CC BY
45
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
УДК 697.329
А.С. Штым, И.А. Журмилова, А.О. Калинин
ШТЫМ АЛЛА СИЛЬВЕСТРОВНА - кандидат технических наук, профессор кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: shtym_alla@mail.ru
ЖУРМИЛОВА ИРИНА АЛЕКСАНДРОВНА - соискатель, старший преподаватель кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).
E-mail: 25markelova@gmail.com
КАЛИНИН АНДРЕЙ ОЛЕГОВИЧ - аспирант, ассистент преподавателя кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: dsv.99@mail.ru
ВЛИЯНИЕ НА ПРОЦЕСС ТЕПЛООБМЕНА РАЗЛИЧНЫХ
НАПОЛНИТЕЛЕЙ В ГРУНТОВЫХ ТЕПЛООБМЕННИКАХ
ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ
Исследовано влияние на процесс теплообмена в грунтовых теплообменных аппаратах, используемых для геотермальных тепловых насосов, возможных наполнителей скважин из природных материалов. Сопоставлены теплофизические свойства глины, которая является традиционным наполнителем скважин, с увлажненным песком. На созданной авторами исследовательской установке проведен эксперимент и выполнены теоретические расчеты, подтверждающие предположение авторов статьи о лучших (по сравнению с традиционными наполнителями) теплофизических показателях увлажненного песка и возможности его использования в качестве наполнителя скважин грунтового теплообменника.
Ключевые слова: возобновляемая энергия, тепловые насосы, грунтовый теплообменник, теплообмен.
Influence on the heat transfer of various fillers in ground heat exchangers. Alla S. Shtym, Ph.D, Irina A. Zhurmilova, aspirant, Andrew O. Kalinin, aspirant, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Vladivostok.
The article is concerned with the effect of heat transfer process in ground heat exchangers used for thermocompressors as well as that of potential well fillers of natural materials. The thermal
© Штым А.С., Журмилова И.А., Калинин А.О., 2013
45
properties of clay, which is traditional well filler, are compared with those of moist sand. The experimental facility made by the authors enabled them to implement an experiment and perform calculations supporting their assumption that thermal properties of sand were superior to those of traditional fillers when used like well filler of ground heat exchangers. Established a research setting, performed an experiment and theoretical calculations confirming the use of wet sand, which has better thermal and physical performance, as well filler.
Key words: renewable energy, thermocompressor, ground heat exchanger, heat transfer.
При использовании низкопотенциальной возобновляемой энергии грунта с помощью геотермальных тепловых насосов для тепло- и холодоснабжения зданий одним из основных элементов является грунтовый теплообменник. Анализ различных типов грунтовых теплообменников показал, что наилучшими эксплуатационными и теплотехническими характеристиками обладают грунтовые теплообменники, устанавливаемые в вертикальных скважинах, в трубках которых циркулирует низкопроцентный раствор этиленгликоля в качестве незамерзающей жидкости. В настоящее время скважины, в которые опускают трубы теплообменников, рекомендуется заполнять бентонитом - разновидностью глины. Месторождение бентонита находится в Читинской области, что обусловливает его высокую стоимость с учетом доставки. Заполнение объема скважины наполнителем необходимо для увеличения удельного теплосъема с одного погонного метра длины грунтового теплообменника и удаления из скважины воздуха, снижающего усредненное значение теплоемкости и теплопроводности грунта [1]. Возможным заполнителем объема скважин, по нашему предположению, может быть водный раствор песка. Стоимость такого заполнителя в несколько раз ниже бентонита, так как распространен он повсеместно.
Значение эквивалентной теплопроводности увлаженного песка выше, чем увлажненной глины, и возрастает при увеличении влажности с 5 до 15% (см. таблицу).
Класс грунта в зависимости от эквивалентной теплопроводности и типа грунта
Класс грунта 1 , Вт/(м °С) экв Тип грунта (влажность, %)
Очень низкая теплопроводность <2,2 Легкая глина (15)
Низкая теплопроводность <3,2 Тяжелая глина (5)
Нормальная теплопроводность <4,3 Тяжелая глина(15) Легкий песок (15)
Высокая теплопроводность <5,4 Тяжелый песок (5)
Очень высокая теплопроводность >5,4 Тяжелый песок (15)
Поскольку тепло в грунте передается в основном через твердые частицы, воду и воздух, а также при контакте частиц, то теплопроводность в значительной степени зависит от минералогического и гранулометрического составов, влажности, содержания воздуха и плотности. Известно, что теплопроводность резко возрастает по мере увеличения влажности грунтов, поскольку теплопроводность воздуха, вытесняемого водой из пор породы, приблизительно в 30 раз меньше теплопроводности воды. При полном заполнении всех пор водой теплопроводность грунта достигает максимального значения.
Чем крупнее механические элементы, тем больше теплопроводность. Так, теплопроводность крупнозернистого песка при одинаковой пористости и влажности в два
раза больше, чем крупнопылеватой фракции. По теплопроводности твердая фаза грунта примерно в 100 раз превышает воздух, поэтому рыхлый грунт имеет более низкий коэффициент теплопроводности [1].
Теплопроводность грунта в меньшей степени зависит от изменения температуры, в диапазоне температур от -50 до +50 °С влияет на межпоровую конвекцию, при этом коэффициент теплопроводности может измениться на 25%, в то время как увеличение размера зерен от пыли до крупнозернистого песка приводит к увеличению теплопроводности в 2 раза. Поэтому мы предположили, что для повышения эффективности процесса теплообмена можно заполнять скважины водным раствором крупнозернистого песка, а в процессе эксплуатации проводить периодическое его увлажнение. Для разработки методики расчета данной технологии нами создана имитационная исследовательская установка, позволяющая моделировать условия эксплуатации и-образного вертикального грунтового теплообменника. Принципиальная схема установки приведена на рис. 1.
Рис. 1. Исследовательская установка: 1 - бак запаса воды, V = 80 л; 2 - мерный бак, V = 80 л; 3 - металлическая труба, заполненная песком; 4 - и-образный вертикальный грунтовый теплообменник; 5 - циркуляционный насос; 6 - фильтр; 7 - обратный клапан; 8 - вентиль (В1, В2, В3, В4); 9 - электронные датчики температуры; 10 - водонагреватель; 11 - металлическая труба
Теплоноситель из бака запаса воды (1) проходит по и-образному вертикальному грунтовому теплообменнику (4) и сливается в мерный бак (2), из которого с помощью насоса (5) возвращается в бак запаса воды. Температура воды, поступающей в и-образный вертикальный теплообменник, поддерживается постоянной водонагревателем (10), установленным в нижней части бака запаса воды. Металлическая труба (11) имитирует скважину, которую заполняют сначала сухим песком (3), а затем его увлажняют. Эксперименты были проведены на сухом и на влажном песке. Электронные датчики 8И-102, 8И-115 (9) для контроля температур установлены: по оси скважины - между трубками вертикального теплообменника; на поверхности опускной и подъемной частей, а также в самой нижней точке и-образной вертикальной трубы и на поверхности металлической трубы. Электронные датчики контролируют изменение температуры в указанных точках в процессе проведения эксперимента.
Результаты проведения эксперимента представлены на рис. 2 и 3. При увеличении температуры теплоносителя на входе в грунтовый теплообменник возрастает тепловой поток в массиве грунтового теплообменника и температура на поверхности металлической трубы.
При одинаковых температурах теплоносителя на входе в грунтовый теплообменник, тепловые потоки увеличиваются, если скважина заполнена влажным песком (рис. 2, 3).
Рис. 2. Изменение теплового потока в зависимости от температуры теплоносителя на входе в грунтовый теплообменник (сухой песок)
Рис. 3. Изменение теплового потока в зависимости от температуры теплоносителя на входе в грунтовый теплообменник (увлажненный песок)
Для теоретического решения этой задачи можно использовать закон Фурье в цилиндрической системе координат:
<7 = -А • ■ ^)
Для количественного решения плоской задачи использовано уравнение
+ \ Л _
ёг2 г с1г
2 2 2 2 которое при = 0, д1/дт = 0, д ^дф = 0 и д ^дг = 0 принимает вид
d2t 1 л
+---= 0.
ёг г ёг
Из этих уравнений могут быть определены тепловые потоки и изменения температуры в радиальном направлении. Для цилиндрической трубы применимо уравнение Лапласа в цилиндрических координатах:
Эг _ дт~а Г д21 +1 э? + 1 э2? + э2?А ¿/г2 г Эг г2 йф2 йг2 V V + (4) ср
Исходное уравнение (4) в нашем случае принимает вид
Соответственно, с учетом решения уравнений (1)-(3), получено
1 = СЛпг—^-г2+С7. 1 4А 2
(7)
Применительно к заданным граничным условиям первого рода
После подстановки постоянных и приведения уравнения к безразмерному виду окончательно получаем
1п
= Г | дД2-Г\ Ч-Ч 1пГ2 4А
1п
г
2 2 л Г1 ■ Г -г
2 .2
1п ^ ^
п
1п
Ч2~ Ч1 1п-
Г2 Г1
■ +
4Я С, — ^
1п
г
2 2 2 2 1п
г
г
2
Для нахождения тмакс. приравниваем к нулю производную Мёт:
Введя найденное выражение для тмакс в формулу (9), найдем 1;макс. Эту операцию целесообразно выполнять в числах, поскольку буквенное выражение получается очень сложным [3].
Так, если имеется отвод теплоты только с наружной стороны трубы, то1^ = 1:шкс и Гмакс = • Решая (10) относительно - = 1л,ак-с- Ь-, получаем
^2 1макс ^2
чл
г
-1-21п 2
Выполняя необходимые операции, находим:
г -г =
макс пов ^^ ■
По приведенным выше формулам произведены расчеты максимальной температуры на поверхности труб грунтового теплообменника для сухого и влажного грунта и сопоставлены с данными, полученными на экспериментальной установке (рис. 4).
Рис. 4. Значения максимальной температуры на поверхности труб грунтового теплообменника, определенные расчетным путем и экспериментально
2
г
2
Представленные на рис. 4 экспериментальные и расчетные значения максимальной температуры отличаются незначительно (отклонения укладываются в погрешность измерения), что подтверждает достоверность значений, полученных нами в ходе проведения эксперимента.
Проведенные расчеты и эксперименты подтвердили возможность применения влажного песка в качестве заполнителя скважин грунтовых теплообменников, используемых для геотермальных тепловых насосов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бутузов В.А. Повышение эффективности систем теплоснабжения на основе использования возобновляемых источников энергии: дис. ... д-ра техн. наук. М., 2007. 297 с.
2. Васильев Г.П., Шилкин Н.В. Геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения и эффективность их применения в климатических условиях России // Журн. АВОК. 2007. № 5. С. 58-74.
3. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомэл А.С. Теплопередача: изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1975. 488 с.
4. Штым А.С., Маркелова И.А. Системы теплосбора для геотермальных тепловых насосов // Вестн. Волгоград. гос. архит.-строит. ун-та (Сер. Стр-во и архит.). 2011. Вып. 23. С. 126-133.
REFERENCES
1. Butuzov V.A., Improving the efficiency of heat supply systems based on renewable energy sources: the thesis of Doctor of Technical Sciences. M., 2007, 297 p. [Butuzov V.A. Povyshenie effectivnosty system teplosnabzheniya na osnove ispol'zovaniya vozobnovlyaemyh istochnikov energii: dis. doct. teh. nauk. M., 2007. 297 s.].
2. Vasiliev G.P., Shilkin N.V., Geothermal heat pump heating systems and the effectiveness of their use in the climatic conditions of Russia, The j. AВOK. 2007;5: 58-74. [Vasil'ev G.P., Shilkin N.V. Geotermalnye teplonasosnye sistemy teplosnabjeniya i effektivnost ih primeneniya v klimaticheskih usloviyah Rossii // Zhurnal AVOK. 2007. № 5. S. 58-74].
3. Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Heat transfer: izd. 3th. M., Energia, 1975, 488 p. [Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Teploperedacha: izd. 3-e. M.: Energia, 1975. 488 s.].
4. Shtym A.S., Markelova I.A., Heat collection systems for geothermal heat pumps, Vestnik Volgograd. State Architectural University, Series Construction and Architecture. 2011;23: 126-133. [Shtym A.S, Markelova I.A. Systemy teplosbora dlya geotermal'nyh teplovyh nasosov // Vestnik Volgograd. gos. archit.-stroit. un-ta (Ser. Str-vo i archit. 2011). Vyp. 23. S. 126-133].
