НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ

НЕДБАЙЛО ОЛЕКСАНДР МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 662.995, 536.242

ФІЗИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ГРУНТОВОГО АКУМУЛЮВАННЯ

ТЕПЛОТИ ТРУБНИМИ СИСТЕМАМИ

Спеціальність 05.14.06“

Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті технічної теплофізики Національної академії наук України, м. Київ

Науковий керівник Доктор технічних наук, професор

Накорчевський Альфред Іванович,

Інститут технічної теплофізики НАН

України, провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти Доктор технічних наук,

Шурчков Анатолій Васильович,

Інститут відновлювальної енергетики НАН України, провідний науковий співробітник;

Кандидат технічних наук,

Воробйов Леонід Йосипович,

Інститут технічної теплофізики НАН

України, провідний науковий співробітник.

Захист відбудеться 18.12.2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 при Інституті технічної теплофізики Національної академії наук України за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2а.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту технічної теплофізики Національної академії наук України за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2а.

Автореферат розіслано 16.11.2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук Чайка О.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У зв’язку з вичерпністю енергоресурсів планети, спостерігається дефіцит та значне подорожчання органічного палива. Використання його традиційних видів із зростаючою інтенсивністю призводить до суттєвого забруднення довкілля, збільшення кількості техногенних катастроф та виникнення проблем, які пов’язані з утилізацією відходів виробництва енергії. Одним з ефективних та широко розповсюджених способів отримання теплоти є перетворення сонячного випромінювання, яке падає на поверхню Землі. Тому потрібно використовувати та розвивати енергоощадні технології з використанням нетрадиційних та відновлювальних джерел енергії (НВДЕ) для задовільнення зростаючого попиту на екологічну теплоту для споживання її населенням та промисловістю. Перспективність використання сонячної радіації визначається її доступністю та невеликим строком окупності енергомістких технічних проектів.

В системах сонячного теплопостачання, для перетворення випромінювання Сонця у теплову енергію з температурним потенціалом у межах 50…60?С, використовуються сонячні колектори. Таку теплоту найбільш доцільно використовувати для потреб комунальної енергетики – підлогового опалення будинків та гарячого водопостачання. Але, у зв’язку з тим, що період опалення у холодний період року зміщений на 180 діб відносно періоду найбільш інтенсивної сонячної інсоляції, виникає необхідність акумулювання сонячної теплоти.

Для вирішення цієї проблеми віддається перевага природним ґрунтовим акумуляторам теплоти із-за їх доступності та простоти у технологічному використанні. Акумулювання сонячної енергії та вилучення відновлювальної теплоти ґрунту здійснюється різноманітними трубними системами, які розміщуються під землею. Така технологія є актуальною для всебічного вивчення та перспективною у використанні, а тому повинна отримати науково-технічний розвиток у подальшому. У зв’язку з цим, фізичне моделювання теплових процесів може дозволити розробити нові або вдосконалити вже існуючі способи отримання відновлювальної теплоти для комунальних потреб.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає планам виконання науково-дослідних робіт “Дослідження перехідних процесів нестаціонарного тепломасообміну та розробка комбінованих схем ґрунтового акумулювання теплоти” (2006 р., номер державної реєстрації 0103U005532) та “Створення експериментальної теплонасосної установки з термальним ґрунтовим акумулятором для автономного теплопостачання” (2007 р., 0107U004905), у яких автор був виконавцем окремих розділів.

Мета та завдання роботи. Мета роботи полягає у проведенні фізичного моделювання теплових процесів в основній зоні теплообміну на експериментальній установці при різних режимах ґрунтового акумулювання теплоти та на його основі встановлення адекватності математичної моделі акумулювання в цій зоні, а також розробка технічних рішень щодо вилучення відновлювальної теплоти ґрунту та з териконів горно-збагачувальних підприємств. Для досягнення поставленої мети потрібно було вирішити наступні завдання:

- розробити та виготовити лабораторну установку для дослідження ґрунтового акумулювання теплоти у необмеженому (R > ?) ґрунтовому масиві;

- реалізувати у складі установки контрольно-вимірювальний комплекс для точної фіксації швидкотривалих початкових та перехідних теплових процесів, відповідно, при акумулюванні та вільному дрейфі теплоти;

- провести серії експериментальних досліджень та здійснити подальше співставлення результатів з теоретичними розрахунками.

У вітчизняних та закордонних літературних джерелах практично відсутні методики розрахунку теплових параметрів ґрунтових акумуляторів. У зв’язку з цим, в ІТТФ НАН України виконаний комплекс досліджень по математичному моделюванню ґрунтового акумулювання та вилучення теплоти ґрунту у відповідності до державних програм, які направлені на розвиток енергоощаднення та використання нетрадиційних джерел енергії (Накорчевский А.И., Басок Б.И., Беляева Т.Г. Проблемы грунтового аккумулирования теплоты и методы их решения // Пром. теплотехника. – 2003. – Т. 25, № 3. – С. 42 – 50, Накорчевский А. И. Динамика грунтового аккумулирования теплоты и выбор рациональных решений // ИФЖ. – 2004. – Т. 77, № 4. – С. 10 – 19, Накорчевский А. И. Динамика разрядки теплового аккумулятора в неограниченном грунтовом массиве // ИФЖ. – 2005. – Т. 78, №6. – С. 70 – 77, Накорчевский А. И. Особенности переходных процессов при грунтовом аккумулировании солнечной энергии // ИФЖ. – 2006. – Т. 79, №2. – С. 156 – 160). Тому, виникло завдання експериментальної перевірки (апробації) цих методик. На заваді проведенню натурних експериментів стали великі матеріальні витрати на роботи, обладнання та матеріали, а також довготривалість самих випробувань. Як наслідок, були здійснені лабораторні дослідження.

Об’єкт дослідження – основна зона теплообміну системи “теплообмінник – ґрунтовий масив”.

Предмет дослідження – теплові процеси, які відбуваються при ґрунтовому акумулюванні теплоти.

Методи дослідження – експериментальні.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше експериментально були досліджені наступні режими ґрунтового акумулювання:

а) з монотонним збільшенням температури теплоносія до 50?С у процесі акумулювання,

б) з попереднім нагрівом теплоносія до температури 45…50?С та наступною підтримкою її незмінною,

в) з раптовим припиненням подачі нагрітого теплоносія та переходом до режиму вільного дрейфу теплоти;

2. Вперше отримані та проаналізовані дослідні данні:

а) для початкового періоду часу (0…60 с) акумулювання,

б) при переході до вільного дрейфу теплоти;

3. Експериментально підтверджено коректність теплофізичної моделі, яка основана на:

а) введенні кінцевого радіусу розповсюдження теплоти R(t),

б) однопараметричної сім’ї профілів температур

(1)

де А – параметр; R, R0, r – радіуси, відповідно, розповсюдження теплоти, теплообмінника та поточний, м; Т, T0, Тм – температури, відповідно, поточна, зовнішньої поверхні труби та піску при r > R, К; q0 – густина теплового потоку на зовнішній поверхні труби, Вт/м2; ?м – коефіцієнт теплопровідності засипки, Вт/(м•К);

в) рівнянні, яке визначає темп змінення Т0

(2)

де aм – коефіцієнт температуропровідності засипки, м2/с; t – час, с;

г) рівняннях збереження енергії для різних областей акумулювання.

4. На основі теоретичних досліджень розроблено нову методику визначення основних теплових параметрів при вилученні відновлювальної теплоти ґрунту та вугільних териконів (відвалів) горно-збагачувальних підприємств.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків та рекомендацій забезпечується задовільною кореляцією результатів всіх проведених експериментів з розрахунковими значеннями, використанням сучасної високоточної контрольно-вимірювальної апаратури та швидкодіючої інформаційно-обчислювальної техніки при отриманні, обробці та аналізі дослідних даних.

Наукове значення роботи. За допомогою аналізу отриманих дослідних даних скоректована математична модель, яка описує зміну параметрів теплових процесів при переході до вільного дрейфу теплоти. Результати всіх експериментальних досліджень якісно та кількісно співпадають з розрахунковими даними. Це надає можливість стверджувати, що запропоновані математичні моделі коректні та дозволяють вірогідно описувати теплові процеси, які відбуваються при ґрунтовому акумулюванні та вилученні теплоти. Методика розрахунку основних теплових параметрів процесу вилучення відновлювальної теплоти з териконів (відвалів) горно-збагачувальних підприємств дозволяє проектувати трубні системи для їх енергоефективного використання у теплопостачанні.

Практичне значення роботи. Розроблені та впроваджені методики розрахунку теплових параметрів ґрунтових акумуляторів та вилучення відновлювальної теплоти ґрунту, териконів або відвалів вугільних шахт та горно-збагачувальних підприємств. Ці методики було покладено в основу проекту спорудження експериментальної теплонасосної установки з термальним ґрунтовим акумулятором для опалення і кондиціонування адміністративного приміщення площею 22 м2 на території ІТТФ НАН України по вул. Булаховського, 2, м. Києва. Результати роботи, у вигляді запропонованих технічних рішень та методик розрахунку вилучення теплоти з породи териконів, практично використані ВАТ Центральною збагачувальною фабрикою “Киселівська” (м. Торез) та ВАТ “Ясинівський коксохімічний завод” (м. Макіївка) з метою енергоощадження.

Особистий внесок здобувача. Розроблена принципова схема експериментальної установки для дослідження ґрунтового акумулювання теплоти, розраховані параметри основних елементів, виготовлені та змонтовані вузли. Автором безпосередньо розроблена схема, конструкція і програмне забезпечення апаратно-програмного комплексу (АПК) для вимірювання температур теплоносія та ґрунтової засипки в складі установки. Проведено серії дослідів з наступною обробкою, аналізом та публікаціями отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та матеріали дисертаційної роботи були репрезентовані у вигляді доповідей на 3-й Міжнародній конференції “Нетрадиційна енергетика у XXI столітті” (м. Судак, 2002 р.), 4-й і 5-й Міжнародних конференціях “Проблеми промислової теплотехніки” (м. Київ, 2005, 2007 рр.), 1-й Науково-практичній конференції молодих вчених “Теплоенергетика: моделювання, оптимізація, енергоощадження” (м. Київ, НТУУ “КПІ”, 2004 р.), 4-й Національній російській конференції по теплообміну (м. Москва, МЕІ, 2006 р.). Автор є лауреатом 1-го ступеня Всеукраїнських конкурсів молодих вчених “Молодь – енергетиці України” (м. Київ, 2003, 2005 рр.) з роботами, які містять у собі результати дисертації.

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковано в 13 друкованих наукових статтях, збірках праць та тез міжнародних наукових конференцій, у тому числі в 6 статтях спеціалізованих видань ВАК України.

Структура та об’єм дисертації. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатку. Загальний об’єм дисертації складає 120 сторінок машинописного тексту, серед яких 64 рисунки та 3 таблиці. Бібліографія містить 64 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі описаний сучасний стан проблематики, обґрунтована актуальність теми, сформульовано мету й завдання роботи, відображено наукову новизну результатів, значення та практичну цінність запропонованих технічних рішень. Наведені приклади, які підтверджують енергетичну ефективність та перспективність технології ґрунтового акумулювання.

У першому розділі розглянута класифікація та проаналізована теплова ефективність ґрунтових теплообмінників різних конструкцій (закордонних та вітчизняних), за допомогою яких здійснюється акумулювання або вилучення теплоти ґрунту. Найбільш доцільним є використання групи розташованих поруч ґрунтових теплообмінників, які складаються з 12-ти труб. Наведені методи розрахунку теплових параметрів, які застосовуються у світовій практиці. Обґрунтовані недосконалість та недоліки окремих методик. Показані труднощі аналітичного рішення задач ґрунтового акумулювання, що зводяться до вирішення рівняння теплопровідності з різними умовами однозначності. Запропоновані шляхи їх подолання у вигляді пошуку рішень системи рівнянь, які еквівалентні до вихідних з врахуванням особливостей процесів. За результатами стану досліджень у цій області сформульовані завдання досліджень.

У другому розділі описані принципові рішення та конструкції експериментальної установки в цілому, її окремих вузлів, дослідного модуля та контрольно-вимірювальної техніки, яка застосовувалась у складі установки [1]. Особливістю математичної моделі є введення кінцевого радіусу розповсюдження теплоти R(t) в необмеженому ґрунтовому масиві. В результаті попередніх обчислень за математичною моделлю, було встановлено спочатку помірне, а потім стрімке зростання його значення. Тому, було прийняте недоцільним створення крупногабаритної експериментальної установки. В основу призначення габаритних розмірів дослідного модуля закладалось рішення обмежитись додержанням умови Тм = const при r > R за часовий проміжок її роботи ? ~ 300…500 с. Це обумовило створення модуля циліндричної форми радіусом 200 мм та висотою 1250 мм. Висота дослідного модуля забезпечувала малу різницю температур теплоносія між входом та виходом (близько до 1 К, що характерно для реального теплообмінника) і радіальне розповсюдження теплоти.

Установка показана на рис. 1. Вона складається з замкненого циркуляційного контуру (труба 25х1 мм, сталь Х18Н10Т), що заповнюється теплоносієм (водою). Температура останнього змінюється у межах 10…60?С. Циркуляція забезпечується насосом 3 відцентрового типу. Для вимірювання витрати теплоносія через модуль використовується діафрагма, що протарована з U–подібним диференційним манометром 2. Підігрів теплоносія до потрібної в експерименті температури проводиться за допомогою трубчатих нагрівачів електричного опору 5, які розміщені у напірній теплоізольованій ємності 4, об’ємом 0,043 м3.

Рис. 1. Загальний вигляд експериментальної установки для дослідження ґрунтового акумулювання теплоти:

1 – дослідний модуль, 2 – витратомірний пристрій, 3 – циркуляційний насос, 4 – теплоізольована ємність, 5 – електронагрівачі.

Сумарна електрична потужність нагрівачів дорівнює 12 кВт. В установці передбачені: байпас (для регулювання витрати теплоносія), можливість випорожнення системи (для демонтажу, профілактичного ремонту, тарування витратомірного пристрою та проведення досліджень перехідних теплових процесів при акумулюванні теплоти).

Дослідний модуль 1, що наведений на рис. 2, складається з обичайки (сталь Х18Н10Т, товщина 1 мм), яка закрита теплоізольованими (пінополіуретан ППУ-Е) кришками (Ст. 3) на фланцевих з’єднаннях. Він заповнений мілким сухим річним піском. Направляючі “лінійки” (стеклотекстоліт СТЕФ-І-s, товщина 1 мм) з термоперетворювачами типу ТХК(L) (діаметр термоелектродів 0,2 мм) розміщені в чотирьох радіальних перерізах та зміщені в азимутальному напрямку. На кожній “лінійці” розташовано по 8 термопар.

Рис. 2. Загальний вигляд дослідного модуля

У зв’язку з тим, що градієнт температур поблизу стінки тепловіддаючої труби є значним та досить швидко зменшується до периферії, крок встановлення термопар обраний нерівномірним (рис. 3). Різниця температур теплоносія між входом до модулю та виходом з нього вимірювалась диференційною гіпертермопарою. Також було встановлено термопару типу ТХК(L) в циркуляційному контурі на виході з напірного баку.

Електричні сигнали від всіх термоперетворювачів оброблялись апаратно-програмним комплексом на основі швидкодіючої багатоканальної (64 канали) комп’ютерної плати аналого-цифрового перетворювача (АЦП) [2]. Використовувався серійний виріб SDI-AD12-64HL для шини ISA. Для підвищення точності вимірювання температур застосовувалось апаратне підсилення сигналу платою.

Рис. 3. Радіальне розташування термопар

Захист від електромагнітних завад досягався екрануванням та виготовленням витих пар термоелектродів. Калібрування та прив’язка до температурної шкали Цельсія були реалізовані за допомогою термопари, яку розміщено у сосуді Дюара при 0?С. Розрахункова похибка вимірювань при цьому склала ±0,2 К.

У програмі було реалізоване циклічне опитування всіх каналів із вибором їх кількості та інтервалу часу, через який відбувалась фіксація значень сигналу. Результати вимірювань температур записувались у текстовий файл, що форматно дозволяє імпортувати їх до програми MS Excel для подальшого аналізу. Програма написана та скомпільована в програмному середовищі Borland C для операційних систем MS-DOS, Windows 98, 2000, XP.

Теплофізичні характеристики засипки суттєво залежать від її вологості і розміру часток. Тому, для уточнення відомих табличних значень для піска, були проведені спеціальні лабораторні дослідження на окремих установках. За їх результатами, середній розмір часток основної (більш 60%) фракції склав 0,5 мм при щільності ? = 1539 кг/м3. Знайдена залежність коефіцієнтів теплопровідності та теплоємності від температури для діапазону 20…80?С. Розбіжність знайдених значень з довідковими не перевищила 6%. Теплофізичні властивості води приймались з довідкової табличної літератури.

Експерименти здійснювались за двома схемами [3].

Схема 1 – з одночасним нагрівом теплоносія та роботою установки в стаціонарному гідравлічному режимі.

Схема 2 – з попереднім нагрівом теплоносія у ємності.

За схемою 1 теплоносій нагрівався у ємності з одночасною циркуляцією в контурі через дослідний модуль. Такий режим відповідає початковому етапу ґрунтового акумулювання теплоти. Витрата теплоносія фіксувалась та залишалась незмінною на протязі досліду. Відбувалась реєстрація температур на виході з бака, на вході в дослідний модуль, різниці температур між входом і виходом з нього та температури засипки у чотирьох перерізах.

За схемою 2 проводились дві серії досліджень [4]. У першій серії досліджувались нестаціонарні процеси при швидкому нагріві ґрунтового масиву. У другій досліджувались перехідні процеси при раптовому припиненні подачі теплоти, яка акумулюється. Для попереднього нагріву використовувалась байпасна лінія. В першій серії, при досягненні заданого в експерименті значення температури подальша циркуляція відбувалась через модуль. Вимірювання всіх температур було відповідним до схеми 1. В другій серії, після нагріву води в ємності до відповідної температури та заданого часу її циркуляції через модуль з постійною витратою, одночасно вимикався насос та випорожнялась теплообмінна труба. Під дією власного напору випорожнення відбувалось за розрахований час, який дорівнював 3,9 с. Наставала потрібна умова q0 = 0. Значення температур, у описаних вище місцях, вимірювались відповідно першій серії. При цьому, їх регістрація не припинялась після випорожнення труби. Одночасне вимірювання всіх зазначених температур відбувалось через кожні 10 с. Сумарна тривалість проведення кожного з експериментів не перевищувала 20 хвилин.

У третьому розділі наведені розрахункові співвідношення для математичного описання акумулювання (розрядки) в циліндричних координатах (r, t), перехідних теплових процесів та природного дрейфу теплоти. Показані результати співставлення експериментальних досліджень з даними, що розраховані за математичними моделями, та їх аналіз.

Експериментальні дані систематизовано по схемам та серіям досліджень. Умовні позначення залишені незмінними для всіх дослідів. Номера ліній температур на графіках відповідають наступній послідовності радіусів: 1 – 14,2 мм, 2 – 14,7 мм, ... , 10 – 44 мм, 11 – 76 мм. Показані вимірювання на 4 “лінійках” в точках, що віддалені від вісі модуля на відстанях: 14, 14,5, 16,5, 20, 28, 44, 76 мм. Позначення Т Х.Y: Т – температура, Х – порядковий номер “лінійки” за ходом теплоносія, Y – порядковий номер термопари від вісі модуля.

Схема 1 представлена на рис. 4 і 5 (об’ємна витрата Gв = 0,091 л/с). Незважаючи на різку зміну температур поблизу стінки труби вже через малий проміжок часу, відповідність розрахункових та дослідних даних є задовільною.

Рис. 4. Схема 1. Співставлення розрахункових (лінії) та дослідних (точки) даних змінення температур у часі

Перша серія за схемою 2 показана на рис. 6 і 7 (об’ємна витрата Gв = 0,134 л/с). Більший діапазон змінення значень температур природний для дослідів за цією схемою. Хоча такий режим не є основним при акумулюванні, але нестаціонарні ефекти тут більш чіткіші. На початковій стадії процесу кореляція дослідних та розрахункових даних досить задовільна. Важливо підкреслити відповідність отриманих результатів до ліній 9 та 10, що підтверджує допустимість введення поняття “кінцевий радіус розповсюдження теплоти” в необмеженому ґрунтовому масиві.

При ґрунтовому акумулюванні виникають випадки припинення надходження теплоти до ґрунтового масиву та його поновлення. Це пов’язане з переривистим характером експлуатації сонячних колекторів, які використовуються тільки у світлий період доби. Велика довжина мережі трубопроводів проміжного теплоносія дещо згладжує вплив різкого припинення подачі теплоти або, майже такого за характером, поновлення його течії у ґрунтових теплообмінниках.

Рис. 5. Схема 1. Співставлення розрахункових (лінії) та дослідних (точки) даних змінення температур по радіусу модуля

Рис. 6. Схема 2. Перша серія. Співставлення розрахункових (лінії) та дослідних (точки) даних змінення температур у часі

При цьому, за декілька хвилин відбувається трансформація температурного профілю до вигляду при q0 = 0

(3)

Параметр В характеризує крутизну профілю температур у масиві після переходу до природного дрейфу теплоти.

Рис. 7. Схема 2. Перша серія. Співставлення розрахункових (лінії) та дослідних (точки) даних змінення температур по радіусу модуля

Друга серія за схемою 2 наведена на рис. 8 і 9 (об’ємна витрата Gв = 0,117 л/с). Пунктирними лініями позначені розрахункові змінення температур під час природного дрейфу теплоти. Як і для попередньої серії, для теплопередачі характерні високоградиєнтні значення температурних полів. Незважаючи на це, узгодженість експериментальних даних з розрахунками прийнятна. Середньостатистичне відхилення значень у співставленні з розрахунками для всіх експериментів склало не більш 8%. Теплоємність матеріалу стінки згладила перехід до дрейфу теплоти, але його еволюційний режим відповідає реальності.

Проведені експериментальні дослідження природного дрейфу дозволили уточнити алгоритм безперервного сполучення параметрів в перехідному процесі. Це призвело до модифікації розподілення у форму

(4)

де Ам.д. – значення параметра А в момент переходу до природного дрейфу.

Рис. 8. Схема 2. Друга серія. Співставлення розрахункових (лінії) та дослідних (точки) даних змінення температур у часі

У четвертому розділі сформульовані основні теоретичні основи вилучення відновлювальної теплоти ґрунту та вугільних териконів (відвалів) шахт та горно-збагачувальних підприємств [5]. Наведені схеми та розрахункова методика теплових параметрів для трубної системи мілкого закладання. Обґрунтовані технічні рішення для експериментальної ділянки для вилучення теплоти ґрунту та типового терикону. Представлений техніко-економічний розрахунок для визначення строку окупності та основних капітальних видатків для запропонованого проекту.

Грунт має можливість акумулювати сонячну теплоту на протязі тривалого періоду часу. Її можна видобувати за допомогою горизонтально прокладених ґрунтових теплообмінників (колекторів), які розміщуються на глибині до 1,5 м на незабудованій площині поблизу від будівель. Колектори виготовляються з полімерних труб діаметром до 40 мм. Теплота середовища передається суміші води та антифризу (розсолу), температура кристалізації якого близька до -15?С. Для підвищення термічного потенціалу теплоти використовується тепловий насос.

Рис. 9. Схема 2. Друга серія. Співставлення розрахункових (лінії) та дослідних (точки) даних змінення температур по радіусу модуля

Акумулюючі властивості ґрунту залежать від його вологовмісту, теплофізичних властивостей та мінеральних домішок. Із-за низької теплопоглинаючої можливості природних грунтів величина можливого зняття теплоти обмежується значенням 10…30 Вт/м2. Для отримання значної теплової потужності необхідно задіяти велику площу, що для урбанізованої України проблематично. В вуглевидобувних регіонах країни існує достатня кількість ділянок, які не використовуються – терикони та відвали порожньої породи, які необхідно або рекультивувати, або відводити від них природну та техногенну теплоту для зниження забруднення довкілля.

Пропонується розрахункова методика, яка дозволяє обчислити змінення теплових параметрів при вилученні відновлювальної теплоти грунту та териконів. Схематичне зображення трубної системи показано на рис. 10.

Рис. 10. Розрахункова схема системи мілкого закладання

(5)

де h = Z – 0,5L – 0,2; qs – густина теплового потоку, який знімається з одиниці поверхні ґрунту або терикону, Вт/м2; ?м – щільність ґрунту, кг/м3; ?м – коефіцієнт теплопровідності грунту, Вт/(м•К); см – коефіцієнт теплоємності грунту, Дж/(кг•К); aм – коефіцієнт температуропровідності грунту, м2/с; t – час, с; Z – глибина, м; L – товщина шару, м; R0 – зовнішній діаметр труби, м; q0 - густина теплового потоку на зовнішній поверхні труби, Вт/м2; qм - густина теплового потоку від ґрунтового масиву нижче глибини (Z – 0,5L), Вт/м2; qа - густина теплового потоку від атмосфери, Вт/м2; qz - густина теплового потоку, який характеризує змінення вмісту теплоти ґрунтового масиву товщиною L, Вт/м2; Т0 – температура зовнішньої поверхні труби, ?С, Т0,2 – температура грунта на глибині 0,2 м від поверхні для даної місцевості, ?С; Тс – температура шару, ?С.

Технічне рішення для вилучення теплоти з типового терикону показане на рис. 11.

По всій його поверхні на глибині 1,5 м прокладається мережа з поліетиленових труб внутрішнім діаметром 40 мм із розрахунку 1,5…2 труби на 1 м2 поверхні терикону. Трубна система розподілена на ділянки довжиною до 100 м та обладнана запірною та повітрявипускною арматурою. По системі циркулює проміжний теплоносій (суміш води з антифризом).

Наведені результати розрахунків для піврічного (15 жовтня – 15 квітня) вилучення теплоти. Для м. Артемівськ, за даними Укргідрометцентра:

На рис. 12 та 13, відповідно, показані розрахунки основних теплових параметрів при вилученні теплоти з суглинистого ґрунту та породи терикону.

Рис. 11. Схема трубної системи, яка прокладається в тілі терикона

В кількісному співвідношенні, особливо сильний вплив на динаміку Т0 та Тс чинить значне зниження теплопровідності породи терикону в порівнянні з природним ґрунтом.

F: 1 – qa, Вт/м2, 2 – qм, Вт/м2, 3 – qz, Вт/м2, 4 – Tc, °C, 5 – Т0, °C

Рис. 12. Змінення параметрів при вилученні теплоти з суглинистого ґрунту

F: 1 – qa, Вт/м2, 2 – qм, Вт/м2, 3 – qz, Вт/м2, 4 – Tc, °C, 5 – Т0, °C

Рис. 13. Змінення параметрів при вилученні теплоти з породи терикону

Крім того, постійний контроль температури теплоносія, який циркулює на кожній окремій ділянці, може бути діагностикою аварійних ситуацій, пов’язаних з викидами шкідливих гарячих газів із-за екзотермічних реакцій в тілі терикону.

Техніко-економічний розрахунок показав, що з типового терикону з ефективним діаметром 200 м, висотою 50 м та кутом відсипки 35? теплова потужність складає 567 кВт. Капітальні видатки на придбання труб, двох теплових насосів потужністю 300 кВт кожний та монтаж складають 785 тис. грн. (в цінах на 01.09.2007). Експлуатаційні видатки, за умови вартості електроенергії 24 коп./(кВт?год.), дорівнюють 250 тис. грн./рік. Вартість виробленої теплоти при 250 грн./Гкал є 526 тис. грн.. Строк окупності проекту при цьому склав 2,8 року.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Розроблена і створена малогабаритна лабораторна установка (розміри дослідного модуля: діаметр 400 мм, висота 1250 мм) для експериментального дослідження акумулювання теплоти в необмеженому (R > ?) ґрунтовому масиві.

2. Створено апаратно-програмний комплекс на основі швидкодіючої багатоканальної комп’ютерної плати аналого-цифрового перетворювача SDI-AD12-64HL для одночасного вимірювання сигналів від уніфікованих термоперетворювачів типу ТХК(L). Пристрій дозволив синхронно провести регістрацію температур в 36 точках дослідного модулю з часовим інтервалом 5 – 20 с протягом тривалості всього експерименту. При цьому, для вимірювання різниці температур теплоносія між входом до модулю та виходом з нього застосовувалась диференційна гіпертермопара.

3. Для автоматизації вимірювань, спрощення наступної обробки та аналізу отриманих експериментальних даних написане спеціальне програмне забезпечення на мові програмування С, яке передбачає роботу на персональному комп’ютері під управлінням операційних систем MS-DOS, Windows 98, 2000, ХР.

4. Вперше отримані і проаналізовані експериментальні дані:

а) для початкового періоду часу акумулювання;

б) при переході до вільного дрейфу теплоти.

5. Проведені дослідження дозволяють зробити висновки:

а) при режимі з монотонним нагрівом теплоносія температура грунта на фіксованих відстанях від зовнішньої поверхні стінки теплообмінника підвищується майже лінійно, незважаючи на великі значення її градієнту у радіальному напрямку;

б) у експериментах з попереднім нагрівом теплоносія та підтримкою його температури незмінною відбувається стрімке збільшення значень температури на відповідних відстанях від стінки теплообмінної труби протягом перших 50 с від початку дослідів з подальшим плавним підвищенням;

в) при раптовому переході до режиму природного дрейфу теплоти, який відбувається за умов випорожнення теплообмінної труби за 3,9 с (розрахункове та дослідне значення) і стрімкого переходу до q0 = 0, на лініях постійної відстані від стінки теплообмінника виникають явища зміни напрямку розповсюдження теплоти.

6. Експериментально підтверджена коректність теплофізичної моделі, яка основана на:

а) введенні кінцевого радіусу розповсюдження теплоти R(t),

б) однопараметричного сімейства профілів температур,

в) рівнянні, яке визначає темп змінення Т0,

г) рівняннях збереження енергії для різних областей акумулювання.

7. Результати всіх експериментальних досліджень задовільно (середньостатистична похибка значень температури для всіх експериментів складає 8%) узгоджуються з розрахунковими даними згідно до представлених математичних моделей акумулювання теплоти в необмежених ґрунтових масивах.

8. Розроблено проект теплопостачання та кондиціонування адміністративного приміщення площею 22 м2 на території ІТТФ НАН України за допомогою теплонасосної установки, яка вилучає теплоту ґрунту. Теплова потужність склала 3 кВт. Ґрунтовий колектор містить п’ять петель довжиною 20 м, діаметром поліетиленових труб 32х2 мм та відстанню між кожною з труб 0,8 м. Глибина закладення колектора дорівнює 1,5 м. Для підвищення термічного потенціалу використовується тепловий насос IVT Mechmaster з номінальною тепловою потужністю 4,8 кВт. Система опалення розроблена за схемою “тепла підлога”.

9. У зв’язку з урбанізацією України та приймаючи до уваги малий строк окупності (2,8 року) технічне рішення по вилученню відновлювальної теплоти териконів (відвалів), яке запропоноване у роботі, є перспективним. Показано, що з типового терикону висотою 50 м можна видобувати до 570 кВт корисної теплової потужності протягом опалювального сезону. Термічний потенціал такої теплоти дозволяє використовувати її в комунальній енергетиці для теплопостачання житлового фонду. Використання такого нетрадиційного джерела може покращити екологічну обстановку в вуглевидобувних регіонах країни, підвищити контроль за тепловим станом відвалів, які не експлуатуються та знизити частоту виникнення аварійно-небезпечних техногенних ситуацій, пов’язаних із шкідливими викидами на териконах.

СПИСОК ОСНОВНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Недбайло А.Н. Экспериментальная установка по исследованию грунтового аккумулирования теплоты // Пром. теплотехника. – 2004. – Т. 26, № 6 – С. 182 – 185.

Детально описані конструкція та принцип роботи експериментальної установки та контрольно-вимірювального комплексу для проведення досліджень з ґрунтового акумулювання теплоти.

2. Недбайло А.Н., Коломейко Д.А., Беляева Т.Г., Декуша Л.В. Автоматизированное измерение температуры при помощи аппаратно-программного комплекса // Пром. теплотехника. – 2007. – Т. 29, № 4 – С. 114 – 119.

Запропоноване технічне рішення для більш точного та швидкого вимірювання температур за допомогою розробленого пристрою.

3. Накорчевский А.И., Недбайло А.Н., Басок Б.И. Экспериментальная проверка достоверности математических моделей грунтового аккумулирования теплоты // Пром. теплотехника. – 2006. – Т. 28, № 2 – С. 51 – 61.

Наведені співставлення та аналіз експериментальних даних з розрахунковими значеннями за математичною моделлю. Підтверджено її коректність.

4. Накорчевский А.И., Недбайло А.Н. Исследование внезапного прекращения аккумулирования теплоты в грунтовом массиве // Пром. теплотехника. – 2007. – Т. 29, № 2 – С. 74 – 80.

Вперше репрезентовані та проаналізовані дослідні дані та показана їх відповідність до розрахункової моделі теплових процесів.

5. Накорчевский А.И., Недбайло А.Н., Беляева Т.Г. Извлечение возобновляемой теплоты терриконов // Пром. теплотехника. – 2007. – Т. 29, № 7 – С. 22 – 26.

Запропоновані технічні рішення щодо вилучення відновлювальної теплоти з ґрунту та вугільних териконів. Доведена енергоефективність такого способу на типовому прикладі.

6. Басок Б.И., Накорчевский А.И., Беляева Т.Г., Недбайло А.Н., Чалаев Д.М., Голуб И.С. Экспериментальный модуль гелиогеотермальной установки для теплоснабжения // Пром. теплотехника. – 2006. – Т. 28, № 1 – С. 69 – 78.

Розроблена електрична та вимірювальна частина проекту експериментального модуля геліогеотермальної установки для теплопостачання. Показані його основні техніко-економічні показники.

АНОТАЦІЯ

НЕДБАЙЛО О.М. Фізичне моделювання ґрунтового акумулювання теплоти трубними системами.

Рукопис. Дисертаційна робота на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 “Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика” / Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України. – Київ, 2007.

Мета роботи полягає у встановленні адекватності розрахункової методики для теплових параметрів ґрунтових акумуляторів великої потужності. Для досягнення поставленої мети потрібно вирішити наступні завдання:

- розробити та виготовити лабораторну установку для дослідження ґрунтового акумулювання теплоти у необмеженому (R > ?) ґрунтовому масиві;

- реалізувати у складі установки контрольно-вимірювальний комплекс для точної фіксації швидкотривалих начальних та перехідних теплових процесів, відповідно, при акумулюванні та вільному дрейфі теплоти;

- провести декілька серій експериментальних досліджень та здійснити подальше співставлення результатів з теоретичними розрахунками.

Результати всіх експериментальних досліджень якісно та кількісно співпадають з розрахунковими даними. Математичні моделі коректні та дозволяють вірогідно описувати теплові процеси, які відбуваються при ґрунтовому акумулюванні та вилученні теплоти.

Розроблені та впроваджені методики розрахунку теплових параметрів ґрунтових акумуляторів та вилучення відновлювальної теплоти ґрунту, териконів або відвалів вугільних шахт та горно-збагачувальних підприємств. Ці методики було покладено в основу проекту спорудження експериментальної теплонасосної установки з термальним ґрунтовим акумулятором для опалення і кондиціонування адміністративного приміщення площею 22 м2 на території ІТТФ НАН України по вул. Булаховського, 2, м. Києва. Результати роботи, у вигляді запропонованих технічних рішень та методик розрахунку вилучення теплоти з породи териконів, практично використані ВАТ Центральною збагачувальною фабрикою “Киселівська” (м. Торез) та ВАТ “Ясинівський коксохімічний завод” (м. Макіївка) з метою енергоощадження.

Ключові слова: ґрунтове акумулювання теплоти, трубні системи, вилучення відновлювальної теплоти ґрунту, апаратно-програмний комплекс.

АННОТАЦИЯ

НЕДБАЙЛО А.Н. Физическое моделирование грунтового аккумулирования теплоты трубными системами.

Рукопись. Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 “Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика” / Институт технической теплофизики Национальной академии наук Украины. – Киев, 2007.

Цель работы состоит в установлении адекватности расчетной методики для тепловых параметров грунтовых аккумуляторов большой мощности. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

- разработать и изготовить лабораторную установку для исследования грунтового аккумулирования теплоты в неограниченном (R > ?) грунтовом массиве;

- реализовать в составе установки контрольно-измерительный комплекс для точной фиксации быстропротекающих начальных и переходных тепловых процессов, соответственно, при аккумулировании и свободном дрейфе теплоты;

- провести несколько серий экспериментальных исследований и осуществить последующее сопоставление полученных результатов с теоретическими расчетами.

Создан аппаратно-программный комплекс на основе быстродействующей многоканальной компьютерной платы аналого-цифрового преобразователя SDI-AD12-64HL для одновременного измерения низковольтных сигналов от унифицированных термопреобразователей типа ТХК(L). Устройство позволило с погрешностью около 1% синхронно (расхождение времени опроса 10-4 с) проводить измерения температур в 36 точках исследуемого модуля с временным интервалом 5 – 20 с в течении всей длительности эксперимента. При этом, для измерения разности температур теплоносителя между входом в исследуемый модуль и выходом из него, использовалась дифференциальная гипертермопара специально разработанной конструкции, что позволило избежать влияния электромагнитных помех на сигнал и повысить точность измерений.

Для автоматизации измерений, упрощения последующей обработки и анализа полученных экспериментальных данных написано специальное программное обеспечение на языке программирования Borland С, предусматривающее работу на персональном компьютере под управлением операционных систем MS-DOS, Windows 95, 98, 2000, XP.

Были исследованы следующие режимы грунтового аккумулирования:

а) с монотонным повышением температуры теплоносителя в процессе аккумулирования;

б) с предварительным нагревом теплоносителя до температуры 45…50?С и последующим поддержанием ее неизменной;

в) с внезапным прекращением подачи нагретого теплоносителя и переходом в режим естественного “дрейфа” теплоты.

Впервые получены и проанализированы опытные данные:

а) для начального периода времени аккумулирования;

б) при переходе к свободному “дрейфу” теплоты.

Результаты всех экспериментальных исследований качественно и количественно согласуются с расчетными данными согласно представленным математическим моделям аккумулирования теплоты в неограниченных грунтовых массивах. Расчетная модель корректна и позволяет достоверно описывать тепловые процессы, происходящие при грунтовом аккумулировании.

Разработаны и внедрены методики расчета тепловых параметров грунтовых аккумуляторов и извлечения возобновляемой теплоты из грунта, неиспользуемых терриконов или отвалов угольных шахт и горно-обогатительных предприятий. Эти методики были положены в основу проекта по сооружению экспериментальной теплонасосной установки с термальным грунтовым аккумулятором для отопления и кондиционирования административного помещения площадью 22 м2 на территории Института технической теплофизики Национальной академии наук Украины (ИТТФ НАН Украины) по ул. Булаховского, 2, г. Киева. Результаты работы, в виде предлагаемых технических решений по извлечению теплоты из породы терриконов, практически использованы ОАО Центральной обогатительной фабрикой “Киселевская” (г. Торез) и ОАО “Ясиновский коксохимический завод” (г. Макеевка) с целью энергосбережения. Представлен экономический расчет, который показал, что срок окупаемости такого проекта не превысит трех лет.

Ключевые слова: грунтовое аккумулирование теплоты, трубные системы, извлечение возобновляемой теплоты грунта, аппаратно-программный комплекс.

ANNOTATION

A. NEDBAILO Physical Simulation of the Borehole Heat Storage by Pipe Systems.

Manuscript. Thesis for a Degree of “Candidate of the Technical Science”. Speciality 05.14.06 “Technical Thermal Physics and Industrial Heat-and-Power Engineering.” The Institute of Technical Thermal Physic of National Academy of Science of Ukraine. – Kyiv, 2007.

The purpose of is to determine adequacy of the computations method for borehole heat storage of great heat power. The next problems were solved for purpose put by:

Laboratory

- scale plant for investigation heat borehole storage of the heat in discontinues subsoil volume were developed and produced;

- measuring device for accurate fixing high-speed transition heat process installed in the laboratory-scale plant;

- the number of the experimental researches were conducted and results of the researches were compared.

The results of the experimental researches have qualitative and qualitative agreement with computations date according mathematical models of the borehole storage of the heat in discontinues subsoil volume. Calculation model is correct and allows to describe heat storage process adequately.

The calculation method of the heat storage parameters and extraction renewable heat from soil, waste banks, dumps of the colliery and ore mining and processing enterprises. This methods were founded in project of the construction experimental pump device with heat storage for heating and conditioning of the administrative building of the 22 square meters at the territory of the Institute of Technical Thermal Physic, Bulahovskogo str., 22, Kyiv. The results of work in the form of technical decision of the heat extraction from waste banks , were practically used by the State Open Joint-Stock Company Central Concentrating Mill “Kiselevskaja” (Torets city) and Open Joint-Stock Company “Jasinovky chemical-recovery plant” (Makejevka city) for energy-saving.

Key words: borehole heat storage, pipe systems, extraction of the renewable heat from soil, firmware complex.