Геотермальное устройство
Владельцы патента RU 2529850:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) (RU)
Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах теплоснабжения производственных и жилых зданий. Геотермальное устройство включает теплообменник, сопряженный с тепловым насосом, грунтовый теплообменник, установленный в геотермальной скважине, трубопроводы, соединяющие теплообменники с образованием замкнутой системы, заполненной рабочим телом в виде жидкости, причем грунтовый теплообменник содержит опускную и подъемную трубы, сообщающиеся друг с другом в нижней зоне. Свободное пространство геотермальной скважины заполнено наполнителем с высокой дренирующей способностью, грунтовый теплообменник содержит, по меньшей мере, шесть подъемных труб, удаленных от опускной трубы на расстояние не меньше их диаметра, причем трубы грунтового теплообменника сообщены между собой посредством оголовка, при этом опускная труба выполнена с возможностью равномерного подвода к ее внешней поверхности дренирующей жидкости и наполнителя геотермальной скважины с возможностью его увлажнения. Система увлажнения наполнителя геотермальной скважины включает накопительную камеру, расположенную ниже оголовка. Технический результат выражается в повышении теплопроизводительности грунтового теплообменника и расширении области применения. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области строительства, а именно к устройствам теплообмена, и может быть использовано в системах теплоснабжения производственных и жилых зданий.
Известен вертикальный грунтовый теплообменник, имеющий U-образную форму, представляющий собой две параллельные трубы, соединенные в нижней части (Васильев Г.П. Монография: Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли / Г.П. Васильев. ISBN: 5-94691-202-Х. - М.: Изд-во «Граница», 2006. - 173 с.).
Недостатком данного технического решения является высокая трудоемкость и материалоемкость из-за большой протяженности скважин в диапазоне 60-90 метров.
Известен также вертикальный грунтовый теплообменник коаксиального типа сложной конфигурации (Васильев Г.П. Монография: Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли / Г.П. Васильев. ISBN: 5-94691-202-Х. - М.: Изд-во «Граница», 2006. - 173 с.).
Недостаток данного технического решения состоит в низкой эффективности использования поверхности теплообмена скважины вследствие особенности ее конструкции, при которой в теплообмене участвует только половина поверхности внешнего контура, при этом центральный ствол исключен из процесса теплообмена.
В качестве ближайшего аналога принят тепловой аккумулятор, содержащий теплообменник, сопряженный с тепловым насосом, грунтовый теплообменник, установленный в геотермальной скважине, трубопроводы, соединяющие теплообменники с образованием замкнутой системы, заполненной рабочим телом в виде жидкости, причем грунтовый теплообменник содержит опускную и подъемную трубы, сообщающиеся друг с другом в нижней зоне (см. патент РФ №2359183, МПК F24J 3/08, дата публикации 20.06.2009).
Недостатками ближайшего аналога являются низкая эффективность теплообмена с грунтовым массивом вследствие малой поверхности теплообмена опускной трубы и негарантированного контакта с ним по глубине скважины, что непредсказуемо снижает подводимый тепловой поток, увеличивает процесс регенерации грунта во время эксплуатации, а также повышенная энергоемкость из-за необходимости непрерывной работы теплового насоса, кроме того, отсутствует возможность проведения эффективного процесса регенерации и температурного восстановления поля за счет бросовых низкопотенциальных теплоносителей (например, сточные воды системы горячего водоснабжения и т.д.).
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в разработке конструкции грунтового теплообменника с повышенной теплопроизводительностью.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении теплопроизводительности грунтового теплообменника вследствие следующих факторов:
- максимальное использование поверхности грунтового теплообменника за счет включения в процесс теплообмена опускной трубы и подъемных труб цилиндрического контура, а также увеличения количества и площади внешней поверхности подъемных труб;
- увлажнение наполнителя геотермальной скважины увеличивает его коэффициент теплопроводности и позволяет повысить эффективность отбора теплоты у грунта;
- возможность подвода увлажненного наполнителя к внешней поверхности труб обеспечивает интенсификацию процесса теплообмена в геотермальной скважине.
Также можно указать расширение области применения вследствие следующих факторов:
- возможность при необходимости более эффективного восстановления энергетического потенциала грунта за счет использования низкопотенциальных сбросных теплоносителей без включения в работу теплового насоса;
- повышение эффективности работы грунтовых теплообменников в условиях низкой естественной влажности глубинных грунтов и нарушении контактов теплообменных поверхностей геотермальной скважины с грунтом (вследствие деформаций, просадок и т.д.) благодаря возможности регулирования степени увлажнения наполнителя и его естественной деформации.
Поставленная задача решается тем, что в геотермальном устройстве, включающем теплообменник, сопряженный с тепловым насосом, грунтовый теплообменник, установленный в геотермальной скважине, трубопроводы, соединяющие теплообменники с образованием замкнутой системы, заполненной рабочим телом в виде жидкости, причем грунтовый теплообменник содержит опускную и подъемную трубы, сообщающиеся друг с другом в нижней зоне, свободное пространство геотермальной скважины заполнено наполнителем с высокой дренирующей способностью, например крупнозернистым песком, грунтовый теплообменник содержит, по меньшей мере, шесть подъемных труб, удаленных от опускной трубы на расстояние не меньше их диаметра, причем трубы грунтового теплообменника сообщены между собой посредством оголовка, при этом опускная труба выполнена с возможностью равномерного подвода к ее внешней поверхности дренирующей жидкости и наполнителя геотермальной скважины с возможностью его увлажнения по диаметру и глубине, причем система увлажнения наполнителя геотермальной скважины включает накопительную камеру, выполненную с возможностью сбора и удаления дренирующей жидкости и расположенную ниже оголовка, узел контроля уровня дренирующей жидкости в накопительной камере, а также средство доставки дренирующей жидкости в виде трубы, соединенной с источником дренирующей жидкости, кроме того, подъемные трубы образуют замкнутый цилиндрический контур в коаксиальном исполнении. Кроме того, внешняя поверхность опускной трубы снабжена насадкой в виде конического раструба, установленного с образованием кольцевого зазора, причем диаметр верхней кромки насадки превышает диаметр нижней кромки. Кроме того, подъемные трубы выполнены с возможностью плотного прилегания увлажненного наполнителя геотермальной скважины к их внешней поверхности.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «свободное пространство геотермальной скважины заполнено наполнителем с высокой дренирующей способностью, например крупнозернистым песком» и «система увлажнения наполнителя геотермальной скважины включает накопительную камеру, выполненную с возможностью сбора и удаления дренирующей жидкости и расположенную ниже оголовка, узел контроля количества дренирующей жидкости в накопительной камере, а также средство доставки дренирующей жидкости в виде трубы, соединенной с источником дренирующей жидкости» обеспечивают возможность увлажнения наполнителя геотермальной скважины.
Признаки «грунтовый теплообменник содержит, по меньшей мере, шесть подъемных труб, удаленных от опускной трубы на расстояние не меньше их диаметра, причем трубы грунтового теплообменника сообщены между собой посредством оголовка», «подъемные трубы образуют замкнутый цилиндрический контур в коаксиальном исполнении» и «подъемные трубы выполнены с возможностью подвода к их внешней поверхности увлажненного наполнителя геотермальной скважины» обеспечивают включение в процесс теплообмена полного периметра подъемных труб цилиндрического контура.
Признаки «опускная труба выполнена с возможностью равномерного подвода к ее внешней поверхности дренирующей жидкости и наполнителя геотермальной скважины с возможностью его увлажнения по диаметру и глубине» и «внешняя поверхность опускной трубы снабжена насадкой в виде конического раструба, установленного с образованием кольцевого зазора, причем диаметр верхней кромки насадки превышает диаметр нижней кромки» обеспечивают включение в процесс теплообмена опускной трубы.
На фиг.1 изображен вертикальный разрез геотермального устройства.
На фиг.2 изображен горизонтальный разрез геотермального устройства.
На фиг.3 изображен узел контроля количества дренирующей жидкости в накопительной камере.
На чертежах показаны геотермальная скважина 1, опускная 2 и подъемные 3 трубы, наполнитель 4 геотермальной скважины 1, оголовок 5, накопительная камера 6, узел контроля 7 количества дренирующей жидкости в накопительной камере 6, средство доставки 8 дренирующей жидкости, насадка 9 опускной трубы 2, сборный коллектор 10, коническая полость 11, сетки 12, выхлопная водяная 13 и воздушная 14 трубы накопительной камеры 6, трехходовой кран 15 воздушной трубы 14, а также сетки 16, стакан 17, запорный клапан 18, спускные окна 19, шток 20, поплавок 21, сборная камера 22 узла контроля 7.
Опускная труба 2 выполнена условным диаметром 32 мм.
Подъемные трубы 3 выполнены условным диаметром 15 мм.
В качестве наполнителя 4 геотермальной скважины 1 с высокой дренирующей способностью использован крупнозернистый песок.
Оголовок 5 выполнен условным диаметром 50 мм.
Накопительная камера 6 выполнена с возможностью сбора дренирующей жидкости с помощью конической полости 11 и сетки 12, а также с возможностью удаления дренирующей жидкости с помощью выхлопной водяной 13 и воздушной 14 труб.
Узел контроля 7 количества дренирующей жидкости в накопительной камере 6 включает сетки 16, стакан 17, запорный клапан 18, спускные окна 19, шток 20, поплавок 21, сборная камера 22.
Средство доставки 8 дренирующей жидкости выполнено в виде трубы.
Насадка 9 выполнена в виде конического раструба, установленного на опускной трубе 2 с образованием кольцевого зазора, причем диаметр верхней кромки насадки 9 превышает диаметр нижней кромки.
Воздушная труба 14 снабжена трехходовым краном 15.
Запорный клапан 18 имеет коническую форму и выполнен пустотелым, а также снабжен пустотелым поплавком 21, закрепленным на штоке 20.
При необходимости регенерирования температурного потенциала грунта по средству доставки 8 дренирующей жидкости может быть подан теплоноситель виде воды с повышенной температурой.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Рабочее тело в виде жидкости из теплового насоса (на чертежах не показан) проходит по опускной трубе 2, нагревается и поступает через оголовок 5 в подъемные трубы 3, после чего через сборный коллектор 10 попадает обратно в тепловой насос и далее в теплообменник (на чертежах не показан).
Нагрев рабочего тела в опускной трубе 2 происходит за счет теплоты грунта геотермальной скважины 1 при увлажненном наполнителе 4.
Для этого по средству доставки 8 от источника (на чертежах не показан) в насадку 9 подают дренирующую жидкость, которая через кольцевой зазор насадки 9 стекает по внешней поверхности опускной трубы 2, одновременно увлажняя наполнитель 4 геотермальной скважины 1 по диаметру и глубине.
Далее дренирующая жидкость через сетки 12 поступает в коническую полость 11 и при ее наполнении попадает через сетки 16 узла контроля 7 в корпус стакана 17, нижнее основание которого является посадочным местом для запорного клапана 18.
Нормальное положение запорного клапана 18 открытое, при этом его основание располагается ниже спускных окон 19. В накопительную камеру 6 дренирующая жидкость поступает из сборной камеры 22 узла контроля 7 через спускные окна 19.
В процессе заполнения накопительной камеры 6 уровень дренирующей жидкости достигает максимального при подъеме поплавка 21 и закрытии запорного клапана 18. После чего, открывая трехходовый кран 15, по воздушной трубе 14 подают сжатый воздух от компрессора (на чертежах не показан). В результате чего запорный клапан 18 поджимается давлением сжатого воздуха, и дренирующая жидкость удаляется из накопительной камеры 6 по водяной трубе 13. Далее подачу воздуха прекращают.
Процесс повторяется по мере увлажнения грунта геотермальной скважины 1 и дренирующей способности наполнителя 4 геотермальной скважины 1.
Заявляемое устройство позволяет повысить теплопроизводительность грунтового теплообменника расширить область его применения.
1. Геотермальное устройство, включающее теплообменник, сопряженный с тепловым насосом, грунтовый теплообменник, установленный в геотермальной скважине, трубопроводы, соединяющие теплообменники с образованием замкнутой системы, заполненной рабочим телом в виде жидкости, причем грунтовый теплообменник содержит опускную и подъемную трубы, сообщающиеся друг с другом в нижней зоне, отличающееся тем, что свободное пространство геотермальной скважины заполнено наполнителем с высокой дренирующей способностью, например крупнозернистым песком, грунтовый теплообменник содержит, по меньшей мере, шесть подъемных труб, удаленных от опускной трубы на расстояние не меньше их диаметра, причем трубы грунтового теплообменника сообщены между собой посредством оголовка, при этом опускная труба выполнена с возможностью равномерного подвода к ее внешней поверхности дренирующей жидкости и наполнителя геотермальной скважины с возможностью его увлажнения по диаметру и глубине, причем система увлажнения наполнителя геотермальной скважины включает накопительную камеру, выполненную с возможностью сбора и удаления дренирующей жидкости и расположенную ниже оголовка, узел контроля уровня дренирующей жидкости в накопительной камере, а также средство доставки дренирующей жидкости в виде трубы, соединенной с источником дренирующей жидкости, кроме того подъемные трубы образуют замкнутый цилиндрический контур в коаксиальном исполнении.
2. Геотермальное устройство по п.1, в котором внешняя поверхность опускной трубы снабжена насадкой в виде конического раструба, установленного с образованием кольцевого зазора, причем диаметр верхней кромки насадки превышает диаметр нижней кромки.
3. Геотермальное устройство по п.1, в котором подъемные трубы выполнены с возможностью плотного прилегания увлажненного наполнителя геотермальной скважины к их внешней поверхности.
