Konstrukcje otworowych wymienników ciepła
Wstęp
Instalacje bazujące na pompach ciepła rywalizujące z innymi metodami dostarczania ciepła do budynków, muszą być wydajne, proste w obsłudze oraz niedrogie. Z tego powodu coraz większą popularność zdobyły instalacje bazujące na otworach wiertniczych, czyli otworowe wymienniki ciepła. Wymieniają one ciepło z górotworem, eliminując konieczność kontaktu nośnika ciepła z wodami gruntowymi. Samo użytkowanie instalacji otworowych wymienników ciepła nie wymaga uzyskania pozwoleń wodno-prawnych ani planu ruchu zakładu górniczego (Złotkowski, 2009).
Konstrukcje otworowych wymienników ciepła
Konstrukcja otworowego wymiennika ciepła ma istotny wpływ na skuteczność jego dalszego użytkowania. Optymalna wymiana ciepła następuje, gdy poszczególne przegrody mają jak najniższy opór termiczny i tam, gdzie to możliwe, występuje konwekcja. Istnieje kilka sposobów na zwiększenie efektywności pracy wymienników ciepła typu otworowego (Śliwa i in., 2016):
- stosowanie zaczynu uszczelniającego o jak największej wartości przewodnictwa cieplnego,
- wypełnianie otworu zaczynem uszczelniającym do powierzchni,
- używanie przewodów wykonanych z materiału o jak największej przewodności cieplnej,
- używanie przewodów o jak najmniejszej grubości ścianki, która zapewnia odpowiednią wytrzymałość,
- używanie przewodów, które zwiększają turbulencje przepływu nośnika ciepła, stosowanie dystanserów, które utrzymują przewody jak najbliżej ściany otworu,
- używanie nośnika ciepła o jak najniższej wartości lepkości dynamicznej,
- stosowanie podwójnej U-rurki, potrójnej U-rurki lub kombinowanego układu przewodów.
Pojedyncza U-rurka
Podwójna U-rurka
Potrójna U-rurka
Układ 3 rurowy (3 takie same średnice)
Układ 3 rurowy (dwie średnice mniejsze, jedna większa)
Układ centryczy
Podsumowanie
Na rynku polskim dostępne są różne rodzaje otworowych wymienników ciepła, które charakteryzują się różnicami w:
- kształcie przewodów hydraulicznych,
- średnicy i grubości ścianki przewodów hydraulicznych,
- liczbie przewodów hydraulicznych,
- strukturze wewnętrznej powierzchni przewodów,
- technice uszczelnienia wymiennika.
Najczęściej stosowane do budowy otworowych wymienników ciepła są powszechnie dostępne rury o przekroju kołowym. Rury stosowane w otworowych wymiennikach ciepła mają średnicę od 25 do 90 mm (w przypadku konstrukcji centrycznej). Zazwyczaj wszystkie rury używane w wymienniku mają tę samą średnicę. Aby poprawić wydajność wymienników, można zastosować rury o różnych średnicach i grubościach ścianek, na całej długości lub tylko w części. Pozwoli to na zmniejszenie przenikania ciepła między rurami i skrócenie czasu przepływu nośnika ciepła z dna wymiennika na powierzchnię (Złotkowski, 2019).
Otworowy wymiennik ciepła, wykonany w tradycyjny sposób, jest wyposażony w przewody, które są rozwijane ze szpuli do długości odpowiadającej głębokości otworu. Istnieje jednak alternatywa dla tej metody, polegająca na wprowadzaniu rur okładzinowych poprzez spawanie doczołowe kolejnych segmentów rur (tzw. kawałków). Ten sposób tworzenia otworowych wymienników ciepła jest charakterystyczny dla wymiennika centrycznego, gdzie rura zewnętrzna i wewnętrzna, lub tylko zewnętrzna, są łączone na miejscu budowy. Jednakże, ze względu na trudność i pracochłonność tego procesu, centryczne otworowe wymienniki ciepła nie są obecnie tak powszechne jak pojedyncza U-rurka (Śliwa i Gonet, 2011).
Literatura
- Śliwa, T. i Gonet, A., 2011. Otworowe wymienniki ciepła jako źródła ciepła lub chłodu na przykładzie Geoenergetics Laboratory WWNiG AGH (Borehole heat exchangers heat or cool source on the basis of Laboratory of Geothermics of Drilling, Oil and Gas Faculty in AGH University of Krakow). Wiertnictwo, Nafta, Gaz, 28(1-2), pp. 419-430.
- Śliwa, T. i inni, 2016. Borehole heat exchangers: production and storage of heat in the rock mass. Kraków: Drilling, Oil ans Gas Foundation.
- Złotkowski, A., 2009. Wybrane aspekty podziemnego magazynowania ciepła. Praca magisterska. Kraków: Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie.
- Złotkowski, A., 2019. Opracowanie wieloetapowego testu reakcji termicznej otworowych wymienników ciepła. Kraków: Rozprawa doktorska - AGH.
