Грунтовый воздушный теплообменник, реализуемый под Выборгом-2

РЕКЛАМА НА ФОРУМХАУС

А что 0,06 Вт/м2?
Это плотность теплового потока идущего с глубины земли.
В нашем случае он конечно подогревает слегка грунт снизу, но так как это всего 1/2000 от тепла сверху, которое накапливается грунтом за лето, можно не принимать эти 0,06 Вт во внимание.

Грунт в нейтральной 20 метровой зоне накапливает тепло от Солнца, летних осадков и т. п. теплопритоков и имеет среднюю температуру, равную примерно среднегодовой температуре воздуха на поверхности. К началу зимы температура выше, к концу зимы падает.
Чем глубже, тем менее заметны суточные и сезонные колебания и средняя температура пород растет с градиентом 1 градус на 30-40 метров.
Пока мы туда не влезем со своими трубами.

Вот от этой начальной температуры грунта, теплоемкости грунта и теплопроводности грунта, включая конвективную тепломассообменную составляющую грунтового водообмена, посредством которых будет компенсироваться отнимаемое тепло трубами грунтового коллектора и надо плясать при первоначальных расчётах.

А 0,06 Вт/м2 конечно чуток подогревают зимой весь массив грунта снизу, но это крохи для нашей траншеи, так как учитывая плохую теплопроводность грунта, пусть и собираемые на огромной пощади остальным массивом эти 0,06 Вт к нашей траншее доходят в том же количестве 0,06 Вт на м2 площади траншеи.

Создав достаточный перепад между внешней поверхностью трубы и грунтом, мы можем начать отнимать от грунта в первое время довольно большую мощность, обеспеченную первоначальными теплонакоплениями в ближайшем к трубе грунтовом массиве.
Погонный метр цилиндра грунта радиусом 1 м вокруг трубы содержит 3,14 м3 грунта, при средней теплоемкости 1 кДж/(кгК) и плотности скажем 1,5 г/см3 при охлаждении на 5 градусов можно получить 6,5 кВтчас
Это всего с одного погонного метра.
Но вот за какое время реально можно охладить весь этот цилиндр на 5 градусов?
Да ещё желательно равномерно по всему объему, а не только в середине, у трубы.
А ведь задача стоит у нас другая, а именно отнимать тепло, но не снижая при этом сильно температуру грунта.
При таком условии отнятое нами тепло должно компенсироваться притоком от окружающего массива.
И только в экстренных пиковых моментах можно снимать больше, давая затем грунту передышку и возможность компенсировать пиковый отбор.
Только при таких раскладах грунтовый коллектор будет устойчиво давать тепло весь отопительный период, только незначительно снижая свою температуру к концу зимы.
Иначе эффективность всей системы при постоянно растущем тепловом напоре и замерзающем грунте будет просто никакая.

Через м2 грунта толщиной 1 метр проходит тепловой поток 1-2 Вт при температурном напоре 1 К
Это называется, как все знают, теплопроводностью грунта.
Наш условный цилиндр радиусом 1 метр имеет площадь внешней поверхности 6,28 м2 и при теплопроводности грунта 1 Вт/(мК) и напоре 5 К позволит через себя пропускать тепловой поток около
30 Вт, так как это уже не куб, а цилиндрическая стенка, где внешняя поверхность больше внутренней и работающая поэтому по принципу концентратора.
Вот вам и примерная цифра, которую можно снимать от погонного метра грунта с теплопроводностью 1 Вт/(мК), при напоре около 5 К, не снижая при этом всё ниже и ниже температуру самого грунта.
Опять же примерная +/- 50% так как с ростом диаметра цилиндра растет погрешность при упрощенном вычислении теплового потока через температурный напор, так как расположение изотерм носит не линейный характер, а логарифмический.
Но порядок цифр на метровом цилиндре и 5К примерно такой.
Так как приток тепла идёт в основном от массивов расположенных сбоку и снизу в горизонтальных коллекторах, то цифра эта может быть ниже.
Или выше, если теплопроводность не 1 Вт/(мК), а скажем 2, в скальных породах например, или грунтовая вода близко и скорость фильтрации хорошая, что имеет место быть в вертикальных коллекторах.

 

Понятно, 0,06Вт/кв.м. это - от ядра земли, а от неглубоких слоев земли, нагретых за лето солнечной энергией (непосредственно, или опосредованно) - 20-30Вт/пог. метр.
Спасибо!

 

Если не нужен воздухообмен 200 м3/час, зачем укладывать 100 метров трубы?
Уложите 25 метров.
Получите 0,5 кВт мощности грунтового теплообменника, хватит подогреть 50 м3 воздуха на 30 К в 30 градусные морозы или 100 м3 воздухообмена в 15 градусные.

 

Ну да.
Можно снимать и 1000 Вт с погонного метра траншеи, если сделать теплообменник с разнесенной по объёму грунта теплообменной поверхностью, но тогда тепло, запасенное с лета в грунте, а это всего навсего чуть более 1 квтчас на каждый градус охлаждения 3 м3 породы, будет убывать со скоростью теплосъема.

Для прикола рассмотрим гипотетическую ситуацию, при которой мы задались задачей по максимуму откачать из грунта накопленное там тепло.
Скажем закопали объёмно-решетчатый, пусть даже металлический, теплообменник с развитой поверхностью поглубже под землю, чтобы приток был со всех сторон.
Далее идут расчёты исходя из продолжительного равномерного теплосъёма мощностью 1 кВт с одного погонного метра траншеи, в которой похоронен теплообменник.
Не будем заострять специально внимание на теплоносителе внутри теплообменника, как там автоматически поддерживается необходимая дельта температуры с грунтом, чтобы обеспечить 1 кВт съема с погонного метра, рассматривать целесообразность такой холодильной машины вообще, изучаем только процессы, происходящие в грунте при его охлаждении.

При начальной температуре грунта +7, через час температура нашего цилиндра с радиусом 1 м и теплообменником внутри будет уже +6 градусов.
Так как теплоемкость двухметрового в диаметре и метр в длину цилиндра с 3 м3 грунта внутри равна около 1 кВтчас на градус.
Через сутки уже -17 С, если грунтовых вод вокруг нет.
Восполняться же тепло будет в соответствии с теплопроводностью окружающих грунтов.
При возникшей после начала охлаждения дельте 1К с окружающими грунтами, то есть через час работы, начнёт поступать 6 Вт, а отняли уже 1000 Втчас.
Когда грунт вокруг труб теплообменника замерзнет до -17 С, восполняться будет при дельте 24 К относительно дальнего окружения уже целых 150 Вт
А отнимается равномерно все те же 1000 Вт.
При отъеме за сутки 24 квтчас восполнится только 2 квтчас и грунт будет выморожен до -17 при первоначальных +7.
Нет, вернее до -15, с учетом 2 кВтчас теплопритоков.
Можно конечно посчитать тепло от замерзающей воды, если она в грунте присутствует.
При наличии в этом объеме грунта 200-300 литров воды и при замерзании они дадут как раз эти 20-30 Квтчас и температура грунтового теплообменника все первые сутки будет стоять у нулевой отметки, создавая видимость хорошей работы.
Отсрочка на сутки.
Но за вторые сутки, когда вода уже замёрзнет, температура непосредственно у теплообменника снова начнёт падать, и уже к концу этих суток до -24 С, по вышеописанному выше сценарию.
И не особо спасет лучшая в 2 раза теплопроводность льда, чем грунта.
Ну, будет поступать теплопритоков не 2 квтчас, а 4 квтчас в сутки. При отъеме все тех же 24 Квтчас.
С учётом 4 кВтчас теплопритоков будет не -24 С, а -20 С.
Ещё три-четыре дня и температура подойдет к -100.
Отниматься будет все тот же киловатт ежечасно, а восполняться при такой внушительной
дельте 100 К только 0,6 кВт.
и только при -170 К дельты теплопритоки достигнут 1 кВт и сравняются с отбором.
Температура грунта у теплообменника вроде как должна перестать падать, но окружающие грунты тоже ведь остывают, а дельту 170 градусов для пополнения 1 кВт необходимо поддерживать и дальше.
За неделю-полторы мы отобрали всего 170-200 кВтчас от каждого метра грунтовой траншеи, в том числе немного и от окружающих грунтов, загнав при этом теплообменник к -160 С.
Вот такая хорошая теплоизоляционная способность грунта, с теплопроводностью 1 Вт/(мК), при которой не так просто высосать тепло из отдаленных областей, не соприкасающихся непосредственно с теплообменником.
Даже несмотря на относительно нормальную теплоёмкость, позволяющую в кубе грунта запасать всего в три раза меньше тепла, чем в кубе воды, считающейся одним из лучших накопителей.

Ну и нафига нам нужна такая вышеописанная криогенная установка, если каждый куб воды при замораживании дает целых 92 кВтчас и всего при нуле градусов?

 

Вот именно.
Нужно воду замораживать.

 

Мы не против , а как?

 

Это я подробно рассказываю в своей теме вот здесь
https://www.forumhouse.ru/threads/134251/

 

Прошу прощения, не обижайтесь.
Я попросил удалить ту свою фразу...
Моя реплика предназначалась скорее

Но также попалась на глаза и

Вот я и обосновал...

 

После наладки оборудования - жидкостный ГК+рекуператор получили за два дня эксплуатации:
Т теплоносителя из грунта 12 гр
Т теплоносителя в грунт после теплообменника 11.5 гр.
Т уличного воздуха -1, + 1 (менялась в течении дня)
Т воздуха после теплообменника 8.5 гр. (перед входом в рекуператор)
Т воздуха после рекуператора 18-19 гр.
Т воздуха из комнаты в рекуператор 21-22 гр
Т воздуха из рекуператора на улицу 9-10 гр.
Скорость рассола в ГК пока не знаю, с заводскими настройками еще не разобрался. На днях поставлю расходомер на трубу ГК.
ГК: 200 метров. Траншея 1.2 мх 50м, заложены две петли по 100 м на расстоянии 1 м по высоте.
Появилось новое видение:
на выход утилизируемого воздуха поставить еще один ТО и в нем в большие минусы догревать рассол перед отправкой в грунт. Так он не заморозится, поскольку из рекуператора на улицу будет выходить плюсовая температура. А может и не понадобиться это делать. Надо прожить весь отопительный сезон, или хотя бы зиму.

 

Воздухообмен установлен 200 м. куб. в час.

 

Получается, подогреваю воздух на 8,5 градусов, теплоноситель остывает на 0,5 градуса. Не получается. Что бы нагреть 200 куб воздуха на 8,5 град, надо потратить чуть меньше 1 кВт. ч. в 170 м трубы 32мм содержится 136л незамерзайки. При остывании на 0,5 градуса она способна выделить не более 150вт тепла. Т. е. что бы передать воздуху 1 кВт. ч, она должна сделать 6,5 цикла в час. Или каждые 8 минут-один круг. А какой расход цирк. насоса по паспорту?

 

Sim1 Можно поподробнее о конструкции входного фильтра в ГТ. На фотографиях виден зонтик, сетка (металлическая ?) Как снимается для замены фильтрующий материал, как держится внутри этого зонтика? Какие фильтры лучше применять на входе ГТ?

 

Ничего сложного...
В трубу укладывается фильтр из плотного синтепона (классом 3-4), весной во время цветения деревьев можно два слоя, концы фильтра сверху прижимаются зонтиком. Фильтр проверяю дважды в год. Три зонта изготовил за один вечер из подручных материалов.
В сам зонтик вмонтирована металлическая сетка 3 на 3 мм.
https://www.forumhouse.ru/useralbums/33118/view-image
Если нужно могу сделать детальные фото, т. к. это простой, но очень важный элемент ГТ.

 

Интересно увидеть Ваш конструктив на фото

 

Колпак с "зимним" фильтром и без оного.