ПРОЕКТЫ БУНЯКИНА







Система экономии тепла (СЭТ).


Система экономии тепла (СЭТ) – накопление тепла в грунте в совокупности с принудительным теплообменом (через сплит) или с активным тепловым ограждением зданий

 

Предлагается энергосберегающая система (экономия энергии на кондиционировании) на основе накопления тепла в грунте и ветроэнергетической подачи теплоносителя. Приблизительные технологические параметры системы таковы – основные элементы: ветроэнергетическая установка вихревого (циклонного) типа с максимальной высотой 20 м с диаметром основания около 10 м; петротермальные скважины глубиной 50 м (диаметр 100 мм) с гидроизоляцией.

Рассмотрим основные структурные элементы системы, включая принцип их действия и приближенную оценку режимных параметров (входные данные взяты для примера, параметры оцениваются как ориентировочные):

Скважина и система циркуляции теплоносителя. Петротемальный метод – это система накопления тепла при его избытке (летом) и нагрева этим теплом околоскважинного грунта с последующим использованием этой аккумулированной тепловой энергии при ее недостатке для отопления зимой. Летом теплоноситель, отбирающий тепло с чердака помещения или изнутри перекрытия верхнего этажа, закачивается в кольцевое пространство скважины. Скважина полностью изолирована от грунта обсадной трубой, внутрь которой спускается колонна технологических труб.

Зимой производится отбор тепла – теплоноситель пускается в систему циркуляции, включающий теплообменники в подвале или внутри перекрытия пола нижнего этажа. Слой грунта около скважины охлаждается настолько, чтобы еще не допустить образование льда. Таким образом, скважина и грунтовый объем около нее работают как аккумулятор тепла.

Внутри грунтового слоя вокруг скважины температура меняется (в первом приближении) по логарифмическому закону по мере приближения к оси скважины, то есть . Здесь – радиус скважины и температура снаружи от обсадной трубы. – радиус контура (условно цилиндрической поверхности, на которой грунт имеет свою естественную температуру, не зависящую от теплового воздействия от скважины) и температура там. Отсюда , тогда тепловая мощность при стационарном теплообмене . Здесь коэффициент теплопроводности грунта и высота теплообменного слоя.

Полагая для примера расчета:

(грунт на глиняной основе), , получим – тепловая мощность, соответствующая стационарному теплообмену при понижении температуры у скважины на пять градусов от нормального значения. В приведенных ниже расчетах полагается, что в результате циркуляции теплоносителя внутри скважины температура падает еще на один градус (до 4

Такая тепловая мощность соответствует массовой подаче теплоносителя и , при , (близко к теплоемкости воды)

При длине всей трубопроводной системы , диаметре эквивалентном коэффициенте гидравлического сопротивления потери напора

Обычная петротермальная схема (принципиально) выглядит так:

Летом по контуру 2 теплоноситель, отбирающий тепло непосредственно теплообменником с чердака и через сплит из комнат дома (для определенности полагается жилой тип) закачивается в кольцевое пространство скважины.

Для циркуляции теплоносителя через контур скважины можно использовать ветроэнергетическую установку (ВЭУ). Вал турбины жесткой кинематической связью соединен с насосом, перекачивающим теплоноситель. Летний режим накопления тепла – это контур циркуляции теплоносителя «ВЭУ – скважина – теплообменники на чердаке», но также в контур может включаться и теплообменник сплит, отбирающий тепло из системы охлаждения дома. При включении сплита краны, расположенные над и под блоком теплообменников 3 закрываются. При отсутствии ветра теплоноситель может подаваться насосом с электроприводом в обход ВЭУ по байпасу 1.

Зимой производится отбор тепла – теплоноситель пускается в систему отопления дома по контуру «ВЭУ – скважина – система отопления» для скважины в обратном направлении (холодная вода в кольцевое пространство, под землей она прогревается и поднимается вверх по стволу). Теплообменники на чердаке из контура выключаются, а при нехватке тепловой мощности в контур включается теплообменник охлаждения сплит (при этом перекрываются краны над и под блоком 3).

Однако возможен и принципиально другой способ использования низкотемпературного грунтового тепла (без энергозатратного повышения температуры на сплите), и этот метод состоит в следующем:

Активное тепловое ограждение.

Это монтаж радиаторов в пол нижнего этажа для отопления и соответственно в потолок верхнего этажа для охлаждения.

Возникает задача оптимизации этой системы – определение толщин теплоизолирующих слоев по обе стороны от радиатора (в соответствии с теплопроводящими свойствами их материала) при заданной мощности подвода – отвода тепла и площади теплоотдачи.

Обозначим как температуры снаружи и внутри помещения (по обе стороны от ограждения), коэффициенты теплопроводности вешнего и внутреннего слоев ограждения (по обе стороны от слоя активного подвода или отвода тепла), соответственно толщины этих слоев, его толщину.

График изменения температуры внутри ограждения (соответствует ).

Обозначим через удельную по площади теплопередачи мощность подвода или отвода тепла. Аппроксимируем график изменения температуры внутри теплоактивного слоя параболой (пока считаем, что тепло подводится) , см. график: ось - это координата поперек слоя, нуль соответствует внешней поверхности ограждения.

Введем в рассмотрение температуры с внешней и с внутренней стороны на границах теплоактивного слоя, тогда равенства тепловых потоков при теплопередаче через эти границы запишутся в виде:

(1)

(2)

Учтем, что , это следует непосредственно из уравнения аппроксимации, и то, что . Последнее следует из уравнений (1, 2), перепишем их в виде:

(1')

(2')

Принимая для примерного расчета (соответствие его графику лишь качественное) значения температур , в , коэффициенты теплопроводности внешнего и внутреннего теплоизоляционных слоев (материал типа стекловаты), удельную тепловую мощность (подвод тепла 100 согласован с параметрами скважины, так же как и температуры ) . Коэффициент теплопроводности внутри теплоактивного слоя соответствует теплоносителю типа воды, то есть условно считается, тепло подводится «водяной рубашкой», полутолщина ее . Тогда из уравнений 1’,2’) получим соответственно , то есть и , то есть

Вместо «водяной рубашки» может быть радиатор типа плоского змеевика, заключенный между металлическими листами, и это можно (приближенно) моделировать как пропорциональное уменьшение величин и .

Таким образом, оптимальная в смысле энергосбережения для выбранных параметров конструкция ограждения – это несимметричное расположение теплоизолирующих слоев по обе стороны от теплоактивного слоя. При этом отопительная – зимняя конструкция (вмонтированная в пол первого этажа) должна отличаться от охладительной – летней (в потолке верхнего этажа). А именно, следует заметить, что симметрия уравнений (1’,2’), сохраняющая их и «соседство» температур (то есть заменяющая систему неравенств на , может быть лишь такой: взаимозамена на , на , на , и замена знака . Это соответствует переходу от зимнего режима к летнему и наоборот.

Общий вывод (с учетом полученного выше в примерном расчете малого значения мощности для подачи теплоносителя) может быть таким: За счет увеличения числа скважин, а соответственно и размеров циркуляционной системы (как и за счет увеличения толщины теплоизоляционных слоев по обе стороны от радиатора) можно повысить эффективность теплового ограждения.

То есть, общая идея представленного метода в графической интерпретации (см. график выше) может быть сформулирована следующим образом:

Рассмотрим ограждение с одинаковой теплопроводностью, тогда температура меняется поперек него по линейному закону (штриховая линия 1);

Если вставить внутрь ограждения слой с меньшей теплопроводностью, то график превратится в ломаную линию (с участком штриховой линии 2, соответствующим вставленном слою);

Однако если такая вставка находится уже за пределами теплоизоляционных возможностей (нет такого материала), то можно заменить участок 2 сегментом параболы 3 – это и соответствует зимнему отопительному подводу тепла (теплоактивному слою).

Возможны также варианты горизонтальных радиаторов вместо скважин, последнее в особенности применимо для случаев водонасыщенного грунта – болотного и т. п. Это должно быть согласовано с параметрами самого радиатора и всей циркуляционной системой теплоносителя, а также необходимо учесть различие зимнего отопительного и летнего режима накопления тепла в грунтовом слое.

Резюме проекта:

Цель работы в том, чтобы создать оптимальную комбинацию трех экологически чистых форм получения и экономии энергии:

  • грунт (как тепловой аккумулятор, то есть источник отбора тепла или наоборот – поглотитель излишнего тепла - GeoExchange systems);
  • ветер (как средство механического обеспечения системы теплообмена);
  • активная теплоизоляция в ограждении зданий (подвод или отвод тепла внутрь ограждающих конструкций – «тепловая завеса»).
Критерием оптимизации в этом случае является наибольшая простота технической реализации и использование наиболее распространенных технологических материалов. Этот критерий также соответствует максимальной надежности такой системы сбережения тепла и минимальной ее стоимости.

Основные средства достижения этой цели (методы оптимизации):

  • Первое – это использование специальной ветроэнергетической установки с вертикальной осью циклонного (или вихревого) типа. Эта установка очень проста в изготовлении, может работать при различном и постоянно изменяющемся направлении и скорости ветра (обладает свойством аккумуляции аэродинамической энергии внутри статора – устройства подготовки потока к выходу на турбину). Данная ветроэнергетическая установка может работать близи крупных препятствий (здания, деревья, складки местности), кроме того, уровень инфразвукового фона на ней минимален. Патент на основные конструктивные элементы этой установки:

    № RU106920U1 от 30.03.2011, А.В. Бунякин, К.М. Михайлов (A. V. Bunyakin, K.M. Mikhailov) информация на сайте http://biclon.ru

    В основе принципа действия этой установки положен эффект вихревой ячейки (trapped vortex), теоретические сведения и результаты численного моделирования этого эффекта применительно к ячейкам (искусственным кавернам) на крыловых профилях изложены в работах:

    1. Bunyakin A.V., Chernyshenko S.I., Stepanov G.Yu. Invisid Batchelor – model flow past an airfoil with a vortex trapped in a cavity // J.Fluid Mech. – 1996. – Vol. 323. – P. 367 – 376. High-Reynolds-number Batchelor-model asymptotics of a flow past an aerofoil with a vortex trapped in a cavity

    A. V. BUNYAKIN, S. I. CHERNYSHENKO and G. Yu. STEPANOV Journal of Fluid Mechanics / Volume 358 / March 1998, pp 283 - 297 1998 Cambridge University Press DOI: http://dx.doi.org/10.1017/S0022112097008203 (About DOI), Published online: 08 September 2000

    2. Bunyakin A.V., Chernyshenko S.I., Stepanov G.Yu. High – Reynolds – number Prandtl – Batchelor – model flow past an aerofoil with a vortex trapped in a cavity // J.Fluid Mech. – 1998. – Vol. 358. – P. 283 – 297.

    Inviscid Batchelor-model flow past an airfoil with a vortex trapped in a cavity A. V. Bunyakin, S. I. Chernyshenko and G. Yu. Stepanov Preview Journal of Fluid Mechanics / Volume 323 / September 1996, pp 367 - 376 1996 Cambridge University Press DOI: http://dx.doi.org/10.1017/S002211209600095X (About DOI), Published online: 25 April 2006

    Энергетические характеристики такой установки (зависимость безразмерного коэффициента механической мощности от числа Рейнольдса в набегающем потоке) подлежат экспериментальной корректировке – являются предметом исследований, но по априорным теоретическим оценкам находятся на одном уровне с ветроэнергетическими установками других аэродинамических схем;

  • Второе – это использование преобразования избыточной механической энергии (в моменты пиковых ветровых нагрузок, когда мощность ветроэнергетической установки значительно превышает потребности системы циркуляции теплоносителя) непосредственно в тепло с аккумуляцией его в грунте. Для этого предлагается использовать кавитационный теплогенератор – устройство искусственной кавитации, преобразующее гидравлические потери в тепло с минимальным переходом энергии в другие формы. Теплогенератор может быть включен последовательно в систему циркуляции теплоносителя, а режим его работы подбирается таким, чтобы при превышении мощности насоса (и соответственно гидравлических потерь на сужающем устройстве) заданного значения началась кавитация. Предметом исследований в этой части является нормализация теплоносителя в системе циркуляции с кавитационным устройством, в частности минимизация его перехода в газообразную фазу и как следствие увеличение эффективности теплогенератора. Ориентировочно при использовании воды как теплоносителя для нормализации будет использоваться магнитоактивация, а некоторые теоретические подходы для математического моделирования эффектов, которые могут здесь возникнуть, можно найти в работе:

    3. Alexey V. Bunyakin Tree–level discrete quantum model of ideal water chain in а constant magnetic field International Journal of Quantum Mechanics Research V.1, N 1 October 2013, PP. 01 – 18 http://acascipub.com/International%20Journal%20of%20Quantum%20Mechanics%20Research/Current%20Issues.php

  • Третье – это постановка и решение общей оптимизационной задачи:

    Расчет конструктивных параметров системы сбережения тепла в комбинации: грунт как аккумулятор тепла; ветроэнергетическая установка как средство перекачки теплоносителя (нормализованной воды); радиаторы активной тепловой защиты (завесы) внутри ограждающих конструкций зданий. Эта задача включает в себя определение параметров ветроэнергетической установки, параметров циркуляционной системы включая кавитационный теплогенератор и магнитоактиватор воды, а также схемы радиаторов внутри стен и перекрытий, включая толщины и состав теплоизолирующих слоев по обе стороны от них. Информацию об основах математического моделирования всей системы такого типа можно найти в работе: A.V. Bunyakin System of thermal energy accumulation in a soil layer in a combination with wind energy Int. Conf. SIM2013 http://sim.ipleiria.pt/proceedings/ (No. 405) http://dx.doi.org/10.1201/b15002-78

    Для сотрудничества приглашаются заинтересованные специалисты и организации в основном по третьему пункту (расчет оптимальных параметров системы и ее внедрение в производство). Научные исследования по двум первым пунктам проводятся силами инициаторов проекта, но возможно сотрудничество и по этим тема при дополнительном согласовании совместных действий.

Resume of the project:

The aim of work is a creating an optimum combination of three ecologically pure forms of reception and economy of energy:

  • A soil layer (as the thermal accumulator, that is a source of selection of heat or on the contrary - an absorber of excessive heat - GeoExchange systems);
  • A wind (as means of mechanical maintenance of system of heat exchange);
  • Active heat-isolation in a protection of buildings (a supply or heat removal inside of protections - « a thermal veil »).
Criterion of optimization in this case is the greatest simplicity of technical realization and use of the most widespread technological materials. This criterion also corresponds to maximal reliability of such system of the savings of heat and its minimal cost.

The basic means of achievement of this purpose (methods of optimization):

  • The first is use of special wind-power stations with vertical axis cyclonic (or vortical) type. This station is very simple in manufacturing, can work at a various both constantly changing direction and speed of a wind (has property of accumulation of aerodynamic energy inside of stator - devices of preparation of a stream to an output to the turbine). Given wind – power station can work near to the large barrier creating an obstacle to a wind (buildings, trees, hillsides), besides the level of an infrasonic background on it is minimal. The patent for the basic constructive elements of this wind-power station is:

    RU106920U1 From 3/30/2011, A.V.Bunjakin, K.M.Mihajlov (A. V. Bunyakin, K.M. Mikhailov) information in the site http://biclon.ru In a basis of a principle of action of this installation the effect of a vortical cell is put (trapped vortex), theoretical data and results of numerical modeling of this effect with reference to cells (artificial cavities) on aerofoil structures are stated in works:

    1. Bunyakin A.V., Chernyshenko S.I., Stepanov G.Yu. Invisid Batchelor - model flow past an airfoil with a vortex trapped in a cavity // J.Fluid Mech. - 1996. - Vol. 323. - P. 367 - 376.

    High-Reynolds-number Batchelor-model asymptotics of a flow past an aerofoil with a vortex trapped in a cavity A. V. BUNYAKIN, S. I. CHERNYSHENKO and G. Yu. STEPANOV Journal of Fluid Mechanics / Volume 358 / March 1998, pp 283 - 297 1998 Cambridge University Press DOI: http://dx.doi.org/10.1017/S0022112097008203 (About DOI), Published online: 08 September 2000

    2. Bunyakin A.V., Chernyshenko S.I., Stepanov G.Yu. High - Reynolds - number Prandtl - Batchelor - model flow past an aerofoil with a vortex trapped in a cavity // J.Fluid Mech. - 1998. - Vol. 358. - P. 283 - 297.

    Inviscid Batchelor-model flow past an airfoil with a vortex trapped in a cavity A. V. Bunyakin, S. I. Chernyshenko and G. Yu. Stepanov Preview Journal of Fluid Mechanics / Volume 323 / September 1996, pp 367 - 376 1996 Cambridge University Press DOI: http://dx.doi.org/10.1017/S002211209600095X (About DOI), Published online: 25 April 2006

    Power characteristics of such wind-power stations (dependence of dimensionless factor of mechanical power from Reynolds's number in input flow) to request of experimental investigation – are a subject of researches, but by aprioristic theoretical estimations at comparison of with wind-power stations of other aerodynamic schemes near to it;

  • The second is use of transformation of superfluous mechanical energy (during the moments of peak wind actions when power of wind stations considerably exceeds needs of system of circulation of the heat-carrier) directly in heat with its accumulation in a soil layer. For this purpose is offered to use cavitations heat-generator - the device artificial cavitations for transformation of hydraulic losses to the heat with the minimal transition of energy to other forms. Heat-generator can be included consistently in system of circulation of the heat-carrier, and the mode of its work such that at excess of power of the pump (and accordingly hydraulic losses on the narrowing device) preset values it tend to beginning of cavitations. A subject of researches in this part is normalization of the heat-carrier in system of circulation with cavitations device, in particular minimization of its transition to a gaseous phase and as follows increasing of heat-generations effective. Roughly at use of water as heat-carrier for normalization of it will be used magneto-activations, and some theoretical approaches for mathematical modeling effects which can arise here, it is possible to find in work:

    3. Alexey V. Bunyakin Tree-level discrete quantum model of ideal water chain in and constant magnetic field International Journal of Quantum Mechanics Research V.1, N 1 October 2013, PP. 01 - 18 http://acascipub.com/International%20Journal%20of%20Quantum%20Mechanics%20Research/Current%20Issues.php

  • The third is a statement and the decision of the general optimization problems:

    Calculation of design data of system of the savings of heat in a combination: a soil layer as the accumulator of heat; wind-power stations as means of swapping of the heat-carrier (the normalized water); radiators of active thermal protection (veil) inside of protecting of buildings. This problem includes definition of parameters wind-power station, parameters of circulating system including cavitations heat-generator and magneto-activator waters, and also schemes of radiators inside of walls and overlapping, including thickness and structure of heat-protection layers on both parties from them. The information on bases of mathematical modeling all system of such type can be found in work:

    A.V. Bunyakin System of thermal energy accumulation in a soil layer in a combination with wind energy Int. Conf. SIM2013 http://sim.ipleiria.pt/proceedings/ (No. 405) http://dx.doi.org/10.1201/b15002-78

For cooperation the interested experts and the organizations basically on the third item (calculation of optimum parameters of system and its introduction in manufacture) are invited. Scientific researches on the two first items make by forces of initiators of the project, but cooperation on these is a possible theme at the additional coordination of joint actions.


Контакты.
e-Mail: