WIERTNICA MODUŁOWA WYSPECJALIZOWANA DO ODWIERTÓW O UKŁADZIE SFERYCZNYM POD INSTALACJE POMP CIEPŁA W TECHNOLOGII GRD

(1)

WIERTNICA MODUŁOWA

WYSPECJALIZOWANA DO ODWIERTÓW O UKŁADZIE SFERYCZNYM

POD INSTALACJE POMP CIEPŁA W TECHNOLOGII GRD

Ryszard Nadowski

^1a

, Robert Dorociak

^1b

1Instytut Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego

a r.nadowski@imbigs.pl; ^br.dorociak@imbigs.pl

Streszczenie

Zwiększające się koszty eksploatacji obiektów budowlanych, w połączeniu ze zmieniającymi się wymaganiami w zakresie poziomu energochłonności obiektów, skutkują koniecznością poszukiwania i wykorzystania alternatywnych metod ogrzewania. Jedną z nich – o stale rosnącej popularności – jest wykorzystanie ciepła geotermalnego.

W przypadku obiektów o małej i średniej kubaturze możliwe jest wykorzystanie do ogrzewania (lub do klimatyza- cji) pomp ciepła ze źródłem dolnym instalowanym na głębokości od 50 do 120 m. Najnowsze rozwiązania wyko- rzystują, zamiast dwóch lub trzech głębokich otworów, rozłożone radialnie pod budynkiem sondy o długości do 80 m. Do tego celu niezbędne jest wykorzystanie nowych maszyn, nieobecnych do tej pory na rynku. Maszynami tego rodzaju są wyspecjalizowane wiertnice firmy Tracto-Technik, a obecnie również modułowa wiertnica firmy

„WAMET”.

Słowa kluczowe: pompy ciepła, sondy pompy, dolne źródło ciepła, wiertnica modułowa, wiercenie w technologii GRD

THE NEW CONSTRUCTION OF MODULAR DRILLING RIG, SPECIALIZED FOR BOREHOLES IN SPHERICAL

COORDINATES, PURPOSED FOR HEAT PUMP GRD TECHNOLOGY DRILLING

Summary

Constantly increasing costs of building exploitation in conjunction with changing demands in the field of energy consumption results in the need to search for alternative methods of heating. One of them is geothermal heating, which nowadays grows in popularity. In the case of small and medium buildings it is possible to implement heat pumps with the lower source installed at a depth of 50 to 120 m for heating and air conditioning. The most recent heat pump solutions are based on stellately spreaded lower source probes of up to 80 m in length under the building, instead of two to three deep vertical holes. For this purpose it is needed to use the novelty machines, which are not widely available on the market so far. From now on, besides the specialized Tracto-Technik drilling-rigs, a modular WAMET one is also on the market.

Keywords: heat pumps, heat pump probes, lower heat source, modular drilling rig, GRD technology drilling

(2)

1. WPROWADZENIE

W ostatnich latach na znaczeniu zyskują nowe tech- nologie proekologiczne w przemyśle budowlanym. Za- gadnienia te dotyczą szczególnie wykorzystania natural- nego ciepła zmagazynowanego w gruncie, do którego pozyskania można wykorzystać instalację określaną jako pompa ciepła. Jest to urządzenie, które odbiera ciepło z tzw. dolnego źródła ciepła o stosunkowo niskiej - ale optymalnie stałej - temperaturze (powietrza, gruntu, wody) i przekazuje do górnego źródła ciepła o stosunkowo wysokiej temperaturze (instalacje CO, CWU). Od- bywa się to kosztem doprowadzonej energii elektrycznej użytej do napędu sprężarki. Ponieważ pozyskiwana jest

„darmowa energia” odnawialna z dolnego źródła, efek- tywność pompy ciepła waha się w granicach od 2,5 do 6.

Oznacza to w praktyce, że 1 kW energii elektrycznej włożonej do napędu pompy ciepła pozwala na uzyskanie od 2,5 do 6 kW energii cieplnej w górnym źródle ciepła.

Dolne źródło ciepła jest jednym z najbardziej istot- nych elementów systemu. Rodzaj dolnego źródła jest uzależniony od sposobu wykorzystania pompy ciepła oraz możliwości i warunków technicznych jej instalacji.

Jeżeli pompa ciepła jest wykorzystywana jako urządze- nie grzewcze (ogrzewanie budynku, ciepłej wody itd.), należy wykonać dolne źródło naturalne (odnawialne), z którego jest możliwy skuteczny odbiór energii cieplnej niezależnie od okresowych i sezonowych wahań temperatury powietrza. Wyróżnia się tu pionowy i poziomy układ dolnego źródła pompy ciepła. Jak wykazały liczne badania, efektywność pompy ciepła rośnie wraz ze wzrostem temperatury dolnego źródła i podlega mniej- szym wahaniom przy usytuowaniu na większych głębo- kościach. W celu uzyskania optymalnych warunków pracy pompy ciepła dolne źródło jest lokowane jak najniżej, co wymaga stosowania odwiertów o znacznej głębokości. Przyjmowaną powszechnie w dotychczaso- wych instalacjach głębokością odwiertu jest minimum 100 m, a niektórzy producenci zalecają stosowanie odwiertów na głębokości około 120 m. Realizacja takiej inwestycji wymaga wykonania szeregu prac przygotowawczych, w których niebagatelną rolę odgrywa wykonanie dolnego źródła ciepła. Wymaga ona wykonania wielu odwiertów (układ pionowy w kształcie U-rurki) o łącznej długości do kilkuset metrów. Do tego celu wykorzystywane są wiertnice pionowe o dość dużych gabarytach i masie roboczej. Realizacja opisanych dzia- łań wymaga uzyskania zezwolenia i dopuszczenia przez właściwy Urząd Gospodarki Wodnej. Dla wykonania instalacji o głębokości większej niż 100 m wymagane jest zezwolenie zgodne z wymogami Instytutu Górnictwa.

Wadą omawianego rozwiązania jest wysoki koszt prac wiertniczych – na terenach państw „Starej Unii” osiąga- jący do 50% wartości całej inwestycji, a w warunkach polskich obecnie nawet przewyższający koszt zestawu urządzeń pompy ciepła.

Z tego względu wielu inwestorów decyduje się na wykonanie poziomego dolnego źródła ciepła, w którym przewody są układane na głębokościach od 1,5 do 2,5 m pod powierzchnią gruntu. Wymaga to dużej powierzchni czynnej działki i skutkuje koniecznością zaplanowania i wykonania prac już na etapie początkowym inwestycji.

Realizacja poziomego dolnego źródła ciepła powoduje również duże zniszczenia warstw wierzchnich gruntu, wymagające następnie przeprowadzenia kosztownej rekultywacji. Z dostępnych badań wynika również, że tego rodzaju instalacja charakteryzuje się sezonowym spadkiem efektywności działania, osiągając najmniejszą skuteczność pod koniec sezonu grzewczego. Zwykle dłużej trwa również regeneracja naturalna oraz występu- ją znaczne zaburzenia cyklu wegetacji roślin. Wymienio- ne wady obu rozwiązań technologicznych powodują, że w wielu przypadkach zainteresowane podmioty wycofują się z realizacji inwestycji, pozostając przy konwencjonal- nych, energochłonnych metodach ogrzewania. Eksperci szacują natomiast, że w przypadku nowoczesnych do- mów energooszczędnych instalacja pompy ciepła pozwala na całkowite pokrycie zapotrzebowania energii na ogrzewanie w sezonie zimowym i znacząco zmniejsza koszty chłodzenia pomieszczeń w warunkach letnich.

2. SYTUACJA W KRAJU

Obecnie w Polsce przy wykonywaniu instalacji dolnego źródła ciepła w celu uzyskiwania naturalnej energii do ogrzewania budynków stosuje się przeważnie odwierty pionowe o znacznej głębokości. System ten charakteryzuje się jednak wysokimi kosztami wykonania odwier- tów, koniecznością stosowania rozbudowanego parku maszynowego o znacznych gabarytach oraz konieczno- ścią uzyskania stosownych zezwoleń na wykonywanie tego rodzaju prac.

Wysokie koszty ponoszone przy stosowaniu dotych- czasowych metod stały się w Europie motorem do poszukiwania rozwiązań alternatywnych, pozwalających na wykonanie efektywnych pomp przy akceptowalnych nakładach. Wynikiem tych poszukiwań jest technologia GRD (Geothermal Radial Drilling), polegająca na wykonaniu kierunkowych odwiertów o sferycznym układzie, rozchodzących się od centralnej studni o niewielkiej głębokości. Według dostępnych danych jest to obecnie najbardziej optymalna metoda budowy dolnego źródła pomp ciepła, gwarantująca stosunkowo niskie koszty wykonania oraz wysoką efektywność inwestycji. Z uwagi na innowacyjny charakter technologii GRD nie ma w chwili obecnej maszyn – poza jednym rozwiązaniem niemieckim – mogących wykonać odwierty zgodne z jej wymaganiami. Przegląd ofert producentów rodzimych wykazał, że na rynku nie występuje żadna krajowa wiertnica, którą można adaptować do nowego

(3)

zakresu zadaniowego. Obecnie na rynku polskim jedyną maszyną specjalnie przeznaczoną do wykonywania prac w technologii GRD jest wiertnica Geodrill 4R niemiec- kiej firmy Tracto-Technik. W maszynie tej stosowane jest wiercenie płuczkowe, które ogranicza w sposób istotny możliwości jej stosowania. Wiercenie płuczkowe wymaga bowiem stosunkowo dużych wolnych powierzchni do zainstalowania poszczególnych urządzeń – zwłaszcza zbiorników do gospodarowania płuczką - jak również dodatkowej przestrzeni niezbędnej do manew- rowania maszyny. Powyższe względy powodują stosun- kową niską przydatność wiertnicy przy modernizacji instalacji grzewczych na terenach już zabudowanych.

3. TECHNOLOGIA GRD

GRD (Geothermal Radial Drilling) jest to nowa technologia obejmująca wykonywanie instalacji dolnego źródła ciepła z kierunkowym (sferycznym) układem oprzewodowania roboczego. Metoda ta charakteryzuje się sferycznym rozprowadzeniem przewodów z kolektora zbiorczego o stosunkowo niewielkiej głębokości. Stanowi alternatywę dla instalacji tradycyjnych, eliminując ich główne wady w postaci wysokich kosztów lub zmiennej efektywności działania.

Technologia GRD – jakkolwiek jest stosowana w Polsce od roku 2009 – nie doczekała się jeszcze szerokie- go rozpowszechnienia między innymi z uwagi na brak maszyn pozwalających na prawidłowe wykonanie dolnego źródła ciepła.

Rys. 1. Przykładowy diagram kątowy odwiertów w technologii GRD (źródło – strona firmy Tracto-Technik gmbH)

Rys. 2. Oddziaływanie cieplne z gruntem dla odwiertów pionowych (źródło – strona firmy Tracto-Technik gmbH)

Rys. 3. Oddziaływanie cieplne z gruntem dla odwiertów w technologii GRD (źródło – strona firmy Tracto-Technik gmbH)

4. PODJĘTE DZIAŁANIA BADAWCZE

Wychodząc naprzeciw oczekiwaniom, Przedsiębior- stwo Innowacyjno-Wdrożeniowe WAMET Sp. z o.o. z siedzibą w Bydgoszczy - jako wiodące przedsiębiorstwo krajowe w produkcji maszyn inżynieryjnych - postanowi- ło opracować oraz wprowadzić na rynek, we współpracy z Instytutem Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego, zestaw urządzeń z całkowicie nową modułową wiertnicą do kierunkowych odwiertów sferycznych, charakteryzujący się następującymi właściwościami eksploatacyjnymi:

- wierceniem kierunkowym „na sucho” pod zmiennym kątem nachylenia wiertłami ślimakowymi dwukierunko- wymi w rurach osłonowych za pomocą wiertnicy usta- wionej wewnątrz centralnej studni startowej,

- zastosowaniem centralnej studni startowej składanej na budowie z sekcji łatwo demontowalnych, przenoszącej obciążenia występujące podczas wykonywania wierceń kierunkowych oraz stanowiącej bazę do wykonywania kolektora zbiorczego,

- możliwością wykonywania odwiertów na bardzo ogra- niczonej przestrzeni (także wewnątrz pomieszczeń piw- nicznych, garaży itp.), co ma szczególne znaczenie dla już użytkowanych obiektów,

- stosunkowo niską masą własną,

- możliwością łatwego ustawiania zespołu roboczego w miejscu prowadzenie prac, przy zasilaniu z niezależnego agregatu,

(4)

- kompaktową budową modułową, umożliwiającą łatwy transport wiertnicy pomiędzy kolejnymi miejscami prac, z możliwością przenoszenia poszczególnych modułów nawet do piwnic lub garaży jako miejsc realizacji odwiertu,

- możliwością prowadzenia wierceń sferycznych przy długości pojedynczego odwiertu do 50 m,

W celu zrealizowania wymienionych wyżej zamierzeń opracowano od podstaw:

- nową konstrukcję wiertnicy modułowej, z napędami hydraulicznymi mechanizmów roboczych,

- system rur osłonowych ze ślimakiem transportowym i głowicą wiercącą do urabiania gruntu,

- agregat hydrauliczny do napędu wiertnicy, zamonto- wany na przyczepie samochodowej,

- konstrukcję stalowej centralnej studni startowej, wyposażonej w pomocniczy żurawik do obsługi stanowi- ska pracy operatora wiertnicy.

5. BUDOWA NOWEJ WIERTNICY

Rys. 4. Ogólna budowa wiertnicy

Ogólny schemat budowy wiertnicy modułowej wy- specjalizowanej do odwiertów o układzie sferycznym pod instalacje pomp ciepła w technologii GRD przedstawiono na rys. 4. Urządzenie składa się z następujących podstawowych zespołów:

- zespołu wiertniczego (1) - żurawika pomocniczego (2) - studni startowej (3)

- ramy z torem przesuwnym (4) - reduktora napędowego (5)

Schemat hydrauliczny układu napędowego zespołu wiertniczego przedstawiono na rys. 5.

Rys. 5. Schemat hydraulicznego układu roboczego wiertnicy

W układzie napędu obrotu zastosowano dwa silniki hydrauliczne typu OMR160 produkcji firmy DANFOSS.

Do napędu posuwu wykorzystano dwa siłowniki typu SH-80/36x105 produkcji firmy BIPROMASZ.

Zabezpieczenia w obwodach stanowią zawory przele- wowe nastawione na następujące ciśnienia:

- układ obrotu 17,5 MPa - układ posuwu 25,0 MPa.

Układ roboczy wiertnicy zasilany jest z agregatu hydraulicznego, którego schemat pokazano na rys. 6.

Rys. 6. Schemat agregatu hydraulicznego wiertnicy

Do napędu agregatu zastosowano silnik spalinowy typu HONDA GX390 o mocy maksymalnej 8,7 kW.

Silnik napędza dwie pompy hydrauliczne o stałym wydatku produkcji firmy PARKER, o wydajności 8 cm³/obr. oraz 3,6 cm³/obr. Poszczególne obwody układu zostały zabezpieczone za pomocą zaworów przelewowych produkcji firmy BIPROMASZ, nastawionych na nastę- pujące ciśnienia:

- obwód obrotu 20,0 MPa - obwód posuwu 25,0 MPa.

Budowa i mocowanie ramy z torem przesuwnym umożliwia regulację pochylenia zespołu wiertniczego co 5⁰ w zakresie od położenia poziomego do 30⁰. Na rysun-

25 MPa

20 MPa

(5)

kach 7 i 8 pokazano przykładowo sposób usytuowania ramy z torem przesuwnym pod kątami 15⁰i 30⁰.

Rys. 7. Schemat ustawienia wiertnicy pod kątem 15⁰

Rys. 8. Schemat ustawienia wiertnicy pod kątem 30⁰

Wiercenie pionowe wiertnicą jest możliwe po odpo- wiednim przezbrojeniu studni startowej, umożliwiającym pionowe ustawienie torowiska (rys. 9).

Rys. 9. Schemat ustawienia wiertnicy w pozycji zbliżonej do pionu

6. WYKONANE PRACE

PEROJEKTOWE I BADAWCZE 6.1 MODEL WIRTUALNY

Prace badawcze na obiektach rzeczywistych zostały poprzedzone opracowaniem zakresu obciążeń roboczych, wykonaniem modelowania 3D oraz przeprowadzeniem obliczeń wybranych modułów zestawu wiertniczego z wykorzystaniem metody elementów skończonych MES.

Rys. 10. Wypadkowe przemieszczenia w prowadnicy

Przeprowadzone obliczenia wytrzymałościowe wyka- zały, że zespół prowadnicy wraz z blokiem oporowym i zamkiem nie będą mogły – w przyjętym rozwiązaniu - przenosić założonych obciążeń eksploatacyjnych.

W szczególności obszarem krytycznym było miejsce współpracy zamka z otworem w prowadnicy. Układ sił w zespole był niekorzystny i powodował powstawanie znacznego momentu gnącego w okolicy trzpienia siłow- nika. Konieczne było wprowadzenie odpowiednich modyfikacji konstrukcyjnych w zespole prowadnicy.

Rys. 11. Naprężenia w przekładni reduktora napędowego Z przeprowadzonych obliczeń wytrzymałościowych wynikało, że przekładnia redukcyjna urządzenia wiertniczego jest dość silnie wytężona. Obszary, w których granica plastyczności została przekroczona, były stosunkowo niewielkie i dotyczyły tylko ostrych krawędzi powierzchni czołowych zębów (koncentracja naprężeń typowa dla wyników MES). Występujący rozkład naprę- żeń mógł jednak powodować ryzyko złamania stopy zęba, zwłaszcza na skutek zmęczenia materiału, w razie częstej eksploatacji urządzenia z wykorzystaniem maksymalnej mocy mechanizmu obrotu i maksymalnego ciśnienia w układzie hydraulicznym. W celu potwierdze- nia wyników analiz przeprowadzonych z wykorzystaniem MES wykonane zostały obliczenia sprawdzające z zastosowaniem oprogramowania MITCalc w formie arkusza kalkulacyjnego do obliczeń przekładni zębatych. Uzy-

(6)

skane wskaźniki wytrzymałościowe potwierdziły wyniki obliczeń MES. Wprowadzono więc zmiany w konstrukcji przekładni oraz korekty w zakresie maksymalnego momentu obrotowego urządzenia wiertniczego.

6.2 MODEL BADAWCZY

Po uwzględnieniu niezbędnych poprawek w konstrukcji zespołów roboczych wykonano model zespołu napędowego wiertnicy z torem przesuwnym (rys. 12 i 13).

Rys. 12. Model zespołu napędowego wiertnicy

Rys. 13. Model zespołu napędowego wiertnicy

Zakres badań modelowych obejmował wykonanie symulowanych przewiertów próbnych w warunkach laboratoryjnych, dla sprawdzenia prawidłowości doboru parametrów zespołu. W tym celu symulowano pracę urządzenia podczas przewiertów w gruntach różnych kategorii, w tym również przewiert przez przeszkodę skalną poprzez zastosowanie przegrody z płyty betonowej. Podczas prób dokonywano zmian prędkości posuwu, siły nacisku i prędkości obrotowej zespołu roboczego.

Badania wykazały, że o ile podczas pracy wiertnicy w przeciętnych warunkach moc zastosowanego w agre- gacie zasilającym silnika napędowego można uznać za wystarczającą, o tyle w razie napotykania przeszkód skalnych korzystny jest większy zapas mocy napędu zespołu roboczego. Z tych względów do zastosowania w prototypie urządzenia rekomendowano silnik spalinowy KUBOTA D1105 o maksymalnej mocy 16 kW.

6.3 BADANIA PROTOTYPU

W kolejnych etapach pracy wykonano i poddano badaniom prototyp kompletnej wiertnicy wraz ze stud- nią startową i agregatem zasilającym. Wygląd urządzeń prototypowych przedstawiono na rysunkach 14 – 18.

Rys. 14. Prototyp wiertnicy

Rys. 15. Prototypowa studnia startowa

Rys. 16. Widok wiertnicy zabudowanej w studni startowej

(7)

Rys. 17. Agregat zasilający

Rys. 18. Prowadnice ślizgowe wiertnicy – widoczne systemy rozporowe i zespoły służące do zmiany kąta pracy

Przeprowadzone w pierwszej fazie badania prototypu obejmowały:

− badania dla potrzeb wyznaczenia geometrii pod- zespołów roboczych dla różnych warunków gruntowych,

− badania zestawu wiertniczego w zakresie wykonania odwiertów o długości do 50 m w gruntach kategorii od I do IV,

− próby w zakresie stabilizacji ścian odwiertu, moż- liwości osadzania i usuwania rur osłonowych z wykonanego odwiertu oraz technologii osadzania sond pompy ciepła.

W ramach badań wykonano przewierty próbne dla różnych warunków gruntowych z zastosowaniem głowic urabiających o różnych parametrach geometrycznych – w zakresie kształtu, wymiarów i rozmieszczenia frezów roboczych (rys. 19 – 22).

Rys. 19. Głowica widiowa ø135 - wersja I 1 - trzpień mocujący

2 - wspornik nożowy 3 - trzpień

4 - raczek górny ø 48 5 - gniazdo z frezem RM-3

Rys. 20. Głowica widiowa ø135 - wersja II 1 - trzpień mocujący

2 - płat spiralny 3 - gniazdo freza 4 - ząb freza RM-2 5 - raczek górny ø 48

Rys. 21. Głowica widiowa ø100/135 - wersja III 1 - trzpień mocujący

2 - nóż odchylny 3 - wspornik 4 - sworzeń

5 - raczek górny ø 48 6 - płytka widiowa 20x12x7 7 - frez RM-2

Rys. 22. Głowica nożowa ø135 - wersja IV 1 - trzpień mocujący

2 - płat spiralny 3 - raczek górny ø 48

Obserwacje poczynione podczas realizacji przewier- tów próbnych wykazały, że zaprojektowany system napędowy głowicy roboczej - powiązany z systemem odbioru urobku - zapewnia efektywną pracę w gruntach, do których została przeznaczona wiertnica.

(8)

Na podstawie przeprowadzonych badań, z zastosowaniem różnych parametrów geometrycznych narzędzia roboczego, za najbardziej efektywną – w zakresie spraw- ności przebiegu procesu wiercenia, odporności na warun- ki gruntowe oraz zachowanie się układu napędowego – uznano głowicę widiową w wersji II (rys. 20). Wygląd tej głowicy po przeprowadzonych badaniach pokazano na rys. 23.

Rys. 23. Głowica robocza najbardziej efektywna podczas badań modelowych

W przypadku gruntów ciężkich wyższą przydatność eksploatacyjną wykazywały głowice wykonane w wer- sjach II i III. Przewaga ta uwidaczniała się w zakresie sprawności przebiegu procesu wiercenia, jak również prędkości posuwu narzędzia roboczego podczas wykonywania odwiertu. Wersję nr II wybrano jako najbardziej efektywną ze względu na lepsze właściwości robocze podczas wiercenia otworów w płycie betonowej, co ma istotne znaczenie ze względu na występujące często podczas realizacji odwiertów przypadki napotykania w gruncie na przeszkody skaliste. Natomiast w przypadku gruntów piaszczystych pracę wszystkich poddanych badaniom głowic roboczych należy uznać za poprawną.

Przeprowadzono również badania zestawu wiertniczego w zakresie wykonania odwiertów o długości do 50 m w gruntach kategorii od I do IV. Prowadzone podczas tych prób obserwacje zachowania się kolejnych segmen- tów dołączanych rur osłonowych pozwalają na stwierdzenie, że nie występowały istotne zmiany osiowego położenia głowicy roboczej. Stabilizacja kierunku odwiertu zachodziła na ściankach segmentu prowadzącego oraz na ściankach kolejnych dołączanych odcinków.

Obserwacje zagłębiania się kolejnych dołączanych seg- mentów wykazały prawidłową równomierność pracy wiertnicy.

Rys. 24. Segmenty rur osłonowych

Dokonano również oceny skuteczności procesu odbioru urobku z miejsca przewiertu. Wykonane próby polegały na obserwacji pracy przenośnika w przewiertach wykonywanych w gruntach piaszczystych z do- mieszkami ilastymi i wtrąceniami drobnych kamieni.

Obserwacje wykonane podczas prowadzenia przewiertów wykazały, że:

− odbiór urobku następuje w sposób płynny - stru- mień rozdrobnionego materiału z wtrąceniami kamieni i zbrylonego piasku nie powoduje blokowania przenośnika,

− sporadycznie notowano zmiany prędkości obrotowej przenośnika śrubowego, na co miały wpływ lo- kalne opory występujące na głowicy roboczej oraz na przenośniku,

− powiązanie prędkości obrotowej głowicy roboczej z prędkością obrotową przenośnika śrubowego skutkuje występowaniem konieczności chwilowego ograniczania posuwu układu wciskającego, przy odprowadzeniu większych ilości urobku po chwilo- wych spiętrzeniach,

− nie wystąpiły przypadki zatrzymania systemu na- pędowego wiertnicy w czasie trwania prób.

Rys. 25. Segmenty żerdzi przenośnika

Po wykonaniu odwiertów przeprowadzono próby osadzania sond pompy ciepła. Przed rozpoczęciem wkładania do rury osłonowej sondy (kolektora) należy z ramy odłączyć reduktor napędowy (po wyjęciu dwóch sworzni) i odstawić go na zewnątrz studni. Uzyskana w ten sposób przestrzeń pozwala na swobodne włożenie sondy na pełną długość rur osłonowych. Ostatnim etapem osadzania sondy jest wycofanie kolumny rur osłonowych z otworu z jednoczesnym pozostawieniem sondy (kolektora) w gruncie. Odbywa się to przy użyciu siłowników ramy wiertnicy poruszającej się na torowi- sku, która, wycofując się, wyciąga poszczególne segmenty rury osłonowej z gruntu.

(9)

Rys. 26. Sposób wprowadzania sondy pompy ciepła

Przeprowadzone próby potwierdziły funkcjonalną skuteczność zastosowanej technologii osadzania sond pompy ciepła.

W kolejnym etapie prac badawczych przeprowadzono badania trwałościowe prototypu zestawu wiertniczego, podczas pracy przy przewiertach przez materiały o wysokich parametrach wytrzymałościowych.

Przeprowadzone próby trwałościowe zostały wykonane w warunkach maksymalnych obciążeń pracy zespo- łów roboczych wiertnicy, uzyskanych poprzez zastosowanie największej siły docisku przy najwyższej prędkości obrotowej głowicy. W ramach badań prototyp wiertnicy przepracował łącznie około 350 godzin. Badania zostały przeprowadzone podczas dokonywania odwiertów w gruntach kategorii IV, tzn. w glinie oraz iłach zwartych.

Dodatkowo wykonano próbę pracy podczas wykonywania przewiertu w betonie, symulującym przeszkody skalne na linii odwiertu. Podczas pracy monitorowano ciśnienie w układzie hydraulicznym maszyny oraz tem- peraturę oleju hydraulicznego. Prowadzono również obserwacje zachowania się wiertnicy podczas wykonywania operacji roboczych.

W wyniku przeprowadzonych prób stwierdzono, że:

− temperatura oleju hydraulicznego stabilizowała się na poziomie 68 - 74^oC,

− ciśnienia w układzie roboczym były zbliżone do nastawionych ciśnień nominalnych, przy czym nie notowano zadziałania zaworów zabezpiecza- jących w układzie hydraulicznym urządzenia,

− próby pracy pod maksymalnym obciążeniem nie wykazały występowania uszkodzeń w podzespo- łach wiertnicy narażonych na występowanie przeciążeń długotrwałych,

− wykonane badania pozwalają na stwierdzenie, że zostały osiągnięte zakładane parametry trwałościowe i wytrzymałościowe wiertnicy.

Po przeprowadzeniu prób nie stwierdzono wystąpie- nia odkształceń lub pęknięć w elementach konstrukcyjnych urządzenia poddawanych zwiększonemu obciążeniu.

Jedynym zespołem podlegającym widocznemu zużyciu była głowica robocza, a zwłaszcza umieszczone na niej frezy skrawające zewnętrzne oraz tzw. „raczek”.

7. REZULTATY REALIZACJI PRAC BADAWCZYCH

Przeprowadzone podczas badań i przewiertów prób- nych pomiary parametrów pracy nowej wiertnicy modu- łowej wykazały, że zastosowane rozwiązania techniczne sprawdziły się w warunkach przyjętych w założeniach wstępnych do projektu. Stosując opracowane w ramach projektu prowadnice oraz wypracowane zasady zagłębia- nia początkowych segmentów w grunt, uzyskano wystar- czającą dokładność wykonywania odwiertów, pozwalają- cą nie tylko na prowadzenie prac przygotowawczych pod instalacje sond pompy ciepła, ale również dla potrzeb wykonywania przewiertów pod kolektory zbiorcze.

Uzyskano zakładane w projekcie parametry robocze, pozwalające wykonywać odwierty w gruntach od I do IV kategorii, jak również pozwalające na przewiercenie na wskroś przez przeszkody o wysokiej wytrzymałości mechanicznej. Wyznaczone zapotrzebowanie mocy uśrednionej szczytowej dla maksymalnych warunków pracy urządzenia wskazuje, że zastosowany silnik o mocy 16 kW zapewni wystarczające zasilanie układów hydraulicznych wiertnicy.

Charakterystyka techniczna wiertnicy:

• Maksymalny moment obrotowy – 400 dNm

• Maksymalna prędkość obrotowa – 30 obr/min

• Ciśnienie nominalne w układzie

obrotu – 20 MPa

• Ciśnienie nominalne w układzie

posuwu – 25 MPa

• Maksymalna siła popychająca – 250 kN

• Maksymalna siła cofająca – 200 kN

• Masa wiertnicy – 300 kg

• Masa studni startowej – 1000 kg

8. PODSUMOWANIE

Wykonany cykl prac badawczych pozwolił na opra- cowanie nowoczesnego wyrobu krajowego niemającego na chwilę obecną odpowiednika w konstrukcjach zagra- nicznych. W ramach wykonanych w Przedsiębiorstwie Innowacyjno-Wdrożeniowym „WAMET” prac konstrukcyjnych - przy wsparciu Instytutu Mechanizacji Budow- nictwa i Górnictwa Skalnego realizującego prace badawcze - została opracowana nowego typu lekka wiertnica modułowa, przeznaczona głównie do prowadzenia od- wiertów (sferycznie) pod instalacje pomp ciepła, jak również mogąca służyć do wprowadzania sond z wykorzystaniem napędu ruchu posuwowego. Niezwykle istot- ną zaletą nowej wiertnicy są bardzo małe gabaryty urządzenia, co umożliwia prowadzenie odwiertów z pomieszczeń zamkniętych, jak piwnice, czy garaże w istniejących i już eksploatowanych obiektach. Jako optymalne rozwiązanie techniczne – stosowane jedynie przez nielicznych producentów – wykorzystano system

(10)

umożliwiający wykonanie szeregu odwiertów rozchodzą- cych się promieniście od centralnej studni startowej. Jest to rozwiązanie charakteryzujące się dużą wydajnością wykorzystania dolnego źródła ciepła wykonywanego dla danego obiektu.

Efekty uzyskane dzięki przeprowadzonym pracom ba- dawczym mają duże znaczenie dla wielu potencjalnych odbiorców wiertnicy, którzy otrzymają wyrób wytrzyma- ły, a jednoczenie pozbawiony nadmiernej masy, szcze- gólnie w elementach i podzespołach nośnych i roboczych.

Literatura

1. Wojnar K.: Wiertnictwo technika i technologia. Warszawa: PWN, 1993 .

2. Wojnar K.: Wiertnictwo okrętne i udarowe. Warszawa : Wydawnictwa Geologiczne, 1966.

3. Szostak L.: Wiertnictwo. Warszawa: Wydawnictwa Geologiczne, 1989.

4. Bednarz S., Artymiuk J., Lizończyk W.: Problemy konstrukcji i eksploatacji sprzętu wiertniczego do wierceń małośrednicowych. „Wiertnictwo Nafta Gaz” 2009, t. 26, z. 1-2, s. 81 - 89.

5. www.palmerbit.com 6. www.tracto-technik.com

7. Oszczak W.: Ogrzewanie domów z zastosowaniem pomp ciepła. Warszawa: WKŁ, 2009.

8. PN-EN ISO 12100-1 Maszyny. Bezpieczeństwo. Pojęcia podstawowe, ogólne zasady projektowania. Część 1:

Podstawowa terminologia, metodyka.

9. PN-EN ISO 12100-2 Maszyny. Bezpieczeństwo. Pojęcia podstawowe, ogólne zasady projektowania. Część 2:

Zasady techniczne.