Thermal Potential of Soil as a Source of Energy for Heating and Cooling of Buildings

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Стоимость исчерпаемых источников энергии непрерывно растет. Как следствие, затраты на эксплуатацию зданий тоже растут. В связи с чем существует необходимость уменьшать энергопотребление зданий или искать альтернативные источники энергии. Также, возможным решением является увеличение энергоэффективности установок, применяемых в системах отопления, вентиляции и кондиционирования. Одним из предложенных вариантов являются вертикальные тепловые трубы. В зимнем режиме установка работает как термосифон, однако существует проблема подъема жидкости в трубе в летнем режиме.

ОБОСНОВАНИЕ

Для переноса теплоты сверху вниз в летнем режиме тепловой трубы необходимо реализовать подъем жидкости. Данная работа посвящена исследованию возможных способов подъема жидкости, с акцентом на поиск безмашинного способа подъема.

К разработке системы представляются следующие требования:

• минимизация затрат на электроэнергию;
• максимизация надежности;
• максимизация простоты;
• для максимальной плотности конструкции при заданном объеме, необходимо поднимать жидкость на наибольшую возможную высоту.

Сложность поиска также обусловлена отсутствием методик расчета для некоторых решений по причине отсутствия необходимости применения в других конструкциях.

МЕТОДЫ

Капиллярные силы — силы, которые приводят к подъему или опусканию жидкости в капиллярах. Так, например вода в тонкой стеклянной трубке поднимется вверх, а ртуть спустится вниз. Это зависит от угла смачиваемости жидкости. Высота зависит от значения поверхностного натяжения.

Капиллярно-пористый подъем — имеет схожий эффект. Он происходит за счет капиллярных сил, но имеет более объемное распространение по телу, в отличие от перемещения жидкости по трубке. Наглядно можно наблюдать этот эффект, прикоснувшись нижней частью куба рафинированного сахара к глади жидкости горячего чая. В момент после прикосновения с жидкостью чай начнет просачиваться в кусок сахара за счет капиллярных сил по всему объему куска сахара.

Данный эффект может найти свое применение в тепловых трубах. А так как это максимально близкая по смыслу конструкция, то начнем исследование с возможности применения капиллярно-пористого подъема из зоны конденсации в зону испарения. Основным различием здесь является разница давлений между указанными зонами. Так как чаще всего трубы располагаются горизонтально, то разница давлений сводится к нулю.

После проведенного литературного поиска были найдены следующие варианты конструкции, по расположению капиллярно-пористого материала:

Тепловая труба Гоглера

Первый вариант конструктива и непосредственное воплощение данного способа переноса жидкости из одной области в другую. Ниже приведем цитату из патента:

Пат. США 2 350 348 (1942) Тепловая труба Гоглера [1]. Цель изобретения: «... обеспечение поглощения теплоты, или другими словами, испарения жидкости в точке, лежащей выше области конденсации или зоны отвода теплоты, без дополнительных затрат на подъем жидкости от уровня конденсатора».

Изображение из патента с переводом, показано на рис. 1 и 2.

 

Рис. 1 Тепловая труба Гоглера (1 — холодильный агрегат, 2 — тепловая труба, 3 — куски льда, 4 — конденсатор).

Fig. 1. Gaugler heat pipe (1 — refrigeration unit, 2 — heat pipe, 3 — ice chunks, 4 — condenser).

 

Рис. 2 Варианты геометрии ТТ (1 — паровой канал, 2 — фитиль).

Fig. 2. Variants of TT geometry (1 — steam channel, 2 — wick).

 

Как можно видеть Гоглер предлагал не только способ реализации тепловой трубы, но и возможные варианты геометрии капиллярно-пористых структур. К сожалению, его работа, выполненная для компании General Motors Corp, так и не была реализована, по причине дороговизны указанного способа.

В действительности, в настоящее время стали известны другие способы получения требуемых структур. Нет необходимости получать чрезмерно точную геометрию ячеек, достаточно лишь получить развитую пористую структуру. Более того, с того времени изменились нормы по потреблению энергоресурсов, теперь данная работа приобретает актуальность.

Основным элементом, принятым для сравнения из этого варианта, возьмем наличие капиллярно-пористой структуры, расположенной в середине конструкции.

Следующий вариант, рассматриваемого конструктива появился только спустя 20 лет и представлен в Патенте США 3 229 759 (1963) Тепловая труба Гровера [2].

Изображение конструктива представлено на рис. 3.

 

Рис. 3 Тепловая труба Гровера (1 — зона испарения, 2 — зона транспорта пара, 3 — зона конденсации, 4 — корпус, 5 — КПМ, 6 — паровой поток, 7 — возврат конденсата).

Fig. 3. Grover heat pipe (1 — evaporation zone, 2 — vapor transport zone, 3 — condensation zone, 4 — body, 5 — CPM, 6 — steam flow, 7 — condensate return).

 

Корпус из нержавеющей стали, фитиль — проволочная сетка, рабочая жидкость — натрий, литий, серебро — это классический тип тепловой трубы с использованием капиллярного эффекта, который обеспечивает независимость положения зоны испарения в гравитационном поле. Однако, эта независимость далеко не беспредельна. Гравитационные тепловые трубы называют термосифонами, а капиллярные — классической тепловой трубой (ТТ).

Наиболее распространенный тип тепловой трубы — тепловая труба, разработанная Гровером Г.М., состоит всего из трех элементов:

• корпус,
• рабочая жидкость,
• КПМ.

Корпус — обеспечивает изоляцию рабочей жидкости от внешней среды и должен быть герметичным, выдерживать перепад давлений между внутренней и внешней средами, обеспечивать подвод теплоты к рабочей жидкости и отвод теплоты от нее.

Исходя из описаний реализации подъема в капиллярно-пористых структурах, можно реализовать подъем лишь на небольшую высоту. Способствовать процессам, связанных со смачиваемостью капилляров возможно, вызвав кавитацию в объеме. Это реализуется, например, с помощью ультразвука.

Для получения ультразвуковых колебаний предыдущим способом требуется подведение электроэнергии. Ультразвуковые установки достаточно дороги не только при покупке, но и при последующем использовании, поэтому, стоит рассмотреть другие способы, требующие подвода энергии.

Спустя 10 лет, после изобретения тепловой трубы Гровера, Д. Чисхольм, опубликовал патент для антигравитационного термосифона [3]:

ТТ-6. Д. Чисхольм, США, 1974 Антигравитационный термосифон (диаметр термосифона — 2 см, трубы — 1 см, вода 100 °C, плотность осевого потока тепла — 1,2 кВт (высота — 10 калибров). Конструкция изображена на рис. 4:

 

Рис. 4 Антигравитационный термосифон (1 — зона испарения, 2 — зона конденсации, 3 — жидкость, 4 — эрлифтовая труба, 5 — электронагреватель, 6 — выходное отверстие, 7 — кольцевой канал).

Fig. 4. Antigravity thermosiphon (1 — evaporation zone, 2 — condensation zone, 3 — liquid, 4 — erlift tube, 5 — electric heater, 6 — outlet, 7 — annular channel).

 

Трехступенчатый термосифон (паровой насос) теоретически может обеспечить теплопередачу 14 кВт по вертикали на расстояние 10 м при работе на воде с рабочей температурой 100 °C.

В природе известны способы подъема жидкости на несколько метров, например в деревьях. За счет развитой структуры внутри ствола, жидкость поднимается вверх по аналогии с капиллярно-пористыми структурами.

Известен патент Ролана Шерифа Шейкха для обеспечения капельницы [4].

Указанная цель движения жидкости в капельнице достигается тем, что в осмотическом насосе, согласно изобретению, камера осмотической жидкости выполнена подвижной и расположена между двумя поршнями, жидкостный барьер установлен непосредственно между камерой осмотической жидкости и камерой осмотической соли, а корпус представляет собой корпус впрыскивающего вещества.

Жидкостный барьер, в этом случае, преимущественно выполнен в виде листа фольги с возможностью разрушения при необходимости использования осмотического насоса.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Сравнение вышеописанных систем, начнем с тех систем, которые минимально потребляют внешнюю энергию. Естественным путем, жидкость поднимается в системах тепловых труб Гровера или Гоглера. Несомненным плюсом этих конструкций являются высокая надежность и низкая стоимость, в связи с отсутствием движущихся частей. Однако, конструкция, для работы в параллельном режиме получается слишком сложной для производства. Также возникают вопросы к возможной высоте подъема.

Система с осмотическим подъемом выглядит более реальной. Однако, в связи со сложностью расчетов, затруднено определение стоимости и неясным остается вопрос о ее высокой надежности.

Система с паровым тепловым насосом [5–7], способна поднять жидкость на достаточно большую высоту и не сложна в расчете. Однако, потери на фазовый переход в процессе подъема весьма велики.

Существует возможность разделения единой системы в систему с промежуточным хладоносителем и капиллярным подъемом в локальные теплообменники [8–10]. Однако этот способ не рационален с энергетической точки зрения, в связи с увеличением теплообменных аппаратов.

Последним вариантом, позволяющим поднять жидкость на большую высоту, с минимальными потерями по фазовому переходу и не сложный к расчету является погружной насос.

 

Рис. 5 Система тепловых труб с погружными насосами (UHPE — upper heat pipe exchanger (верхний теплообменный аппарат тепловой трубы), LHPE — lower heat pipe exchanger (нижний теплообменный аппарат тепловой трубы), P — pump (насос), HP — heat pipe (тепловая труба), HPR — heat pipe receiver (ресивер тепловой трубы))

Fig. 5. Heat pipe system with submersible pumps (UHPE — upper heat pipe exchanger, LHPE — lower heat pipe exchanger, P — pump, HP — heat pipe, HPR — heat pipe receiver).

 

Применение данной схемы, с параллельной увязкой по воздуху изображено на рис. 5:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Существует возможность реализовать капиллярный подъем на большую высоту. Однако, в настоящее время этот вопрос малоизучен, так как для экспериментальной базы необходимо проведение большого числа экспериментов. Этот способ относится к задачам дальнейшего исследования и постановки экспериментов.

В качестве средства подъема жидкости в тепловой трубе, лучше использовать простой погружной насос, так как он обладает низким показателем потреблении энергии, относительно высокой надежностью и низкой стоимостью.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, связанного с подготовкой и публикацией статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования и подготовке публикации.

About the authors

Anton A. Zharov

Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: zharov_a@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-9945-0850
SPIN-code: 8581-1809

Cand. Sci. (Tech.)

Russian Federation, 1 Lefortovskaja naberezhnaja, 105005

Alexey V. Kasatkin

Bauman Moscow State Technical University

Email: alexfr93@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0004-1114-9908
Russian Federation, 1 Lefortovskaja naberezhnaja, 105005

Artem V. Borisenko

Bauman Moscow State Technical University

Email: borart@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-4818-3702
SPIN-code: 2859-5006

Cand. Sci. (Tech.)

Russian Federation, 1 Lefortovskaja naberezhnaja, 105005

References

Supplementary files