Установка для відбору тепла з терикона

Реферат: Установка для відбору тепла з териконів містить ґрунтовий теплообмінник, виконаний з регістра зварних металевих труб, покладених в залізобетонні лотки, які заповнені сипким матеріалом, закриті бетонними плитами та встановлені в основі терикона, що формується. Крайні лотки і кінці регістра зварених металевих труб виступають за межі границь основи терикона, а схема з'єднання регістра труб залежить від температурного стану терикона. В установці використані пристрої контролю теплоносія, циркуляційний насос, регульований дросель. Установка дозволяє одержати теплову енергію нетрадиційним способом. UA 100181 C2 (12) UA 100181 C2 UA 100181 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до нетрадиційного способу одержання теплової енергії, зокрема з породних відвалів териконів вугільних шахт і гірничо-збагачувальних фабрик. Аналіз стану породних відвалів, проведений у світовій вуглевидобувній галузі, зокрема й в Україні, показує, що внаслідок недосконалості технології видобутку вугілля вміст його в породних відвалах може досягати 15-35 %. Незалежно від геометричної форми і тривалості відсипання терикони загоряються при досягненні висоти понад 2 3 метри, при цьому процеси тління та горіння тривають протягом багатьох десятиліть. У міру збільшення висоти відвалу підвищується інтенсивність його нагрівання, що в підсумку призведе до тління та самозаймання. Відомо, що температура усередині деяких териконів досягає 1200 °C і більше. Навіть у погаслих та повністю остиглих териконах температура усередині них стабільна - на рівні 30-35 °C. У підсумку це означає, що кожний терикон являє собою джерело теплової енергії значної потужності. Тепловий потенціал величезної маси породи, накопиченої в териконах і обчислюваної сотнями тисяч і мільйонами куб. метрів, дає можливість використовувати їх як тривале і практично поновлюване джерело теплової енергії, придатної для практичного використання в автономних системах теплопостачання комунальних, соціальних, адміністративних будинків і споруджень. Відбір теплової потужності на різних стадіях існування 3 терикона з ємністю породної частини близько 2 млн. м (звичайний терикон) орієнтовно може скласти від кількох сотень кВт до декількох МВт. Відома система автономного теплопостачання на базі теплових насосів з використанням теплоти ґрунту, яка відбирається за допомогою вертикальних ґрунтових зондів ["Commercial/Institutional Heat Pump System in Cold Climates". Maxey School, Lincoln, Nebraska, USA, 2000. - С. 97-100, рис. 7.12.]. Система складається з серії теплових насосів, випарники яких поєднано лініями низькопотенціального теплоносія з вертикальними зондами, що встановлено у свердловинах. Система має головний недолік, який полягає в тому, що глибокі свердловини для встановлення зондів-теплообмінників потребують виконання дорогих бурових робіт, особливо для скельних ґрунтових масивів. Крім того, потрібні спеціальні конструкції зондів, що значно ускладнює експлуатацію установки та знижує конкурентоспроможність теплонасосної технології в цілому в системі теплопостачання. Відома установка для відбору тепла, за допомогою якої реалізують "Спосіб добування геотермальної енергії з осередкового джерела тепла" [патент України № 68857, публ. 15.08.2004]. Установка може бути застосована для відбору тепла з відходів відвальних порід вуглевидобутку і містить підземний тунель, у конструкції кріплення якого передбачені технологічні отвори для розміщення теплоуловлювальних пристроїв, виконаних з окремих секцій. Секції за допомогою домкратів вдавлюються в осередок теплового джерела. Регулюючи кількість секцій, підтримують на заданому рівні температуру й агрегатний стан теплоносія. Крім цього, установка містить акумулювальну ємність, з якої теплоносій подають у систему для використання. Головними недоліками такої установки є надзвичайна громіздкість споруди, яка, по-перше, потребує прокладання спеціального тунелю під осередкове джерело і, по-друге, потребує величезної потужності домкратів (декілька тонн), які мають вдавлювати теплоуловлювальні прилади в зону відбору тепла. Крім того, прямий контакт теплоуловлювачів із зоною відбору тепла осередкового джерела створює умови корозійного впливу на матеріал, з якого їх вироблено. Також установка не передбачає компенсаційних елементів щодо термонапруженого стану змонтованих секцій. Все перелічене робить установку для добування геотермальної енергії з осередкового джерела надзвичайно дорогою та економічно неефективною. Найбільш близької до пропонованого технічного рішення є установка для відбору тепла "Теплонасосна установка" [патент України № 85929, публ. 10.03.2009, Бюл. № 5, 2009], що містить ґрунтовий теплообмінник у вигляді наскрізної труби певної довжини та діаметра, установленої в горизонтальному розрізі основи погаслого терикона, транспортний трубопровід, теплообмінник контактного типу, датчик рівня температур і циркуляційний насос. Недоліком установки є те, що прокладена в тілі терикона наскрізна труба безпосередньо контактує з відвальною породою. У процесі тління (горіння) відвальної породи відбуваються хімічні реакції окиснювання, що призводить до корозії прокладеної труби. Крім того, у результаті нагрівання труби відбувається її температурне подовження, а можливість компенсації термонапружень у конструкції відсутня внаслідок твердого зв'язку труби з відвальною породою. Також істотним недоліком є те, що прокладка наскрізної труби в тілі терикона ведеться бурінням горизонтальної проходки з наступним протаскуванням наскрізної труби. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення установки для відбору тепла терикона, що дозволяє запобігти прямому контакту теплообмінника із зоною відбору тепла, тим самим значно зменшити корозію і компенсувати термонапружений стан теплообмінника. 1 UA 100181 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в установці для відбору тепла з терикона, яка містить ґрунтовий теплообмінник, прилади контролю теплоносія, циркуляційний насос, регульований дросель, відповідно до винаходу, теплообмінник виконаний з регістра зварених металевих труб, покладених у залізобетонні лотки, заповнені сипким матеріалом, закриті бетонними плитами й установлені в основі терикона, що формується, причому, крайні лотки та кінці регістра зварених металевих труб виступають за межі границь основи терикона, а схема з'єднання регістра труб залежить від температурного стану терикона. Використання регістра зварених металевих труб як теплообмінника дозволяє більш повно відбирати тепло з терикона. Залізобетонні лотки і плити, покладені в основу терикона, дозволяють ізолювати теплообмінник - регістр зварених металевих труб - від безпосереднього контакту із зоною горіння, що дозволяє зменшити корозію. Наявність сипкого матеріалу в лотках виключає безпосередній контакт зварених металевих труб із продуктами тління або горіння терикона (вуглекислий газ, сірководень, азотні окисли тощо), що дозволяє запобігти корозії. Розташування крайніх лотків і кінців регістра зварених металевих труб за межами границь основи терикона дає можливість з'єднувати регістр зварених металевих труб залежно від поточного теплового стану терикона, тим самим використовувати його при різних температурних режимах. На фіг. 1 зображений загальний вигляд установки для відбору тепла з териконів. На фіг. 2 зображений поперечний розріз укладання регістра труб в залізобетонні лотки. На фіг. 3 зображений поздовжній розріз укладання регістра труб у терикон, що формується. Установка для відбору тепла з терикона складається з регістра металевих зварених труб 1, покладених у залізобетонні лотки 2, які встановлені в основу 3 терикона, що формується. При цьому крайні лотки 2 і кінці регістра труб 1 виступають за межі границь основи терикона. Весь простір між трубами 1 у лотках 2 доверху заповнений сипким матеріалом 4, наприклад висушеним дрібнозернистим річковим піском. Лотки 2 з покладеним в них регістром труб 1 зверху закриті бетонними плитами 5. Регістр зварених металевих труб 1 має вхід і вихід (показаний стрілками) теплоносія (технічна вода), на яких відповідно встановлені термометри 6 для виміру температури. На вході теплоносія в регістр труб 1 установлений циркуляційний насос 7 і регульований дросель 8, споживач теплової енергії 9, стики металевих зварених труб 10, профіль терикона 11, що формується. Установка працює в такий спосіб. Залежно від поточного теплового стану терикона 11 у зоні укладання регістра зварених металевих труб 1 підвід теплоносія відбувається за різними схемами. При цьому виступаючі кінці трубопроводів можуть бути з'єднані послідовно, як це показано на фіг. 1, або з'єднуватися в інші колекторні схеми. Тепло від терикона 11, що формується, через залізобетонні лотки 2, сипкий матеріал 4 передається регістру зварених металевих труб 1. Теплоносій, прокачуваний циркуляційним насосом 7 через регістр зварених металевих труб 1, відбирає тепло терикона 11 і далі направляється для подачі теплової енергії певної температури споживачеві 9. Для регулювання витрати теплоносія, а отже і температури теплоносія на виході, служить регульований дросель 8. Наявність сипкого матеріалу 4 у лотках 2 виключає безпосередній контакт сталевих труб 1 із продуктами тління або горіння терикона 11. Це у свою чергу дозволяє запобігти корозії сталевих труб при впливу продуктів майбутнього процесу горіння терикона (вуглекислий газ, сірководень, азотні окисли тощо). Крім того, знаходження регістра зварених металевих труб 1 у сипкому матеріалі 4 у вільному стані усередині терикона 11 дозволяє компенсувати деформацію розширення і подовження труб від нагрівання та не створювати в них термонапруженого стану. Відомо, що на кожному териконі з метою виявлення поверхневих осередків загоряння і їхнього контролю регулярно виконуються виміри температур поверхні породного відвалу, по яких будують ізотермічні карти. Контроль температури теплоносія на вході і виході з терикона, передбачений у пропонованій установці, дозволить вірогідно оцінювати поточний температурний стан усього масиву терикона з моменту його закладки до повного остигання. Залежно від температурного стану терикона можливі різні технологічні схеми використання його теплової енергії. Наприклад: як джерела низькопотенціальної теплоти зі стабільною температурою теплоносія до 40 °C для роботи теплових насосів; пряме використання як бойлера - при досягненні температури теплоносія на виході 100-120 °C; одержання електроенергії за допомогою турбогенераторної установки при досягненні температури теплоносія (пари) 400-600 °C тощо. У зв'язку з цим і виникає необхідність з'єднання металевих труб у регістри в різному поєднанні. 2 UA 100181 C2 Таким чином, закладений у початковій стадії формування терикона регістр металевих зварених труб залежно від його теплового стану поперемінно виконує функції: безпосереднього джерела тепла, ґрунтового теплообмінника, бойлера, парогенератора протягом усього життєвого циклу існування терикона. 5 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 Установка для відбору тепла з терикона, що містить ґрунтовий теплообмінник, прилади контролю теплоносія, циркуляційний насос, регульований дросель, яка відрізняється тим, що теплообмінник виконаний з регістра зварених металевих труб, покладених у залізобетонні лотки, заповнені сипким матеріалом, закриті бетонними плитами й установлені в основі терикона, що формується, причому крайні лотки і кінці регістра металевих труб виступають за межі границь основи терикона, а схема з'єднання регістра зварених металевих труб залежить від температурного стану терикона, контрольованого за допомогою дроселя. 3 UA 100181 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4