Численный анализ теплопритоков к геотермальному теплообменнику с учетом испарения влаги в его конструкции

Abstract

Актуальность. Положения о необходимости перехода на альтернативные источники энергии и энергетической безопасности, снижении выбросов в окружающую среду и энергосбережении в различных отраслях во многом могут опираться на использование геотермальной энергии. Отдельной областью в сфере моделирования геотермальных технологий является исследование тепловых режимов геотермальных теплообменников. Необходимость обеспечения надежного теплового контакта между геотермальным теплообменником и окружающей его средой приводит к использованию разнообразных засыпок, в том числе и предварительно увлажненных. Цель. Исследование влияния интенсификации теплоподвода к геотермальным теплообменникам за счет изменения теплопроводности в результате увлажнения засыпки в элементах его конструкции и наличия фазовых переходов. Методы. Решение задачи получено методом конечных разностей. Использовалась неявная разностная схема и алгоритм прогонки. Шаг по координате составлял от 1 до 10 мм. Результаты и выводы. Исследования выполнены для шести месяцев непрерывной работы геотермального теплообменника. При анализе тепловых режимов рассматриваемой системы основное внимание уделялось исследованию интенсификации теплоподвода к геотермальному теплообменнику с учетом влияния испарения влаги в его засыпке, ее характеристик и условий эксплуатации рассматриваемых систем. Установлено, что увеличение влажности песчаной засыпки геотермального теплообменника приводит к росту теплопритоков на 3,2...7,8 %. Выявлено существенное влияние нестационарности процессов переноса на интенсификацию теплообмена в рассматриваемой системе. Показано, что вклад эффекта испарения в теплопритоки к геотермальному теплообменнику составляет около 22 %. Обоснован вывод о том, что при выборе варианта регулирования тепловых режимов геотермальных теплообменников следует преимущественно изменять объемную влажность песчаной засыпки

Relevance. Provisions on the need to transition to alternative energy sources and energy security, reduction of environmental emissions and energy conservation in various industries can largely rely on the use of geothermal energy. A separate area in the field of modeling geothermal technologies is the study of thermal regimes of geothermal heat exchangers. The need to ensure reliable thermal contact between the geothermal heat exchanger and its environment leads to the use of a variety of backfills, including pre-moistened ones. Aim. Study of the intensification of heat supply to geothermal heat exchangers, taking into account the effect of moisture evaporation in its backfill, its characteristics and operating conditions of the systems under consideration. Methods. The solution to the problem was obtained by the finite difference method. An implicit difference scheme and sweep algorithm were used. The coordinate step ranged from 1 to 10 mm. Results and conclusions. Study was carried out for six months of continuous operation of a geothermal heat exchanger. When analyzing the thermal conditions of the system under consideration, the main attention was paid to the study of the intensification of heat supply to the geothermal heat exchanger, taking into account the effect of moisture evaporation in its backfill, its characteristics and operating conditions of the systems under consideration. It was established that an increase in the sand backfill humidity of a geothermal heat exchanger leads to a growth in heat inflows by 3.2-7.8%. A significant effect of the unsteadiness of transfer processes on heat transfer intensification in the system under consideration was revealed. It was shown that the increase in heat flow to the geothermal heat exchanger due to the presence of evaporation is about 22%. The conclusion is substantiated that when choosing an option for regulating the thermal conditions of geothermal heat exchangers, the volumetric humidity of the sand backfill should be primarily changed