Методика определения оптимальной глубины односкважинного коаксиального геотермального коллектора

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

Брылова, Т. Б. Имитационное моделирование функционирования технологических процессов ремонта узлов подвижного состава [Текст] / Т. Б. Брылова, А. В. Ку-тышкин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск - 2019. - № 2 (38). - С. 117 - 127.

BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Brylova T. B., Kutyshkin A .V. Simulation modelling the functioning thr technological processes of rolling stock units repair . Journal of Transsib Railway Studies, 2019, vol. 2, no. 38, pp. 117 - 127 (In Russian).

УДК 697.329

И. И. Кадцын, О. В. Хороших, В. Ф. Кузнецов

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ ГЛУБИНЫ ОДНОСКВАЖИННОГО КОАКСИАЛЬНОГО ГЕОТЕРМАЛЬНОГО КОЛЛЕКТОРА

Аннотация. В статье описаны актуальность использования источников низкопотенциальной вторичной тепловой энергии и разработанная методика расчета зависимости температуры пропиленгликоля от глубины односкважинного коаксиального коллектора при неизменных значениях параметров геотермальной скважины. Предложенная методика расчета геотермального коллектора позволяет определить оптимальную глубину скважины, при которой увеличение температуры пропиленгликоля в практическом отношении не меняется, соответственно дальнейшее выполнение буровых работ становится экономически неэффективным.

Ключевые слова: низкопотенциальная энергия, грунтовая скважина, коаксиальность, теплообменник, коллектор.

Ivan I. Kadtcyn, Ol'ga V. Khoroshikh, Viktor F. Kuznetsov

Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation

METHOD OF DETERMINING THE OPTIMAL DEPTH OF SINGLE WELL COAXIAL GEOTHERMAL MANIFOLD

Abstract. The article presents the relevance of the use of sources of low-potential, secondary thermal energy, as well as a method for calculating the dependence of the propylene glycol temperature on the depth of a single-well coaxial collector, with constant values of the parameters of the geothermal well. The proposed methodology of the geother-mal reservoir, allows to determine the optimal depth of the well, in which the increase in the temperature ofpropylene glycol in practical terms does not change, respectively, further drilling becomes economically inefficient.

Keywords: low-potential energy, underground well, coax, heat exchanger, collector.

В настоящее время приоритетными направлениями развития энергетики в России являются энергосбережение и эффективное использование топливно-энергетических ресурсов. Потребность в эффективности вызвана необходимостью снижения эксплуатационных затрат на отопление зданий и сооружений, уменьшение истощения природных ресурсов экосистем (природного капитала), обострение экологических проблем в крупных промышленно-урбанизированных городских территориях.

Автономные объекты железнодорожной инфраструктуры (посты дежурных по переезду, стрелочные посты, посты охраны, пункты обогрева стационарного или модульного типа и прочие здания и сооружения, входящие в структуру ОАО «РЖД») подключены только к инженерным сетям энергообеспечения вследствие большого расстояния от населенных пунктов. Указанные объекты имеют высокие эксплуатационные затраты на системы отопления, горячего водоснабжения и электроснабжение.

Применение современных материалов и технологий позволяет существенно снизить содержание (эксплуатацию) и повысить энергетическую эффективность объектов капитального строительства [2, 3]. Внедрение существующей низкопотенциальной тепловой энергии грунта,

38 19

воздуха, воды, хозяйственно-бытовых стоков, шахтных вод, промышленных сбросов и многого другого является одним из наиболее актуальных малоиспользуемых источников тепловой энергии, преобразование которой позволяет без изменения (реконструкции) существующей инженерной инфраструктуры отапливать новые промышленные, административные, жилые объекты, не используя дополнительные топливно-энергетические ресурсы.

В качестве низкотемпературных источников тепла могут использоваться [1, 6]:

а) повторные (побочные) энергетические ресурсы:

- тепло вентиляционных выбросов;

- тепло канализационных стоков;

- сбрасываемая теплота технологических процессов (пар, вода) и пр.;

б) нетрадиционные возобновляемые источники энергии:

- тепло окружающего воздуха;

- тепло грунтовых и геотермальных вод;

- теплота водоемов и природных водных потоков;

- теплота солнечной энергии и т. п.;

- теплота поверхностных и более глубоких слоев грунта.

Тепловой насос повышает температуру нагретого теплоносителя до нужного уровня температуры воздуха в соответствии с нормативными требованиями [7, 9, 10]. Существенным преимуществом применения геотермальной энергии является возможность использования системы в качестве отопления и структуры кондиционирования помещений всех типов зданий.

Рабочий цикл теплового насоса представлен на рисунке 1, он заключается в следующем: жидкий хладагент поступает в испаритель, где переходит в газообразное состояние. Необходимая для протекания этого процесса энергия отбирается у теплоносителя, циркулирующего в первом контуре. Далее подогретый на несколько градусов газообразный хладагент всасывается в компрессор, главное назначение которого - сжатие газа (на совершение текущей работы расходуется электроэнергия). Давление газа возрастает в несколько раз, при этом он существенно разогревается, например, если на входе в компрессор температура хладагента 6 - 10 °С, то на выходе она будет примерно около 50 °С. На следующей стадии разогретый газ направляется в конденсатор, где отдает полученное тепло системе отопления, сам же при этом конденсируется, т. е. переходит в жидкое состояние. Затем избыточное давление сбрасывается с помощью дроссельного клапана и цикл начинается заново.

В качестве основного показателя результативности теплового насоса используется коэффициент преобразования СОР, равный отношению теплопроизводительности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором. В среднем (на основании анализа эксплуатируемого оборудования) эффективность работы такова: на 1 кВт затраченной электроэнергии можно получить 4 - 4,2 кВт тепла. Для оценки эффективности режима охлаждения применяется холодильный коэффициент EER, равный отношению холодопроизводительности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором.

Высокий рост популярности тепловые насосы получили во многом из-за того, что тепловая энергия получается непосредственно на месте установки оборудования. При высокой экологичности рассматриваемые технологические решения обладают высокой степенью по-жаро- и взрывобезопасности, так как отсутствуют процессы горения топлива и выбросы продуктов сгорания.

Рисунок 1 - План-схема рабочего цикла теплового насоса

В сравнении с централизованными системами теплоснабжения при строительстве геотермального отопления исключаются проектно-изыскательские работы по созданию протяженных тепловых сетей до потребителя, источник теплоснабжения располагается непосредственно на месте или в близком расположении от потребителя.

За последние годы в нашей стране значительно вырос интерес к использованию тепловых насосов, однако количество реализованных проектов невелико, что объясняется целым рядом климатических [8], социально-экономических и технологических особенностей их применения.

Преимущественно распространенными типами использования низкопотенциальной энергии земли являются технические решения с устройством вертикальных зондов. Наиболее высокий процент внедрения получили коллекторы, которые используют от двух и более грунтовых скважин (административные, промышленные объекты капитального строительства общей площадью более 50 м ). Устройство подключения к тепловому насосу с одной грунтовой скважиной в большей степени применяется на объектах индивидуальной жилой застройки, имеющей малую площадь (до 50 м ).

Необходимая длина скважины рассчитывается по основным критериям:

1) площадь объекта капитального строительства;

2) площадь ограждающих конструкций;

3) класс энергоэффективности объекта капитального строительства (при новом строительстве, реконструкции, капитальном ремонте);

4) температура низкопотенциального источника (грунта, грунтовых вод);

5) климатический район объекта капитального строительства [8];

6) наличие межпластовых вод;

7) наличие термального источника.

Преимущественное применение получили три основные конструкции коллекторов вертикального типа, представленные на рисунке 2.

№ 2( 201

Коаксиальность - это соосное положение тел в пространстве (имеют общую ось вращения), при котором один из элементов расположен внутри другого.

а б в

Рисунок 2 - Примеры вертикальных коллекторов в поперечном разрезе: а - одиночный U-образный коллектор; б - сдвоенный U-образный коллектор; в - коаксиальный коллектор

В такой схеме наружная труба используется в виде нагревающего контура, внутренняя -для передачи нагретого источника низкопотенциальной тепловой энергии в контур системы отопления. После охлаждения пропиленгликоль по кольцевой схеме уходит в наружный контур геотермальной скважины. В рассматриваемой системе нагретый пропиленгликоль во внутренней трубе при движении будет остывать от наружного нагреваемого контура. Для уменьшения снижения нагретого источника необходимо на этапе монтажных работ выполнить теплоизоляцию внутренней трубы.

А-А

Рисунок 3 - Схема поперечного разреза коаксиального коллектора: 1 - нагреваемый пропиленгликоль в низкопотенциальном тепловом контуре грунта; 2 - нагретый пропиленгликоль; 3 - коллекторные трубы; 4 - направление движения пропиленгликоля

При движении пропиленгликоля в трубе ее нагрев за счет теплообмена с низкопотенциальным тепловым полем грунта в значительной степени зависит от распределения температуры почвы по глубине скважины и от скорости движения пропиленгликоля в трубе.

Для получения математической модели нагрева пропиленгликоля воспользуемся решением уравнения теплопроводности для нагрева точек полупространства от сосредоточенного источника тепловой энергии, расположенной на поверхности [4]:

T

Q

- R2

)4at + T

c/(4nat )2

где R - расстояние от источника тепла до произвольной точки тела; Q - количество тепла, сосредоточенное в источнике энергии; t - время с начала процесса нагрева; T0 - начальная температура нагреваемой среды (пропиленгликоля).

Коэффициент температуропроводности а (м /с) представляет собой плотность теплового потока при единичном температурном градиенте, отнесенную к плотности вещества и к его

теплоемкости, соответственно этот показатель пропорционален скорости изменения температуры или скорости распространения изотермической поверхности в теле:

Я

,

су

где X - теплопроводность; с - теплоемкость; у - плотность среды.

При нагреве пропиленгликоля, движущегося в цилиндрической трубе, задача будет осе-симметричной и ее можно свести к нагреву пластины (рисунок 4) с распределенным по ее грани источником тепловой энергии. Эту зависимость можно аппроксимировать формулой:

Тгр =(Тгро - Тск) е2 + Тс

где Тгр0 - температура грунта в точке (глубине) промерзания; Тск - температура грунта на дне скважины.

То То

Тер

Рисунок 4 - Схема движения пропиленгликоля в скважине: Т0 - начальная температура нагреваемой среды (пропиленгликоля); Тср - температура нагретого пропиленгликоля; Z - расстояние от точки А до поверхности грунта; Zскв - глубина скважины; R - расстояние от источника тепла до произвольной точки тела; Rвн - внутренний радиус наружной трубы; Rв - внутренний радиус внутренней трубы; В1 - начальная точка нагреваемого элемента; В2 - конечная точка элемента через пройденное время t

Температуру трубы в точке А принимаем равной температуре грунта Тгр в этой точке, которая зависит от расстояния 2.

Качественный график зависимости температуры грунта от глубины Ъ скважины представлен на рисунке 5, он получен непосредственно при бурении разведочной скважины. Значения температуры по глубине грунта определяются непосредственными замерами при выполнении разведочной скважины.

Рисунок 5 - График распределения температуры грунта по глубине: Тгр - температура грунта; Тск - температура грунта на дне скважины; Тгро - температура грунта в точке (глу-

201

бине) промерзания; Ъ - глубина грунта; Ъск - глубина скважины

Ш^Ш ИЗВЕСТИЯ Транссиба 131

Формула (3) является аппроксимирующей для графика, представленного на рисунке 5. Все факторы, влияющие на распределение температуры учтены, так как произведены инструментальные замеры во время геологической разведки.

Для определения коэффициента Ь в формуле (3) замеряем температуру грунта Т гр на глубине 2* промерзания грунта:

Ь = —-—г 1п

_т ^

20 Аск

*

Т _ т

у гр ск у

Нагрев пропиленгликоля в точке В2 сечения А - А происходить по закону

т

Т

(4паг) 2

где Т0 - начальная температура пропиленгликоля.

В точку В2 элемент пропиленгликоля, расположенный в точке В1, попадает через время

г -

V

где V - скорость движения пропиленгликоля в трубе скважины.

Подставляя г в формулу (5), получаем формулу для расчета температуры в произвольной точке В2 (Я, 2) потока пропиленгликоля в трубе:

Тгр

R V

Т(Я,2)-—^^уе 4аг + Т0.

Г л ____

4 раг

V V У

Формула (5) позволяет исследовать зависимость температуры теплоносителя, поступающего в теплообменник, от глубины скважины и от скорости движения потока пропи-ленгликоля в трубе. Следует учесть, что распределение температуры в сечении 1 - 1, рисунка 4 трубы скважины будет неравномерным, поэтому во внутреннюю трубу будет поступать пропиленгликоль с температурой средней по сечению 2 - 2 в точке 2 - 2ск:

I ( * ) л--

Т - _гРЧ скУ_ Г е 4а*ск + Т

Аср 3 J К ^ V

(«.. _Я^ \2 0

Вводим замену:

Я х.

V 2аг„„

Тогда выражение (8) будет иметь вид:

(Явн _Яв \[

Т (г ) У

го V ск /

V

12 аг ск

2

Тср --Ск \ 2- | е 2

(Я. _Яв)| ^ ^ 0

При неизменных значениях параметров Явн; Яв; V; Т0; Тгр произведем расчет зависимости температуры пропиленгликоля от глубины по формуле (11). Результаты расчета приведены на рисунке 6.

Предложенная методика представляет расчетный метод определения оптимальной глубины скважины (Допт), при которой увеличение температуры пропиленгликоля в практическом отношении не меняется, соответственно дальнейшее увеличение глубины скважины экономически неэффективно. Для возможности массового применения разработанной методики на проектируемых (реконструируемых) объектах капитального строительства рекомендуется учитывать поправочные коэффициенты в зависимости от основных критериев здания или сооружения, климатологии района и от характеристик грунта (температуры, влажности, теплоемкости и других данных).

Рисунок 6 - График зависимости средней температуры пропиленгликоля от глубины скважины: Тгр - температура грунта; Тгрп - температура промерзания грунта; Топтпр - температура грунта, определенная при выполнении полевых работ; Дскв - глубина скважины; Допт. - оптимальная глубина скважины.

Список литературы

1. Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии [Текст] / Г. П. Васильев, Л. В. Хрустачев и др. / Правительство Москвы, Москомархитектура, ГУП «НИАЦ». - М., 2001. - 6 с.

2. Федеральный закон от 23.11.2009 №261-ФЗ (ред. от 27.12.2018) «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_93978 (Дата обращения: 08.04.2019).

3. Распоряжение Правительства РФ от 13 ноября 2009 г. № 1715р. «Энергетическая стратегия России на период до 2030 г.» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_94054 (Дата обращения: 08.04.2019).

4. Рыкалин, Н. Н. Расчет тепловых процессов при сварке [Текст] / Н. Н. Рыкалин.-М.: Государственное науч.-техн. изд. машиностроительной литературы, 1951. - 296 с.

5. Васильев, Г. П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли [Текст] / Г. П. Васильев. - М.: Граница. - 2006. - 176 с.

6. ГОСТ Р 54865-2011. «Теплоснабжение зданий. Методика расчета энергопотребности и эффективности системы теплогенерации с тепловыми насосами» [Текст]. -М.: Стандартинформ, 2012. - 8 с.

7. ГОСТ 30494-2011. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях [Текст]. - М.: Стандартинформ, 2013. - 7 с.

8. СП 131.13330.2012. Строительная климатология [Текст]. - М.: Аналитик, 2015. - 79 с.

9. СП 50.13330.2012. Тепловая защита зданий [Текст]. - М.: Аналитик, 2012. - 7 с.

10. СанПиН 2.2.4.548-96. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений [Текст] / ГУП «ЦПП» - М., 2001. - 9 с.

References

1. Rukovodstvo po primeneniyu teplovy^x nasosov s ispoVzovaniem vtorichny^x e^nerge-ticheskix resursov i netradicionny x vozobnovlyaemy x istochnikov eлnergii (Guidance on the application of heat pumps using secondary energy resources and nontraditional renewable energy sources), Moscow, The Moscow Government, the Moscow Committee, 2001, 6 p.

2. FederaVnyj zakon ot 23.11.2009 №261-FZ (red. ot 27.12.2018) «Ob e^nergosberezhenii i povy^shenii e^nergeticheskoj effektivnosti i o vnesenii izmenenij v otdeVny^e zakonodateVny^e aktyл Rossijskoj Federacii» (Federal law of 23.11.2009 №261-FZ (ed. From 27.12.2018) "On energy saving and energy efficiency enhancement and on amendments to certain legislative acts of the Russian Federation"). Access mode: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_93978 (Accessd date: 08.04.2019).

3. Rasporyazhenie PraviteFstva RF ot 13 noyabrya 2009 g. № 1715—r. «E^nergeticheskaya strategiya Rossii na period do 2030 g.» (The order of the Government of the Russian Federation of November 13, 2009 No. 1715-R. "Energy strategy of Russia for the period till 2030"). Access Mode: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_94054 Hm. (Accessd date: 08.04.2019).

4. Rykalin N. N. Raschet teplovy\processovpri svarke (Calculation of thermal processes in welding). Moscow: State scientific and technical publishing house of engineering literature, 1951, 296 p.

5. Vasiliev G. P. Teploxladosnabzhenie zdanij i sooruzhenij s ispoVzovaniem nizkopoten-ciaVnoj teplovoj e^nergiipoverxnostny^x sloev Zemli (Heat and cold supply of buildings and structures using low-potential thermal energy of the surface layers of the Earth). Moscow: Border, 2006, 176 p.

6. Teplosnabzhenie zdanij. Metodika rascheta e^nergopotrebnosti i effektivnosti sistemyл tep-logeneracii s teplovy^mi nasosami, GOST R 54865-2011 (Heat supply of buildings. Method of calculation of energy demand and efficiency of heat generation system with heat pumps, State Standart 54865-2011). Moscow, Standartinform, 2012, 8 p.

7. Zdaniya zhily^e i obshhestvenny^e. Parametryл mikroklimata v pomeshheniyax, GOST 30494-2011 (Residential and public buildings. The parameters of indoor climate, State Standart 30494-2011). Moscow, Standartinform, 2013, 7 p.

8. StroiteVnaya klimatologiya (Building climatology, SP 131.13330.2012), Moscow, Analyst, 2015, 79 p.

9. Teplovaya zashhita zdanij (Thermal protection of buildings, SP 50.13330.2012), Moscow, Analyst, 2012, 7 p.

10. Gigienicheskie trebovaniya k mikroklimatu proizvodstvenny^x pomeshhenij (Hygienic requirements for the microclimate of industrial premises, SanPiN 2.2.4.548-96), Moscow, GUP CzPP, 2001, 9 p.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Кадцын Иван Ильич

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Аспирант кафедры «Теплоэнергетика», ОмГУПС. Тел.: 8-913-963-20-13. E-mail: kii55@bk.ru

Хороших Ольга Владимировна

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Аспирант кафедры «Теплоэнергетика», ОмГУПС. Тел.: 8-913-626-62-97. E-mail: bmk.omsk@yandex.ru

Кузнецов Виктор Федорович

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Высшая математика», ОмГУПС. Тел.: 8-913-670-99-02.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

Кадцын, И. И. Методика определения оптимальной глубины односкважинного коаксиального геотермального коллектора / И. И. Кадцын, О. В. Хороших,

B. Ф. Кузнецов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2019. -№ 2 (38). -

C. 127 - 135.

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Kadtcyn Ivan Ilyich

Omsk State Transport University (OSTU).

35, Marx av.m., Omsk, 644000, the Russian Federation.

Postgraduate student of the department «Heat power engineering», OSTU.

Phone: 8-913-963-20-13

E-mail: kii55@bk.ru

Khoroshikh Ol'ga Vladimirovna

Omsk State Transport University (OSTU).

35, Marx av.m., Omsk, 644000, the Russian Federation.

Postgraduate student of the department «Heat power engineering», OSTU.

Phone: 8-913-626-62-97

E-mail: bmk.omsk@yandex.ru

Kuznetsov Viktor Fedorovich

Omsk State Transport University (OSTU).

35, Marx av.m., Omsk, 644000, the Russian Federation.

Ph. D. of Engineering Sciences, Associate Professor of the department «Higher mathematics», OSTU.

Phone: 8-913-670-99-02

BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Kadtcyn I. I., Khoroshikh O. V., Kuznetsov V. F. Method of determining the optimal depth of single well coaxial geothermal manifold . Journal of Transsib Railway Studies, 2019, vol. 2, no. 38, pp. 127 - 135 (In Russian).

УДК 537.226.1

В. Е. Митрохин, Н. Е. Агарков

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация

К ВОПРОСУ О ВОЗМОЖНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ КОНДЕНСАТОРНЫМ МЕТОДОМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ И КАБЕЛЕЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

НА ВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

Аннотация. В статье рассматривается вопрос о границах применимости конденсаторного метода для измерения действительной части величины диэлектрической проницаемости изоляции печатных плат и кабелей телекоммуникаций железнодорожного транспорта на примере фольгированного стеклотекстолита FR-4 и кабеля РК-75-4-12 в области частот от 10 Гц до 100 МГц. Измерения проводились при неизменных температуре и влажности известного материала.

Выполнено сравнение полученных значений с паспортными данными на материал, выработана методика измерений с перекрытием частотных диапазонов при помощи изменения номиналов измерительных резисторов от большего к меньшему с увеличением частоты подаваемого сигнала. Показано, что в высокочастотной области (десятки мегагерц) на точность измерений непосредственно влияют паразитная последовательная индуктивность исследуемого образца конденсатора и активное сопротивление выводов и обкладок и его повышение с ростом частоты, обусловленное скин-эффектом.

38 19