Способ аккумулирования тепловой энергии в грунте

 

Изобретение относится к способам аккумулирования тепловой энергии в грунте. Цель изобретения - снижение энергоемкости способа. Теплоноситель последовательно подают в колонки, соединенные с насосом 7 подводящим 2 и отводящими 4 трубами. Теплоноситель в каждую колонку подают в течение расчетного промежутка времени, причем при подаче теплоносителя в каждую последующую колонку подачу теплоносителя в предыдущие колонки прекращают . 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Е 02 0 3/115

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4795734/33 (22) 26.02.90 (46) 15,06.92. Бюл. М 22 (72) А.С.Клепанда, Э.Б.Филиппов. П.В.Пашко, Л,С.Богданович и Г,П.Васильев (53) 624.139.62 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 800282, кл. Е 02 0 3/115, 19?9.

Хакимов Х.P. Замораживание грунтов в строительнь х целях, — M.: Госстройиздат, 1962, с. 126.,, Я2„„1740547 А1 (54) СПОСОБ АККУМУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ГРУНТЕ (57) Изобретение относится к способам аккумулирования тепловой энергии в грунте.

Цель изобретения — снижение энергоемкости способа. Теплоноситель последовательно подают в колонки, соединенные с насосом 7 подводящим 2 и отводящими 4 трубами, Теплоноситель в каждую колонку подают в течение расчетного промежутка времени, причем при подаче теплоносителя в каждую последующую колонку подачу теплоносителя в предыдущие колонки прекращают, 3 ил.

1740547

Изсбретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах теплоснабжения.

Известен способ эксплуатации геотермального месторождения путем добычи геотермального флюида из подземного коллектора, подачи его в систему. теплоносителя и возврата в подземный коллектор отработанного флюида с одновременным складированием излишков последнего в тепловом аккумуляторе. При этом режимы добычи и возврата флюида из аккумулятора осуществляются при помощи скважины, путем сокращения количества скважин при изменении тепловой нагрузки в системе теплоснабжения. В период повышения тепловых нагрузок вся скважина постепенно переводится в режим добычи, а в период снижения тепловых нагрузок все скважины постепенно переводятся в режим закачки складированного флюида из теплового аккумулятора в подземный коллектор.

Недостатком данного способа является уменьшение расхода теплоносителя в одной скважине при изменении тепловой нагрузки в системе теплоснабжения и как следствие увеличение количества используемых скважин. При этом для поддержания равномерного расхода необходимо увеличивать мощность насосов или их количество, а это ведет к увеличению энергопотребления, В качестве прототипа выбран способ замораживания грунта, включающий размещение в грунте последовательно соединенных одна с другой замораживающих колонок и подачу по ним хладагента в направлении от одной колонки к другой, причем направление подачи хладагента периодически изменяется на противоположное.

Недостатком данного способа является низкая теплогидравлическая эффективность грунтовых колонок, определяемая как отношение теплового потока в грунт к мощности, затрачиваемой на прокачку теплоносйтеля, Это вызвано тем, что при непрерывном прокачивании теплоносителя по трубам грунтовых колонок слои грунта. имеющего низкий коэффициент температуропроводности, вблизи труб изменяют свою температуру быстрее, чем далеко отстоящие слои. В связи с этим грунт "запирается", значительно падает тепловой поток в радиальном направлении, уменьшается общий теплоприток. Как следствие увеличиваются. затраты электроэнергии на прокачку теплоносителя по системе трубопроводов грунтового теплообменника из-за увеличения времени работы насосных установок

55 для сохранения суммарного суточного теплопритока, равного заданному, Возникает необходимость в ряде случаев создавать дополнительную установку по замораживанию или при проектировании увеличивать мощность существующей, что в конечном счете ведет вновь к увеличению энергопотребления.

Цель изобретения — снижение энергоемкости способа.

Эта цель достигается благодаря тому, что в способе аккумулирования тепловой энергии в грунте, включающем последовательную подачу теплоносителя в размещенные в грунте колонки, при этом при подаче теплоносителя в каждую последующую колонку подачу теплоносителя в предыдущие колонки прекращают, теплоноситель в каждую колонку подают в течение расчетного промежутка времени, Сущность предлагаемого способа состоит в том, что снижение энергоемкости способа достигается последовательной подачей теплоносителя в размещенные в грунте колонки, причем при подаче теплоносителя в каждую последующую колонку подачу теплоносителя в предыдущие колонки прекращают. При этом теплоноситель в каждую колонку подают в течение промежутка времени, определенного расчетным путем, что позволяет снизить затраты электроэнергии на прокачку теплоносителя по системе трубопроводов грунтового ТО из-за уменьшения времени работы насосных установок при неизменном их количестве и уменьшения количества используемых насосных установок при неизменном количестве аккумулируемого тепла.

Это объясняется следующим образом.

При сбросе тепла в грунт коэффициент сброса тепла v (отношение мощности теплосброса в грунт к 1К перепада между температурой теплоносителя и грунта на 1 м длины теплообменника) уменьшается по закону, представленному на фиг. 1.

Здесь линия 100 соответствует прокачиванию теплоносителя через грунтовый коллектор в течение всего расчетного экспериментального времени 50 и 25, соответственна половине и четверти от расчетного экспериментального времени.

Следовательно, если теплоноситель прокачивает 50о времени тр через один подземный коллектор, и 0.5 тр через другой коллектор, расположенный отдельно от первого на расстоянии с малым взаимным TGflловым влиянием, то при неизменных мощности насоса и характеристике грунта увеличится коэффи.циент сброса тепла в

1740547 грунт и общая теплопоглощающая способность грунта Q/L, На фиг. 2 приведен пример для стальных труб, Еще больший выигрыш можно получить при 25;(>-ном режиме, при котором ч возрастет в 2,5 раза 5 (фиг, 1 и 2). Для определения расчетного оптимального времени работы одного коллектора (одной трубы) воспользуемся приближенной формулой для определения мгновенного потока от цилиндрического ис- 10 точника

ATA f г (In (4 РгоГГ 2) (p (4 р) у (1) 15 где Ь Т вЂ” разность температур источника и среды, К;

А — коэффициент теплопроводности среды (грунта), Вт/м К;

r радиус колонки (теплообменника), м;

ar

Fp - — - — число Фурье (а — температу„2 ропроводность грунта, м /с, r — текущее время процесса, с);

25 у- 0,577 — постоянная Эйлера, Принимая во внимание, что время выхода на стационарный режим работы грунтового теплообменника равно r = 100 — 150 ч, оценим величину теплового потока ц через 30 время t по формуле (1). Задаваясь двукрат ным превышением потока цр над его стационарным значением с!*, определим искомое расчетное значение r с помощью уравнения

r ар In 4F," — 2 ln 4F,P -2 и (4 Fp ) — 2у (ln(4 Fp ) 2ф (2) 40

Обозначим 9р

q (In(4Fp ) — 2у)

А=4 ЕоР, тогда уравнение (2) приводится к виду

InA — 3 y= c(lnA — 2 у), а отсюда с(!пА) -(4 ye+ 1) !пА+ (3 у+ 4 r c) =0, 50 тогда

Р 1+4 c+1 4 cI гр - ехр

2с

При этом количество необходимых коллекторов N равно

N -- —, (3)

Гр

Пример реализации способа рассмотрим на работе устройства, представленного на фиг. 3, где изображена система аккумулирования тепловой энергии в грунте.

В грунте 1 размещают коллектора. состоящие иэ подводящих труб 2, разветвленной сети заглубленных замораживающих труб 3, отводящих труб 4. На подводящих и отводящих трубах расположены запорные вентили 5 и 6. Теплоноситель подается в грунтовые теплообменники насосом 7.

Процесс аккумулирования тепла осуществляется следующим образом.

Теплоноситель от насоса 7 поступает в один из подземных коллекторов через подводящую трубу 2. При этом вентили 5 и 6 открыты только у работающего коллектора.

Через расчетное время гр открываются вентили 5 и 6 у другого коллектора, расположенного отдельно от первого на расстоянии с малым взаимным тепловым влиянием. При этом вентили 5 и 6 отработавшего коллектора запираются, Через rn подключается к работе третий коллектор, а второй запирается, и далее аналогично до тех пор, пока не прекратит работу N-й коллектор. Затем вновь вступает в работу первый коллектор. При этом увеличивается коэффициент сброса тепла в грунт и общая теплопоглощающая способность грунта, чем достигается выполнение поставленной цели изобретения.

Техническое преимущество предлагаемого способа аккумулирования тепловой энергии в грунте по сравнению с прототипом состоит в том. что он снижает энергоемкость способа благодаря подаче теплоносителя в размещенные в грунте колонки. При этом при подаче теплоносителя в каждую последующую колонку подачу теплоносителя а предыдущие колонки прекращают, причем теплоноситель в каждую колонку подают в течение промежутка времени, определяемого по зависимости !

1+4 c+ 1 — 4 с

4а 2с что позволяет снизить затраты электроэнергии на прокачку теплоносителя по системе трубопроводов грунтового.теплообменника из-за уменьшения количества насосных установок при неизменном количестве аккумулированного тепла и уменьшения времени работы насосных установок при неизменном их количестве.

Положительный эффект при осуществлении предлагаемого способа состоит в уменьшении затрат электрической энергии

1740547 т 4 ехр г

4а

2с на прокачку теплоносителя rio системе трубопроводов грунтового теплообменника.

Формула изобретения

Способ аккумулирования тепловой энергии в грунте, включающий последовательную подачу теплоносителя в размещен.ные в грунте колонки, отл ича ющийся тем,. что, с целью снижения энергоемкости способа, при подаче теплоносителя а каждую последующую колонку подачу теплоносителя в предыдущие колонки прекращают, причем теплоноситель в каждую колонку подают в течение промежутка времени, определяемого по зависимости где тр — промежуток времени подачи теплоносителя в каждую колонку, с; а — температуропроводность грунта, м /с;

5 у = 0,577, постоянная Эйлера; с — безразмерный коэффициент, .

Ро In 4 Fo — 3

10 - Р (1п (4 Ео ) — 2у) — — задаваемое превышение тепловоа

ro потока в грунт в расчетное время над его стационарным значением;

Fp* — значения числа Фурье при стационарном режиме работы теплообменника(к=100 — 150 ч).

1740547

Составитель П.Пашко

Редактор М.Кобылянская Техред М.Моргентал Корректор С.Черни

Заказ 2057 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35; Раушская наб.;4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101