 |
Источники низкопотенциальной теплоты
|
|
|
|
На промышленных предприятиях источниками низкопотен-
циальной теплоты (НТП) могут быть различные технологические потоки неагрессивных жидких и газообразных сред, температура которых не достаточна для использования их в технологических процессах, а также для нагрева теплоносителя отопительных и вентиляционных систем.
В системах теплоснабжения жилищно-коммунальных предприя-
тий и индивидуальных домах источниками низкопотенциальной теплоты могут быть:
- атмосферный воздух;
- поверхностные водоемы и грунтовые воды;
- грунт ниже глубины промерзания.
Как уже отмечалось, в климатических условиях Санкт-Петербурга использовать воздух как источник НПТ затруднительно из-за низких температур в зимний период. Однако при наличии системы общеобменной вентиляции возможна утилизация тепловых выбросов путем установки пластинчатых рекуперативных теплообменников. На рис.8.17 представлена схема ТНУ с использованием атмосферного воздуха в качестве источника НПТ по схеме «воздух-вода».
Рис.8.17. Схема ТНУ, работающего по схеме «воздух-вода»
Для подачи воды от ТНУ к обогреваемым помещениям в них устанавливаются теплообменники, именуемые в литературе «фэнкойлами».
В качестве источника низкопотенциальной теплоты может быть использована вода близлежащего водоема (озера, реки, моря) или грунтовые воды. Температура воды в незамерзающих водоемах не опускается ниже 4 °С, а артезианская вода имеет почти постоянную температуру 10–12 °С. Учитывая, что при отборе тепла воду нельзя охлаждать ниже 0 °С, перепад температуры на теплообменнике составляет несколько градусов. При этом для увеличения отбора необходимого количества тепла требуется увеличивать расход воды.
|
|
|
Для ТНУ небольшой мощности не рекомендуется качать грунтовую воду с глубины более 15 м. В противном случае потребуется большие затраты на насосы и их эксплуатацию.
Рис. 8.18. Тепловой насос, использующий тепло грунтовых вод
Контур отбора тепла из водоема может быть открытым или закрытым. В первом случае вода из водоема перекачивается через охладитель, охлаждается и возвращается в водоем (рис. 8.18). Такая система требует фильтрации подаваемой в охладитель воды и периодической чистки теплообменника. Как правило, устанавливает-
ся промежуточный разборный теплообменник. Забор и возврат воды должны осуществляться в направлении потока грунтовых вод, чтобы исключить «байпасирование» воды. Заборная магистраль должны быть с обратным клапаном 4, располагаемым в точке забора или после глубинного насоса 5. Подвод и отвод грунтовых вод к тепловому насосу должен быть защищен от замораживания и прокладывается с наклоном в сторону скважины.
Расстояние между заборной 2 и возвратной 1 скважинами должно быть не менее 5 м. Точка выхода воды в возвратной скважине должна быть ниже уровня грунтовых вод. Принято считать, что одного метра скважины достаточно для получения на выходе из ТНУ 50 Вт тепловой энергии, то есть 100-метровая скважина способна произвести 50 кВт тепловой энергии.
При использовании открытых водоемов из труб создается закрытый контур и укладывается на дно водоема. Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода закрытого контура составляет порядка 30 Вт. То есть для получения 10 кВт тепла контур должен иметь длину 300 м. Для того чтобы контур не всплывал, на 1 погонный метр необходимо устанавливать груз около 5 кг.
ТНУ с грунтовыми теплообменниками
При использовании в качестве источника тепла участка земли трубопровод зарывается в землю на глубину промерзания грунта. Аккумулированное грунтом тепло трансформируется с помощью горизонтально проложенных грунтовых теплообменников (которые также называют грунтовыми коллекторами) или с помощью вертикально расположенных теплообменников (грунтовые зонды).
|
|
|
Рис.8.19. Тепловой насос с грунтовым коллектором
Как правило, грунтовые теплообменники изготавливаются из полиэтиленовых или металлопластиковых труб диаметром 25 – 40 мм.
При горизонтальном исполнении (рис.8.19) трубопровод, в котором циркулирует жидкость, зарывается в землю на глубину ниже уровня промерзания почвы (1,2 – 1,5 м). Минимальное расстояние между трубами 0,7 – 1,0 м. В зависимости от диаметра трубы на каждый квадратный метр площади забора тепла может быть проложено 1,4 – 2,0 м трубы. Длина каждой ветви горизонтального коллектора не должна превышать 100 м, иначе потери давления в трубе и требуемая мощность насоса будут слишком велики.
Количество трансформируемого тепла, а, следовательно, и размер необходимой поверхности для расположения грунтового коллектора существенно зависит от теплофизических свойств грунта и климатических условий местности. Теплофизические свойства, такие как теплоемкость и теплопроводность, очень сильно зависят от состава и состояния грунта. В этом отношении определяющим является доля воды, содержание минеральных составляющий (кварц, полевой шпат), а также доля и размер пор, заполненных воздухом. Аккумулирующие свойства и теплопроводность грунта тем выше, чем больше доля воды, минеральных составляющих и чем ниже содержание пор.
Среднее значение удельной тепловой мощности грунта приведено в табл. 8.1.
Таблица 8.1
Среднее значение удельной тепловой мощности грунта
| Тип грунта | Удельная мощность грунтового коллектора (qк), Вт/м2 | Удельная мощность грунтового зонда (qз), Вт/м |
| Песчаный сухой | 10 – 15 | |
| Песчаный влажный | 15 – 20 | |
| Глинистый сухой | 20 – 25 | |
| Глинистый влажный | 25 – 30 | |
| Водоносный слой | 30 – 35 | 80 - 100 |
Требуемая площадь для расположения коллектора рассчитывается по следующим формулам:
, м2; (8.19)
, Вт, (8.20)
где 
теплопроизводительность ТНУ, Вт;
потребляемая электрическая мощность ТНУ, Вт;
удельная мощность грунтового коллектора, Вт/м2.
|
|
|
Так, если холодопроизводительность ТНУ составит 10 кВт, то в песчаном влажном грунте (
= 20 Вт/м2) для размещения коллекто-
ра потребуется площадь:
м2.
Чтобы трансформировать тепло с такой площади необходимо проложить в грунте полиэтиленовые трубы диаметром 25 × 2,3 мм и длиной 500 х 1,4 = 700 м (1,4 – удельный расход трубы на квадратный метр площади). Трубы необходимо прокладывать отдельными контурами по 100 м каждый, т. е. 7 контуров.
При вертикальном исполнении грунтового зонда бурится скважина глубиной 60–200 м, в которую опускается несколько U-образных трубопроводов (рис. 8.20).
а б
Рис.8.20. Тепловой насос с грунтовым зондом:
а – общая схема; б – схема грунтового зонда; 1 – обратная магистраль; 2 – подающая магистраль; 3 – петлевой зонд; 4 – защитный колпачок
В глинистом влажном грунте при холодопроизводительности теплового насоса 10 кВт длина зонда (глубина скважины) должна быть:
, м.
Целесообразно сделать 2 петли с глубиной залегания 50 м диаметром Dу = 32 × 3 мм. Общая длина труб составит 200 м. Скважина с трубами заливается бетонитом, хорошо проводящим тепло. Количество теплоносителя определяется внутренним объемом труб коллектора (зонда) и подводящих труб. Диаметр подводящих труб берут на размер больше, чем труба коллектора. В нашем примере при трубе зонда Dу = 32 × 3 мм и подводящей трубе Dу = 40 × 2,3 мм длиной 10 м внутренний объем с учетом подающей линии составит 2 × 100 × 0,531 +10 × 0,984 = 116,04 л. Расход теплоносителя теплового насоса находят по паспорту на тепловой насос. Примем 1600 л/ч. Тогда расход на одну петлю составит 800 л/ч.
Срок службы грунтового коллектора зависит от кислотности почвы: при нормальной кислотности (pH =5,0) – 50 – 75 лет, при повышенной (pH >5,0) – 25 – 30 лет.
|
|
|
