Способ аккумулирования тепловой энергии в грунте Советский патент 1992 года по МПК E02D3/115 

6ел

С

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.

X

TT7L

4 О СП 4 vj

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано е системах теплоснабжения.

Известен способ эксплуатации геотермального месторождения путем добычи re- отермального 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 на- грузки 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 соединен- ных одна с другой замораживающих колонок и подачу по ним хладагента в направлении от одной колонки к другой, причем направление подачи хладагента периодически изменяется на противопо- ложное.

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

для сохранения суммарного суточного теп- лопритока, 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 а 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 тепло- сброса 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%, соответственно половине и четверти от расчетного экспериментального времени.

Следовательно, если теплоноситель прокачивает 50% времени гр через один подземный коллектор, и 0,5 гр через другой коллектор, расположенный отдельно от первого на расстоянии с малым взаимным тепловым влиянием, то при неизменных мощности насоса и характеристике грунта увеличится коэффициент сброса тепла в

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 v возрастет в 2,5 раза (фиг. 1 и 2). Для определения расчетного оптимального времени работы одного коллектора (одной трубы) воспользуемся приближенной формулой для определения мгновенного потока от цилиндрического источника

2ДТЯГ 1 1 (4F0)-2y

pn(4F0)-2y

(1)

где Л Т - разность температур источника и среды, К;

Я - коэффициент теплопроводности среды (грунта), Вт/м К;

г- радиус колонки (теплообменника), м;

а т FO -z - число Фурье (а - температуг

ропроводность грунта, м/с. г - текущее время процесса, с);

у- 0,577 - постоянная Эйлера.

Принимая во внимание, что время выхода на стационарный режим работы грунтового теплообменника равно т 100- 150ч, оценим величину теплового потока q через время г по формуле (1). Задаваясь двукратным превышением потока qp над его стационарным значением q , определим искомое расчетное значение г с помощью уравнения

1

qP-ln(4F0p)-2y tnC4F0p)-2yJ « 1JL

(2)

1п(4Ро)-2У In (4 Fo V 2

Обозначим

с Qp . ln(4F0)-3y . q {ln(4F0)

A 4 F0p , тогда уравнение (2) приводится к виду

lnA-3y c lnA-2y 2, а отсюда

c(lnA)2-(4yc+1)lnA+ (Зу+ 4 у2с) 0, тогда

г2 /1 гр- ехр|+ 4ус -4ус

2с

При этом количество необходимых коллекторов N равно

(3)

10

15

20

25

30

35

40

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 из 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 гр 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 в предыдущие колонки прекращают, причем теплоноситель в каждую колонку подают в течение промежутка времени, определяемого по зависимости

гъ

jrL 4а

ехр

I1

+ 4ус+ 1-4ус

2с

}

50

55

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

на прокачку теплоносителя по системе трубопроводов грунтового теплообменника. Формула изобретения Способ аккумулирования тепловой энергии в грунте, включающий последовательную подачу теплоносителя в размещенные в грунте колонки, отличающийся тем, что, с целью снижения энергоемкости способа, при подаче теплоносителя в каждую последующую колонку подачу теплоносителя в предыдущие колонки прекращают, причем теплоноситель в каждую колонку подают в течение промежутка времени, определяемого по зависимости

И +4ус + У1 -4ус 2с

, г &ИУ

и, к го

fS

ю

-.и

700%

го

w во

Фиг.1

где Тр - промежуток времени подачи теплоносителя в каждую колонку, с;

а - температуропроводность грунта, м2/с;

у - 0,577, постоянная Эйлера;

с - безразмерный коэффициент.

ЧЕ

с -qp . ln(4F0)-3y . q ln(4F0)-2yf задаваемое превышение теплово

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

Fo -значения числа Фурье при стационарном режиме работы теплообменника (г 100 - 150 ч).

30

2S

20

1$

1О

6

80 1ОО.

,4QC

Ј

го

STO - S 2O S

(Вады - Чфунтсг), °&

Фиг. 2.