ГРУНТОВЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
SOIL HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в устройствах, охлаждающих жилые и иные сооружения в теплый период года и нагревающих эти сооружения в холодное время года.
Известны два типа замкнутых теплообменников, расположенных в грунтовом массиве, использующих теплоту грунта и грунтовых вод с помощью трубопроводов, образующих замкнутую систему, заполненную рабочим телом в виде жидкости и ее паров (См. статья "Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплонасосных системах" Васильев Г.П., Научный руководитель ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ», д.т.н.. Председатель Совета директоров ОАО « ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» Н.В.Шилкин, инженер, НИИСФ):
1. Горизонтальные грунтовые теплообменники, представляющие собой отдельные трубы, расположенные в предварительно вырытых траншеях, положенные относительно плотно и соединенные между собой последовательно или параллельно.
Недостатком горизонтального грунтового теплообменника является ограниченная область применения ввиду необходимости использования больших площадей поверхности земли для их устройства.
2. Вертикальные грунтовые теплообменники, представляющие собой отдельные трубы, расположенные в пробуренных в земной коре скважинах, также соединенные между собой последовательно или параллельно.
Недостатком вертикальных грунтовых теплообменников является высокие затраты на строительство и невозможность обслуживания.
Также известен тепловой аккумулятор, приняты авторами за прототип (См. (19) RU (11) 2359183 (13) C1 (51) МПК F24J 3/08 (2006.01) (12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 18.02.2011 - действует; (21), (22) Заявка: 2007141726/06, 09.11.2007 (24) Дата начала отсчета срока действия патента: 09.11.2007; (45) Опубликовано: 20.06.2009; (72) Автор(ы): Ермаков Сергей Анатольевич (RU), (73) Патентообладателей): Ермаков Сергей Анатольевич (RU), (54) ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯТОР), включающий тепловой аккумулятор, который содержит надземный теплообменник потребителя, сопряженный по тепловому потоку с реверсивным холодильным устройством, а также заглубленный в грунтовой массив подземный теплообменник, совместно с соединяющими теплообменники трубопроводами, образующими замкнутую систему, заполненную рабочим телом в виде жидкости и ее паров, в котором подземный теплообменник выполнен в виде опускной и подъемной труб; опускная труба свободно сообщается с надземным теплообменником, а подъемная труба сообщается с надземным теплообменником через устройство, содержащее накопительно-вытеснительный сосуд с устройствами.
Недостатками известного технического решения также является ограниченная область применения, высокая стоимость изготовления и невозможность периодического обслуживания грунтового теплообменника в процессе эксплуатации.
Изобретение направлено на расширение области применения и снижение затрат на создание и эксплуатацию грунтовых теплообменников.
Технический результат изобретения заключается в использовании уже существующих горных выработок - колодцев, вертикальных и наклонных стволов шахт, горизонтальных подземных выработок действующих или переставших давать добычу горных предприятий для размещения в них грунтовых теплообменников, а также снижение энергозатрат на преобразование температуры.
Достигается технический результат за счет того, что грунтовый теплообменник включает теплообменник потребителя, сопряженный с реверсивным устройством, заглубленный в грунтовый массив подземный теплообменник, совместно соединяющие теплообменники трубопроводы, образующие замкнутую систему, заполненную рабочим телом в виде жидкости и ее паров, а также устройство, обеспечивающее циркуляцию рабочего тела по трубам, причем подземный теплообменник выполнен в виде горной выработки с пропущенными через ее боковые стены по всей глубине в радиальном направлении последовательно или параллельно соединенными горизонтальными или наклонными трубопроводами. Горная выработка может иметь наклон в пределах от 0 до 90 градусов к горизонтальной плоскости.
На фиг.1 представлен разрез вертикальной выработки.
На фиг.2 представлен разрез наклонной выработки.
На фиг.3 представлен разрез горизонтальной выработки.
На фиг.4 представлен поперечный разрез грунтового теплообменника.
Предлагаемый грунтовый теплообменник устроен следующим образом.
Основными узлами предлагаемого грунтового теплообменника являются: теплообменник потребителя 1, сопряженный по тепловому потоку 2 с реверсивным холодильным устройством 3, и заглубленный в грунтовой массив 4 подземный теплообменник 5, представляющий собой горную выработку 6, боковые стенки которой закреплены крепью 7.
По длине выработки 6 в радиальном направлении под различными углами расположены трубопроводы 8, представляющие собой последовательно или параллельно соединенные трубы.
Радиально направленные трубопроводы 8 по длине выработки сгруппированы в ярусы 9 (этажи или сегменты). Ввиду необходимости восполнения низкопотенциальной энергии грунтового массива 4 необходимо, чтобы трубопроводы были расположены максимально далеко друг от друга. Для этого радиально расположенные трубопроводы 8 каждого яруса 9 расположены со сдвигом на некоторый угол относительно друг друга в плоскости, перпендикулярной оси выработки.
Теплообменник потребителя 1 соединен с подземным теплообменником 5 соединительным трубопроводом 10.
Теплообменник потребителя 1 и подземный теплообменник 5 вместе с соединительным трубопроводом 10 представляют собой замкнутую систему, заполненную рабочим телом в виде жидкости и ее паров. Циркуляция рабочего тела по замкнутой системе обеспечивается циркуляционным устройством 11.
Изготовление подземного теплообменника 5 осуществляется как с использованием специально построенных (колодцы, шурфы, штольни), так и существующих горных выработок - вертикальные и наклонные стволы шахт, горизонтальные подземные выработки действующих или переставших давать добычу горных предприятий.
В зависимости от типа используемых труб и крепости грунтового массива 4 размещение трубопровод 8 осуществляется в предварительно пробуренных скважинах или посредствам вдавливания труб в грунт.
Предлагаемый грунтовый теплообменник работает следующим образом.
Циркулируя по замкнутой системе труб теплообменника потребителя 1, подземного теплообменника 5 и соединительного трубопровода 10 под воздействием циркуляционного устройства 11, рабочее тело (жидкость) поочередно подвергается температурному воздействию в обоих теплообменниках.
Проходя по трубопроводам 8 подземного теплообменника 5, рабочее тело получает тепловую энергию грунтового массива 4, в котором расположен теплообменник 5, и приобретает температуру грунта.
При условии расположения трубопровода 8 подземного теплообменника 5 ниже глубины промерзания эта температура всегда остается положительной и колеблется примерно от +5°С в зимний период до +18°С в летний период.
Поступая к теплообменнику потребителя 1, рабочее тело отдает накопленную в подземном теплообменнике 5 энергию в виде температуры. При этом рабочее тело получает энергию теплообменника потребителя 1 и приобретает соответствующую температуру, после чего опять поступает в трубопроводы 8 подземного теплообменника 5.
Этот цикл постоянно повторяется.
В совокупности с реверсивным холодильным устройством 3 грунтовый теплообменник позволяет значительно снизить энергозатраты.
Например, в летний период, когда температура воздуха на открытой поверхности достигает 40°C, и иногда и более, необходимо значительное количество энергии для преобразования температуры воздуха с 40°C до, например, 25°C.
Использование предлагаемого грунтового теплообменника позволяет расширить область его применения, значительно снизить затраты на изготовление, в случае необходимости производить эксплуатационное обслуживание, а также позволяет значительно снизить энергозатраты при работе реверсивного холодильного устройства.