Геозонд по принципу термосифона (тепловой трубки)

РЕКЛАМА НА ФОРУМХАУС

Объясните мне, никак не пойму. Как вы считаете сколько тепла может дать один термосифон ?
Мне почему-то кажется что много тепла с одной тепловой трубки не снимешь. Площадь теплообмена с магистралью небольшая, да ещё с таким соединением, аля проволокой прикрутить. Само кипение слабое, да какое там кипение, так, лёгкое испарение. Или кто- то уже провёл эксперимент?

 

Теплопроводность меди очень высока. Теплопроводность ПТО фреон-фреон до 8000, против 3000-5000 вт вода-фреон.
Вы правы, эксперименты я проводил. Скручивал вход и выход испарителя между собой, даже 2-3витка провода сечением 2.5мм2, расположенные на расстоянии 10см друг от друга ...практически выравниваю разницу вход-выход. Лед-иней тает на глазах.
Грубо для трубы с внутренним диаметром 10мм (1/2):
0.01м*3.14*8000*1м=250вт на градус, если длина совместного участка 1м.
Возможности теплопередачи термосифона ограничены диаметром газового участка, для 410 газа и 200вт нужно уже трубу 5/8. Это 0.014*3.14*8000=350вт на метр. Т. е. потери на снятие тепла менее градуса.

Возможно, для больших радиусов понадобится корректировать количество намотанной меди, но диаметры более 3/4 из меди неинтересны .

 

При всем моем уважении к @Gaunt, все же соглашусь с @SergCh.

На мой взгляд сама тепловая трубка много тепла не даст. Или ее надо делать оооочень не маленькую, что отразиться на кол-ве расходного материала.
Можно конечно провести эксперимент. Взять например медную трубку с одно стороны заглушенную напрочь с другой припаять клапан шредера, затем трубку отвакумировать и заправмить в нее до половины внутреннего объема легкокипящию жидкость (какой нибудь фреон) Затем по обоим концам вертикально сориентированной трубки создадим условия двух сред с температурной дельтой ну скажем 15 С и посмотрим какое кол-во тепла перенесет эта трубка. Затем пересчитаем кол-во перенесенного тепло в габариты (площадь-поверхность) устройства. Думаю будет не много.

 

Вовсе необязательно иметь всего одну трубку, можно разделить газовую и жидкостную фазы - элементарно подавая газовую фазу сверху наклонного теплообменника. Снизу будет жидкостная фаза, её гоним отдельной трубкой вниз зонда.
Тогда можно поднять скорость газовой фазы, уже ориентируясь на потери, выраженные в градусах.
Есть лишь одна проблема - нужно "завести" циркуляцию в таком термосифоне.
Отсюда: статического давления в конденсаторе должно хватать, чтобы продавить жидкий фреон по жидкостной трубе. Дальше процесс можно ускорить, применив теплоизолятор жидкостной трубы от грунта. Благо верхние метры (у поверхности) и так холодные.

С расчетом термосифона для наших целей сложно, ибо испаритель большой и под статическим давлением. Конденсатор небольшой. В этой теме есть пдф-ки на СО2. Я бы не сказал, что термосифон на мелких трубах утопия. Меня больше беспокоит возможная проблема утечки через много лет. Перспектива "раскопки" на "чисто долить" пугает .

 

Спасибо. Мысль понятна.

Жаль, что не привели эту простую формулу.
Попробую посчитать сам:
λгр к-т теплопроводности грунта = 2
перепад 1 градус между зондом и "поверхностью цилиндра искомого радиуса"
поток тепла через один погонный метр зонда 30 Вт (Торцы опустим из расчета.)

P (Вт)=(t1-t2)/Rгр - тепловая мощность потока
отсюда Rгр=1/30=0,033 правильно?
Если применить формулу Rгр=ln (4h/d)/2πλгр,
d - диаметр трубы =0,032М
h - искомый радиус
Прямое вычисление дало результат h=0,012111214, - совсем не 2,5 метра.

При λгр=2 эта формула не работает, т. к. при значениях d порядка сантиметров Rгр имеет значения порядка 0,4-0,5. И близко не 0,033
А вот при λгр=30 (у стали λ=52) получилось h=2,5м

Вам не трудно привести формулу, при помощи которой получен диаметр 5м?

 

"возможная проблема утечки через много лет" -вот я и говорю, что к-во зондов не должно быть слишком большим и их конденсаторы должны быть доступны.

Уже высказывал тут ранее мысли, - отклика не нашли, повторюсь.
Чтобы термосифон работал эффективно нужно смачивать всю его поверхность. Но:
- Смачиваемая ли поверхность зонда жидкой фазой рабочего тела?
- Капли жидкости пролетают вниз, в лучшем случае реагируя с сектором 10 градусов зонда, не задерживаясь на поверхности
- Между каплей и поверхностью образуется зона пара, отталкивающая каплю, - теплообмен уменьшается.
- В результате работать на теплоотдачу эффективно должна только нижняя часть зонда. Но и тут проблемы с площадью испарителя (сечение трубы маленькое, что там за гейзер будет внизу смоделировать. не берусь)

Я думаю стоит внедрять меры по смачиванию всей поверхности ТС жидкой фазой.
- К примеру нарезать резьбу шагом несколько см, с несимметричной бороздой, чтобы жидкость в ней задерживалась и двигалась по спирали. (как это сделать на длине 30+ метров?)
- или внутрь поместить прижатый к стенкам материал (сетку, геоткань и т. д.)
- частично вопрос можно пробовать решить формируя сам зонд в виде спирали диаметром 30см и шагом 20 см, - тогда жидкость не так быстро окажется на дне.
Это все накладывает требования к минимальному диаметру (в 10 мм трубку длиной 30 метров фитиль не затянешь. Возможно медные стенки частично нивелируют проблематику вертикального зонда

Еще можно, как в ролике о зондах на СО2 в Арктике, жидкую фазу насосом поднимать со дна и распылять по стенкам...

 

В расчете вы используете высоту ...30вт - это с метра зонда. Высоты в расчете нет.
Приток тепла происходит извне. Торцы мы не рассматриваем, ибо там или следующий метр, или забирающая тепло поверхность или отдающее тепло дно ...что условно взаимно компенсируется.

Т. е. на каком-то расстоянии от нашего зонда будет находится виртуальная черта равновесия, наверное это будет боковая поверхность цилиндра высотой 1м?
Получается, что нужно найти площадь этой поверхности.
Если λгр к-т теплопроводности грунта = 2,
Если площадь боковой поверхности цилиндра Пи*Д*высоту, для высоты 1м останется просто 3.14*Д
Итого 30/2/3.14=4.77м. Это диаметр виртуального цилиндра на перепад в 1 градус. Радиус будет 2.4м
Конечно, для реальной просадки температуры кипения от грунта этот расчет не годится, но для оценки реальной модели дает представление.
Радиус цилиндра 2.4м и радиус меди 10мм, ПНД32мм ...это слон и моська. С точки зрения потерь лишь 1 градус - размеры труб теплосъемника очень малы. Нужна труба 2.4м ...
Т. е. потери возможной температуры кипения будут более градуса.
Сравнить две трубы медь10мм и ПНД32мм очень просто. Медь это диам10мм+11мм изоляции в виде грунта (λгр к-т теплопроводности грунта = 2), ПНД это 28мм диаметр +2мм теплоизоляция в виде пластмассы (0.04). У меня получилось 10вт и 20вт на градус соответственно.
После 32мм, учтенных в расчете, будет действовать правило равновесия прихода-расхода тепла.
Т. е. если ПНД32 просядет пусть на 5 градусов, то медь 10мм пусть на 6 градусов.
В случае ДХ и термосифона следует учесть статическое давление, это добавит потерь.
В случае ПНД - потери на ПТО.
Переливная схема при этом просядет на 5 градусов ...

 

Всё верно описано. Добавим ещё одну вводную
- температура грунта от глубины в зимний период.
Для простоты это 0 у поверхности, +1 метром ниже, +2и т. д. +8 на глубине 8м.
Кипение ниже 0 не рассматриваем, обо вода переходит в лед, с выделением кучи тепла. Т. е. совершенно другие условия.

Какую дельту мы может получить в таком грунте ? Максимум 8 градусов. И эта дельта будет доступна только с глубины 8м ...
Что затратно. Средняя дельта 4-5 градусов более реальна, если забуриться на 10м.

Смысла в полном заполнении что ДХ, что термосифона нет. Поскольку у поверхности нет градиента температур. Так что верхние 3-4м смело оставляем пустыми - чисто газовый участок.
Глубже-полностью залитый испаритель, ничем не отличающийся от ДХ, кроме отсутствия проблем с маслом. И кипеть он будет также, за минусом потерь в конденсаторе.

Второе, более важное преимущество термосифона перед ДХ - это возможность использования аммиака и СО2, которые дают гораздо более меньшее статическое давление. Но мы ограничены глубиной бурения. Это спорное достоинство.

В термосифоне, против ДХ, придется использовать очень малую скорость газа, иначе жидкость не попадет в испаритель. Но и чисто газовый участок всего 3-4м. Испаритель вовсе не обязательно делать тем же диаметром.
Скажем термосифон для снятия 250вт 32 газом может выглядеть так:
1м оголовок, он же конденсатор, труба 5/8
3м чисто газовый участок, труба 5/8
1м -верхняя часть испарителя, труба 5/8
5м - испаритель, труба 3/8.

По существу, любой термосифон это испаритель и конденсатор, и труба между ними. Именно этот участок и будет проблемным в плане диаметра .

 

то не высота, то искомый радиус

Вы пытались использовать формулу
W= λгр*F*t*(t1-t2)/L
где:
К-т теплопроводности λгр
Площадь поверхности (M2) F
температура наружной поверхности t1
температура внуртенней поверхности t2
толщина слоя (м) L
время нагрева (сек) t
Да?

Но она не подходит для цилиндра, а подходит для прямоугольного паралелепипеда, к примеру. Потому как L совсем не равен диаметру. Нам же нужно чтобы поток 30Вт не просто пересек внешнюю поверхность, но и достиг зонда. Так вот, если разбить цилиндр на слои толщиной, к примеру 10см, то мы убедимся что сопротивление внутренних слоев грунта значительно превышает сопротивление внешних по отношению к зонду по причине большой разницы в площади их поверхности.

Тепловые расчеты имеют полную аналогию с расчетами электрическими:
напряжение = разница температур
Напряжение падает на сопротивлении при прохождении тока. Представьте себе тепловое сопротивление цилиндра как цепь последовательных сопротивлений различного номинала, включенных последовательно, по которым идет ток.

Правильная аналогия - коаксиальный кабель с центральной жилой, цилиндрическим внешним проводником и изолятором (грунт) между ними. Там площадью внешней поверхности цилиндра не обойтись.

В общем, нужно считать сопротивление цилиндра. Формулу Rгр=ln (4h/d)/2πλгр приводил выше.
И дальше W (Вт)=(t1-t2)/Rгр

 

- Явление переноса тепла из глубинных слоев в поверхностные, которое выравнивает температуры грунта по всей длине зонда игнорируем как побочный эффект?
- И пусть мы выморозим нижнюю треть зонда, снимать мощность с верхних 2/3 нам ни к чему?

- заправляем зонд на 1/3 жидким рабочим телом? Даже если в случае организации смачивания поверхностей достаточно было бы столбика жидкости порядка 1м? Особенно воодушевляет такое заполнение аммиаком

СО2 меньшее статическое давление? Там порядка 33 атмосфер при 10 градусах.
По сравнению с каким распространенным рабочим телом?

 

Я и не пытался посчитать. Мой расчет всего лишь показывает, что диаметры используемых труб много меньше диаметра равновесного состояния системы.
Просадка в данном случае неважна, оно и так понятно, что одним градусом не обойтись.
Важно сравнение. Здесь использую https://yadi.sk/i/FjB0khdPgNYB2
Как - выше приводил пример.

Статическое давление столба жидкости. Столб 22 фреона высотой 10м требует повышение температуры кипения на 8.5 градусов, ибо верхние слои давят на нижние. Поэтому глубокий ДХ делать бессмысленно ...в отличии от гликолевого зонда ...
Ровно те же проблемы даст залитый термосифон. Конкретные цифры можно подглядеть в этой теме.
https://www.forumhouse.ru/attachments/1260071/
https://www.forumhouse.ru/attachments/1260675/

СО2 интересен как раз из-за дикого давления, что позволяет удерживать минимальную скорость в меньшем диаметре.
Аммиак - просто непобедимой теплотой парообразования. Если бы дружил с медью - просто лучший кандидат.
32 газ - хороший вариант для неглубоких зондов, благо не требует больших диаметров.
пропан - наиболее эффективный в ДХ системе.
32 газ и пропан можно использовать в ДХ системе. Пропан - можно обойтись минералкой. Но оба эти газа горючие. Для прямой конденсации в стены не вариант, именно по этой причине я вернулся к идее термосифона.
По большому счету меня интересует вариант, который хотя бы в теории будет эффективней переливной схемы. Или хорошо дополняет её. Т. е. "магистраль" можно использовать в качестве теплообменника для долива тепла из скважины. Термосифоны позволят значительно уменьшить объем необходимой воды, объем земляных работ. Также появится возможность и смысл использовать инверторный ДС компрессор, который в классическом ДХ упрется в скорость газа для нормального возврата масла.

В общем, мне интересны не конкретные цифры (влажная глина может иметь теплопроводность от 1 до 6, сухая скорее теплоизолятор), мне интересно в сравнении.
Если термосифон сделать из двух труб, жидкостной и газовой, то получим тот же ДХ, только с потерями в конденсаторе. Жидкая фаза в конденсаторе стекает под силой тяжести в направлении жидкостной трубы, и делов .

 

Если Вы раскроете скрытые 14-15 строки, то поймете что использована формула, которую я приводил выше.
Почти. В Вашем варианте почему-то ln (D/d) вместо ln (4D/d).
)
Но я никак не пойму из каких соображений Вы применили неприменимую в нашем случае формулу W= λгр*F*t*(t1-t2)/L, полученный результат назвали "диаметра равновесного состояния системы" и какой физический смысл это несет. Интуитивно догадываюсь, что имеется ввиду радиус, на котором изменения температуры по причине теплосьема зонда малы и эту температуру можно считать опорной. На основе вычислений с применением формул Rгр=ln (4h/d)/2πλгр и P (Вт)=(t1-t2)/Rгр я тоже пришел к выводу что при λгр порядка "2" и диаметре зонда 0,032м,
- 90% падения температуры происходит в радиусе 1метр от зонда и
- 50% падает на расстоянии 0,25м от зонда.
Это данные, которые имеют физический смысл.
А формула W= λгр*F*t*(t1-t2)/L к цилиндрическому зонду не применима, поэтому из нее никаких выводов не следует.

Еще что хочу сказать. Вы говорите о дельтах как о потерях. Неизбежных и досадных. Но значимую погонную мощность можно получить только когда есть значимые потоки тепла. А потоки тепла прямо пропорциональны разности температур между рабочим телом и "опорной температурой грунта". Для зонда диаметром 0,032м, λгр=2 на разнице температур в:
- 1 градус Вы получите 2,28 Вт
- 5 градусов Вы получите 11,38 Вт
- 10 градусов Вы получите 22,76 Вт
- 15 градусов Вы получите 34,14 Вт

Прочувствовали?
λгр - данность в конкретном месте на заданной глубине, ее не изменить.
Можно увеличить эффективный диаметр зонда. К примеру, если он будет 0,11м, то
на 15 градусах перепада Вы получите 45 Вт. Эффективный диаметр зонда можно увеличить способами:
- U-зонды
-2xU-зонды
- навивка зонда спиралью
и заливка всего этого в скважине бетонитом, - веществом с меньшим чем у грунта значением λ

Можно забуриваться до водоносных слоев, ловя бОльшую λгр.

Согласен. Поэтому ищу способ равномерного смачивания жидкой фазой теплоносителя стенок ТС.
Тогда необходимо будет залить только порядка 1м высоты зонда.

СО2 из за больших рабочих давлений вижу нерентабельным по материалоемкости
Аммиак - не охота потравить все живое в соседних деревнях в случае аварии...

Согласен

Поделитесь источником анализа проблематики сдувания вверх капель жидкого теплоносителя, пожалуйста.

Тема добровольного использования 1/3 длины зонда не раскрыта
По прежнему размышляете о возвратной трубке... Не боитесь, что в ней жидкость закипит? Никакого переохлаждения в ТС, ведь нет.

 

Вы считаете конкретную трубу. Под конкретный зонд.
Собственно из вышесказанного тот же вывод - просадка неизбежна, и это не один градус.
я же в расчете сравниваю две трубы, и меня интересует конкретная разница между двумя трубами. Т. е. грунт один и тот же. Трубы разные. Способы добычи тепла разные. ПНД подразумевает гликоль и потери в ПТО. Медь- ДХ и статические потери.
За разнесение труб в пространстве - оно понятно. Только "замыть иглу" на 20-40мм можно вручную и в виде физзарядки, 150мм - это уже другие деньги и обезображенный участок.
Под 5/16 и 3/8 метров на 7 вообще молчу - ребенок справится. Это только тепловые трубки=термосифоны ...
Ещё вопрос, что будет эффективней и дешевле: намыть под коаксиалы через метр, или пробурить через два метра диаметром 150.
Сейчас доступна ПНД труба 40мм со стенкой 2мм. Она против 3/8 меди выигрывает уже почти 2 градуса - именно такими данными предлагаю манипулировать.

Что до водоносных слоев ...Если вода глубоко, то это счастье. Строим систему ТН+избыточный солнечный колектор. Дешевле чисто ТН без вариантов. Земляные работы уменьшаются в два раза, ДХ или гликоль на выбор.

Если вода близко, то вариантов несколько: ДХ, ПНД коаксиал 32-40мм, переливная схема, термосифон ...
1 Переливная схема сейчас работает на ура. Дебет с 4м больше 2.5куба. Вода (по последним данным 6.8 град). Но в конце февраля уровень упал до 8м с дебетом 1.3 куба. Еле хватило, чтобы не замерзнуть.
2 ПНД коаксиал 32мм - зонд собирается из стандартных ПП запчастей. Внутренняя труба 16ПП, внешняя 32ПНД, или 20ПП и 40ПНД. Для меня интересна ПНД32 и зонды длиной 10-12м, до второго водоноса. Дальше смысла мало.
3 Дх - не залитый полностью, как принято, а имеющий сухую зону 3-4м от поверхности. Капилярка вглубь зонда (паука и ресивера с мочалкой нет), и инвертором тонкая настройка. Глубина 8-9м для 22 фреона. 12-15м для 410. Пропан и 32 отпадают по причине прямой конденсации в стены.
Часть зонда вертикально, часть горизонтально ...чтобы использовать эффект термосифона при простое системы.
4 Термосифоны + магистраль, тогда видится использование инверторных ДС наружных блоков. Предполагается, что воздушная часть работает в межсезонье. Благо никаких переделок не потребуется.

Есть ещё гибрид 1 и 3 варианта - с доливом воды=тепла из скважины. Что впрочем, применимо в любом варианте.

Примерно так выглядят вменяемые инсталяции ТН в ограниченном пространстве. Гибридной многоэтажкой можно назвать вариант 2,3,4 ...
Кустовое бурение под углом в расчет не беру, дорого .

 

Пусть попробует. Достаточно заизолировать вспененным полиэтиленом какую-то верхнюю часть трубы, чтобы создать избыточное давление. Переохлаждение на величину потерь в конденсаторе неизбежно.
Как неизбежно понижение температуры вокруг конденсатора ..когда термосифон неработает.
Т. е. в голове термосифона кипеть нечему.
В верхних метрах грунт холодный +изоляция = 3-5м статического давления жидкости.
По большому счету, если средняя дельта зонд-окружающий грунт будет меньше температуры потерь от статического давления жидкости - то можно обойтись и без утеплителя. Причем это условие легко достижимо с нашими глубинами промерзания.
Это мне представляется выполнимым. Разбрызгивать капельки жидкости внутри термосифона напротив, невыполнимым кустарным способом.
Да и бурить по тысяче за метр не собираюсь, даже 300 не отдам - пока сам "замыв иглы" не испытаю .

 

2.5м/с сдувает капельки масла. Это необходимый минимум в горизонте.
0.25м/с получается, если подставлять значения теплосъема СО2 от диаметра трубы.
Видимо, максимальная скорость будет зависеть от вязкости=силы поверхностного натяжения. Для каждого хладоагента своё .