem das Wärmeübertragungsrohr (1) umgebenden Medium, insbesondere für den Entzug von Erdwärme, die Beheizung von Biogasanlagen und für in Gebäudeteilen verlegten Heiz- und Kühlleitungen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Rohraußendurchmessers (D) zur Rohrwandstärke (s) größer als 11, bevorzugt größer als 13 ist.
Wärmeübertragungsrohr (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsrohr mindestens eine Innenschicht aus Polypropylen (PP), Polybuten (PB), erhöht temperaturbeständigem Polyethylen (PE-RT) oder vernetztem Polyethylen (PE-X) aufweist.
Wärmeübertragungsrohr (1) nach Anspruch 1, wobei das Wärmeübertragungsrohr (1) eine polymere und/oder metallische Diffusionssperrschicht (12), vorzugsweise aus Ethylenvinylalkohol (EVOH), Polyamid (PA) oder Aluminium aufweist.
Wärmeübertragungsrohr (1) nach Anspruch 3, wobei die Diffusionssperrschicht (12) eine Schichtdicke von 0,1 mm bis 1,0 mm, vorzugsweise 0,2 mm aufweist.
Wärmeübertragungsrohr (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei zwischen der Innenschicht (11) und der Diffusionssperrschicht (12) eine Haftvermittlerschicht (13) angeordnet ist.
Wärmeübertragungsrohr (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Wärmeübertragungsrohr (1) eine äußere Schutzschicht (14) aufweist.
Wärmeübertragungsrohr (1) nach Anspruch 6, wobei das Wärmeübertragungsrohr (1) und die äußere Schutzschicht (14) eine Haftvermittlerschicht (15) aufweisen.
Wärmeübertragungsrohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Wärmeübertragungsrohr (1) einen Außendurchmesser (D) von ca. 25 mm und eine Wandstärke (s) von ca. 1,8 mm aufweist.
Wärmeübertragungsrohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Wärmeübertragungsrohr (1) einen Außendurchmesser (D) von ca. 20 mm und eine Wandstärke (s) von ca. 1,5 mm aufweist.