Wir haben die Funktionen zur Berechnung des Druckabfalls in GHEtool Cloud erweitert, um Verteiler, Hauptsammler und Tichelmann-Anschlüsse einzubeziehen - damit können Sie 99% Ihrer Bohrlochdesigns ganz einfach modellieren. Lesen Sie den folgenden Artikel, um herauszufinden, wie es funktioniert!
Wie hoch ist der Druckverlust?
Der Druckabfall ist ein Konzept der Flüssigkeitsdynamik, das definiert ist als der Druckunterschied zwischen Punkt A und Punkt B, der durch Reibung verursacht wird - und diese Reibung ist der Schlüssel. Sie kann zwischen der Flüssigkeit und den Rohrwänden, an Ventilen, Pumpen usw. auftreten, aber auch innerhalb der Flüssigkeit selbst, zwischen verschiedenen Flüssigkeitstropfen. Der Druckabfall kann daher als die Anstrengung angesehen werden, die erforderlich ist, um die Flüssigkeit durch das System zu bewegen.
!Hinweis
Für weitere Hintergrundinformationen zu den theoretischen Grundlagen des Druckabfalls wird der Leser verwiesen auf dieser Artikel.
In der Regel gibt es zwei Faktoren, die zum Druckabfall beitragen: die Strömungsverluste in den Rohren selbst, die im gesamten System auftreten und als Hauptverluste bezeichnet werden, und die durch Bögen, Verengungen und andere Armaturen verursachten Verluste, die lokal begrenzt sind und daher als Nebenverluste bezeichnet werden. Beide Arten von Verlusten sind proportional zur Fließgeschwindigkeit und damit zur Durchflussmenge. Eine typische Druckverlustkurve ist unten dargestellt.
!Hinweis
Es wird viel darüber diskutiert, welche lokalen Verlustfaktoren verwendet werden sollten. In GHEtool Cloud werden die Bögen, die die seitlichen, horizontalen Rohre mit den Bohrlöchern verbinden, mit einem lokalen Verlustfaktor von k = 0,3 modelliert (sowohl für den Einlass als auch für den Auslass), während die Verbindungen zwischen den seitlichen Rohren und dem Verteiler mit k = 0,5 modelliert werden (ebenfalls für den Einlass und den Auslass). Andere lokale Verluste - etwa durch zusätzliche Bögen oder Armaturen im Kreislauf - sind noch nicht berücksichtigt.
Druckabfall und GHEtool Cloud
GHEtool Cloud enthält seit jeher ein Modul zur Berechnung des Druckabfalls im Bohrlochfeld (weitere Einzelheiten finden Sie unter unserem vorherigen Artikel zu diesem Thema). Dieses Modul umfasste zwei Hauptkomponenten:
- Eine Simulation des Druckabfalls über ein einzelnes Bohrloch, standardmäßig berechnet
- Eine Simulation des Druckabfalls in den horizontalen Rohrleitungen unter der Annahme, dass alle Bohrlöcher einzeln an den Verteiler angeschlossen sind
Dies ermöglichte zwar eine solide erste Einschätzung der hydraulischen Leistung des Systems, aber aufgrund seiner Einfachheit konnten komplexere Konfigurationen wie Tichelmann-Verbindungen und Hauptsammler nicht berücksichtigt werden. Diese Funktionen wurden nun in die neueste Aktualisierung von GHEtool aufgenommen und werden im Folgenden kurz erläutert.
Tichelmann-Verbindungen
Sowohl bei kleinen als auch bei großen Bohrfeldern kann es sehr kostspielig sein, jedes Bohrloch einzeln an den Verteiler anzuschließen, wo der Durchfluss kalibriert werden kann, um einen hydraulischen Abgleich zu erreichen. Eine alternative Lösung ist die Verwendung einer Tichelmann-Verbindung (auch bekannt als Reverse-Return), bei der zwei oder mehr Bohrlöcher über dasselbe horizontale Rohr verbunden sind, das an den Verteiler angeschlossen wird. Diese Konfiguration mit umgekehrtem Rücklauf sorgt für einen annähernd gleichen Druckabfall in den verschiedenen Bohrlöchern und ermöglicht es Ihnen, die Anzahl der horizontalen Verbindungen zu minimieren, die Größe des Verteilers zu verringern und die Anzahl der Durchflussraten zu begrenzen, die angepasst werden müssen, um ein hydraulisch ausgeglichenes System zu erreichen.
!Vorsicht
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Bohrungen parallel zu verbinden, aber nur die Tichelmann-Konfiguration (Rücklauf) führt zu einem hydraulisch ausgeglichenen System.
Hauptrohr
Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der hydraulischen Auslegung größerer Bohrfelder ist die Hauptleitung, die den Verteiler mit dem Anlagenraum verbindet. Bei kleineren Sondenfeldern befindet sich der Verteiler in der Regel im Gebäude selbst, so dass dieser Effekt vernachlässigbar ist. Bei größeren Sondenfeldern ist es jedoch nicht ungewöhnlich, dass der Verteiler mehrere Dutzend Meter vom Anlagenraum entfernt ist. Da die Hauptleitung 100% des Durchflusses des Bohrlochs transportiert, kann der Druckabfall zwischen dem Verteiler und dem Anlagenraum in solchen Fällen beträchtlich sein.
Beispiel 1: Kleines Gebäude
Betrachten wir als erstes Beispiel ein kleines Gebäude mit zwei doppelten DN32-Bohrungen, die jeweils 150 Meter tief sind. Das am weitesten entfernte Bohrloch befindet sich 10 m vom Gebäude entfernt, und für die horizontalen Verbindungen werden DN40-Rohre verwendet. Wir werden drei verschiedene Möglichkeiten untersuchen, wie die Bohrungen mit dem Technikraum verbunden werden können: Direktverbindung, Tichelmann-Verbindung und Reihenschaltung.
Direkte Verbindung
Die einfachste Art, die Bohrungen mit dem Technikraum zu verbinden, ist die Verwendung eines Verteilers, an den beide Bohrungen direkt angeschlossen werden. Um den Druckverlust in dieser Konfiguration zu bestimmen, sollten sowohl der Serien- als auch der Tichelmann-Faktor auf 1 gesetzt werden, und die Länge der horizontalen Leitung zum Verteiler wird eingegeben. (Da sich der Verteiler innerhalb des Gebäudes befindet, sind die Druckverluste in der Hauptleitung vernachlässigbar).
Der Gesamtdruckverlust in diesem System beträgt 22,74 kPa, wovon 20,74 kPa auf die Bohrlöcher selbst zurückzuführen sind. Dies ist ein ideales Szenario in Bezug auf die hydraulische Leistung, ist aber in der Praxis oft zu kostspielig. Betrachten wir daher die Tichelmann-Konfiguration, die simuliert werden kann, indem der Tichelmann-Faktor in GHEtool Cloud auf 1 gesetzt wird.
Tichelmann-Verbindung
Bei dieser Konfiguration werden die Bohrlöcher mit einem Tichelmann-System verbunden. Es treten nur zwei Rohre in das Gebäude ein, so dass ein Verteiler nicht erforderlich ist (obwohl er aus Gründen der Übersichtlichkeit noch gezeigt wird). Da die Tichelmann-Anordnung den Flüssigkeitsstrom zwischen beiden Bohrlöchern gleichmäßig verteilt, bleibt der Druckabfall über jedes Bohrloch bei 20,74 kPa. Da jedoch 100% des Durchflusses nun durch ein einziges horizontales Rohr fließen (anstatt auf zwei Rohre aufgeteilt zu werden), steigen die Verluste in den horizontalen Rohrleitungen von 1,98 kPa auf 6,48 kPa, was den Gesamtdruckabfall des Systems auf 27,22 kPa erhöht.
Reihenschaltung
Bei einer Reihenschaltung (modelliert durch Einstellung des Reihenfaktors in GHEtool Cloud auf 1) wird ein Bohrloch direkt hinter das andere geschaltet. Dies ist oft kostengünstiger zu installieren als eine Tichelmann-Anordnung, da weniger Schweißnähte erforderlich sind.
In diesem Fall bleiben die horizontalen Druckverluste gleich, da sie weiterhin den vollen Durchfluss übertragen. Der Druckabfall in den Bohrlöchern nimmt jedoch erheblich zu. Jedes Bohrloch bewältigt nun 100% des Durchflusses, was zu einem Druckabfall von 81,70 kPa über jedes Bohrloch führt. Da die in Reihe geschalteten Komponenten kumulative Verluste aufweisen, beträgt der gesamte bohrlochbezogene Druckabfall 163,40 kPa, und der gesamte Systemdruckabfall steigt auf 169,78 kPa - weit mehr als die 27,22 kPa, die in der Tichelmann-Konfiguration gemessen wurden.
!Hinweis
Der Druckabfall im horizontalen System kann sich zwischen der Tichelmann- und der Serienkonfiguration leicht unterscheiden. Dies liegt daran, dass beide hydraulischen Anordnungen den effektiven Wärmewiderstand des Bohrlochs beeinflussen, was sich wiederum auf die Flüssigkeitseigenschaften auswirkt. Geringfügige Änderungen der Viskosität können daher zu geringen Unterschieden im Druckabfall führen. Weitere Informationen über temperaturabhängige Flüssigkeitseigenschaften finden Sie unter dieser Artikel.!Hinweis
Es ist auch möglich, sowohl Tichelmann- als auch Reihenschaltungen zu kombinieren, indem sowohl der Tichelmann-Faktor als auch der Reihenschaltfaktor auf Werte größer als 1 gesetzt werden. Wenn beispielsweise drei Gruppen von zwei in Reihe geschalteten Bohrungen vorhanden sind und diese Gruppen dann in einer Tichelmann-Konfiguration angeordnet werden, sollten die Tichelmann- und Reihenschaltfaktoren auf 3 bzw. 2 gesetzt werden.
Beispiel 2: Auditorium
Betrachten wir nun ein detaillierteres Beispiel mit 20 Bohrlöchern (ebenfalls doppelt DN32 und 150 m tief), die an einen Verteiler angeschlossen sind, der sich 20 m vom Betriebsraum entfernt befindet. Die seitlichen Rohre, die die Bohrungen mit dem Verteiler verbinden, sind DN40 und die längste Strecke beträgt 36 m. Zunächst werden zwei Fälle untersucht, in denen die Bohrlöcher direkt mit dem Verteiler verbunden sind, wobei nur der Durchmesser der Hauptleitung variiert - von DN63 bis DN90. Schließlich werden wir einen Fall analysieren, in dem die Bohrlöcher vor dem Anschluss an den Verteiler in einer Tichelmann-Konfiguration zusammengefasst werden.
!Hinweis
Eine Design-Lizenz für GHEtool Cloud ist erforderlich, um den Druckabfall in der Hauptleitung zu simulieren.
Direkt mit einem DN63 Hauptrohr
Im ersten Fall beträgt der Gesamtdruckabfall 104,63 kPa, die sich wie folgt verteilen: 21,87 kPa in den Bohrlöchern, 4,31 kPa in den seitlichen Anschlüssen und erhebliche 78,45 kPa in der Hauptleitung. Obwohl die Hauptleitung nur 20 m lang ist - relativ kurz im Vergleich zu den 150 m langen Bohrlöchern - ist der Druckverlust aufgrund der hohen Durchflussrate in diesem Abschnitt erheblich.
Direkt mit einem DN90 Hauptrohr
Wenn die seitlichen Anschlüsse unverändert bleiben und der Durchmesser der Hauptleitung auf DN90 erhöht wird, sinkt der Druckabfall in der Hauptleitung von 78,45 kPa auf nur 14,46 kPa. Infolgedessen sinkt der Gesamtdruckabfall auf 40,64 kPa - weniger als die Hälfte des vorherigen Falles. Dies zeigt deutlich, wie wichtig die korrekte Dimensionierung der Hauptleitung bei der Planung des Bohrlochs ist.
Tichelmann mit einem DN90-Hauptrohr
Da der direkte Anschluss von 20 Bohrungen an einen Verteiler zu kostspielig werden kann, besteht eine Alternative darin, die Bohrungen paarweise in einer Tichelmann-Konfiguration (mit umgekehrtem Rücklauf) zusammenzufassen, wie unten dargestellt.
Im Vergleich zum vorherigen Szenario bleibt der Druckabfall in der Hauptleitung unverändert, da die Gesamtdurchflussmenge gleich ist. Der Druckabfall im seitlichen System steigt jedoch von 4,31 kPa auf 23 kPa aufgrund der höheren Durchflussmenge in jedem seitlichen Rohr.
!Hinweis
Bei größeren Bohrfeldern, bei denen auch die seitliche Entfernung zwischen den Bohrlöchern und dem Verteiler beträchtlich sein kann, wird die Wahl des Rohrdurchmessers für die seitlichen Verbindungen zu einem Schlüsselfaktor für die hydraulische Leistung des Systems.
Fazit
In diesem Artikel wurden die neuen und fortschrittlicheren Methoden zur Simulation der Hydraulik eines geothermischen Bohrlochs vorgestellt. Von nun an ist es möglich, Tichelmann-Verbindungen und Hauptleitungen, die den Verteiler mit dem Anlagenraum verbinden, zu berücksichtigen. Diese Ergänzungen erweitern die Anwendbarkeit der Druckverlustberechnungen von GHEtool Cloud auf 99% typischer Projekte, wodurch die Genauigkeit und Effizienz Ihrer Systementwürfe erheblich verbessert wird.
Literaturverzeichnis
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