Оптимальная конструкция грунтовых теплообменников
Дано решение оптимизационной задачи о конструкции грунтового теплообменника, обеспечивающей максимальную теплообменную поверхность системы “теплообменник – грунт” при одинаковых диаметре буровой скважины и расходе материалов на изготовление теплообменника. Пропонується розв’язок оптимізаційної задач...
Saved in:
| Published in: | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Date: | 2005 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2005
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61493 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Оптимальная конструкция грунтовых теплообменников / А.И. Накорчевский, Б.И. Басок // Промышленная теплотехника. — 2005. — Т. 27, № 6. — С. 27-31. — Бібліогр.: 1 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859517100521947136 |
|---|---|
| author | Накорчевский, А.И. Басок, Б.И. |
| author_facet | Накорчевский, А.И. Басок, Б.И. |
| citation_txt | Оптимальная конструкция грунтовых теплообменников / А.И. Накорчевский, Б.И. Басок // Промышленная теплотехника. — 2005. — Т. 27, № 6. — С. 27-31. — Бібліогр.: 1 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | Дано решение оптимизационной задачи о конструкции грунтового теплообменника, обеспечивающей максимальную теплообменную поверхность системы “теплообменник – грунт” при одинаковых диаметре буровой скважины и расходе материалов на изготовление теплообменника.
Пропонується розв’язок оптимізаційної задачі щодо конструкції грунтового теплообмінника, яка має найбільшу теплообмінну поверхню системи “теплообмінник – грунт” при однакових діаметрі бурової свердловини і витратах на виготовлення теплообмінника.
It is given decision optimum problems about designs of ground heat exchangers, providing maximum heat exchangers surface of the system “heat exchangers – ground” under alike diameter of the bore hole and consuption material on fabrication heat exchangers.
|
| first_indexed | 2025-11-25T20:47:23Z |
| format | Article |
| fulltext |
В нетрадиционной энергетике для извлечения
теплоты недр Земли или сезонного грунтового акку;
мулирования энергии от возобновляемых источни;
ков (например, солнечной радиации) используются
различные трубные теплообменные устройства, по
которым прокачивается промежуточный жидкий
теплоноситель [1]. Наиболее распространены коак;
сиальные, U;образные, двойные U;образные тепло;
обменники, опускаемые в буровые скважины глуби;
ной 50...100 м и больше (см. рис. 1). Расходы на
сооружение таких теплообменников связаны со сто;
имостью буровых работ, определяемых диаметром и
глубиной скважины, а также стоимостью собствен;
но теплообменника. Для обеспечения максималь;
ного термодинамического потенциала извлекаемой
или аккумулируемой энергии необходимо стремить;
ся к возможно большей теплообменной поверхнос;
ти системы “теплообменник – грунт” в буровом
пространстве, определяемом радиусом скважины
R0. Этому требованию отвечают коаксиальные теп;
лообменники, использующие это пространство
полностью. Недостаточное заполнение у двойного
U;образного теплообменника, еще хуже этот пока;
затель у однопетлевой U;образной конструкции да;
же при предельно плотном расположении трубных
систем в скважине (см. рис.1). Такое “плотное” ре;
шение вполне оправдано, поскольку переход от нис;
ходящей ветви теплообменника к восходящей (и на;
оборот) можно организовывать посредством
поворотов или вставок меньшего диаметра. Некото;
рое увеличение скорости движения теплоносителя в
переходах мало отразится на гидравлическом сопро;
тивлении системы поскольку, исходя из экономиче;
ских и теплофизических соображений, скорость
движения теплоносителя в грунтовом теплообмен;
нике задается небольшой (порядка 0,1...0,3 м/с).
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 6 27
ТЕПЛО� И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Пропонується розв’язок оптимізацій+
ної задачі щодо конструкції грунтового
теплообмінника, яка має найбільшу теп+
лообмінну поверхню системи “тепло+
обмінник – грунт” при однакових
діаметрі бурової свердловини і витратах
на виготовлення теплообмінника.
Дано решение оптимизационной зада+
чи о конструкции грунтового теплообмен+
ника, обеспечивающей максимальную
теплообменную поверхность системы
“теплообменник – грунт” при одинако+
вых диаметре буровой скважины и рас+
ходе материалов на изготовление теп+
лообменника.
It is given decision optimum problems
about designs of ground heat exchangers,
providing maximum heat exchangers sur+
face of the system “heat exchangers –
ground” under alike diameter of the bore
hole and consuption material on fabrica+
tion heat exchangers.
УДК 536.24+662.997
НАКОРЧЕВСКИЙ А.И., БАСОК Б.И.
Институт технической теплофизики НАН Украины
ОПТИМАЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ГРУНТОВЫХ
ТЕПЛООБМЕННИКОВ
d – диаметр трубы;
f – площадь сечения собственно трубы;
q – плотность теплового потока;
M – показатель материальных затрат на 1 погонный
метр теплообменника;
n – число труб в “многотрубной” схеме;
p – гидростатическое давление в теплообменнике;
R0 – радиус буровой скважины;
R0n – радиус буровой скважины для n–трубной
схемы;
α – угол;
δ – толщина стенки трубы;
П – теплообменный периметр;
σ – допустимое напряжение материала стенки
трубы;
μ – безразмерный коэффициент.
Индексы:
ка – коаксиальный;
вн – внутренний;
нар – наружный;
э – эффективный;
n – при числе труб (n = 2, 4, 6,… ).
28 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 6
ТЕПЛО+ И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Сопоставим решения, для конструкций пред;
ставленных на рис.1. Грунтовые теплообменники
обычно изготавливают из неметаллических, чаще
всего полиэтиленовых труб. Анализ рыночной сто;
имости таких труб показал, что отношение цены од;
ного погонного метра труб к площади сечения соб;
ственно трубы f = πdδ есть величина постоянная для
всего диапазона диаметров d и толщин стенок δ труб
данного сертификата. Следовательно, цена труб оп;
ределяется прежде всего стоимостью материала, из
которого они изготовлены. Толщина стенки трубы
зависит от гидростатического давления p и для ци;
линдрических тел справедливо соотношение
(1)
Используя (1), нетрудно получить показатели
материальных затрат М на один погонный метр
теплообменников всех трех типов:
(2)
Внутренняя труба коаксиального теплообменни;
ка с толщиной стенки δвн практически не напряже;
на. Поэтому из конструктивных соображений ниже
принято δвн/δка = 0,5. При составлении выражений
(2) и в последующих выкладках принималось, что
отношение толщины стенки трубы к радиусу сква;
жины пренебрежимо мало. Это позволило получить
более простые и в то же время достаточно точные
соотношения. Теплообменные периметры, опреде;
ляемые трубной конфигурацией и ее размерами,
для решений, показанных на рис. 1, будут:
. (3)
На внешних межтрубных участках теплообмен;
ный периметр соответствует касательной линии к
смежной паре труб. Полость между касательной и
поверхностями пары труб заполняется составом с
малым тепловым сопротивлением. Эффектив;
ность решения определяется отношением тепло;
обменного периметра к затратам на его создание:
(4)
Оказалось, что коаксиальный теплообменник
имеет наихудший показатель по сравнению с ос;
тальными решениями, и из представленных на
рис.1 схем наиболее приемлемой будет схема од;
нопетлевого U;образного теплообменника. В то
же время очевидно недостаточное использование
в такой схеме бурового пространства, и это об;
стоятельство инициирует последующий анализ.
Еще раз отметим, что технологические показате;
ли теплопередачи системы “теплообменник –
грунт” при извлечении теплоты или при ее накопле;
нии зависят от плотности теплового потока q на теп;
лообменной поверхности системы и повышаются
при уменьшении q. В этой связи теплообменный пе;
риметр системы должен быть максимально прибли;
жен к окружности скважины 2πR0. Это возможно,
0
0
0
2
0
2
2 0 2
2
4 0 4
2 1 0,707 5,4 ,
2 2 ,
4 0,828 2,74 .
M R R
M R R
M R R
⎛ ⎞δ= π + δ = π μ⎜ ⎟δ⎝ ⎠
= π δ = π μ
= π⋅ δ = π μ
вн
ка ка
ка
.
2
p
d
δ= = μ
σ
Рис. 1. Сечения теплообменников: а – коаксиального, б – U�образного, в – двойного U�образного.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 6 29
ТЕПЛО+ И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
если однопетлевую U;образную конструкцию (рис.
1,б) заменить многотрубной, показанной на рис. 2.
Тогда эквивалентность материальных затрат “одно;
петлевого” и “многотрубного” решений будет, если
. (5)
Условие эквивалентности (5) с использовани;
ем (1) при μ = idem трансформируется в форму
(6)
Таким образом, соблюдается и равенство живых
сечений потока теплоносителя во всех разновид;
ностях теплообменников такого типа. При одина;
ковых расходах теплоносителя, вытекающее из (6)
уменьшение числа Рейнольдса потока в “много;
трубной” схеме мало влияет на сопротивление
теплопередачи, так как последнее определяется
главным образом термическим сопротивлением
грунта, значение которого велико. Простые вы;
числения позволяют получить следующие форму;
лы для величин, показанных на рис. 2:
(7)
Здесь R02 – радиус скважины R0 при n = 2, то
есть R0 исходной схемы U;образного теплооб;
менника. Теплообменный периметр будет:
(8)
Если к условиям эквивалентности стоимости
труб присоединить эквивалентность затрат на
буровые работы (R0n = R02), то последняя зави;
симость (7) трансформируется в уравнение, оп;
ределяющее “эквивалентное” значение нату;
рального числа nэ:
(9)
Согласно (9) nэ = 12. Причем разница между
значением вещественного корня уравнения в (9) и
натуральным nэ пренебрежимо мала. Легко пока;
зать, что при n > 12 радиус R0n > R02, и условие ра;
венства затрат на буровые работы не выполняется.
Изменение основных характеристик при n = 2,
4,…,12 представлено в таблице, из которой следу;
ет явная предпочтительность “двенадцатитруб;
ного” решения. Помимо того, что отношение
теплообменных периметров
то есть на 20% больше, “двенадцатитрубный” теп;
лообменник имеет еще следующие преимущества
по сравнению с прототипом – однопетлевым U;
образным. Его наибольшая толщина межтрубного
теплопроводящего заполнителя и толщина стенки
труб в раза меньше. Последний показа;
тель особенно важен. Дело в том, что теплопро;
водность полиэтилена (λ = 0,27 Вт/(м·К)) даже
меньше теплопроводности типичных грунтов –
песка, глины, суглинка, известняка, и толщина
стенки δn при обычных значениях плотностей
теплового потока q = 50…100 Вт/м2 существенно
6 2,45=
12
2
1, 202,Π =
Π
( ) 02
2 .n n R
n
Π = ⋅ π +
02
02
02
02
0
2, ,
1 1 ,
sin2
,
2 sin
11 .
sin2
n n
kn
n
n
n
n
n
d R
n n
RR
n
RR
n
RR
n
πα = =
⎛ ⎞
= −⎜ ⎟α⎝ ⎠
=
⋅ α
⎛ ⎞
= +⎜ ⎟α⎝ ⎠
2 22 .nnd d=
2 22n nnd dδ = δ
Рис. 2. Сечение "многотрубного" теплообменника.
30 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 6
ТЕПЛО+ И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
влияет на общий коэффициент теплопередачи.
Учитывая одинаковые расходы теплоносителей,
одинаковые затраты на буровые работы и на изго;
товление теплообменников обоих типов, отме;
ченные выше преимущества позволяют считать
12;трубное схемное решение оптимальным.
Схема “двенадцатитрубного” теплообменника
представлена на рис. 3. Он снабжается нижней 5 и
верхней 2 распределительными камерами. Верх;
няя камера 2 должна иметь разделительную пере;
городку 8, обеспечивающую нисходящее движе;
ние теплоносителя по шести трубам 4 (вход в
теплообменник) и восходящее его перемещение
по остальным шести трубам 4 (выход из теплооб;
менника). Перегородка 8 делит камеру 2 на две
подкамеры – 2а и 2б. Как уже отмечалось, необя;
зателен просвет между стенками труб, так как
вход труб в камеры можно осуществить с помо;
щью переходных вставок меньшего диаметра 3. В
таком случае наружный диаметр камер не превы;
сит габаритов трубного пучка. Подвод и отвод
теплоносителя к теплообменнику осуществляет;
ся по трубам 1 и 7. Достоинство решения по 12;
трубной схеме и в том, что центральная сквозная по;
лость достаточно большого сечения (Rk12 = 0,585R02)
позволяет теплообменнику выполнять функции
обсадной трубы и это исключает проблему стой;
кости стенок и упрощает выбор способа проходки
скважины особенно при глубоком бурении. Во
избежание деформации теплообменника при бу;
рении он снабжен кольцевой опорой 6.
В заключение определим материалоемкость
схемного решения, когда восходящая и нисходя;
щая ветви “двенадцатитрубного” теплообменни;
ка перестроятся в полые круговые полукольца,
т.е. ветви не будут иметь внутренних перегородок
Рис.3. Схема "двенадцатитрубного" теплообменника.
из “полутруб”. Согласно (1) толщины стенок на;
ружного δнар и внутреннего δвн полуколец долж;
ны быть
,
и, учитывая (5) и что R0 ≈ d2, материалоемкость
превысит исходное значение в
Последние подсчеты еще раз подтверждают
оптимальность конструкции на основе двенадца;
титрубной схемы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Системы тепловых насосов. Инструкция по
проектированию. Vissmann – 2000. – 47с.
Получено 27.08.2005 г.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 6 31
ТЕПЛО+ И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Описано принцип роботи обладнан+
ня для зміцнення пари спирту шляхом
перегонки з використанням водопогли+
нальної солі без утворення флегми та
принцип регенерації солі. Пропонова+
ний спосіб дає змогу одержувати без+
водний спирт для використання у ви+
робництві біопального та у порівнянні з
традиційною перегонкою майже вдвічі
зменшити витрату енергії на процес.
Описан принцип работы устройства
для укрепления паров спирта путем пе+
регонки с использованием водопогла+
щающей соли без образования флегмы
и принцип регенерации соли. Предлага+
емый способ дает возможность полу+
чить безводный спирт для использова+
ния в производстве биогорючего и по
сравнению с традиционной перегонкой
почти вдвое снизить расход энергии на
процесс.
The operation principle of equipment
for alcohol dehydration using non+reflux
saline distillation is described. The new
method for saline regeneration is devel+
oped. The developed innovative non+reflux
saline dehydration method of crude alco+
hol gives possibility to obtain absolute
alcohol for biofuel production and reduce
energy consumption in dehydration
process almost on half.
УДК 663.5:541.48:66.048
БРЕМЕРС Г.1, ШКЕЛЕ А.1, БИРЗИЕТИС Г.1, ГУЛБИС В.1, ДАНИЛЕВИЧ А.2
1 Институт силовых машин Латвийского сельскохозяйственного университета
2 Институт Микробиологии и биотехнологии Латвийского Университета
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ УСТРОЙСТВА И РАБОТЫ
ПИЛОТНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ БЕЗФЛЕГМОВОЙ
СОЛЕВОЙ ПЕРЕГОНКИ СПИРТА
Все исследователи солевой перегонки спирта
указывают на преимущества этого вида перегон;
ки. Такая перегонка дает возможность получить
продукт концентрацией выше азеотропной
вплоть до абсолютного спирта, и сэкономив
энергию перегонки [1–6]. Однако этот метод
имеет и недостатки, главная из них –регенерация
отработанной соли. Предлагают отработанный
раствор соли упаривать, соль кристаллизовать и
сушить. При Этом регенерированная соль воз;
вращается в колонну перегонки в виде раствора
во флегме. Таким методом пользовались и авторы
настоящей статьи. Получение спирта высокой
концентрации в результате перегонки с добавле;
нием хлорида кальция, связано с трудностями ре;
генерации соли. Главные из них проявлялись по;
сле кристаллизации, когда нужно было отнять от
соли кристаллизационную воду путем сушки.
Для этого нужна высокая температура. Моногид;
рат хлорида кальция при такой температуре суш;
ки расплавляется, образуя комки и слои частиц,
прочно сцепленных с поверхностью аппаратуры.
Это затрудняет подвод теплоты, перемешивание
и транспортировку соли.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61493 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-25T20:47:23Z |
| publishDate | 2005 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Накорчевский, А.И. Басок, Б.И. 2014-05-06T15:20:04Z 2014-05-06T15:20:04Z 2005 Оптимальная конструкция грунтовых теплообменников / А.И. Накорчевский, Б.И. Басок // Промышленная теплотехника. — 2005. — Т. 27, № 6. — С. 27-31. — Бібліогр.: 1 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61493 536.24+662.997 Дано решение оптимизационной задачи о конструкции грунтового теплообменника, обеспечивающей максимальную теплообменную поверхность системы “теплообменник – грунт” при одинаковых диаметре буровой скважины и расходе материалов на изготовление теплообменника. Пропонується розв’язок оптимізаційної задачі щодо конструкції грунтового теплообмінника, яка має найбільшу теплообмінну поверхню системи “теплообмінник – грунт” при однакових діаметрі бурової свердловини і витратах на виготовлення теплообмінника. It is given decision optimum problems about designs of ground heat exchangers, providing maximum heat exchangers surface of the system “heat exchangers – ground” under alike diameter of the bore hole and consuption material on fabrication heat exchangers. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Тепло- и массообменные аппараты Оптимальная конструкция грунтовых теплообменников The optimum design of ground heat exchangers Article published earlier |
| spellingShingle | Оптимальная конструкция грунтовых теплообменников Накорчевский, А.И. Басок, Б.И. Тепло- и массообменные аппараты |
| title | Оптимальная конструкция грунтовых теплообменников |
| title_alt | The optimum design of ground heat exchangers |
| title_full | Оптимальная конструкция грунтовых теплообменников |
| title_fullStr | Оптимальная конструкция грунтовых теплообменников |
| title_full_unstemmed | Оптимальная конструкция грунтовых теплообменников |
| title_short | Оптимальная конструкция грунтовых теплообменников |
| title_sort | оптимальная конструкция грунтовых теплообменников |
| topic | Тепло- и массообменные аппараты |
| topic_facet | Тепло- и массообменные аппараты |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61493 |
| work_keys_str_mv | AT nakorčevskiiai optimalʹnaâkonstrukciâgruntovyhteploobmennikov AT basokbi optimalʹnaâkonstrukciâgruntovyhteploobmennikov AT nakorčevskiiai theoptimumdesignofgroundheatexchangers AT basokbi theoptimumdesignofgroundheatexchangers |