УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ ГРУНТА И УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ Российский патент 2024 года по МПК F24T10/10 

Изобретение относится к области строительства, а именно к устройству энергосберегающих децентрализованных систем теплохладоснабжения зданий, позволяющих эффективно использовать нетрадиционные возобновляемые источники энергии, в данном случае - теплоту грунтового массива.

Известен способ использования теплоаккумуляционных свойств грунта (патент РФ №2351850, F24D 11/02, F28D 1/00, 2007 г.), включающий устройство в грунтовом массиве системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта поверхностных слоев Земли, состоящей из термоскважин, сброс в грунт утилизируемой тепловой энергии вентвыбросов здания, ее аккумулирование в грунте - суточное и сезонное, и отбор тепловой энергии или холода из грунта для целей теплохладоснабжения. Недостатком этого устройства является его низкая энергетическая эффективность, особенно в летнее время года. Кроме того, данный способ не позволяет в полной мере утилизировать теплоту фазовых переходов воды, содержащейся в грунте.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ использования теллоаккумуляционных свойств грунта (патент РФ №2416761, F24D 11/02, F28D 5/00 2009 г.), включающий устройство в грунте герметичных теплообменников, организацию циркуляции по ним теплоносителя и извлечение из грунта, или/и сброс в грунт низкопотенциальной тепловой энергии (прототип). Данный способ использования теплоаккумуляционных свойств грунта требует дополнительного расхода воды и затрат электрической энергии на подачу насосами воды в трубопроводы-спутники. Кроме того, данный способ не позволяет обеспечить максимальный съем тепловой энергии на погонный метр грунтового теплообменника. К недостаткам предлагаемого технического решения можно отнести также отсутствие информации об источнике воды для увлажнения грунта.

Предлагаемое изобретение решает техническую задачу повышения энергетической эффективности извлечения тепловой энергии из грунта и максимального использования его теплоаккумуляционных свойств.

Поставленная техническая задача решается за счет изменения геометрических показателей термоскважины, что позволяет увеличить приток тепловой энергии от грунта к теплоносителю, циркулирующему внутри грунтового теплообменника.

В термодинамике известен эффект так называемого критического диаметра изоляции (см., например, Теоретические основы тепло- и хладотехники. Ч. П. Теплообмен. Учебное пособие. Под ред. проф. Э.И. Гуйго. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1976. - 224 с. ). Критическим диаметром изоляции называется такой диаметр изоляции, при котором теплопотери изолированного трубопровода максимальны. Для изолированных трубопроводов этот эффект является негативным фактором эксплуатации трубопроводов.

Однако, при эксплуатации грунтовых теплообменников обнаруживается неожиданный эффект, который заключается в том, что намерзающий на трубопроводы теплообменника лед при некоторой его толщине обеспечивается максимальный приток теплоты от массива грунта, окружающего термоскважину, к теплоносителю внутри грунтового теплообменника.

Лед является плохим теплоизолятором, однако, несмотря на это, при намерзании вокруг грунтового теплообменника обладает некоторым сопротивлением теплопередаче численное значение которого может быть рассчитано по формуле:

где λ_Л - теплопроводность льда, Вт/(м⋅К);

- наружный диаметр термоскважины с намерзающим слоем льда, м;

- диаметр термоскважины, м;

α_Н - коэффициент теплоотдаче от наружной поверхности к окружающему воздуху, Вт/(м²⋅К).

Анализ формулы (1) показывает, что по мере увеличения наружного диаметра наледи вокруг грунтового теплообменника первое слагаемое в правой части формулы (1) возрастает, второе - убывает. Соответственно при некоторой толщине слоя льда формируется условие, при котором кривые сопротивления теплоотдачи наружной поверхности и термического сопротивления слоя льда пересекутся. На зависимости суммарного сопротивления теплопередаче от толщины льда, показанной на Фиг. 1, кривая вблизи точки пересечения этих кривых будет иметь выраженный минимум, соответствующий так называемому критическому диаметру изоляции. На зависимости линейной плотности теплового потока от толщины, наоборот, при данной критической толщине изоляции будет наблюдаться максимум, т.е. поток тепловой энергии через поверхность грунтового теплообменника с ледяным наростом при данной критической толщине льда окажется больше, чем без намерзшего на поверхности грунтового теплообменника льда.

Значение критического диаметра для конкретного диаметра грунтового теплообменника можно точно рассчитать, если взять производную от по приравнять ее нулю и вычислить значение

Таким образом, для увеличения теплового потока от грунта к теплоносителю, циркулирующему внутри грунтового теплообменника, следует обеспечить заданную толщину слоя льда, соответствующую критическому диаметру для выбранного типа изоляции, в качестве которой в предлагаемом техническом решении выступает намерзающий вокруг грунтового теплообменника лед. Для этого грунтовый теплообменник устанавливается внутрь термоскважины заданного диаметра. Тем самым вокруг грунтового теплообменника искусственно создается специальная полость, диаметр которой соответствует критическому диаметру изоляции, что позволяет обеспечить максимальную плотность теплового потока от грунта, окружающего термоскважину, к теплоносителю.

Способ повышения энергетической эффективности извлечения тепловой энергии из грунта включает устройство в грунте термоскважины, герметичных теплообменников, организацию циркуляции по ним теплоносителя и извлечение из грунта, или/и сброс в грунт низкопотенциальной тепловой энергии и за счет температурного режима теплоносителя обеспечивает увеличение притока теплоты от грунта к теплоносителю, циркулирующему внутри грунтового теплообменника, и вовлечение в процесс теплообмена скрытой теплоты фазовых переходов воды в зоне действия грунтового теплообменника.

Предлагаемое устройство позволяет решить поставленную техническую задачу, потому что температурный режим теплоносителя обеспечивает максимальную плотность теплового потока от грунта к теплоносителю и более эффективное вовлечение в процесс теплообмена скрытой теплоты фазовых переходов влаги, содержащейся в грунтовом массиве в окрестности грунтового теплообменника.

Сущность предлагаемого способа поясняется схемой, показанной на Фиг. 2. Грунтовый теплообменник 1, с циркулирующим внутри него теплоносителем 2, располагается внутри термоскважины 3, диаметр которой соответствует критическому диаметру изоляции из льда, при котором обеспечивается максимальный тепловой поток от грунта в естественном состоянии 4 к теплоносителю 2. Термоскважина 3 заполняется водой, влажным воздухом, увлажненным грунтом, или иным материалом с известными теплотехническими свойствами (далее - средой) 5, позволяющим регулировать свойства среды внутри термоскважины 3 и обеспечить тем самым эффективное регулирование плотности теплового потока от грунта 4 к теплоносителю 2. Температурный режим теплоносителя 2 обеспечивает вовлечение в процесс теплообмена скрытой теплоты фазовых переходов водяного пара и воды внутри термоскважины 3, расположенной между грунтом 4 и грунтовым теплообменником 1.

Принцип работы предлагаемого способа состоит в следующем: температурный режим теплоносителя предусматривает в течение года как минимум однократное понижение ниже 0°С температуры теплоносителя на входе в грунтовый теплообменник 1, конденсацию водяного пара в среде 5, заполняющей свободное пространство внутри термоскважины 3, и последующем фазовом переходе воды в лед при извлечении тепла из грунта и как минимум однократный обратный переход температуры теплоносителя через 0°С с вовлечением в процесс теплообмена скрытой теплоты замерзания и оттаивания поровой влаги, содержащейся в зоне среды 5, расположенной внутри термоскважины 3, и естественного грунта 4, располагаемого вокруг термоскважины 3. Грунт в исходном естественном состоянии обладает весьма неоднородными характеристиками, которые могут непредсказуемо и неконтролируемо изменяться со временем (например, в результате снижения уровня грунтовых вод). Создание между грунтом 4 и грунтовым теплообменником 1 посредника (среды 5 с заданными свойствами) позволяет повысить точность настроек параметров теплового потока от грунта 4 к теплоносителю 1 (при извлечении тепловой энергии из грунта в холодный период года) и от теплоносителя 1 к грунту 4 (при сбросе тепловой энергии в грунт в теплый период года) и произвести более качественное регулирование параметров теплоносителя за счет изменения свойств среды 5 внутри термоскважины 3. Подбор диаметра термоскважины, соответствующий критическому диаметру изоляции для слоя намерзающего на теплообменнике льда, позволяет увеличить теплоприток от грунта к теплоносителю. В качестве теплоносителя 2 грунтового теплообменника 1, например термоскважин, может быть использована переохлажденная вода или иной хладоноситель с отрицательной температурой. Среда 5 внутри термоскважины 3, при необходимости, может быть дополнительно увлажнена.

Предлагаемое техническое решение позволяет повысить энергетическую эффективность прототипа, так как намерзание льда внутри термоскважины, диаметр которой соответствует критическому диаметру изоляции (в данном случае - льда), обеспечивает максимальный тепловой поток от грунта к теплоносителю, не требует затрат энергии на подачу воды в среду, расположенную внутри термоскважины, обладает более высокой надежностью, позволяет защитить грунт от протечек теплоносителя в грунт в случае нарушения герметичности оболочки грунтового теплообменника, и осуществить более эффективное качественное регулирование свойств среды внутри грунтового теплообменника.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для утилизации теплоты грунта в целях повышения энергетической и экологической эффективности теплохладоснабжения зданий и сооружений различного назначения. Способ повышения эффективности извлечения тепловой энергии из грунта включает герметичный теплообменник, организацию циркуляции по нему теплоносителя и извлечение из грунта и/или сброс в грунт низкопотенциальной тепловой энергии. Грунтовый теплообменник размещается внутри термоскважины. Таким образом, между грунтом и теплообменником образуется специальное пространство (прослойка), в котором происходит конденсация водяного пара, поступающего из грунта, и последующее замораживание воды, что обеспечивает дополнительный приток тепловой энергии за счет использования скрытой теплоты фазовых переходов: сначала - водяного пара в воду, затем - воды в лед. За счет регулирования толщины прослойки внутри термоскважины, в пространстве между грунтом и грунтовым теплообменником устанавливается оптимальная толщина слоя наледи, обеспечивающая максимальный приток тепловой энергии от грунта к теплоносителю, циркулирующему внутри теплообменника. Технический результат: повышение эффективности извлечения тепловой энергии из грунта за счет оптимизации параметров термоскважины. 2 ил.

Способ повышения эффективности извлечения тепловой энергии из грунта, включающий устройство в грунте термоскважины, герметичных теплообменников, организацию циркуляции по ним теплоносителя и извлечение из грунта или/и сброс в грунт низкопотенциальной тепловой энергии, отличающийся тем, что до установки в грунт диаметр термоскважины рассчитывается таким образом, чтобы его величина при заданных характеристиках грунта и грунтового теплообменника соответствовала критическому диаметру слоя, намерзающего внутри термоскважины льда, что обеспечивает увеличение притока тепловой энергии через поверхность грунтового теплообменника.