Математическое исследование односкважинного геотермального теплообменника
Схема однотрубного геотермального теплообменника, его преимущества и принцип работы. Разработка и апробация метода расчета геотермального теплообменника коаксиального типа. Расчет и анализ основных параметров односкважинной геотермальной установки.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 27.02.2017 |
| Размер файла | 40,0 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Математическое исследование односкважинного геотермального теплообменника
А.В. Мотулевич, доц. каф. ПТС МЭИ(ТУ), канд. техн.наук
Одним из перспективных путей решения проблем энергоснабжения является применение новых энергосберегающих технологий, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Истощение запасов традиционного ископаемого топлива и экологические последствия его сжигания обусловили в последние десятилетия значительное повышение интереса к этим технологиям практически во всех развитых странах мира. Для отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования жилых и общественных зданий в настоящее время используется более 40 % добываемого ископаемого топлива, причем, в основном, это нефть, газ и каменный уголь, сжигание которых наносит существенный вред окружающей среде вплоть до изменения климата в настоящее время и в ближайшем будущем. Хорошей альтернативой этих топлив, причем в возобновляемом виде, могут стать геотермальные ресурсы. При сопоставлении с традиционными источниками энергии очевидны следующие преимущества геотермальных ресурсов: неисчерпаемость, повсеместность распространения, близость к потребителю, локальность обеспечения потребителя теплотой и электроэнергией, принадлежность к местным ресурсам, полная автоматизация, безопасность и практическая безлюдность добычи геотермальной энергии, экономическая конкурентоспособность, возможность строительства маломощных установок, экологическая чистота.
Обычно используется система с двумя скважинами, что имеет некоторые недостатки, а именно: в этом случае необходимы знания о структуре земной коры в данном месте, а также возникает повышенная опасность выброса глубинных загрязнений, присутствуют существенные материальные затраты на бурение.
Этих недостатков лишена односкважинная схема, принципиальная схема которой представлена на рисунке 1.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис.1. Схема однотрубного геотермального теплообменника
Коаксиальный теплообменник включает в себя одну скважину с помещенным в нее стальным цилиндрическим кожухом, закрытым снизу. В этом кожухе коаксиально помещена труба из специального плохо проводящего тепло материала, открытая снизу.
Вода, опускаясь по кольцевому каналу вниз, нагревается теплом земли. Нагретая вода поднимается по внутренней трубе на поверхность земли и поступает в теплообменник, где отдает свое тепло сетевой воде. Охлажденная, она снова уходит в кольцевой канал геотермальной скважины. Таким образом, не затрагивается структура глубинного грунта и, в связи с замкнутым водным циклом, нет выброса загрязненной воды в окружающую среду. Очевидно, что от поверхности до некоторой глубины окружающие слои будут холоднее чем охлажденная вода и будет происходить потеря тепла. Для предотвращения этого нежелательного эффекта необходима частичная теплоизоляция кожуха.
Для данной конструкции найдем изменение температуры теплоносителя в кольцевом канале в зависимости от глубины бурения скважины и протяженность изолирующей прокладки между теплообменником и грунтом. При выполнении вычислений зададимся несколькими допущениями, а именно:
1. Пренебрегаем перетоком теплоты вдоль оси Z;
2. Температура внешней поверхности кольцевого теплообменника совпадает с температурой грунта соответственно глубине бурения;
3. Температура грунта восстанавливается за счет геотермальной энергии и не зависит от времени.
В связи с этими допущениями может быть рассмотрена стационарная задача теплообмена.
Выделим элементарный отрезок dz на кольцевом канале скважины и определим количество тепла, попавшее от грунта к теплоносителю через кольцевой зазор. Примем температуру теплоносителя t, где t = f (z), температуру грунта tг , коэффициент теплопроводности скважины k, тогда:
(1)
Это же тепло поглощается жидким теплоносителем:
(2)
Приравняем выражения (1) и (2) и получим, что:
(3)
Температура грунта tг изменяется линейно:
, (4)
где G - температурный градиент грунта, а tг0 - температура поверхности земли.
Откуда получаем выражение:
(5)
Обозначив комплекс , подставляем его в уравнение (5) и получаем:
(6)
(7)
Получилось дифференциальное уравнение вида:
, (8)
, , а Q(z)=
Решение такого дифференциального уравнения имеет вид:
(9)
Или, для данной задачи:
(10)
, тогда имеем:
(11)
Последовательно производим преобразования:
=
(12)
, ,
таким образом, выражение (12) имеет следующий вид:
, или
(13)
Найдем константу C из условия, что в точке границы изоляции геотермального теплообменника температура воды равна температуре на входе в теплообменник - при z = z, t = t , тогда:
(14)
Отсюда следует, что:
(15)
Далее, подставляя выражение (15) в (13), получаем зависимость температуры теплоносителя от глубины скважины:
(16)
Используя формулу (16) можно рассчитать глубину скважины, задаваясь параметрами теплоносителя на входе и выходе из геотермального теплообменника.
Найдем выражение для глубины изоляции z1 , приравняв значения температур грунта и воды на входе в геотермальный теплообменник:
(17)
Тогда глубина изоляции равна:
(18)
Таким образом, разработан метод расчета геотермального теплообменника коаксиального типа.
Полученные зависимости позволяют произвести расчет основных параметров односкважинной геотермальной установки.
математический односкважинный геотермальный теплообменник
Список литературы
1. Никитенко В.А., Мотулевич А.В. Однотрубный геотермальный теплообменник. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез.докладов XII МНТК студентов и аспирантов. В 3-х т. -М.: МЭИ, 2006. Т.2.С.475.
2. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1990.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Основные достоинства и недостатки геотермальной энергии. Мировой потенциал геотермальной энергии и перспективы его использования. Система геотермального теплоснабжения, строительство геотермальных электростанций. Востребованность геотермальной энергетики.
контрольная работа [4,0 M], добавлен 31.10.2011Конструкция теплообменника ГДТ замкнутого цикла. Определение потери давления теплоносителя при прохождении его через аппарат. Тепловой, гидравлический расчет противоточного рекуперативного теплообменника газотурбинной наземной установки замкнутого цикла.
курсовая работа [585,3 K], добавлен 14.11.2012Источники высокопотенциальной теплоты на геотермальной электростанции и особенности геотермального теплоносителя. Технологический процесс получения электроэнергии на ГеоЭС, особенности оборудования. Перспективы развития геотермальной энергетики в России.
контрольная работа [27,2 K], добавлен 23.08.2013Подбор коэффициентов теплоотдачи и расчет площади теплообменника. Определение параметров для трубного и межтрубного пространства. Конденсация паров и факторы, влияющие на охлаждение конденсата. Гидравлический расчет кожухотрубчатого теплообменника.
курсовая работа [142,2 K], добавлен 25.04.2016Исследование и проектирование геотермальных установок, а также системы отопления, работающих на геотермальных источниках теплоснабжения. Расчет коэффициента эффективности для различных систем геотермального теплоснабжения. Подбор отопительных приборов.
контрольная работа [139,6 K], добавлен 19.02.2011Схема теплообменника. Расчет геометрии пучка трубок; передаваемой теплоты по падению температуры газа; эффективности ребра; коэффициентов теплоотдачи и оребрения трубок. Оценка гидросопротивлений. Проверка эффективности теплообменника перекрестного тока.
контрольная работа [1,2 M], добавлен 25.12.2014Гидравлические испытания и расчет по выбору основных размеров пластинчатого теплообменника. Определение прочности направляющих и болтов крепления направляющих к стойке. Расчет напряжения смятия в месте контакта шайба-гайка и шайба-плита прижимная.
курсовая работа [443,4 K], добавлен 20.11.2012Рассмотрение экспериментальных зависимостей температуры горячего потока от входных параметров. Расчет показателей расхода хладагента и горячего потока и их входной температуры. Определение толщины отложений на внутренней поверхности теплообменника.
лабораторная работа [52,4 K], добавлен 13.06.2019Тепловой, конструктивный и гидравлический расчет кожухотрубного теплообменника. Определение площади теплопередающей поверхности. Подбор конструкционных материалов и способ размещения трубных решеток. Выбор насоса с необходимым напором при перекачке воды.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 15.01.2011Конструкция и принцип работы подогревателя сетевой воды. Теплопередача при конденсации и движении жидкости по трубам. Оценка прочности крышки теплообменника. Тепловой, гидравлический и прочностной расчет параметров рекуперативного теплообменного аппарата.
курсовая работа [186,8 K], добавлен 02.10.2015Литозбор по использованию вторичного тепла. Тепловой расчет рекуперативного теплообменника. Выбор основного оборудования: вентилятора, насосов. Оценка гидравлического сопротивления. Подбор вспомогательного оборудования. Контрольно-измерительные приборы.
курсовая работа [331,7 K], добавлен 01.03.2013Устройство и принцип работы регенеративного теплообменника. Характеристика материалов, используемых для кладки печи, а также основные требования, предъявляемые к их химическим и механическим свойствам. Расчет горения топлива и параметров регенератора.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 17.12.2014Описание конструкций теплообменников и обоснование выбора проектируемого теплообменника. Проведение технологического и гидравлического расчета. Элементы механического расчета: определение параметров обечайки, решетки, выбор и обоснование крышки и опор.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 16.11.2012Состав и принцип работы компрессорной станции, предложения по реконструкции её системы отопления. Описание газотурбинной установки. Устройство, работа и техническое обслуживание теплообменника, его тепловой, аэродинамический и гидравлический расчёты.
дипломная работа [1,9 M], добавлен 23.04.2016Технологическая схема устройства, ее анализ и обоснование. Выбор конструкционного материала, тепловой и материальный расчет кожухотрубного теплообменника. Определение параметров тепловой изоляции. Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 18.04.2016Тепловой и конструктивный расчет отопительного пароводяного подогревателя горизонтального типа и секционного водоводяного теплообменника. Подбор критериальных уравнений для процессов теплообмена. Определение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 15.12.2010Конструкторский расчет вертикального подогревателя низкого давления с пучком U–образных латунных труб диаметром d=160,75 мм. Определение поверхности теплообмена и геометрических параметров пучка. Гидравлическое сопротивление внутритрубного тракта.
контрольная работа [230,6 K], добавлен 18.08.2013Подбор рекуператора для помещения. Принципиальная схема работы рекуператора. Коэффициенты теплопередачи пластины теплообменника. Зависимость температур приточного воздуха в рекуператоре от наружного. Уменьшение потребления энергии в калорифере.
реферат [1,4 M], добавлен 14.01.2016Расчет температурного напора в теплообменном аппарате змеевикового типа для подогрева металла. Определение необратимой потери давления воздушного потока, проходящего через аппарат. Расчет тепловой изоляции подводящего трубопровода и длины трубки змеевика.
контрольная работа [684,3 K], добавлен 17.11.2015Расчет геометрии пучка трубок. Определение температуры металла трубки. Оценка гидросопротиивлений пучка труб. Проверка эффективности теплообменника. Расчета эффективности ребра. Теплоотдача при турбулентном течении. Площадь проходных ячеек во фронте.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 28.05.2012
