CC BY
9
BicHHK ^mnponeipoBCbKoro ymBepcmeiy. Cepia: reo^oria, reorpa^ia Visnik Dnipropetrovs'kogo universitetu. Seria: Geologia, geographia Dnipropetrovsk University bulletin. Seria:Geology, geography
Dnipropetr. Univ. Bull. Ser.: Geol., geogr. 2015. 23(1), 50-55. doi: 10.15421/111506
ISSN 2313-2159 print ISSN 2409-9864 online
http://geology-dnu.dp.ua
УДК 622.278 + 662.73
Оцшка можливост використання пщземних вод зони TepMiHHoro впливу промислових пiдприeмств
С. В. Жолудев
Днтропетровський нацюнальний утверситет iMem Олеся Гончара.,
Проанал1зовано г1дродинам1чн1 особливост1 нагр1ти\ п1дземни\ вод. Доведено, що води терм1чно1 зони високотемпературних промислових об'ект1в мають достатньо висок1 теплов1 характеристики i 1\ можна застосовувати у в1доми\ схемах теплових помп та породних акумулятор1в i3 мЫмальними модифiкацiями.
Ключовi слова: теплова енерпя, геотехшчна система, пiдземнi води, теплова помпа, породний акумулятор.
The possibility estimation of the thermal underwater affected by industrial enterprises for using
S. V. Zholudev
Oles Honchar Dnipropetrovsk National University
The analysis of hydrodynamic features of the heated underwater is in process conducted and it is well-proven that water of thermal area of high temperature industrial objects has high enough thermal parameters and can be used in the well-known heat-pumping and soil heat accumulators technologies with minimum modifications.
Key-words: thermal energy, geotechnical system, underground water, heat-pump, soil heat accumulator.
Вступ. Як рщю рухом1 теплоноси можна використовувати розплави метатв, сол1 та шш1 середовища [9]. За наявносп терм1чних тдземних вод !х також можна використовувати як кондицшш низькопотенщальш теплоноси, але застосування тако! теплово! енерги пов'язане з деякими труднощами, одшею з яких е вщносно
Днiпропетровський нацiональний утверситет iменi Олеся Гончара, пр. Гагарша, 72, м. Дшпропетровськ, 49010, Укра!на.
Oles Honchar Dnipropetrovsk National University, pr. Gagarina, 72, Dnipropetrovsk, 49010, Ukraine. Tel.: +38-050-520-08-46. E-mail: ggf2009@ukr.net
малий тепловий потш. Тому для його вилучення необхiдно розробити методи i засоби концентраци та передачi. Наприклад, за допомогою системи природних або штучних каналiв i технiчних засобiв, що забезпечують виведення теплоносiя iз надр на земну поверхню. Водоносний горизонт по суп — породний, тобто штучний теплообмiнник, що являе собою дiлянки масиву гiрських порщ зi штучно пiдвищеною температурою (доменна шч, конвертер тощо) [3]. Таким чином, шдземш води в област термiчного впливу доменно! печi можна назвати рухомим теплоносiем. Нижче зображено приблизну схему подiбного процесу (рис. 1).
Матерiал i методи дослщжень. За наявними даними фундаменти високотемпературних об'екпв розмiщуються як правило на глибинах, де шдземш води знаходяться у перегр^ому сташ. Залежно вщ ступеня теплового забруднення ця глибина може сягати 10 - 13 м, а в умовах гомогенного середовища - 20 м [10].
Пщземш води дано! термiчно! зони знаходяться у сташ бшарно! (газовано!) рщини або газоподiбному станi, оскшьки И температура мае показники вищi за температуру критично! точки води. Вплив водяно! пари настiльки значний, що подш фаз враховують у вшх термiчних i газогiдродинамiчних обчисленнях [8].
^ | Вцпуск елекгроенергц |
Рис. 1. Схема в1дбору теплонос1я зони терм1чного впливу промислового п1дприемства:
1 - поверхневий шар; 2 - теки; 3 - фундамент; 4 - Í30TepMa 600 °С; 5 - межа зони тертчно! дп; 6 - напрям руху теплоносiя; 7 - виведення теплоносш на поверхню; 8 - циркулящя теплоносiя в наземнш частинi
Двофазний потш фшьтруе через прогр^у товщу порщ i продовжуе перебувати в зонi теплового впливу шдприемства. Отже, на цiй дшянщ теплових втрат немае, навпаки, можливе додаткове на^вання.
У горизонтальному i вертикальному водов^^рних каналах свердловини або галере! режим двофазного потоку збершаеться. Для шдземно! води як теплоношя вона досить добре моделюе перетин двофазних однокомпонентних середовищ (водяна пара - вода) за авдабатно! течи. У разi пiдведення тепла вщ доменно! печi ситуацiя буде майже така сама, тому спочатку розглянемо випадок вщсутност теплового впливу [1, 2].
Розрiзняють шють основних режимiв потоку двофазних середовищ: бульбашковий, снарядний, вiдшарований, дисперсно-кшьцевий, емульсiйний, збагачений дисперсно-кiльцевий. Крiм зазначених видiляють промiжнi — рiзновиди шести основних титв [11]. Формування того чи шшого режиму потоку залежить вiд низки умов i фiзичних характеристик: витрат фаз, орiентацil потоку в простор^ геометри каналу, поверхневого натягу рщко! фази, щiльностi й в'язкосп фаз.
У необiгрiтому каналi з малими витратами двофазно! сумiшi i малим паровмiстом пар розподшяеться в потоцi у виглядi окремих невеликих бульбашок (бульбашковий режим). У разi зростання швидкостi потоку бульбашки концентруються в приосьовiй частини труби i мае мiсце дисперсно-кiльцевий режим, за якого одна частина рщини тече уздовж стшок каналу у виглядi плiвки, а iнша розподшена в газовому потоцi у виглядi крапель. Товщина плiвки рiдини нерiвномiрна по периметру. Межi окремих режимiв визначають досить умовно.
Випадок, коли на теплоносш термiчно впливае, наприклад, доменна пiч, оскiльки водозабiрний канал (труба) одним кшцем перебувае в област теплового впливу доменно! печi й по всiй сво!й довжиш слугуе своерiдним нагрiвальним елементом, бшьш складний. На стiнцi каналу вщбуваеться поверхневе кипiння, кiлькiсть пари безперервно зростае i вона рухаеться вздовж поверхш. Пристiнний шар у даному випадку також двофазний, а бульбашки, що утворюються в ньому, руйнуються через конденсащю в недогрiтих шарах рiдини. Таким чином, тепло передаеться ядру потоку i вниз за течiею недоев зменшуеться.
У момент досягнення рщиною температури насичення настае бульбашковий режим. По всьому каналу бульбашки пари починають рухатися в потоцi насичено! рiдини. Далi зi збiльшенням паровмюту потiк двофазного середовища роздiляеться на два потоки: на поверхш каналу тече плiвка рщини, а в приосьовш зонi рухаеться пара iз краплями рiдини (дисперсно-кiльцевий режим). Але в умовах руху по труб^ яка нагрiваеться, вiн мае деяю вiдмiнностi вiд адiабатного потоку.
За дисперсно-кшьцевого режиму вiдбуваеться безперервний масообмш мiж плiвкою рiдини i рщкою фазою в ядрi потоку, тобто частина рщини з ядра потрапляе на птвку пiд дiею турбулентних пульсацш, а з поверхнi птвки падають новi краплi, якi, у свою чергу, потрапляють у ядро. У разi пiдведення тепла ця рiвновага порушуеться: випадае рiдини менше, нiж вiдноситься, тобто плiвка поступово тоншае. Згодом птвка руйнуеться i настае емульсiйний режим течи, за якого птвки на поверхнi немае i весь потiк складаеться з пари, що мiстить краплi рщини.
За досить значну довжину каналу i перепадах температур на його кшцях можна спостерiгати явище, коли температура води, яку вщкачують, нижча температури стiнок водозабiрного каналу. При цьому структура двофазного потоку змшюеться. У ядрi тече недогрiта рщина, а уздовж стiнок - парорщинна емульсiя, тобто паровий потiк iз краплями рiдини. Такий режим називають збагаченим дисперсно-кiльцевим i вш для нашого випадку малоймовiрний, враховуючи порiвняно невелику довжину шляху фшьтрацп.
Очевидно, що процеси, якi вщбуваються на цьому етапi транспортування, не знижують енергiю теплоносiя. Бiльше того, можна припустити, що вони певним чином «пристосовують» його до споживання енергогенеруючою установкою, збiльшуючи паровмiст. Щ висновки грунтуються на вивченнi теоретичних закономiрностей i мають якiсний характер.
У разi пiдведення тепла вщ нагрiтого доменною пiччю геологiчного
середовища в горизонтальному канат спостерiгаються т ж режими, що й у вертикальному, ^ крiм того, за малих масових витратах можливi розшароваш режими. Припустити, що в даному випадку не буде вiдбуватися особливого охолодження теплоносiя. Але цей варiант компонування можна розглядати окремо [10].
За хвильового режиму мають мюце розглянутi режими течи потоку iз розшаруванням i його модифiкацiею [5, 6]. За будь-якого паровмюту потоки пари i рiдини роздiляються (вщшарований режим). Поверхня роздiлу фаз у цьому випадку лише за досить малих витратах плоска. Зi зростанням швидкосп на поверхнi утворюються хвил^ амплiтуди i довжини яких залежать вщ швидкостей фаз i !х фiзичних властивостей. За великих швидкостей амплiтуда хвилi сягае величини порядку дiаметра труби, i потiк мае знарядний характер, тобто в потощ рщини е великi вкраплення пари (знаряди), роздшеш рiдкими перемичками. Паровi об'еми змiщенi до верхньо! частини труби, де плiвка рiдини тонша. За досить великого тиску може вщбуватися змiна рiвня концентрацп пари, достатня для переходу вщ бульбашково! структури до туманоподiбно!. У результат утворюються два супутнiх потоки — двофазний туманоподiбний бiля стiнки i краплиннорiдкий у центральнiй частинi каналу. Анаттичне дослiдження подiбних двофазних течш iз багатьох причин утруднено через необхщнють знати точний розподiл меж фаз [7]. Але за вщносно малих швидкостей руху води та невеликого тиску, яю саме i пропанують застосовувати, цi явища не спостерпаються.
Отже, можна зробити висновок про потенцшну можливiсть використання шдземних вод як кондицiйного теплоносiя. Бшьше того, подiбне технiчне рiшення дозволяе застосовувати загальновщому технологiю теплово! помпи з деякими змшами.
Теплова помпа — це компактна енергетична установка, основна вщмшшсть яко! вiд шших генераторiв теплово! енергi!, наприклад електричних, газових i дизельних, полягае в тому, що в ходi вироблення тепла до 80% енергi! «витягуеться» з навколишнього середовища. Теплова помпа «викачуе» енергiю, накопичену в групп, скельнiй породi, водоймах i навт повiтрi.
Зовнiшнiй контур теплово! помпи збирае теплову енергiю навколишнього середовища. Грунт добре акумулюе енерпю , але джерелом тепла можуть бути i пiдземнi води. Для !х використання необхiдно побудувати мережу водовiдбiрних та скидних свердловин i виробок.
Технолопя теплово! помпи розрахована на вщносно низькi температури, порiвняно з тепловим полем високотемпературних промислових об'екпв. Щоб перетворити температуру фреону з + 8 °С, яку вш отримуе iз грунту, на + 75 °С, потрiбно стискати його в компресорi до 26 атмосфери. Пюля вiддавання контуром тепла необхщно застосувати дросельний пристрiй для зниження тиск знову до 4 атмосфер.
Оскшьки в нашому випадку теплоносш (пiдземнi води) мае температуру, значно вищу за температуру звичайного грунтового режиму без техногенного впливу, теплову помпу можна значно спростити - установити компресор набагато меншо! потужностi, яко! б вистачило для циркуляцй розчину в контурi без збшьшення тиску, i прибрати дросельний пристрш; оскiльки тиск не збшьшувався, немае потреби його знижувати для скидання вщпрацьованого теплоносiя.
У разi використання грунту з температурою + 8 °С як джерела тепла зовшшнш контур, що збирае тепло навколишнього середовища, опускають у
свердловину на 50 — 100 м (вертикальний теплообмшник) або закопують на глибину 1,2 — 2 м (горизонтальний теплообмiнник). Якщо ж теплова помпа братиме тепло Í3 зони теплового впливу промислового пiдприeмства, таю глибини не потрiбнi. Достатньо буде розмютити контур, що збирае тепло, у межах термiчноl зони промислового об'екта, розмiр якого не залежить вiд сезонного фактора i не змшюеться упродовж року.
Ще одним iз варiантiв можливого використання прогр^их пiдземних вод термiчноl зони промислового тдприемства може бути схема так званого «породного акумулятора» (рис. 2).
Рис. 2 Схема породного акумулятора:
Z — висота (глибина) акумулятора; Ln —- ширина теплообмшниюв;
Lm — довжина теплообмшниюв; L —- крок тж теплообмшниками
Застосування дано! схеми передбачае будiвництво мережi спещальних свердловин, що збирають термiчно i хiмiчно забруднену пiдземну воду, яку фшьтрують через систему радiаторiв, у якш li очищують та готують для подальшого використання як теплоношя. Застосування ще1 технологи дозволяе отримати не лише кондицшний рухомий теплоносш, але i допомагае вiдбирати хiмiчнi речовини, що забруднюють геологiчне середовище, насамперед пiдземнi води. Крiм економiчноl вигоди вiд отримання теплово! i електроенергн також можливо додатково отримувати прибуток вiд очищення пiдземних вод за рахунок видшення iз них щнних хiмiчних сполук (алюмiнiю, залiза тощо), якi завжди вважали промисловими хiмiчними забруднювачами.
Сам процес очищення достатньо простий. Регулюючи зниження рiвня пiдземних вод, можна контролювати непоширення забруднення. Система флокуляцп та окиснення складаеться з чотирьох блокiв: флокуляцшно1 камери, трубчастого вiдстiйника, пiсочного фшьтра, камерного вiдстiйника. Для збiльшення рН та осадження важких металiв у шдземнш водi у флокуляцiйнiй камерi додають гiдроокис натрiю , розчин хлору i полiмер. Гiдроксид натрда реагуе з важкими металами з утворенням пдроксиду металу у виглядi твердого осаду.
Очищенi води будуть видшятимуться iз флокуляцшно1 камери до трубчастого вщстшника, де твердi частинки осщатимуть. Потiм воду фiльтрують
шд тиском для видалення твердого осаду, який i е первинна сировина для отримання корисних хiмiчних сполук [4].
Висновки. Таким чином, побiчний ефект промислового виробництва -термiчно й хiмiчно забрудненi пiдземнi води — можна ефективно застосовувати в енергетищ i для очищення геолопчного середовища за мiнiмальних додаткових звитрат на концентрацiю, транспортування та отримання корисного продукту за рахунок застосування вщомих технiчних пристро!в — теплово! помпи або породного акумулятора.
Б1бл1ограф1чн1 посилання
1. Belyaev, N. M. The Thermodynamics [Text]/ N. M. Belyaev. - K.: Higher school, 1987. - 344 p.
2. Belyaev, N. M. The bases of heat transfer [Text]/ N. M. Belyaev. - K.: Higher school, 1989. - 343 p.
3. Dikiy, N. A. The energy devises of geothermal power plants [Text]/ N. A. Dikiy. - K.: Higher school, 1989. - 198 p.
4. Glushkov, A. I. The environment protection under underground coal gasification [Text]/ A. I. Glushkov, B. I. Kondyrev. — Novosibirsk, 1994. - 129 p.
5. Hydrodynamics and heat exchange of mono- and biphasic streams [Text]/ ed. L. N. Schukina // Trudy of Moscow energy institute № 131. - M., 1986. - 162 p.
6. Hydrodynamics and heat exchange of mono- and biphasic streams [Text]/ ed. L. N. Schukina // Trudy of Moscow energy institute №132. - M., 1987. - 132 p.
7. Sou, S. The hydrodynamics of multiphase systems [Text]/ S. Sou; english trans. by V. S. Danilin [et al]. - M.: The World, 1971. - 536 p.
8. The Earth heat and its extraction [Text]/ A. N. Scherban [et al]. - K.: Nauk. dumka, 1974. - 262 p.
9. The energy production and distribution system of industries: tutorial [Text]/ ed. A. P. Nesenchuka. - Mn.: Higher school, 1989. - 279 p.
10. Zholudev, S. V. The ground of brown coal underground gasification and incineration with use of subsoil waters [Text]: autoref. of Candidate of tech. Sciences / Zholudev S. V. — 2008. - 19 p.
11. Zysin, I. A. The Hydraulics of vapor-liquid flows. tutorial [Text]/ I. A. Zysin, E. L. Kitanin. — L.: LPI publishing, 1973. - 76 p.
Надшшла доредколегп 27.02.2015
