Грунтовий теплообмінник

Винахід відноситься до трубчатих теплообмінників, розміщених у бурови х свердловинах, які використовуються для вилучення теплоти грунту або для акумулювання в грунті теплоти від нетрадиційних джерел енергії в теплий період року з наступним її використанням для комунальних потреб у холодний період року. Для вилучення теплоти надр Землі або сезонного ґрунтового акумулювання енергії від альтернативних джерел (наприклад, сонячної радіації) використовуються різноманітні теплообмінні пристрої, по яким прокачується проміжний теплоносій. Відомі грунтові горизонтальні трубчаті теплообмінники [Васильєв Т.П., Шилкин Н.В „ Использование низкопотенциальной энергии земли в теплонасосных системах" журнал „АВОК", 2003г., №2, стр.52-60], в яких відбір тепла з грунту здійснюється за допомогою прокладеної на глибині 1,2-1,5м системи труб. Однак, розміщення горизонтальних тр убчати х теплообмінників потребує великих земельних площ, що в густонаселених районах є надто проблематичним. Крім того, в холодний період року, верхній шар грунту глибиною до 5-6м охолоджується, що знижує кількість акумульованої теплоти і її температуру. Останній часом набули перевагу вертикальні грунтові коаксіальні теплообмінники (труба в тр убі), які містять внутрішню тр убу для подачі (повернення) розсолу і зовнішню трубу для його повернення (подачі). Відомі також вертикальні теплообмінники, до складу яких входять U-образні труби, які розміщують на глибину 50-150м. У більшості випадків паралельно встановлюють чотири труби. При цьому можливі різні технічні виконання і технології монтажу. Як правило, труби виготовляють з поліетилену. Найбільш близьким аналогом до пристрою, що заявляється, вибраним за прототип, є подвійний Uобразний теплообмінник [Системы тепловых насосов. Инструкция по проектированию, VIESS MANN, Германия, 2002г.]. Основним недоліком цього теплообмінника з технологічної точки зору є недостатнє використання бурового простору для утворення теплообмінної поверхні системи „теплообмінник-грунт". Крім того, є необхідність в торкретуванні стінок свердловини при опусканні в неї U-образного теплообмінника. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення конструкції ґрунтового теплообмінника шляхом встановлення в одній свердловині оптимальної кількості труб з метою досягнення максимальної теплообмінної поверхні системи „теплообмінник-грунт" при однакових матеріальних затратах на виготовлення теплообмінників. Поставлене на задача вирішується тим, що трубчатий теплообмінник, до складу якого входять труби, які вертикально встановлені в свердловині, відповідно до винаходу, містять дванадцять труб щільно притиснутих одна до одної і до стінки бурової свердловини, верхню і нижню розподільні камери, виконані у формі кільця, верхня камера має дві перегородки, що ділять її об'єм на підкамери входу і виходу теплоносія, кожна підкамера об'єднує шість тр уб теплообмінника, при цьому підкамера входу теплоносія з'єднана з трубою подачі теплоносія в теплообмінник, а підкамера виходу теплоносія - з трубою відведення теплоносія, вхід труб в камери забезпечується короткими трубними вставками, діаметр яких менший за діаметр труб теплообмінника. Крім того, нижня камера оснащена захисним пристроєм у вигляді кільцевого ножа, що має трикутний переріз. Діаметр обох камер не перевищує габаритів трубного пучка, а порожнина між стінками свердловини і трубним пучком заповнюється речовиною з малим коефіцієнтом теплового опору. Завдяки раціональному використанню бурового простору і розміщенню в його порожнині дванадцятитрубного теплообмінника, труби якого щільно притиснуті одна до одної і одночасно до стінки свердловини, забезпечується збільшення теплообмінного периметру системи „теплообмінник-грунт" на 20% при однакових діаметрах свердловини і матеріальних витратах на виготовлення теплообмінників. Завдяки тому, що наскрізна порожнина дванадцятитрубної теплообмінної системи має достатньо великий переріз, вона може виконувати функцію обсадної труби, що усуває проблему стійкості стінок бурової свердловини і дозволяє здійснювати транспортування грунту при бурінні. У порівнянні з прототипом, враховуючи однакові витрати теплоносіїв, однакові витрати на бурові роботи (однакові діаметри бурової свердловини) і однакові матеріальні витрати на виготовлення теплообмінника (однакові площі перерізу стінок труб теплообмінника) можна вважати дванадцятитрубне схемне вирішення оптимальним. Суть запропонованого винаходу пояснюється кресленням. Ґрунтовий теплообмінник містить верхню 2, і нижню 5 камери, які з'єднані дванадцятьма трубами 4. Верхня і нижня камери виконані у формі кільця, зовнішній діаметр якого дорівнює діаметру свердловини, а внутрішній - менше діаметра свердловини на два зовнішніх діаметра труби. Вер хня камера 2 має дві перегородки 8, що поділяє її об'єм на підкамеру 2а входу теплоносія, яка об'єднує шість тр уб 4 теплообмінника і на підкамеру 26 виходу теплоносія з теплообмінника по іншим шести тр убам. Підкамера 2а входу теплоносія з'єднана з трубою 1 подачі теплоносія в теплообмінник, а підкамера 26 виходу - з трубою 7 відведення теплоносія. Дванадцять труб 4 однакового діаметра рівномірно розподілені по периметру камер 2 і 5, притиснуті одна до одної і утворюють трубний пучок, описаний діаметр якого дорівнює діаметру свердловини. З'єднання труб 4 з камерами 2 і 5 здійснюється за допомогою коротких трубних вставок 3 меншого діаметра порівняно з діаметром труб 4. Порожнини 9 між стінками свердловини і трубним пучком заповнюються теплопровідною сумішшю, наприклад сумішшю гр унту з металевими відходами типу стр ужки, залізної руди, тощо. Нижня камера 5 спирається на захисний кільцевий пристрій 6, габарити якого не перевищують габаритів камери 5. Захисний кільцевий пристрій 6 в перерізі має форму прямокутного трикутника, на один катет якого спирається нижня камера 5, а другий є дотичним до стінки свердловини. При проведенні бурових робіт трубний пучок діє як обсадна труба, а захисний кільцевий пристрій 6 виконує функції ножа. Розроблена ґрунтова порода подається на поверхню землі через внутрішню порожнину трубного пучка. Ґрунтовий теплообмінник працює таким чином. Теплоносій подається по трубі 1 у підкамеру 2а входу теплоносія камери 2 і розподіляється між шістьома трубами 4 трубного пучка. Після їх проходження теплоносій потрапляє в нижню камеру 5 і по іншим шести трубам 4 рухається в зворотному напрямку до підкамери 26 виходу теплоносія камери 2, звідки виводиться по трубі 7 відведення теплоносія. Взаємодія теплоносія з грунтом відбувається по теплообмінній поверхні «теплообмінник-грунт», яка дорівнює поверхні стінок свердловини на відстані між нижньою і верхньою камерами теплообмінника.