Index of /rozprawy2/11466

Pełen tekst

(1)OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE WYDZIAŁ WIERTNICTWA, NAFTY I GAZU. OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA ROZPRAWA DOKTORSKA. AUTOR: MGR INŻ. ALBERT ZŁOTKOWSKI PROMOTOR: PROF. DR HAB. INŻ. ANDRZEJ GONET. KRAKÓW, KWIECIEŃ 2019 Strona 1.

(2) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. Dziękuję serdecznie mojemu promotorowi Panu Prof. Andrzejowi Gonetowi za cierpliwość, życzliwość i cenne uwagi przekazane w trakcie pisania pracy.. Strona 2.

(3) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. SPIS TREŚCI 1. Wstęp 4 2. Wykorzystanie otworowych wymienników ciepła jako elementów pośredniczących w wymianie energii cieplnej pomiędzy górotworem, a odbiornikami na powierzchni terenu 7 2.1. Metody udostępnienia i zagospodarowania energii cieplnej zakumulowanej w górotworze 10 2.2. Instalacje umożliwiające wymianę ciepła z górotworem 12 2.3. Zastosowanie górotworu jako rezerwuaru energii 15 3. Przykłady konstrukcji otworowych wymienników ciepła 20 3.1. Typy otworowych wymienników ciepła 20 3.2. Wykonywanie otworowych wymienników ciepła 22 3.3. Materiały wykorzystywane do wykonania otworowych wymienników ciepła 23 3.4. Wpływ konstrukcji na eksploatację otworowych wymienników ciepła 31 4. 4. Aparatura do określania parametrów otworowych wymienników ciepła oraz górotworu, w którym są zainstalowane 32 4.1. Układ pomiarowy do przeprowadzania testu reakcji termicznej 33 4.2. Modyfikacja aparatury do przeprowadzania testu reakcji termicznej 38 4.3. Urządzenie do profilowania temperatury górotworu 42 5. Zjawiska związane z transportem energii w otworowych wymiennikach ciepła 44 5.1. Prawo Fouriera 44 5.2. Analityczny opis transportu energii w otworowych wymiennikach ciepła i w górotworze 44 5.3. Przenikanie energii przez przewody otworowych wymienników ciepła 50 5.4. Przenikanie energii w zaczynie uszczelniającym wypełniającym otwór wymiennika ciepła 52 5.5. Rozchodzenie się ciepła w górotworze 53 5.6. Założenia upraszczające mechanizm przenikania ciepła opisywany przez model matematyczny 56 5.7. Zjawiska hydrauliczne podczas przepływu płynu w wymienniku ciepła 59 6. Analiza danych uzyskanych w jednoetapowym teście reakcji termicznej otworowych wymienników ciepła 64 6.1. Przebieg jednoetapowego testu reakcji termicznej otworowych wymienników ciepła 66 6.2. Przetwarzanie uzyskanych danych w czasie jednoetapowego testu reakcji termicznej 71 6.3. Analiza uzyskanych wyników w czasie jednoetapowego testu reakcji termicznej 76 6.4. Analiza niepewności pomiarowych przeprowadzonego badania 81 6.5. Analiza dokładności dopasowania przybliżenia logarytmicznego 84 7. Opracowanie wieloetapowego testu reakcji termicznej otworowych wymienników ciepła 87 7.1. Projektowanie parametrów wieloetapowego testu reakcji termicznej otworowych wymienników ciepła 89 Strona 3.

(4) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. 7.2. Przebieg wieloetapowego testu reakcji termicznej otworowych wymienników ciepła 7.3. Analiza uzyskanych wyników w czasie wieloetapowego testu reakcji termicznej 7.4. Wyznaczanie oporów przepływu w otworowych wymiennikach ciepła 7.5. Dobór funkcji oporności termicznej otworowych wymienników ciepła 8. Sterowanie pracą otworowych wymienników ciepła 9. Przeprowadzenie wieloetapowego testu reakcji termicznej otworowych wymienników ciepła 9.1. Wieloetapowy test reakcji termicznej dla wymiennika o konstrukcji pojedynczej u-rury 9.2. Wieloetapowy test reakcji termicznej dla wymiennika o konstrukcji podwójnej u-rury 10. Wnioski 11. Bibliografia. Strona 4. 97 98 108 109 111 117 117 127 138 140.

(5) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. 1. Wstęp Zmiany w polityce energetycznej obserwowane na przełomie ostatnich 20 lat, jak i nowe, klarujące się perspektywy, uwydatniają konieczność rozpowszechniania innych źródeł zaopatrzenia gospodarstw domowych w ciepło niż paliwa kopalne. Jedną z alternatywnych propozycji dla instalowania kotła w budynku jest wykonanie centralnego ogrzewania opartego na pompie ciepła pobierającej energię niskotemperaturową np. z górotworu. Wykonanie instalacji pośredniczącej w wymianie niskotemperaturowej energii zakłada wykorzystanie dolnego źródła ciepła, jakim jest górotwór wyposażonego w otworowe wymienniki. ciepła. (OWC).. Konstrukcje. te. umożliwiają. przekazywanie. energii. dwukierunkowo, zarówno ze źródeł na powierzchni Ziemi do górotworu jak i ze skał otaczających OWC na powierzchnię terenu. Konstrukcja OWC sprowadza się do otworu wiertniczego wyposażonego w armaturę hydrauliczną wypełnioną nośnikiem ciepła, zacementowaną zaczynem uszczelniającym i skonsolidowaną z górotworem. Podstawowym badaniem określającym możliwości OWC jest test reakcji termicznej (TRT) pozwalający określić współczynnik przewodności cieplnej skał oraz opór termiczny OWC. Pomiar ten pozwala na pozyskanie tylko jednej z pary wartości wymienionych parametrów. Tym czasem opór termiczny OWC zależy o strumienia objętości i mocy transportowanej nośnikiem ciepła. Teza pracy: Wieloetapowy test reakcji termicznej umożliwia w jednym cyklu badawczym określenie charakterystyki pracy otworowego wymiennika ciepła w funkcji strumienia objętości i mocy transportowanej przez przepływający nośnik ciepła z górotworu do odbiornika na powierzchni terenu. Cel pracy: Opracowanie metodyki przeprowadzenia wieloetapowego testu reakcji termicznej otworowych wymienników ciepła pozwoli w drodze jednego cyklu badawczego wyznaczyć: . zależność oporu termicznego otworowego wymiennika ciepła w funkcji strumienia. objętości przepływającego nośnika ciepła i wymienianej mocy,  sprawność wymiennika w funkcji strumienia objętości przepływającego nośnika ciepła,  moc wymienianą pomiędzy górotworem, a nośnikiem ciepła w funkcji czasu. Opracowanie wieloetapowego testu reakcji termicznej otworowych wymienników ciepła (WTRT OWC) miało na celu ustalenie przebiegu cyklu badawczego, w którym Strona 5.

(6) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. zostanie określona dokładniejsza charakterystyka pracy OWC. Sprawność OWC zmienia się wraz ze zmianą strumienia objętości przepływającego nośnika ciepła oraz przekazywaną mocą między odbiornikiem na powierzchni, a górotworem. Informacje o parametrach pracy instalacji OWC są niezbędne do optymalnego sterowania układem pomp ciepła (PC), pozyskującymi energię niskotemperaturową z OWC. Zgodnie z przyjętymi założeniami w rozprawie doktorskiej skupiono się na wykonaniu w jednym cyklu badawczym kilku pomiarów oporności termicznej OWC. Kolejne etapy w jednym cyklu badań różniły się od siebie wartością dostarczanej mocy i strumienia objętości przepływającego nośnika ciepła. Weryfikując ilość możliwej do przekazania energii z górotworu do PC za pośrednictwem OWC należy uwzględnić (Śliwa i in., 2011b): . głębokość wykonanego OWC,. . konstrukcję OWC,. . rodzaj zaczynu uszczelniającego użytego do wypełnienia OWC,. . rodzaj i grubość ścianki materiału rur OWC,. . wzajemne położenie względem siebie przewodów OWC w przekroju poziomym,. . średnicę wykonanego otworu pod OWC,. . rodzaj i stopień kompakcji utworów skalnych otaczających OWC,. . stopień nasycenia wodą przewierconych warstw skalnych,. . prędkość horyzontalnego przepływu wód podziemnych,. . głębokość usytuowania statycznego poziomu wód w górotworze. Mnogość czynników, które mają znaczący wpływ na ilość możliwej wymienianej. mocy cieplnej z górotworem poprzez OWC uniemożliwia jednoznaczną liczbową weryfikację określającą zespół OWC-górotwór. Dlatego autor pracy w niniejszej rozprawie zaproponował alternatywny do stosowanego obecnie sposób określenia parametrów pracy OWC przy pomocy funkcji zależnej od strumienia objętości i wymienianej mocy przez OWC. Podczas 8 lat prowadzenia różnych pomiarów, obserwacji i opracowań dotyczących OWC autor samodzielnie wykonał kilkadziesiąt badań TRT. Badania opisane w rozprawie przeprowadzono w Laboratorium Geoenergetyki Wydziału Wiertnictwa, Nafty i Gazu Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, powstałego jako rezultat Projektu BadawczoRozwojowego nr 0900503 realizowanego w latach 2007-2010 pod kierownictwem prof. dr. hab. inż. Andrzeja Goneta oraz częściowo dzięki środkom finansowym pochodzącym z Grantu Dziekańskiego nr 11.190.555.623. Strona 6.

(7) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. 2. Wykorzystanie otworowych wymienników ciepła jako elementów pośredniczących w wymianie energii cieplnej pomiędzy górotworem, a odbiornikami na powierzchni terenu Zaopatrzenie gospodarstw domowych oraz obiektów użyteczności publicznej w źródło energii służące do ogrzewania pomieszczeń jest jednym z głównych priorytetów inwestorskich. Rosnąca świadomość społeczna, jak także ograniczenia prawne nakazują poszukiwanie coraz bardziej efektywnych sposobów racjonalizacji gospodarowania energią, jak i kierowanie się ku odnawialnym źródłom energii. Jednym z rodzajów instalacji grzewczych coraz częściej rozważanym podczas budowy lub remontu budynku jest węzeł grzewczy wyposażony w pompę ciepła (PC) współpracującą z otworowymi wymiennikami ciepła (OWC). Tego typu instalacje cały czas pozostają mało konkurencyjne w porównaniu z kotłami gazowymi czy olejowymi. Wzrost atrakcyjności instalacji opartych na OWC może jednak nastąpić w przypadku zwiększenia efektywności OWC i obniżenia kosztów eksploatacji układu grzewczego (Sapińka-Śliwa, i in., 2007). Spośród typów pomp ciepła dostępnych na rynku największą popularnością cieszą się PC typ glikol-woda. Konstrukcja i sposób działania urządzenia tego typu zakłada pobieranie energii niskotemperaturowej przez cyrkulujący w dolnym źródle (DZC) niezamarzający płyn przekazujący ciepło do parownika PC. Kolejno obieg termodynamiczny przy wykorzystaniu energii elektrycznej podnosi wartość temperatury pobranej energii i przekazuje ją do skraplacza (Rubik, 1996). W skraplaczu następuje ogrzanie wody zaopatrującej w ciepło odbiorcę, czyli układ ogrzewania w budynku. W ostatnim ogniwie instalacji grzewczej zwanego inaczej górnym źródłem ciepła (GZC) realizowane jest rozprowadzenie ciepła do poszczególnych punktów odbioru. Nazwa zwyczajowa tego typu PC glikol-woda pochodzi od rodzaju płynów krążących w DZC i GZC. Jednocześnie w układzie takim można wyodrębnić 3 elementy, od których zależy efektywność działania całej instalacji (rys.2.1): . DZC,. . PC,. . GZC.. Strona 7.

(8) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. Górne źródło ciepła. Energia elektryczna. Pompa ciepła. Dolne źródło ciepła. Rys.2.1. Schemat instalacji grzewczej opartej o PC. Głównym czynnikiem wpływającym na koszt eksploatacji tego typu instalacji jest uzyskiwany współczynnik wydajności grzewczej (COP) wyrażony wzorem (Brodowicz, i in., 1990). COP   PC . Tgz Tgz  Tdz. (2.1). gdzie: ηPC – sprawność mechaniczna pompy ciepła – ηPC  ( 0 ,4  0 ,7 ) , (Zalewski i in., 2001), Tgz – temperatura górnego źródła ciepła, K, Tdz – temperatura dolnego źródła ciepła, K. Niska wartość tego współczynnika wymusza zużywanie większej ilości energii elektrycznej niezbędnej do napędu PC. Na etapie projektowania instalacji powinno dążyć się do takiego doboru wielkości i parametrów roboczych elementów instalacji, aby koszt eksploatacji był jak najniższy. Wartość COP rośnie wraz z: . wzrostem sprawności mechanicznej pompy ciepła,. . zmniejszeniem wartości temperatury czynnika ogrzewającego budynek,. . zwiększeniem wartości temperatury nośnika energii cyrkulującego w instalacji OWC. DZC. Sprawność PC aktualnie będących w sprzedaży w zależności od typu i zastosowanych elementów głównych (silnika, sprężarki, parownika, skraplacza, zaworu rozprężnego, sterownika urządzenia) wynoszą od 0,4 do 0,7. Wraz ze wzrostem sprawności cena PC rośnie. Typowa sprawność dla urządzeń aktualnie dostępnych na rynku średniej klasy cenowej wynosi 0,5 ÷ 0,55. W praktyce instalatorskiej przyjmuje się, że parametr ten przez cały czas eksploatacji instalacji grzewczej pozostaje na stałej wartości i nie ulega zmianie w funkcji Strona 8.

(9) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. czasu, strumienia przepływającego nośnika ciepła w DZC i w GZC, czy też temperatury poszczególnych źródeł. Instalacje montowane wewnątrz budynków wykorzystujące ciepło wytwarzane przez PC charakteryzują się temperaturą pracy w zakresie od 30 do 60ºC. Zaprojektowanie systemu dostarczania ciepła do budynku współpracującego z PC na poziomie 50÷60 ºC powoduje uzyskiwanie niskich wartości COP  ( 2  2,5) w konsekwencji czego zużycie energii elektrycznej jest znaczne (Rybach, 1998). Powoduje to obniżenie konkurencyjności instalacji względem tradycyjnych układów wykorzystujących spalanie paliw kopalnych. Uzyskanie satysfakcjonujących wartości COP wymaga dobrania takich parametrów pracy GZC, w których temperatura wystarczy do przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz ogrzania pomieszczeń. Redukcja wartości temperatury w górnym źródle wymaga zastosowania w. budynkach. dużej. powierzchni. elementów. przekazujących. energię.. Najlepszym. rozwiązaniem pozwalającym wykorzystać znaczną powierzchnię jest stosowanie systemu ogrzewań podłogowych, dedykowany do pracy przy niskich parametrach DZC rzędu 25÷35 ˚C. Atutem tego typu instalacji jest niska temperatura czynnika grzewczego, co pozwala zwiększyć COP nawet do wartości (5÷6) i obniżyć koszt zużywanego prądu przez PC. Nie zaleca się stosowania instalacji opartych na PC w budynkach bez termoizolacji oraz wyposażonych w tradycyjną instalację zaopatrywania w ciepło (Śliwa i in., 2016). Trzecim czynnikiem wpływającym na COP jest temperatura pracy DZC, za którą przyjmuje się temperaturę nośnika ciepła krążącego w OWC. Wzrost temperatury czynnika płynącego wewnątrz OWC jest możliwy przy tej samej ilości wymienianej energii jeśli poprawie ulegnie konstrukcja wymiennika. Sytuacją, do której należy dążyć jest osiągnięcie jak najmniejszego oporu termicznego OWC oraz wyeliminowanie zjawiska przenikania ciepła pomiędzy przewodami. Typowymi parametrami pracy dolnego źródła jest temperatura nośnika ciepła o wartości -5÷5 ºC. Wzrost wartości tej temperatury wpływa korzystnie na zwiększenie wartości COP. Weryfikacja możliwych do uzyskania parametrów pracy OWC oraz otaczającego go górotworu jest możliwa przez przeprowadzenie badania testu reakcji termicznej (TRT). Standardowo wykonywane TRT zakładają uzyskanie informacji na temat: . wartości współczynnika przewodności cieplnej skał otaczających OWC,. . oporu termicznego OWC. Przeprowadzana procedura TRT nie daje odpowiedzi co do charakterystyki. wymiennika w funkcji zmieniającej się wymienianej mocy, czy też strumienia przepływającego nośnika ciepła. Wyznaczenie drugiego z tych parametrów wymaga Strona 9.

(10) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. znajomości wartości średniej temperatury profilu przewierconych skał. Do wyznaczenia tej wartości należy używać dodatkowego przyrządu np.: wrzutowego miernika temperatury lub posłużyć się średnią wartością temperatury nośnika ciepła zmierzoną przed rozpoczęciem fazy grzewczej badania TRT. 2.1. Metody udostępnienia i zagospodarowania energii cieplnej zakumulowanej w górotworze Najefektywniejszą, ale i jedną z droższych metodą udostępniania ciepła z skorupy ziemskiej jest eksploatacja wód termalnych. Nie jest jednak możliwa do zastosowania wszędzie, gdyż wymaga specyficznej budowy geologicznej, znacznych nakładów inwestycyjnych oraz pozwoleń prawnych. Najprostszym sposobem udostępnienia ciepła zawartego w wodach wgłębnych jest eksploatacja jednootworowa z odprowadzaniem wykorzystanej wody do cieków powierzchniowych (Gonet i in., 2010). Odwiert eksploatacyjny może dostarczać wodę pełnym przekrojem lub przez rury wydobywcze. Brak ponownego zatłaczania wody do złoża po odebraniu od niej ciepła zmniejsza koszty inwestycyjne. Wskazać tu jednak należy ewentualną możliwą degradację środowiska naturalnego. wodami. zmineralizowanymi.. Lepszym. rozwiązaniem. ze. względu. na. podtrzymywanie energii złożowej jest zasilanie warstwy wodonośnej tą samą woda, po odebraniu od niej energii. Działanie takie zmniejsza zasięg leja depresyjnego wokół studni czerpalnej (Gonet i in., 2004). Należy wspomnieć, że eksploatacja takiego układu wymaga pozwolenia wodno prawnego, gdyż zgodnie z literą prawa bez zezwoleń możliwy jest pobór do 5m3/dobę. Pozyskując większy strumień objętości wody należy liczyć się również z opłatą za eksploatacje wody (Sapińska-Śliwa i in., 2011). System geotermalny zawierający jeden odwiert może pracować jako układ eksploatacyjno-chłonny. W układzie takim eksploatacja odbywa się np.: poprzez rury wydobywcze, a zatłaczanie realizowane jest przestrzenią pierścieniową (między rurami okładzinowymi, a rurami wydobywczymi). Horyzonty eksploatowany i chłonny oddzielone są pakerami. Na odcinku skał zbiornikowych, zarówno warstwy eksploatowanej, jak i chłonnej stosuje się rury perforowane, filtry, albo pozostawia się bosy otwór. Jeśli budowa geologiczna polega. na. występowaniu. formacji. nieprzepuszczalnych,. oddzielających. warstwy. przepuszczalne, to pozwala to na selektywne wykorzystanie budowy geologicznej oraz na jednootworową eksploatację wód z jednego poziomu i zrzut do innego. Systemy geotermalne wielootworowe wykorzystują układ eksploatacji i zatłaczania, składający się z przynajmniej jednego odwiertu eksploatacyjnego i jednego odwiertu chłonnego. Woda termalna, od której zostało odebrane ciepło zatłaczana jest odwiertem Strona 10.

(11) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. chłonnym do złoża. Systemy takie wykorzystywane są najczęściej do eksploatacji wód termalnych zmineralizowanych (Śliwa i in., 2016). System typu gorąca sucha skała pozwala na wykorzystanie ciepła zawartego w nieprzepuszczalnych suchych skałach wulkanicznych i metamorficznych. Warunki odbioru ciepła nie są więc w tym systemie szczególnie uwarunkowane występowaniem warstw przepuszczalnych i nieprzepuszczalnych. Koncepcja eksploatacji takiego systemu polega na wymuszonym i zamkniętym obiegu wody w naturalnym i przepuszczalnym zbiorniku geologicznym lub w zbiorniku, w którym strefa szczelinowa została wytworzona w sposób sztuczny, na przykład za pomocą szczelinowania hydraulicznego lub wykonania wielu otworów o małej średnicy np.: z wykorzystaniem wierceń strugą cieczy. W systemie tym woda wprowadzana jest przez otwór wiertniczy do nagrzanych zeszczelinowanych skał o wysokiej przepuszczalności. Drugim odwiertem wydobywana jest na powierzchnię gorąca woda (Gonet i in., 2010). Innym sposobem odbierania ciepła od wód podziemnych jest zagospodarowanie wody pochodzącej z odwodnienia czynnych kopalń (Bujakowski i in., 2005) lub zlikwidowanych (Złotkowski i in., 2011). Zazwyczaj wraz z likwidacją kopalń wyrobiska górnicze zostają zatopione i stanowią olbrzymi rezerwuar ciepłych wód. Ich temperatura głównie zależy od głębokości wyrobisk kopalnianych i parametrów fizyczno-mechanicznych górotworu. Istnieją realne możliwości łatwego i efektywnego pozyskiwania ciepła zgromadzonego w tego typu obiektach. W tym celu mogą zostać wykorzystane istniejące szyby w kopalni lub specjalnie wywiercone otwory. Woda z nieczynnych kopalni po oddaniu części ciepła zostaje ponownie wtłoczona do wyrobisk górniczych i krąży w obiegu zamkniętym ogrzewając się od otaczającego górotworu lub zrzucana jest do cieków powierzchniowych. Wszystkie powyżej opisane sposoby wymagają znacznych nakładów finansowych lub dotrzymania skomplikowanych procedur prawnych. Instalacje oparte na PC, aby konkurować z innymi sposobami zaopatrzenia budynków w ciepło muszą być efektywne, proste i tanie. Dlatego największą popularność zyskały instalacje OWC, które wymieniają ciepło z górotworem wykluczając kontaktowanie się nośnika ciepła z wodami podziemnymi. Eksploatacja instalacji OWC nie wymaga pozwoleń wodno-prawnych ani planu ruchu zakładu górniczego (Złotkowski, 2009). Wykonując OWC do 100m wymagane jest zgłoszenie planu prac geologicznych do odpowiedniego wydziału Urzędu Miejskiego lub Powiatowego. W przypadku braku decyzji odmownej w ciągu 6 tygodni inwestor może przystąpić do realizacji inwestycji.. Strona 11.

(12) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. 2.2. Instalacje umożliwiające wymianę ciepła z górotworem Konstrukcje. wymienników. ciepła. używanych. jako. dolne. źródło. instalacji. dostarczających energię do PC można podzielić na (Śliwa i in., 2016): . wymienniki. poziome,. wykonywane. jako. instalacja. z. przewodu. rurowego,. usytuowanego pod powierzchnią gruntu, zazwyczaj na głębokości od 1 do 3 m, . wymienniki otworowe pionowe, składające się z przewodów zapuszczonych do. otworu wiertniczego na głębokość do 180 m (typowe instalacje), . ukośne OWC względem powierzchni terenu. Wymienniki poziome znajdują zastosowanie w instalacjach o mocy do 30 kW. i odznaczają się dużą zmiennością parametrów pracy w cyklu rocznym. Wynika to ze znacznego ochłodzenia gruntu otaczającego przewody. Wychłodzenie postępuje na skutek eksploatacji instalacji oraz naturalnego przemarzania gruntu. W konsekwencji dolne źródło tego typu jest mniej stabilne w porównaniu z pionowymi OWC. Odznacza się ono jednak mniejszymi nakładami inwestycyjnymi oraz gorszym parametrem COP (Kopeć i in., 2015). Wymienniki otworowe pionowe dają możliwość uzyskania większej mocy grzewczej DZP z małej powierzchni. W tej sytuacji jako magazyn ciepła przyjąć można górotwór otaczający. OWC.. W. przypadku. większej. liczby. OWC,. rozmieszczonych. w z góry zaplanowanej siatce, zakłada się, iż górotwór znajdujący się wewnątrz zewnętrznego obrysu siatki otworów stanowi rdzeń magazynu ciepła (Bujok i in., 2010, Bujok i in., 2012). Nie należy jednak zapominać o obszarze poza terenem siatki otworów, który również spełnia powyższą role, a ponadto w przypadku obniżenia temperatury rdzenia baterii OWC dostarcza energię z obszarów o wyższej temperaturze, znajdujących się na zewnątrz grupy wymienników. Moce uzyskiwane z grupy wymienników otworowych wahają się w przedziale od kilku do kilkuset kW, co praktycznie daje możliwość dopasowania wielkości DZC do instalacji grzewczej budynku każdej kubatury (Śliwa i in., 2011). Moc DZC zbudowanego z OWC zależy od współczynnika przewodności cieplnej skał otaczających OWC, konstrukcji, wykonania, parametrów pracy oraz od łącznej długości przewodów zainstalowanych w wywierconym otworze. Regeneracja magazynu gruntowego wokół OWC może zachodzić samoistnie, poprzez wydobywanie się energii z głębi ziemi i dopływ z obszarów sąsiadujących z OWC lub też na skutek magazynowania ciepła w górotworze, oddawanego z instalacji chłodniczej budynku w okresie letnim (Śliwa i in., 2012). Energia ta pozyskiwana być może z budynków sposób bierny lub w sposób aktywny z wykorzystaniem PC jako urządzenia dostarczającego chłód do pomieszczeń. Strona 12.

(13) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. Wykonując większą liczbę obiegów wymienników gruntowych lub OWC konieczne jest właściwe połączenie ze sobą poszczególnych pętli instalacji, tak aby wszystkie OWC wykorzystywać efektywnie, a zarazem minimalizować koszty inwestycyjne związane z przyłączeniem OWC do PC (Złotkowski, 2009). Jeśli liczba wykonanych OWC jest znaczna, grupowego połączenia wymienników dokonuje się łącząc wszystkie w sposób równoległy (rys. 2.2.e) z kolektorem. Sposób ten zakłada wyprowadzenie z jednego węzła przewodów o takiej samej długości. Można również zastosować połączenie Tischelmana (rys. 2.2.f), stopniowo od długiego kolektora odprowadzając poszczególne przewody do wymienników. Obwody, których konstrukcja została opisana powyżej wymagają zastosowania jednej pompy obiegowej. a). b). c). PC. PC. PC. d). e). PC. PC. f). g). PC. PC. Rys. 2.2. Schematy połączeń pompy ciepła z wymiennikami ciepła a) połączenie szeregowe pojedyncze wymiennika gruntowego; b) połączenie szeregowe kilku równoległych obiegów wymienników gruntowych; c) połączenie wymiennika gruntowego równoległego w układ Tichelmana; d) połączenie kilku OWC bezpośrednio z pompą ciepła; e) połączenie OWC równoległe; f) połączenie OWC w układ Tischelmana; g) połączenie grup OWC w układ Tichelmana (Złotkowski, 2009). Obiekty o większej kubaturze, w których planuje się zainstalowanie więcej niż jednej pompy ciepła mogą również korzystać z poszczególnych grup OWC. Konieczność rozdzielenia pracy poszczególnych grup występuje np. w miesiącach letnich, kiedy jedna pompa ciepła może zaopatrywać budynek w ciepłą wodę użytkową, natomiast druga w tym Strona 13.

(14) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. czasie pozostawać wyłączona. Ewentualność taka możliwa jest tylko wtedy, gdy każda z grup zasilana jest oddzielnym kolektorem zbiorczym nośnika ciepła. Wówczas każdy zespół wymienników posiada własną pompę obiegową (Śliwa i in., 2011c). Rozwój budownictwa i sięganie po tereny o niskich wartościach parametrów geomechaniczych zmusza projektantów i wykonawców do stosowania nowoczesnych metod wzmacniania ośrodka gruntowego. Posadowienie budowli na palach nośnych jest jedną z nowoczesnych metod wykonywania fundamentów. Aktualnie wykonywanie pali fundamentowych jest bardzo popularne w budownictwie, szczególnie w rejonach zurbanizowanych (Stryczek i in., 2000). Coraz częściej przy budowie obiektów posadowionych na palach wykorzystuje się je jako „filary energii” zwane też termopalami. Są one rodzajem pionowego OWC, służącego do pobierania niskotemperaturowego ciepła z górotworu. Zazwyczaj średnice pali z reguły wahają się od 0,4 do 1 metra. Przykładem tego typu pali może być fundament Archiwum Narodowego wznoszonego w Krakowie, w którym płyta denna wyposażona jest w kilkadziesiąt takich termopali o konstrukcji opartej na dwuteowniku dodatkowo poprawiającym wymianę ciepła z górotworem (Śliwa i in., 2017e). W trakcie wykonywania pala nośnego, przed jego zalaniem betonem, wyposaża się go w układ rur służących wymianie ciepła pomiędzy krążącym w nich cieczą, a górotworem. W palach najczęściej stosuje się instalacje w kształcie u-rury. W klasycznych układach rury z polietylenu przyczepione są do zbrojenia z prętów żebrowanych. Znacznie lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie profili dwuteowych, których półki pełnią rolę żebra transportującego ciepło podczas przekazywania energii do otoczenia. Spośród najpopularniej wykonywanych OWC wyróżnia się dwa rozwiązania: z pojedynczą lub podwójną u-rurą. Korzystniejszym rozwiązaniem jest stosowanie podwójnej u-rury, ponieważ zapewnia ona większą o około 15-25% efektywność wymiany ciepła z otoczeniem w stosunku do u-rury pojedynczej (Śliwa i in., 2017e). Opisane rozwiązanie posiada wady polegające na skomplikowanej budowie i wykonaniu pali, obserwowane w trudnościach uszczelnienia płyty dennej, która często znajduje się poniżej zwierciadła wód gruntowych. Powoduje to podwyższenie kosztów realizacji inwestycji. Nie mniej łączne koszty wykonania zarówno pali fundamentowych jak i OWC mogą być większe niż koszty realizacji opisanych termopali, co przemawia za ich zastosowaniem. Na świecie prowadzone są badania na temat termicznie ulepszonych materiałów uszczelniających o jak najmniejszej oporności termicznej (Sapińska-Śliwa i in., 2012). Pozwala to na zwiększenie efektywności wymiany ciepła w termopalach. Zaczyn Strona 14.

(15) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. uszczelniający wypełniający OWC powinien zapewnić dobre właściwości uszczelniające, dobrą przewodność cieplną i przetłaczalność (Stryczek i in., 2010). Osiągnięcie odpowiednich parametrów dla zaczynu uszczelniającego w fazie płynnej musi uwzględniać jednocześnie zachowanie minimalnych wymaganych wartości wytrzymałościowych dla stwardniałego zaczynu. Związany zaczyn powinien charakteryzować sie długoterminową trwałością oraz odpornością na wypłukiwania przez wody nasycające warstwy (Małolepszy i in., 2000). 2.3. Zastosowanie górotworu jako rezerwuaru energii Eksploatacja ciepła zmagazynowanego w górotworze wiąże się z ciągłym zaczerpywaniem energii nagromadzonej w skałach i wodzie wypełniającej pory skał (rys. 2.3) (Wieczysty, 1992). Należy się więc spodziewać, iż podczas pobierania energii górotwór będzie stopniowo ochładzany, a ciepło z coraz bardziej oddalonych rejonów górotworu o wyższej temperaturze przekazywane będzie ku OWC, pobierającym energię z górotworu. Wyrównywanie temperatur wewnątrz ziemi jest zjawiskiem naturalnym i zgodnym z II prawem Fouriera (Hart i in., 1986, Wiśniewski i in., 1997). Energia cieplna górotworu pochodzi z: . głębi ziemi oraz sąsiadujących obszarów o temperaturze wyższej niż utwory. otaczające OWC, . promieniowania słonecznego oraz powietrza atmosferycznego,. . odpadowej energii dostarczanej do górotworu za pomocą gruntowych i otworowych. wymienników ciepła. 8 7. 1. 5. 2. 3. 4. 6. Rys. 2.3. Dostarczanie ciepła do górotworu: 1 – wymiennik gruntowy, 2 – OWC oddający ciepło do górotworu, 3 – OWC pobierający ciepło z górotworu, 4 – wsiąkająca woda deszczowa, 5 – energia promieniowania słonecznego, 6 – energia z głębi ziemi, 7 – promieniowanie słoneczne, 8 – opady atmosferyczne (Złotkowski, 2009). Strona 15.

(16) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. Temperatura górotworu rośnie wraz ze wzrostem głębokości. Jest to związane z wydobywaniem się z głębi ziemi ciepła pochodzącego z energii cieplnej wytworzonej w czasie powstawania Ziemi, jak również generowanej na bieżąco w wyniku rozpadu pierwiastków promieniotwórczych. Można przyjąć, że do głębokości od 7 do 27 m następuje zmiana temperatury w cyklu rocznym (Plewa, 1994). Głębiej temperatura średnio na każde 33 m przyrostu głębokości dla warunków Polski podnosi się średnio o 1K. Wynikiem tego jest utrzymywanie się na głębokości 100 ÷ 200 m stałej temperatury w przedziale 283 ÷ 287 K. Odebranie energii za pomocą OWC wymusza wzmożony przepływ energii ku powierzchni terenu, tym samym regenerując gruntowy magazyn ciepła. Intensywność wyrównania temperatury jest uwarunkowana współczynnikiem przewodności temperaturowej skał, z których zbudowany jest górotwór w danym miejscu. Strumień ciepła wydostający się z głębi ziemi zależy od współczynnika przewodności skał zalegających poniżej, gradientu temperatury i ich ułożenia. Przyjmuje się, że strumień cieplny waha się w szerokich granicach i wynosi dla rejonu Polski od 40 do 100 mW/m2 (Śliwa i in., 2016). Promieniowanie słoneczne nieustannie dostarcza do powierzchni gruntu energię. Strumień energii w zależności od pory roku, zachmurzenia jak i pory dnia zawiera się w szerokim przedziale. Dla Polski południowej przyjmuje się, że do powierzchni poziomej dociera w ciągu roku około 1000 (kW·h)/m2, co daje średnią roczną wartość 2,74 (kW·h)/(24·h·m2) (Sapińska-Śliwa i in., 2007). Wnikanie energii pochodzącej z promieniowania słonecznego w ciągu dnia nagrzewa powierzchniowe warstwy gruntu. Jako, że prędkość przenikania ciepła powodowana przez kondukcję jest niewielka, istotną rolę posiada woda deszczowa, która wsiąkając i przepływając między ziarnami gruntu transportuje energię z warstw zewnętrznych w głąb górotworu. Regeneracja energii gruntu odbywa się tylko wtedy, jeśli temperatura zewnętrzna powietrza jest wyższa niż temperatura poniżej powierzchni Ziemi. W przeciwnym wypadku ciepło z magazynu gruntowego przenika bezpowrotnie do atmosfery. Zdarzenie takie ma miejsce, kiedy w dzień dość silnie nasłoneczniony zachodzi ogrzewanie powierzchni terenu, a. następnie. występuje. intensywne. wychłodzenie. w. nocy.. Energia. pochodząca. z promieniowania słonecznego powoduje sezonowe zmiany temperatury do głębokości od 7 do 20 m i nie jest w stanie regenerować głębiej zalegających utworów skalnych bez udziału przepływających wód podziemnych. Aby sztucznie wymusić przepływ energii pochodzącej z promieniowania słonecznego w głąb górotworu zasadne wydaje się wytworzenie przepływu wody, która warstwach przypowierzchniowych szybko wnika w głąb ogrzewając się, Strona 16.

(17) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. a następnie oddaje energię głębiej położonym warstwom chłodniejszym. W naturalnej przypadku infiltracji wód z opadów atmosferycznych zjawisko to zachodzi tylko do głębokości pierwszej warstwy nieprzepuszczalnej. Niekiedy, w specyficznym ułożeniu warstw skalnych woda z opadów przez wychodnie utworów przepuszczalnych może przenikać na większe głębokości. Wymienniki ciepła zarówno otworowe jak i gruntowe pracując w trybie oddawania ciepła do górotworu powodują jego nagrzewanie (Śliwa i in., 2007). Proces ten jest możliwy do czasu, dopóki temperatura skał otaczających OWC jest niższa od temperatury nośnika ciepła wpływającego do tego wymiennika. Ciepło oddawane do górotworu pochodzi zazwyczaj z instalacji klimatyzujących budynki, utrzymujących temperaturę obiektów w miesiącach letnich na wymaganym, niskim poziomie. Energia odpadowa pochodzić może również z urządzeń ziębniczych wykorzystywanych w przemyśle rolno – spożywczym (Gonet i in., 2010). OWC zapewniając odpowiednio niską temperaturę, mogą pracować w trybie pasywnym, tzn. zapewniać dostateczną ilość chłodu bez udziału pomp ciepła czy agregatów chłodniczych, jak również w trybie aktywnym, dostarczając do górotworu ciepło uzyskiwane w skraplaczu pompy ciepła (Rubik, 1996, Rybach, 1999). W pierwszym przypadku możliwa do uzyskania temperatura cieczy zatłaczanej do OWC posiada temperaturę nieco niższą od temperatury wewnątrz budynków. Drugi przypadek umożliwia uzyskanie temperatury takiej, jaką wytwarza pompa ciepła czy urządzenie chłodnicze w obiegu skraplacza (Śliwa i in., 2011d). Ilość energii możliwa do odprowadzenia do magazynu gruntowego w perspektywie nieskończonego czasu jest nieograniczona, a intensywność jej odprowadzania uzależnia ilości energii oddawanej przez OWC w jednostce czasu oraz od temperatury zasilającego nośnika ciepła. Górotwór zbudowany jest ze skał zalegających pod powierzchnią terenu, o różnym stopniu porowatości. Poza nielicznymi wyjątkami, skalne otwarte przestrzenie porowe utworów zalegających poniżej zwierciadła wód gruntowych (strefa saturacji) wypełnione są cieczą. Utwory zalegające powyżej tego poziomu (strefa aeracji), w zależności od rodzaju minerałów jakie je tworzą, grubości frakcji z jakiej są zbudowane, domieszki materiału organicznego, ilości opadów w danej strefie klimatycznej oraz nasłonecznienia, posiadają wilgotność wahającą się w bardzo szerokich granicach. W warunkach geologicznych występujących w Polsce przeważający obszar przykryty jest utworami czwartorzędowymi. Ze względu na charakterystykę występujących w nich skał zwierciadło wód gruntowych utrzymuje się na poziomie od powierzchni terenu do kilku metrów w głąb. W wyniku tego Strona 17.

(18) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. przestrzeń porowa przewiercanych skał poniżej strefy aeracji w interwale wykonywanych OWC w całości nasycona jest wodą. Z kolei ze względów klimatycznych w Polsce, występujących pór roku, opadów deszczu i śniegu utwory w strefie aeracji odznaczają się zmienną wilgotnością (Śliwa i in., 2012).. Przydatność górotworu jako rezerwuaru energii cieplnej jest tym większa, im jednostka objętości skały posiada większą pojemność cieplną. Na pojemność cieplną skał silny wpływ wywiera zawartość wody w skale. Woda posiada znacznie większą pojemność cieplną niż szkielety skał powodując wzrost pojemności cieplnej górotworu. Ilość ciepła możliwego do sczerpania z jednostki objętości skał nasyconych w całości wodą obliczyć można z wzoru (Sapińska-Śliwa, 2009):. Q  Vg  ( T2  T1 )   s  CVw  ( 1   )  CV . (2.2). lub, gdy skały pozostają w pewnym stopniu nasycenia wodą:. Q  Vg  ( T2  T1 )  s  CVw  Sw  ( 1   )  CV . (2.3). gdzie: Vg – objętość górotworu, m3, T1 – temperatura górotworu przed zakłóceniem pola temperatury, K, T2 – temperatura górotworu po pobraniu energii, K, φs – współczynnik porowatości, CV – ciepło właściwe szkieletu skalnego, J/(m3·K), CVw – ciepło właściwe wody, J/(m3·K), Sw – stopień wilgotności. Dodatkowo czynnikiem warunkującym regenerację i akumulację ciepła w górotworze jest gromadzenie w miejscu depozycji. Warunki hydrogeologiczne, rozumiane jako horyzontalny przepływ wód podziemnych może zarówno posiadać pozytywne jak i negatywne aspekty. W przypadku wykorzystywania górotworu jako źródło energii niskotemperaturowej bez uwzględnienia regeneracji zasobów ciepła w górotworze bardziej korzystnie jest, gdy przepływająca woda podziemna regeneruje temperaturę odbieraną od skał przez OWC (Śliwa i in., 2016d). Uwarunkowania takie są niekorzystne, jeżeli planowane jest przekazywanie ciepła z instalacji klimatyzacyjnej z perspektywą ponownego wykorzystania w sezonie grzewczym. Dla takiego przedsięwzięcia bardziej korzystne są warunki hydrogeologiczne, w których nie występuje przepływ poziomy wód (prędkość przepływu wód jest równa od ok. 1 mm do kilku cm na rok).. Strona 18.

(19) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. Decydując się na wykonanie instalacji wykorzystującej ciepło geotermii niskiej entalpii, w zasadzie nie ma się wpływu na rodzaj budowy wgłębnej górotworu czy uwarunkowań hydrogeologicznych. W miejscu inwestycji buduje się obiekt, do którego dopasowuje się instalację grzewczą odpowiadającą zapotrzebowaniu obiektu na centralne ogrzewanie oraz ciepłą wodę użytkową. Wynika z tego, że w gestii projektanta pozostaje właściwy dobór i wykonanie OWC zapewniających należyty transport energii pomiędzy PC i górotworem. Poprawność zaprojektowania instalacji i parametrów pracy może być tym trafniejsza, im więcej informacji o specyfice OWC zostanie pozyskane podczas badania TRT (Witte, 2002a, Martin, 2002). Dotychczas. moc. OWC. obliczana. jest. przy użyciu. wyników. uzyskanych. z jednoetapowego TRT z wzorów (Barthel, 2005): P  20    H ,W. (2.4). P  ( 13    10 )  H ,W. (2.5). gdzie: H – głębokość OWC, m λ – współczynnik przewodności cieplnej wyznaczony w badaniu TRT OWC, W/(m ∙ K) Wzory te zakładają wpływ na moc OWC współczynnika przewodności cieplnej skał oraz głębokości. Pomijają takie parametry jak oporność termiczna OWC, temperatura górotworu w stanie ustabilizowanym oraz parametry robocze PC. W tej sytuacji celowe wydaje się opracowanie wzoru ujmującego wszystkie wielkości fizyczne wpływające na moc OWC, co zostało opisane w rozdziale 8.. Strona 19.

(20) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. 3. Przykłady konstrukcji otworowych wymienników ciepła OWC wykonywane są jako elementy pośredniczące w przekazywaniu energii niskotemperaturowej pomiędzy odbiornikiem na powierzchni terenu, a rezerwuarem energii, czyli górotworem. W uproszczeniu ich budowę można przedstawić jako przewód hydrauliczny doprowadzający nośnik ciepła na dno otworu i z powrotem na powierzchnię. Przewód ten w celu lepszego przewodzenia ciepła, powinien być otoczony i skonsolidowany ze ścianą otworu zaczynem uszczelniającym. Najpopularniejszą występującą na rynku, a zarazem najprostszą w wykonaniu i najtańszą konstrukcją OWC jest instalacja u-rury z tworzywa sztucznego, najczęściej polietylenu o średnicy zewnętrznej 40 mm. Przestrzeń pomiędzy ścianą otworu, a przewodami wypełnia się zaczynem uszczelniającym. Otwór przeznaczony na OWC charakteryzuje się średnicą od 120 do 170 mm i głębokością od 30 do 180 m. Przewody wymiennika utrzymywane są w stałej odległości od siebie wynoszącej od 50 do 100 mm, mierzonej pomiędzy ich osiami. Ze względu na ograniczenia technologiczne i dostępność handlową materiałów najczęściej na przewody wymiennika stosowane są rury polietylenowe występujące pod nazwą handlową HDPE, o grubości ścianki od 3,1 do 3,8 mm i przewodności cieplnej 0,45 W/(m∙K). Wykonanie wymiennika polega na odwierceniu otworu, umieszczeniu w otworze przewodów rurowych wymiennika, a następnie wypełnieniu otworu od spodu zaczynem uszczelniającym. Przewody hydrauliczne wypełnia nośnik ciepła, najczęściej roztwór glikolu propylenowego (Śliwa i in., 2005, Gonet i in., 2008, Śliwa, i in., 2011d). 3.1. Typy otworowych wymienników ciepła Wykonanie OWC i dobranie odpowiedniej ich konstrukcji wynika z zasobności portfela inwestora, z ilości dostępnego miejsca do wykonania OWC oraz z zapotrzebowania na moc dostarczaną z dolnego źródła (Śliwa i in., 2007). Na rynku polskim wykonywanych jest kilka typów OWC, które różnią się od siebie: . geometrią przewodów hydraulicznych,. . średnicą przewodów hydraulicznych i grubością ścianki,. . liczbą przewodów hydraulicznych,. . ukształtowaniem wewnętrznej powierzchni przewodów,. . techniką wykonania wymiennika (zapuszczenia rur),. . techniką wypełnienia wymiennika. Strona 20.

(21) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. Najczęściej do wykonywania OWC stosuje się ogólno dostępne przewody rurowe o kształcie kołowym. Na rynku instalacyjnym występują również przewody o specjalnym kształcie dedykowane do instalacji OWC. Innym jeszcze typem OWC jest wymiennik koncentryczny, w którym nośnik ciepła przestrzenią centralną kołową przepływa do dna, a następnie przestrzenią pierścieniową do powierzchni lub odwrotnie. Dzięki temu uzyskuje się znaczną powierzchnię kontaktu przewodu hudraulicznego ze ścianą otworu. Przewody rurowe używane na przewody OWC posiadają średnicę od 25 – 40 mm. Typowo wszystkie przewody zastosowane w wymienniku są tej samej średnicy. Modyfikacją konstrukcji wymienników w aspekcie poprawy ich sprawności może być zastosowanie przewodów o różnych średnicach oraz grubościach ścianek na całej długości przewodu lub tylko w części. Dzięki temu można zmniejszyć zjawisko przenikania ciepła miedzy przewodami oraz skrócić czas przepływu nośnika ciepła z dna wymiennika na powierzchnię. Liczba przewodów w OWC dla pojedynczej i podwójnej u-rury jest liczbą parzystą (2 lub 4). W przypadku OWC z wielokrotną u-rurą liczba przewodów doprowadzających nośnik ciepła na dno otworu oraz na powierzchnię może być różna. Ponadto średnice tych przewodów mogą być inne. Na szczególną uwagę zasługuje przypadek z zastosowaniem 3 przewodów, z czego 2 doprowadzają ciecz na dno tworu, a 1 na powierzchnię. W tym układzie uzyskuje się efekt powolnego przepływu nośnika ciepła do dna OWC, gdzie mona uzyskać najwyższą temperaturę, a następnie 1 przewodem wypływa na powierzchnię. W tym przypadku dodatkową korzyść odnosi się z powodu większej powierzchni wymiany ciepła przy wykonaniu średnicy otworu takiej, jak pod OWC o 2 przewodach. Wykonując OWC z 4 przewodami konieczne jest wiercenie otworu o większej średnicy, co podnosi koszty inwestycji (Śliwa i in., 2016). Na przewody OWC tradycyjnie stosowane są przewody rurowe o wewnętrznych gładkich ściankach. Poprawa wymiany ciepła na wewnętrznej powierzchni przewodów OWC realizowana jest poprzez wykonanie rowków zawirowujących przepływającą ciecz, a tym samym eliminację występowania strefy przyściennej odznaczającej się przepływem laminarnym. Jak wiadomo w strefie takiej prędkość przepływu cieczy jest równa 0, więc zjawiska wymiany ciepła nie są tak intensywne jak przy przepływie turbulentnym. W sprzedaży dostępne są rury z wykonanymi rowkami na powierzchni wewnętrznej oraz występujące pod nazwą turbokolektor. Przewody tego typu odznaczają się większymi oporami przepływu niż przewody gładkie.. Strona 21.

(22) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. Tradycyjnie wykonywany OWC uzbrajany jest w przewody rozwijane ze szpuli, o długości odpowiadającej głębokości otworu. Alternatywą dla takiej konstrukcji jest sposób zapuszczania rur okładzinowych zakładający zgrzewanie doczołowe kolejnych kawałków rur. Taka technologia wykonania OWC jest typowa dla wymiennika koncentrycznego, gdzie zewnętrzna i wewnętrzna rura lub tylko zewnętrzna łączona jest na placu budowy. Działanie takie jest trudne i pracochłonne, dlatego koncentryczne OWC nie znajdują szerokiego zastosowania w praktyce (Śliwa i in., 2011b). Uzbrojony OWC w przewody hydrauliczne dla uzyskania szczelności, odporności na czynniki mechaniczne oraz oddzielenia przewierconych poziomów wodonośnych należy od spodu przez rury płuczkowe lub dodatkowy przewód wypełnić zaczynem uszczelniającym (Śliwa i in., 2011). Jest to najlepsza praktyka spotykana na rynku wykonawców. Innym sposobem jest wypełnienie przestrzeni pomiędzy przewodami, a ścianą otworu zawiesiną ilastą ze żwirem, która uszczelnia, dobrze przewodzi ciepło, jednak nie jest odporna na uszkodzenia mechaniczne. Kolejnym rozwiązaniem, które nie pozwala uszczelnić poziomów wodonośnych jest wypełnienie otworu żwirem, pomiędzy którego ziarnami przepływa woda, często miedzy poziomami wodonośnymi. Praktyka taka zgodnie z polskim prawem jest zabroniona.. Wypełnienie. żwirowe. można. stosować. wyłącznie,. jeśli. otwór. w całości wykonany jest w skałach ilastych (nieprzepuszczalnych). Wymienniki wykonane w utworach tego typu czasem pozostawia się bez wypełnienia oczekując na samo zaciśnięcie otworu. Sposób taki nie daje gwarancji zabezpieczenia przewodów przed uszkodzeniem mechanicznym. W innych krajach (szczególnie skandynawskich), gdzie podłoże stanowią skały krystaliczne, przestrzeń pomiędzy przewodami i ścianą otworu wypełnia się wodą (Hellstrom i in., 1991, Gustafsson i in., 2008, Javed, 2010). Działanie takie w Polsce nie jest stosowane. 3.2. Wykonywanie otworowych wymienników ciepła Przystępując do wykonania OWC prace należy rozpocząć od wywiercenia otworu do zaprojektowanej głębokości. Obecnie do tego celu stosuje się (Gonet, i in., 2007a, Sauer i in., 2011, Stryczek i in., 2016): . wiercenie wrzecionowe na mokro,. . wiercenie przy użyciu młotka wgłębnego z płuczką powietrzną,. . wiercenie przy użyciu nadmienionych powyżej technik z jednoczesnym rurowaniem.. Strona 22.

(23) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. W zależności od liczby przewodów hydraulicznych, w które uzbrojony będzie przyszły OWC, średnice otworu wahają się od 120 – 180 mm. W przypadku wykonywania otworu na mokro najczęściej do wynoszenia zwiercin używa się płuczki bentonitowej lub samorodnej (Bielewicz, 2009). Kolejno po wykonaniu otworu do planowanej głębokości należy przygotować instalację hydrauliczną, która ma być zapuszczona do otworu. Instalacja taka składa się z przewodów hydraulicznych, łącznika (buta) oraz obciążnika zapewniającego opadanie przewodów na dno otworu. Poszczególne rury są zgrzewane termofuzyjnie z butem, dzięki czemu uzyskuje się obieg u – rury. Instalacje podwójne i wielokrotne wykonuje się podobnie, wykorzystują but o odpowiedniej liczbie przyłączy. Stałą odległość pomiędzy przewodami w otworze zapewniają centralizatory zwane w technologii OWC dystanserami (Złotowski, 2017a). Przed zapuszczeniem do otworu przewody napełniane są wodą lub wodnym roztworem glikolu propylenowego i poddawane próbie ciśnieniowej. Zapuszczenia przewodów dokonuje się pod ciśnieniem pchając za but u-rury przewodem płuczkowym. Inną możliwością instalowania przewodów hydraulicznych OWC jest samoopadanie pod wpływem siły ciężkości obciążnika. Technika ta, ze względu na częste zablokowania przewodów przed dojściem do dna otworu nie jest popularna. Tak wprowadzone przewody konsoliduje się z górotworem przy pomocy zaczynu uszczelniającego, którym od dołu wypełnia się OWC. Wypełnienie otworu realizowane jest przez przewód wiertniczy lub przez dodatkowy przewód wprowadzony do otworu. Zaczyn uszczelniający, wypełniający przestrzeń pomiędzy ścianą otworu i u – rurą powinien posiadać jak największy współczynnik przewodności cieplnej i zarazem dość szybko wiązać izolując nawiercone poszczególne horyzonty wód podziemnych. Wylot otworu najczęściej lokuje się w studzience, gdzie przy pomocy złączek hydraulicznych łączy się przewody wymiennika z dalszą instalacją (Śliwa i in., 2011, Śliwa, i in., 2012). 3.3. Materiały wykorzystywane do wykonania otworowych wymienników ciepła Wśród materiałów konstrukcyjnych stosowanych do wykonywania OWC są: . przewody rurowe z tworzywa sztucznego,. . zaczyn uszczelniający konsolidujący przewody wymiennika, wypełniający przestrzeń. pomiędzy ścianą otworu, a przewodami rurowymi, . wodny roztwór cieczy wypełniającej przewody wymiennika. Najczęściej na przewody stosuje się rury z tworzywa sztucznego dostępne w długich. odcinkach. Przemysł oferuje takie rury wykonane z polietylenu sieciowanego wysokiej Strona 23.

(24) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. gęstości oraz rury kompozytowe PEX-Al. Rury kompozytowe występują jednak w stosunkowo małych średnicach, dlatego też stosowane są np. przy wyposażaniu termopali w u-rurę średnicy 25mm. W tabeli 3.1. podano parametry fizyko-mechaniczne materiałów stosowanych na przewody OWC oraz innych alternatywnych materiałów w tabeli 3.2. Tabela 3.1. Właściwości fizyko-mechaniczne materiałów z których wykonuje się przewody gruntowych i otworowych wymienników ciepła (Złotkowski, 2009). Rodzaj materiału Polietylen wysokiej gęstości Polietylen średniej gęstości Polietylen niskiej gęstości Polietylen wysokiej gęstości sieciowany. Współczynnik przewodności cieplnej, W/(m·K). Moduł Younga, MPa. Oznaczenie handlowe. Gęstość, kg/m3. Temperatura mięknięcia, K. PE - HD. 0,95 – 0,96. 343. 0,45. 900. PE - MD. 0,94 – 0,95. 333. 0,40. 800. PE - LD. 0,91 – 0,93. 313. 0,35. 600. PE - X. 0,93 – 0,96. 353. 0,40. >900. Tabela 3.2. Współczynnik przewodności cieplnej dla wybranych materiałów stosowanych na przewody rurowe (Złotkowski, 2009) Współczynnik przewodności cieplnej, W/(m·K) 384 229 58,2 0,50 0,45 0,22 0,22 0,19 0,14. Rodzaj materiału przewodu Miedź Aluminium Stal Polichlorek winylu – PVC Polietylen – PE-HD Polipropylen – PP Polibutylen – PB Polifluorek winylidenu - PVDF Chlorowany polichlorek winylu - CPVC. Rury z tworzywa sztucznego są odporne na korozję, dostępne w długich odcinkach oraz podatne na odkształcenia. Koszt ich zakupu pozostaje o wiele niższy od rur stalowych czy miedzianych. Mankamentem ich jest niski współczynnik przewodności cieplnej co zwiększa opór termiczny wymiennika. Dobierając przewód do wymiennika należy zwracać uwagę na ten właśnie parametr oraz na grubość ścianki przewodu. Im cieńsza ściana przewodu, tym niższy opór termiczny.. Strona 24.

(25) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. Właściwy dobór spoiwa hydraulicznego do wypełnienia OWC powinien zakładać zastosowanie receptury zaczynu uszczelniającego, która odznaczać się będzie (Stryczek i in., 2010, Sapińska-Śliwa, 2012, Stryczek i in., 2015): . możliwie najwyższym współczynnikiem przewodności cieplnej,. . dobrym dopasowaniem do ośrodka gruntowo-skalnego,. . dostatecznie wysoką wytrzymałością,. . krótkim czasem wiązania,. . łatwą przetłaczalnością,. . zerowym odstojem, względnie jak najmniejszym,. . względnie niskim kosztem,. . możliwością sporządzenia mieszalnikiem z równoczesnym zatłaczaniem do otworu. Priorytetowym zadaniem OWC jest transport ciepła. Dlatego też najważniejszym. parametrem, na jaki należy zwrócić uwagę jest współczynnik przewodności cieplnej stwardniałego. zaczynu. uszczelniającego.. Na. rynku. dostępnych. jest. kilka. spoiw. prefabrykowanych przeznaczonych do wypełniania OWC. W ich składzie znajdują się w różnych proporcjach takie składniki jak cement, piasek kwarcowy, ił wiertniczy oraz domieszki uplastyczniające. Znakomitą modyfikacją zaczynu jest zastosowanie jako dodatku grafitu w formie grubych płatków w ilości ok. 30% (granulacja ok. 420 μm) (Gonet i in., 2010). Materiał ten znacząco podnosi wartość współczynnika przewodności cieplnej. Ze względu jednak na swoje właściwości hydrofobowe wymaga zastosowania zaczynu o konsystencji, w której płatki grafitu będą pozostawały w zawieszeniu. W tabeli 3.3. przedstawiono wartości współczynników przewodności cieplnej zmierzonych dla kilku receptur mieszanin stosowanych do wypełniania OWC.. 1.. Tabela 3.3. Wartości współczynników przewodności cieplnej wybranych próbek stwardniałych zaczynów uszczelniających (Złotkowski, 2009, Śliwa, 2012) Współczynnik przewodności cieplnej, Receptura W/(m·K) Cement portlandzki CEM 32,5 R 0,36 – 0,71. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.. Atlas – zaprawa murarska Thermocem Beton zwykły z kruszywa kamiennego wilgotny Beton z kruszywa wapiennego wilgotny Beton z kruszywa krystalicznego wilgotny Beton z żużla pumeksowego lub granulowanego wilgotny Cement portlandzki + grafit (10÷30%) Ił wiertniczy. L.p.. Strona 25. 1,4 – 2,0 1,4 – 2,0 1,1 – 1,8 0,6 – 0,8 0,4 – 0,6 1,4 – 2,0 1,8 – 3,0 1,2 – 3,0.

(26) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. Zaznaczyć należy, że na wartość współczynnika przewodności cieplnej zaczynów uszczelniających znaczny wpływ posiada stopień wilgotności stwardniałego kamienia cementowego. Suchy zaczyn uszczelniający może posiadać współczynnik przewodności cieplnej nawet kilka razy niższy niż w stanie wilgotnym. Jako, że OWC w całości otoczony jest górotworem można przyjąć, że stwardniały zaczyn konsolidujący wymiennik w otworze znajduje się w stanie pełnej wilgotności. Odstępstwo od tego stanu jednak może wystąpić w przypadku ulokowania wymiennika na obszarze utworów piaszczystych o niskiej wilgotności. Charakter pracy DZC wymusza stosowanie nośnika ciepła transportującego energię, spełniającego szereg wymogów, spośród których można wyróżnić (Złotkowski i in., 2011): . niską temperaturę krzepnięcia cieczy (poniżej 273 K),. . niski współczynnik lepkości dynamicznej,. . biodegradowalność i nietoksyczność,. . brak oddziaływania korozyjnego na armaturę,. . dostępność i niski koszt jednostkowy. Pod względem kosztu i dostępności najlepszym rozwiązaniem wydaje się woda. z inhibitorami korozji (tabela 3.4). Posiada ona względnie niski współczynnik lepkości dynamicznej oraz w żaden sposób nie jest niebezpieczna dla środowiska i ludzi. Zasadniczym jej mankamentem pozostaje temperatura krzepnięcia w temperaturze 273 K. Fakt ten dyskwalifikuje słodką wodę. Skłania zarazem do sporządzenia roztworu solanki, będącej odporną na niską temperaturę. Niestety wodne roztwory soli (np. CaCl2) (tabela 3.5) powodują silną korozję, a także ich wyciek mógłby znacząco skazić wody gruntowe. Drugą grupę cieczy używanych jako nośniki ciepła stanowią wodne roztwory glikoli. Płyny te jako czyste substancje posiadają niską temperaturę krzepnięcia, nie są względnie drogie oraz pozostają dostępne. Spośród stosowanych glikoli należy wyróżnić szczególnie dwa rodzaje znajdujące zastosowanie w ciepłownictwie: . glikol etylenowy (tabela 3.6) stosowany jako ciecz do chłodnic samochodowych,. zaklasyfikowany do grupy substancji toksycznych; z powodu swych właściwości trujących nie zaleca się go do stosowania w instalacjach wymienników ciepła, . glikol propylenowy (tabela 3.7) produkowany z przeznaczeniem głównie do instalacji. grzewczych, nie jest toksyczny, ulega samo rozkładowi. W instalacjach OWC zaleca się stosowanie 30% roztworu glikolu propylenowego, gdyż, nie powoduje on korozji i właściwie konserwuje układ. Jedynym jego minusem Strona 26.

(27) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. pozostaje wysoka wartość współczynnika lepkości dynamicznej w niskich temperaturach (tabela 3.7, 3.8 i 3.9). Tabela 3.4. Wybrane fizyczne właściwości wody słodkiej dla różnych temperatur (Properties and uses of glycols 1967) Temperatura Temperatura, Gęstość, krzepnięcia K kg/m3 K 303 995,8 298 997,2 293 998,3 273 288 999,2 283 999,8 278 999,9 273 999,8. Ciepło właściwe, J/(kg K) 4178 4180 4182 4186 4193 4204 4217. Współczynnik przewodności cieplnej, W/(m K) 0,618 0,611 0,603 0,595 0,587 0,579 0,569. Współczynnik lepkości kinematycznej, m2/s 0,81·10-6 0,90·10-6 1,01·10-6 1,14·10-6 1,30·10-6 1,51·10-6 1,75·10-6. Tabela. 3.5. Wybrane fizyczne właściwości roztworu chlorku wapnia CaCl2 dla różnych stężeń masowych i temperatur (Rubik, 1996) Temperatura Stężenie Ciepło Temperatura, Gęstość, krzepnięcia, masowe , właściwe, K kg/m3 K % J/(kg K). 268. 9. 248. 24. 233. 29,5. 303 293 283 273 268 303 293 283 273 263 253 248 303 293 283 273 263 253 243 233. 1072 1074 1076 1079 1080 1213 1218 1223 1228 1232 1236 1238 1270 1276 1282 1287 1292 1297 1302 1307. 3690 3670 3650 3630 3620 2980 2955 2930 2905 2880 2855 2840 2810 2785 2760 2735 2710 2685 2660 2635. Strona 27. Współczynnik przewodności cieplnej, W/(m K) 0,604 0,588 0,572 0,556 0,548 0,583 0,569 0,555 0,540 0,526 0,512 0,505 0,574 0,561 0,547 0,533 0,519 0,505 0,491 0,477. Współczynnik lepkości kinematycznej, m2/s 0,91·10-6 1,14·10-6 1,47·10-6 1,97·10-6 2,31·10-6 1,59·10-6 1,94·10-6 2,42·10-6 3,15·10-6 4,18·10-6 6,00·10-6 7,30·10-6 2,13·10-6 2,61·10-6 3,28·10-6 4,25·10-6 5,70·10-6 8,40·10-6 13,40·10-6 23.00·10-6.

(28) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. Tabela 3.6. Wybrane fizyczne właściwości roztworu glikolu etylenowego C2H4(OH)2 dla różnych stężeń masowych i temperatur (Rubik, 1996) Temperatura krzepnięcia, K. Stężenie masowe, %. 268. 14. 248. 41. 233. 53. Temperatura, K. Gęstość, kg/m3. Ciepło właściwe, J/(kg K). 303 293 283 273 268 303 293 283 273 263 253 248 303 293 283 273 263 253 243 233. 1010 1017 1019 1020 1021 1043 1054 1058 1062 1066 1069 1070 1057 1069 1074 1079 1083 1087 1090 1092. 4040 4020 4010 4000 4000 3570 3490 3445 3405 3360 3320 3300 3355 3240 3180 3125 3065 3010 2950 2900. Współczynnik przewodności cieplnej, W/(m K) 0,558 0,536 0,522 0,508 0,501 0,435 0,421 0,413 0,406 0,398 0,391 0,387 0,392 0,381 0,375 0,369 0,364 0,358 0,352 0,346. Współczynnik lepkości kinematycznej, m2/s 0,90·10-6 1,40·10-6 1,88·10-6 2,60·10-6 3,11·10-6 1,68·10-6 2,76·10-6 3,88·10-6 5,60·10-6 8,70·10-6 14,60·10-6 19,80·10-6 2,22·10-6 3,84·10-6 5,50·10-6 8,20·10-6 13,40·10-6 22,50·10-6 44,00·10-6 92,00·10-6. Tabela 3.7. Gęstość roztworu glikolu propylenowego C3H6(OH)2 dla wybranych stężeń i temperatur, kg/m3 (Properties and uses of glycols 1967) Stężenie wagowe, T, ˚C 0 5 10 15 20 25 30 -15. -. -. -. -. -. -. 1,039. -10. -. -. -. --. 1,023. 1,030. 1,037. -5. -. -. 1,011. 1,015. 1,022. 1,028. 1,035. 0. 0,999. 1,005. 1,010. 1,014. 1,021. 1,026. 1,033. 5. 0,999. 1,004. 1,009. 1,014. 1,019. 1,025. 1,031. 10. 0,998. 1,003. 1,008. 1,012. 1,018. 1,023. 1,029. 15. 0,997. 1,001. 1,006. 1,010. 1,016. 1,020. 1,026. 20. 0,995. 1,000. 1,004. 1,008. 1,014. 1,018. 1,023. 25. 0,994. 0,998. 1,002. 1,006. 1,011. 1,015. 1,020. 30. 0,992. 0,997. 1,000. 1,004. 1,009. 1,013. 1,017. 35. 0,991. 0,995. 0,999. 1,002. 1,007. 1,010. 1,015. 40. 0,989. 0,993. 0,997. 1,000. 1,005. 1,008. 1,012. 45. 0,988. 0,992. 0,995. 0,998. 1,002. 1,005. 1,009. 50. 0,986. 0,990. 0,993. 0,996. 1,000. 1,003. 1,006. 55. 0,985. 0,988. 0,991. 0,994. 0,998. 1,000. 1,003. 60. 0,984. 0,987. 0,989. 0,992. 0,995. 0,998. 1,000. 65. 0,982. 0,985. 0,987. 0,990. 0,993. 0,995. 0,997. Strona 28.

(29) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. Tabela 3.8. Współczynnik lepkości dynamicznej roztworu glikolu propylenowego C3H6(OH)2 dla wybranych stężeń i temperatur, mPas (Properties and uses of glycols 1967) Stężenie wagowe. T, ˚C. 0,00. 5,00. 10,00. 15,00. 20,00. 25,00. 30,00. -15,00. -. -. -. -. -. -. 15,27. -10,00. -. -. -. -. 6,95. 9,24. 12,29. -5,00. -. -. 3,65. 4,55. 5,71. 7,46. 9,74. 0,00. 1,99. 2,26. 3,05. 3,73. 4,61. 5,91. 7,59. 5,00. 1,68. 1,88. 2,48. 2,99. 3,62. 4,57. 5,76. 10,00. 1,44. 1,57. 2,06. 2,43. 2,91. 3,58. 4,54. 15,00. 1,26. 1,37. 1,77. 2,07. 2,44. 2,99. 3,67. 20,00. 1,15. 1,24. 1,58. 1,83. 2,14. 2,60. 3,16. 25,00. 1,04. 1,11. 1,40. 1,61. 1,87. 2,25. 2,70. 30,00. 0,93. 0,99. 1,23. 1,40. 1,61. 1,92. 2,28. 35,00. 0,82. 0,86. 1,07. 1,20. 1,37. 1,61. 1,90. 40,00. 0,74. 0,77. 0,95. 1,06. 1,19. 1,40. 1,63. 45,00. 0,69. 0,72. 0,88. 0,97. 1,09. 1,27. 1,48. 50,00. 0,65. 0,66. 0,81. 0,89. 0,99. 1,15. 1,33. 55,00. 0,60. 0,61. 0,74. 0,81. 0,90. 1,03. 1,19. 60,00. 0,55. 0,56. 0,67. 0,73. 0,81. 0,92. 1,06. 65,00. 0,49. 0,50. 0,60. 0,65. 0,71. 0,81. 0,92. Tabela 3.9. Ciepło właściwe masowe roztworu glikolu propylenowego C3H6(OH)2 dla wybranych stężeń i temperatur, J/(kg∙K) (Properties and uses of glycols 1967) Stężenie wagowe. T, ˚C. 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. -15. -. -. -. -. -. -. 3925,9. -10. -. -. -. -. 4060,0. 3990,9. 3921,7. -5. -. -. 4169,0. 4108,2. 4047,4. 3982,5. 3917,6. 0. 4231,8. 4187,8. 4143,8. 4091,4. 4039,1. 3976,2. 3913,4. 5. 4210,8. 4169,0. 4127,1. 4078,9. 4030,7. 3969,9. 3909,2. 10. 4194,1. 4154,3. 4114,5. 4070,5. 4026,5. 3969,9. 3913,4. 15. 4189,9. 4150,1. 4110,3. 4066,3. 4022,3. 3969,9. 3917,6. 20. 4185,7. 4145,9. 4106,1. 4062,1. 4018,1. 3969,9. 3921,7. 25. 4173,1. 4139,6. 4106,1. 4062,1. 4018,1. 3972,0. 3925,9. 30. 4169,0. 4137,5. 4106,1. 4064,2. 4022,3. 3976,2. 3930,1. 35. 4169,0. 4139,6. 4110,3. 4068,4. 4026,5. 3980,4. 3934,3. 40. 4169,0. 4141,7. 4114,5. 4072,6. 4030,7. 3986,7. 3942,7. 45. 4169,0. 4143,8. 4118,7. 4076,8. 4034,9. 3993,0. 3951,1. 50. 4173,1. 4148,0. 4122,9. 4081,0. 4039,1. 3999,3. 3959,5. 55. 4177,3. 4152,2. 4127,1. 4087,2. 4047,4. 4007,6. 3967,8. 60. 4185,7. 4160,6. 4135,4. 4095,6. 4055,8. 4016,0. 3976,2. 65. 4189,9. 4166,9. 4143,8. 4104,0. 4064,2. 4024,4. 3984,6. Strona 29.

(30) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. Na podstawie informacji zamieszczonych w tabelach dotyczących właściwości parametrów wodnych roztworów glikolu propylenowego ustalono dla stężenia masowego równego 30% równania linii trendu. Ustalenie funkcji zależności parametrów fizycznych nośnika ciepła od temperatury jest niezbędne w realizacji podjętego w pracy zagadnienia. Równania linii trendu ustalono przy pomocy aplikacji Excel dla typowego zakresu pracy temperatury pracy OWC w trybie grzewczym i chłodniczym, tj od 263K do 313K. Funkcja zależności gęstości od temperatury dla zakresu od 263K do 313K określona została wzorem:.  ( T )  0 ,0029T 2  1,1812T  929 ,4614 , kg/m3. (3.1). Uzyskany współczynnik korelacji charakteryzujący dopasowania przedstawionej funkcji do danych tabelarycznych wynosi r = 0,99965. Funkcja zależności współczynnika lepkości kinematycznej od temperatury dla zakresu od 263K do 313K określona została wzorem:.  (T )   98,39 106 T 3  90,02T 2  27,51T  2810,84106 , m2/s. (3.2). Uzyskany współczynnik korelacji charakteryzujący dopasowania przedstawionej funkcji do danych tabelarycznych wynosi r = 0,99975. Funkcja zależności współczynnika lepkości dynamicznej od temperatury dla zakresu od 263K do 313K określona została wzorem:.  (T )   102,67 106 T 3  939,26 104 T 2  28,70T  293,57 103 , Pa ∙ s. (3.3). Uzyskany współczynnik korelacji charakteryzujący dopasowania przedstawionej funkcji do danych tabelarycznych wynosi r = 0,99955. Funkcja zależności współczynnika ciepła właściwego masowego od temperatury dla zakresu od 263K do 313K określona została wzorem:. . . CP (T )   53,4 105 T 3  48,61102 T 2  146,46T  18521 , J/(kg ∙ K). Strona 30. (3.4).

(31) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. Uzyskany współczynnik korelacji charakteryzujący dopasowania przedstawionej funkcji do danych tabelarycznych wynosi r = 0,97937. Funkcja zależności współczynnika ciepła właściwego objętościowego od temperatury dla zakresu od 263K do 313K określona została wzorem:. . . CV (T )   37,03  10 2 T 3  333,63T 2  101,38  103 T  143,89  105 , J/(m3 ∙ K) (3.5). Uzyskany współczynnik korelacji charakteryzujący dopasowania przedstawionej funkcji do danych tabelarycznych wynosi r = 0,99614. 3.4. Wpływ konstrukcji na eksploatację otworowych wymienników ciepła Konstrukcja OWC znacząco wpływa na efektywność późniejszej eksploatacji instalacji. Efektywny przepływ ciepła zachodzi wtedy, gdy kolejne przegrody posiadają jak najmniejszy opór termiczny oraz tam gdzie jest to możliwe zachodzi konwekcja. O ile na przewiercony profil skał nie można wpłynąć, o tyle w celu uzyskania jak największej efektywności pracy OWC możliwe jest zastosowanie (Śliwa i in., 2016): . zaczynu uszczelniającego o jak najwyższym współczynniku przewodności cieplnej,. . wypełnienia otworu zaczynem uszczelniającym do wierzchu,. . przewodów z materiału o jak największej przewodności cieplnej,. . przewodów o możliwie najmniejszej grubości ścianki dającej odpowiednią. wytrzymałość, . przewodów zwiększających turbulencję przepływającego płynu,. . dystanserów utrzymujących przewody jak najbliżej ściany otworu,. . nośnika ciepła o możliwie najmniejszym współczynniku lepkości dynamicznej,. . podwójnej u-rury lub kombinowanego układu przewodów.. Strona 31.

(32) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. 4. Aparatura do określania parametrów otworowych wymienników ciepła oraz górotworu, w którym są zainstalowane Określenie parametrów termicznych górotworu i OWC wymaga wytworzenia zjawiska przepływu ciepła z lub do OWC oraz monitorowaniu tego procesu w czasie. Modelowo OWC można traktować jako liniowe, cylindryczne źródło ciepła otoczone nieskończonym ośrodkiem (górotworem) będącym buforem energii cieplnej o pierwotnie ustalonym (niezaburzonym) polu temperatury. Dlatego w celu określenia parametrów termicznych wymiennika i otaczających go skał należy zastosować aparaturę odpowiadającą modelowemu, ideowemu układowi do pomiaru współczynnika przewodności cieplnej w układzie radialnym o koncentrycznym, liniowym, o ograniczonej długości źródle. Model ten zakłada dostarczanie do źródła ciepła stałej mocy przez cały czas próby. Następstwem przekazywania energii od źródła do otaczającego go ośrodka jest przyrost temperatury zarówno źródła jak i ośrodka. Monitorowanie i rejestracja temperatury źródła ciepła w czasie pozwala na zebranie informacji i wnioskowanie o parametrach termicznych układu pomiarowego. Przedstawiona ideowa zasada nie dostarcza informacji o szczegółach przeprowadzania próby w zależności od rodzaju czynnika zasilającego źródło ciepła. Przyjmuje jedynie, że temperatura źródła na całej długości odznacza się taką samą wartością. Stąd też pewne ograniczenia, które wpływają na konstrukcję rzeczywistych urządzeń do ustalania termicznych parametrów górotworu (Eklof i in., 1996, Austin, 1998, Austin i in., 2000, Gehlin i in., 2000, Sanner i in., 2005, Gustafsson i in., 2006, Zervantonakis i in., 2006, Georgiev i in., 2010, Sanner i in., 2013, Spitler i in., 2015). Pomiary prowadzone w stacjonarnym laboratorium badawczym odznaczają się możliwością zapewnienia założonych warunków otoczenia oraz utrzymania stałych parametrów wielkości fizycznych wpływających na pomiar. W przypadku weryfikacji wartości współczynnika przewodności cieplnej jest to: . temperatura otoczenia,. . ruch powietrza - konwekcja wymuszona,. . radiacja i nasłonecznienie,. . czynniki wpływające na utrzymanie stabilnych parametrów zasilania źródła ciepła,. najczęściej parametry prądu elektrycznego. Dodatkowo laboratoryjne modele OWC charakteryzują się małymi mocami i możliwością wielokrotnego powtarzania eksperymentu, bez ograniczeń czasowych i procedur organizacyjnych. W przypadku badań polowych badacz nie dysponuje takim Strona 32.

(33) OPRACOWANIE WIELOETAPOWEGO TESTU REAKCJI TERMICZNEJ OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA. komfortem pracy jak w zamkniętym pomieszczeniu. Oczekuje się od niego jak również od aparatury badawczej wyników obarczonych podobnym rzędem wielkości niepewności pomiarowych jak w laboratorium stacjonarnym. Przeprowadzenie eksperymentu terenowego i uzyskanie rzetelnych danych możliwe jest tylko w przypadku posiadania odpowiedniej klasy sprzętu przystosowanego do uciążliwych warunków panujących w lokalizacji wykonywania OWC. Często jest to miejsce bez stabilnego zasilania w energię elektryczną, czy tez z ograniczonym dostępem do wody oraz łączności GSM. Specyfika prowadzenia pomiarów z wykorzystaniem laboratorium mobilnego wymaga aparatury gwarantującej wykonanie poprawnego pomiaru pomimo zmiennych warunków pogodowych oraz niestabilnych parametrów zasilającego prądu elektrycznego. 4.1. Układ pomiarowy do przeprowadzania testu reakcji termicznej Układ pomiarowy do przeprowadzania TRT z jednej strony musi uwzględnić modelowy schemat przeprowadzania pomiaru, z drugiej być dostosowany do warunków i specyfiki OWC. Konstrukcja OWC umożliwia przekazywanie energii przez podgrzany, przepływający nośnik ciepła, krążący w obiegu zamkniętym, a tym samym uzyskanie liniowego źródła ciepła otoczonego skałami. Ideowy schemat podłączenia TRT do OWC oraz główne elementy aparatury TRT przedstawia rysunek 4.1. Podczas realizacji pomiaru są mierzone i rejestrowane wartości uzyskiwanych temperatur nośnika ciepła wypływającego i wpływającej do OWC. Dodatkowo przez cały czas pomiaru kontrolowany jest strumień objętości przepływającego nośnika ciepła oraz dostarczana moc grzewcza. Te dwa parametry powinny przez cały czas trwania TRT posiadać stałą wartość. Podczas pomiaru w układzie powierzchniowym należy zapewnić jak najmniejszy wpływ warunków atmosferycznych na realizowany cykl badawczy. Taka wersja urządzenia została zastosowana do pierwszego komercyjnego TRT wykonanego w Polsce w Ekologicznym Parku Rozrywki i Rekreacji OSSA (Gonet i in., 2007, Śliwa i in., 2007a, Śliwa i in., 2007b, Gonet i in., 2010, Śliwa i in., 2011c, Śliwa i in., 2011d).. Strona 33.