* Немного о взаимоотношениях между внешним теплообменником и средой с низкопотенциальным теплом, где он будет расположен.
а) Грунтовый теплообмен.
Одним из «очевидных» преимуществ построения грунтовых теплообменников декларируется практически «бесконечная» масса грунта с относительно стабильной положительной температурой, по сравнению с количеством отбираемого у неё тепла на нужды потребителя, но…
- для организации более-менее эффективного теплообмена между грунтом и трубопроводами с хладоносителем требуются очень большие площади соприкосновения (контакта) между ними, а это означает большой объём земляных работ, как минимум: бурение множества скважин глубиной в десятки метров;
- подземное строительство трубопроводной сети для коммуникации скважин в теплообменные коллекторы, строительство коллекторных колодцев для контроля за работой каждого из скважных теплообменников и соединения теплообменников с магистральными трубопроводами вторичного контура хладоносителя, по которым осуществляется циркуляция хладоносителя от места охлаждения к месту подогрева и обратно;
- строительство трубопроводной сети для грунтового теплообменника необходимо производить глубже уровня промерзания грунта в холодное время года, или прокладывать специальные термоизолированные каналы;
- магистральные трубы контура вторичного хладоносителя должны быть максимально изолированы от температурных воздействий окружающей среды для создания относительно стабильной тепловой нагрузки теплового насоса;
- трубопроводы теплообменных грунтовых ячеек, напротив, должны обладать максимальной теплопроводностью для получения наиболее эффективного теплообмена с грунтом, а это свойственно только металлам, что порождает целый комплекс вопросов по коррозионной стойкости и долговечности работоспособности сооружения грунтового теплообменника;
- места сочленения магистральных трубопроводов хладоносителя с трубопроводами теплообменных ячеек (скважин) должны быть доступны для периодического контроля за состоянием их герметичности, так как имеют вероятностные риски разрушения из-за механического соединения разнородных по теплопроводным свойствам материалов, работающих в критических температурных режимах;
- «фокус» увеличения площади контакта между трубопроводами теплообменника и грунтом, за счёт оребрения внешней поверхности труб или изготовления их в виде «змеевиков», невозможно применять в данном случае, по причине того, что грунт является субстанцией практически обездвиженной, здесь отсутствуют явные конвекционные потоки вещества, имеющиеся в жидких и газообразных средах, и это требует соответственного увеличения габаритных размеров теплообменных ячеек: или сверления глубоких скважин, или увеличения общей площади скважного поля, для размещения большего количества скважин;
- трубы «входа» и «выхода» теплоносителя в каждой теплообменной ячейке должны быть пространственно разнесены, во избежание создания «местной обратной связи»: чтобы «подогретый»на несколько градусов грунтом хладоноситель на выходе не охлаждался поступающим в эту же ячейку переохлаждённым, движущимся в соседствующей трубе;
- теплообмен между смежными объёмами грунта происходит крайне медленно, не быстрее чем скорость тепловой диффузии твёрдого тела с теплоёмкостью, соответствующей грунту в месте предполагаемого размещения теплообменника;
- долговременный отбор тепла на одном и том же участке подземного грунта приведёт к переохлаждению этого участка, что означает непременное снижение эффективности теплообменника на данном участке со временем;
Примечание: одним из вариантов инженерных решений такой задачи является веерное построение теплообменника: при снижении эффективности теплообмена одной ветки «веера» подключается следующая, неистощенная, а переохлаждённый участок теплообменника отключается на время необходимое для тепловой реабилитации уже «использованного» участка грунта… и так далее… но это уже совсем «другие деньги» на проект, строительство, автоматизацию и обслуживание теплового насоса.
- естественным ограничительным свойством для эффективности грунтового теплообменника является невозможность подавать в него хладоноситель с температурой ниже точки замерзания грунта, потому что лёд, в любом его виде, является термоизолятором, и замерзание грунта вокруг труб с переохлаждённым хладоносителем означает практическое прекращение «жизнедеятельности» теплообменника на обмёрзшем участке трубопровода;
- самый главный недостаток грунтовых теплообменников: труднодоступность для технического обслуживания и проведения ремонтных работ, потому что извлечение из грунта теплообменных ячеек и их составных частей, с целью какой-либо профилактики или восстановительного ремонта, требует применения специализированной строительной техники, что может обойтись гораздо дороже, чем строительство нового теплообменника.
Всё вышеперечисленное превращает грунтовый теплообменник в дорогостоящее одноразовое изделие, глубоко закопанное в грунт, срок эксплуатации которого ограничивается прочностной и коррозионной стойкостью применяемых материалов.
б) Подводный теплообмен в водоёме со стоячей водой.
- самое главное ограничение по теплообмену в стоячем водоёме – теплоёмкость самого водоёма, которая заключается в общем объёме воды и естественном теплопритоке от площади непромерзающего грунта дна;
- для случая замерзающих водоёмов расчётной максимальной температурой «подогрева» хладоносителя во внешнем теплообменнике возможна величина в +3…+4°С, максимум охлаждения хладоносителя, перед подачей в такой «водяной» теплообменник – не ниже 0°С, иначе переохлаждённый хладагент вызовет обмерзание труб теплообменника, а значит и утрату эффективности теплообмена;
- наличие жидкой среды вокруг трубопроводов водоёмного теплообменника позволяет сделать теплообменник гораздо более компактным, по сравнению с грунтовым, так как конвекционные потоки, возникающие из-за разницы температур жидкости вокруг теплообменных трубопроводов и в самом водоёме, создают условия для ускорения тепловой диффузии, увеличивая эффективность теплообмена на единицу площади трубопровода с хладоносителем;
- наличие конвекции в жидкой среде допускает применение внешнего оребрения (увеличение внешней поверхности) труб теплообменника или изготовление змеевиков;
- постоянное нахождение водяного теплообменника в относительно агрессивной среде (вода естественного водоёма, по определению, не может быть химически нейтральной средой) выдвигает соответствующие требования в коррозионной стойкости материалов, которые используются для таких теплообменников;
- требования к магистральным трубопроводам вторичного контура хладоносителя для водяных теплообменников аналогичны к требованиям, как и в случае с грунтовыми теплообменниками;
- относительная компактность водяных внешних теплообменников позволяет их строить и располагать в водоёмах с учётом возможности подъёма их из-под воды, с целью периодического технического обслуживания и проведения требуемого профилактического ремонта.
в) Подводный теплообмен в водоёме с проточной водой.
В основном требования к построению водных теплообменников в водоёмах с проточной водой практически совпадают с требованиями к теплообмену в водоёмах со стоячей водой, с одним «облегчением» решения задачи общего теплового баланса: наличие постоянного природного движения водной массы через теплообменник позволяет уменьшить его габариты, по сравнению с аналогичным по эффективности теплообменником в водоёме со стоячей водой.
Чем выше объёмная скорость течения воды в водоёме, тем быстрее и эффективнее будет происходить теплообмен при одной и той же теплообменной площади используемого водного теплообменника.
главный инженер Новиков В.В., академический советник Международной Академии Холода