Коллектор

Изобретение относится к однотрубному коллектору для теплонасосной установки. Коллектор содержит трубу (12), предназначенную для установки в теплонасосной системе и выполненную с возможностью обеспечения циркуляции в ней жидкого теплоносителя по замкнутому циклу для переноса тепла, принятого от теплового источника, к тепловому насосу и возврата жидкого теплоносителя обратно к тепловому источнику. Внутренняя поверхность (14) трубы (12) имеет неровную структуру, содержащую углубления и/или выступы (16), проходящие по спирали в продольном направлении (L) трубы и выполненные с возможностью создания в трубе турбулентного потока текучей среды. 016603 Настоящее изобретение относится к однотрубному коллектору для теплонасосной установки. Настоящее изобретение также относится к теплонасосной системе, содержащей однотрубный коллектор. В воде, грунте и ниже в горной породе находятся источники бесплатного тепла. Использование тепла из моря, тепла грунта поверхностных слоев земли и тепла горной породы является надежным, безопасным и экологичным способом отопления. Тепловая энергия может быть передана в существующую известную водную отопительную систему, а также использована для получения горячей воды. В геотермальной отопительной системе тепло извлекается из буровой скважины, так называемой пробуренной энергетической скважины. Коллектор представляет собой трубу, содержащую теплообменную среду в виде так называемого жидкого теплоносителя, переносящего тепло посредством нагретой теплообменной среды, а также возвращающего охлажденную теплообменную среду по замкнутому циклу. В тепловой станции, использующей тепловую энергию грунта поверхностных слоев земли, на глубине непромерзания помещают трубопровод длиной несколько сотен метров и выполненный в форме колец. Коллекторный трубопровод накапливает тепло, имеющееся в грунте, и использует его на испарение охлаждающего агента теплового насоса. Тепло морской воды используется, по существу, тем же образом, что тепло грунта. Используется энергия, аккумулированная в морской воде и донном слое. Коллекторный трубопровод размещают на дне русла водного потока. Известны различные типы теплонаносных коллекторов. Наиболее распространенным в настоящее время типом коллектора является так называемый U-образный трубчатый коллектор. При его использовании в пробуренной скважине размещают отдельную закрытую трубу. Для этого, например, непрерывную длинную трубу из пластмассы, например полиэтилена, сгибают посередине, так что она принимаетU-образную форму. Нижнюю часть U-образной трубы размещают над пробуренной скважиной, в которую затем трубу вдвигают. Таким образом, U-образная труба формирует один непрерывный канал для переноса жидкого теплоносителя по замкнутому циклу в одной и той же трубе в направлении от теплового насоса вниз пробуренной скважины и обратно из нее к тепловому насосу. Для геотермальных отопительных установок известен также так называемый трехтрубный коллектор, являющийся разновидностью коллектора, содержащего трубу для переноса жидкого теплоносителя вниз пробуренной скважины, причем указанная труба имеет ответвление к двум трубам, доставляющим жидкий теплоноситель обратно из пробуренной скважины к тепловому насосу. Термин "однотрубный коллектор" в настоящем документе является общим термином и используется для обозначения вышеупомянутых коллекторных колец и системы коллекторных труб, предназначенных для использования тепловой энергии моря и тепловой энергии грунта поверхностных слоев земли. В однотрубном коллекторе перенос жидкого теплоносителя может осуществляться в трубе с поперечным сечением, являющимся, по существу, постоянным на всем протяжении коллектора в продольном направлении. Другим известным типом коллектора является так называемый соосный коллектор, в котором внутренняя труба размещена во внешней трубе. Трубы сваривают друг с другом в единый блок, впоследствии устанавливаемый в пробуренной скважине. Задачей этого решения "труба в трубе" является необходимость устранения смешивания в течение слишком длительного времени охлажденного жидкого теплоносителя, доставляемого вниз буровой скважины, с нагретым жидким теплоносителем, доставляемым вверх в коллектор. Путем создания внешней трубы большого диаметра достигается меньший расход во внешней трубе, имеющей большой диаметр, причем качество теплопоглощения улучшается. В настоящее время соосный коллектор используется незначительно, так как требует значительных затрат на установку и производство. Однако соосный коллектор считается в целом более эффективным в сравнении с известным однотрубным коллектором. Известный описанный выше соосный коллектор раскрыт в DE 202004007567 U1. Коллектор содержит соединительную трубу для подачи жидкого теплоносителя во внешнюю трубу, внутренняя часть которой имеет неровную поверхностную структуру. Нагретый жидкий теплоноситель возвращается через внутреннюю трубу вверх по соединительной трубе. Известный описанный выше соосный коллектор раскрыт в US 2007/0023163 А 1. Коллектор содержит соединительную трубу для подачи жидкого теплоносителя во внутреннюю трубу, конец которой размещен непосредственно над нижней частью внешней трубы, размещенной снаружи внутренней трубы. Жидкий теплоноситель нагревается во время циркуляции в промежутке между внешней трубой и внутренней трубой и переноса вдоль спиральной структуры ("генератора турбулентности"), размещенной на внешней части внутренней трубы, и далее доставляется к теплообменнику через тепловой насос. Толщина стенки коллекторной трубы подбирается так, что теплообменная среда поглощает наибольшее количество теплоты, трубы оказываются просты в обращении, а возвращающаяся масса стремится вниз буровой скважины в случае с пробуренной энергетической скважиной. Длина подбирается по необходимости.-1 016603 Однако недостатком традиционного однотрубного коллектора является неоптимальное поглощение энергии из окружающей воды в энергетической скважине. Существует настоятельная необходимость в более эффективном использовании этой энергии. Это также относится к однотрубным коллекторам,предназначенным для морских систем и тепловых станций, использующих тепловую энергию грунта поверхностных слоев земли. Задачей настоящего изобретения является, по меньшей мере, частичное устранение указанных недостатков, связанных с известными устройствами. Еще одной задачей изобретения является улучшение поглощения энергии теплообменной средой в однотрубном коллекторе из окружающего грунта в тепловой станции, использующей тепловую энергию грунта поверхностных слоев земли, или из окружающей воды в энергетической скважине геотермальной отопительной системы или в морской отопительной системе. Эта задача решена предлагаемым однотрубным коллектором для теплонасосной установки. Коллектор содержит трубу, предназначенную для установки в теплонасосную систему и выполненную с возможностью обеспечения циркуляции в ней жидкого теплоносителя по замкнутому циклу для переноса тепла, принятого от теплового источника, к тепловому насосу и возврата теплоносителя обратно к тепловому источнику. Внутренняя поверхность трубы имеет неровную структуру, содержащую углубления и/или выступы. Предлагаемый однотрубный коллектор и теплонасосная установка, содержащая его, позволяют улучшить поглощение энергии благодаря неровной поверхностной структуре, создающей турбулентный поток, в сравнении с известными коллекторами для использования тепла моря, тепловой станции, использующей тепловую энергию грунта поверхностных слоев земли, или энергетических скважин, имеющих гладкую внутреннюю поверхность, обеспечивающую ламинарный поток теплообменной среды через коллектор. Термин "труба" в настоящем описании также обозначает шланг, трубопровод и т.п. Согласно одному варианту реализации изобретения структура указанной внутренней поверхности является желобчатой, а поверхность имеет углубления, формирующие в ней подходящим образом непрерывные пазы, проходящие, по существу, в продольном направлении трубы. Пазы могут быть равномерно распределены по внутренней окружной поверхности трубы на виде ее поперечного сечения. Согласно еще одному варианту реализации изобретения углубления и/или выступы проходят по спирали в продольном направлении трубы. Направление спиральной формы может изменяться, по меньшей мере, в некоторой части трубы в продольном направлении трубы, например по меньшей мере каждые 2 м, предпочтительно каждый метр в продольном направлении трубы. Дополнительные предпочтительные признаки, преимущества и предпочтительные варианты реализации изобретения будут ясны из формулы изобретения, а также из последующего описания вариантов его реализации. Настоящее изобретение подробно описано ниже на практических примерах со ссылками на приложенные чертежи без ограничения объема изобретения. На фиг. 1 проиллюстрирован принцип построения и работы однотрубного коллектора, выполненного в форме известного U-образного трубчатого коллектора/ На фиг. 2 А показано поперечное сечение однотрубного коллектора, спиральные углубления и/или выступы на внутренней поверхности коллекторной трубы согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. На фиг. 2 В показано в перспективе продольное сечение части коллектора, показанного на фиг. 2 А/ На фиг. 2 С схематически показано поперечное сечение распрямленной стенки трубы коллектора,показанного на фиг. 2 А, В. На фиг. 3 показано продольное сечение части коллектора согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. На фиг. 1 проиллюстрирован принцип построения и работы известного U-образного трубчатого коллектора. Согласно этому принципу в пробуренной скважине 2 размещают непрерывную изолированную трубу 1. Для этого, например, отдельные трубы соединяют в непрерывную продольную трубу 1 на основе пластмассы, например полиэтилена. Система называется U-образным трубчатым коллектором,поскольку возле дна 4 буровой скважины 2 непрерывная труба 1 на конце образует U-образную кривую 3, в которой труба 1' для жидкого теплоносителя, переносимого вниз буровой скважины (показан стрелками), присоединена к трубе 1" для жидкого теплоносителя, переносимого вверх буровой скважины (показан стрелками) и затем из буровой скважины. Другими словами, непрерывная труба 1 согнута посередине, так что она принимает U-образную форму. На фиг. 1 проиллюстрированы только основные моменты. На практике вышеупомянутую U-образную трубчатую коллекторную систему целиком сваривают для выполнения требований безопасности эксплуатации. Таким образом, обратное колено, т.е.U-образную нижнюю часть или кривую 3, монтируют в заводских условиях для обеспечения безопасной работы. Верхняя часть 5 коллекторной системы обычно оканчивается на уровне 6 земли в рабочем колодце, в котором коллекторные трубы 1, 1', 1" присоединены к тепловому насосу (не показан). Во время сборки обратное колено 3 коллекторной системы размещают над буровой скважиной 2 и затем опускают-2 016603 по ней вниз. Таким образом, U-образная труба формирует один непрерывный канал для циркуляции жидкого теплоносителя в направлении от теплового насоса вниз по буровой скважине, назад вверх из буровой скважины и затем обратно к тепловому насосу по одной и той же трубе. Часть предлагаемого однотрубного коллектора для геотермальной отопительной системы показана на поперечном сечении Т на фиг. 2 А и на продольном сечении L на фиг. 2 В. Коллектор содержит трубу 12, изготовленную, например, на основе полиэтилена, предназначенную для сборки в пробуренной энергетической скважине, выполненную с возможностью обеспечения циркуляции в ней жидкого теплоносителя по замкнутому циклу для переноса геотермального тепла к тепловому насосу и возврата обратно к энергетической скважине. Внутренняя поверхность 14 трубы 12 имеет неровную структуру, содержащую углубления и/или выступы 16. Хотя со ссылкой на приложенные чертежи описан однотрубный коллектор в форме U-образного трубчатого коллектора, такой однотрубный коллектор также применим для морских тепловых систем и тепловых станций, использующих тепловую энергию грунта поверхностных слоев земли, а также трехтрубных коллекторов в пределах объема настоящего изобретения. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения предлагаемый однотрубный коллектор представляет собой непрерывную трубу 12 с поперечным сечением, по существу одинаковым вдоль всего продольного направления L трубы. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения внутренняя поверхность 14 однотрубного коллектора является желобчатой и имеет углубления 18, подходящим образом формирующие в ней непрерывные желобки, проходящие, по существу, в продольном направлении L трубы. Желобки 18 равномерно распределены по кругу по внутренней поверхности трубы, как показано на поперечном сечении Т трубы. На фиг. 2 С показано поперечное сечение распрямленной стенки коллекторной трубы 12,на котором видны углубления в форме желобков 18. На фиг. 3 показана часть предлагаемого однотрубного коллектора. Углубления и/или выступы 16 проходят по спирали в продольном направлении L трубы. Направление спиральной формы (показана стрелками на фиг. 3) может изменяться, по меньшей мере, в некоторой части в продольном направленииL трубы. Направление спиральной формы может подходящим образом изменяться по меньшей мере каждые 2 м, предпочтительно каждый метр, в продольном направлении L трубы. Согласно настоящему изобретению желобки или желобчатая структура, такая как поверхностная структура углублений и/или выступов, может быть непрерывной или прерываться в продольном направлении однотрубного коллектора. Согласно варианту реализации изобретения, показанному на фиг. 3, на внутренней поверхности трубы может быть выполнена гладкая часть в качестве короткого вспомогательного перехода между двумя спиральными частями. Обычные коллекторные трубы 12 в соответствии с изобретением имеют диаметр в диапазоне 25-63 мм. Размер углублений и/или выступов 16 в другом варианте желобков 18 или желобчатой структуры может быть различным, однако обычно в диапазоне 0,2-5 мм в зависимости от размера труб и толщины стенки, предпочтительно в диапазоне 0,2-2 мм для наиболее встречающихся размеров коллекторных труб 12. Пример. Были проведены эксперименты в теплонасосной системе с двумя тепловыми насосами по 16 и 32 кВт соответственно для снабжения горячей водой и отопления дома с 19 квартирами площадью 40 м 2 каждая. В эксперименте были использованы четыре буровые скважины диаметром 140 м и глубиной 260 м, заполненные водой и составлявшие тепловой источник системы. Использовался этанол в концентрации 20% от объема водного раствора с температурой замерзания -8 С. В эксперименте каждая из четырех буровых скважин была соответственно оснащена четырьмя однотрубным коллекторами различных типов. Соответствующие типы, размеры и размещение буровых скважин указаны в табл. 1. Средняя геотермальная температура грунта, не подвергаемого каким-либо воздействиям, составляла 8,7 С, а средняя теплопроводность грунта 3,75 Вт/(мК). Следует пояснить, что однотрубный коллектор 2 (ВН 2) в таблице, т.е. трехтрубный коллектор, является разновидностью коллектора, содержащего одну трубу для переноса жидкого теплоносителя вниз буровой скважины и две трубы, доставляющие жидкий теплоноситель обратно из буровой скважины к тепловому насосу. Однотрубный коллектор 4(ВН 4) является известным U-образным трубчатым коллектором. Однотрубный коллектор 5 (ВН 5) является известным U-образным трубчатым коллектором, оснащенным прокладками, предназначенными для удержания труб раздельно без контакта между ними. Однотрубный коллектор 6 (ВН 6) является предлагаемым U-образным трубчатым коллектором, содержащим углубления и/или выступы на внутренней поверхности трубы, проходящими вдоль нее по спирали. Спиральная форма вдоль трубы периодически изменяется. Был замерен расход в соответствующих коллекторах. Теплообменники каждой буровой скважины были снабжены термоэлементами для измерений температуры жидкого теплоносителя на дне и в выходных отверстиях внутри коллектора. Во время испытаний при помощи манометра был также измерен полный перепад давления в коллекторах в входных и выходных каналах коллекторов. Температура была измерена при различных состояниях течения в буровых скважинах и после запуска теплового насоса,когда состояние стабилизировалось. Во время измерений были рассчитаны плотность текучей среды,кинематическая вязкость и теплоемкость. Таким образом, были рассчитаны число Рейнольдса, коэффициент трения и перепад давления. В заключение было рассчитано теплопоглощение теплопередающей текучей среды на 1 м, что также использовалось при вычислении теплового сопротивления буровой скважины для каждого коллектора. Температура стенки буровой скважины была измерена при помощи оптоволоконного кабеля предполагалась постоянной и равной 7,2 С для вычислений в данном эксперименте. В отношении теплоотвода (кВт) наилучшие характеристики были получены для ВН 6, а наихудшие характеристики для ВН 2. Тем не менее не рекомендуется сравнивать коллекторы по показаниям теплоотвода ввиду того, что не все измерения были выполнены в одно время, что могло стать причиной различия температур на входе и грунтовых вод для разных измерений. В отношении теплового сопротивления было замечено, что коллектору ВН 6 соответствовали наименьшие показания из всех коллекторов (например, при расходе 1,8 м 3/ч поднимающегося потока коллектору ВН 6 соответствовали показания 0,16 Kм/Вт, в то время как коллектору ВН 2 приблизительно 0,18, коллектору ВН 4 приблизительно 0,23,а коллектору ВН 5 приблизительно 0,22), за исключением одного измерения, при котором лучшим был ВН 5. Таким образом, в определенном отношении предлагаемый однотрубный коллектор показывает наилучшую производительность. Результаты для перепада давления указаны в табл. 2. Итого, полученные результаты указывают на существенность влияния размеров труб, предполагаемое отсутствие влияния наличия прокладок (в коллекторе ВН 5) на увеличение теплообмена и увеличение производительности коллекторов благодаря структуре внутренней поверхности труб. За исключением коллектора ВН 6, в целом было отмечено, что расчетные значения перепада давления несколько меньше экспериментальных значений. Это связано с тем, что дополнительные элементы, такие как отводы, колена, нижняя часть коллектора, не учитывались при вычислениях. Было отмечено, что расчетные значения для коллектора ВН 6 больше экспериментальных, что неожиданно свидетельствует о меньшем действительном перепаде давления в указанном однотрубном коллекторе со структурированной внутренней поверхностью в форме углублений и/или выступов. Коллектору ВН 6 неожиданно соответствует наименьший перепад давления из всех коллекторов, включая коллекторы ВН 4 и ВН 5, являющиеся стандартнымиU-образными трубчатыми коллекторами таких же размеров. Анализ перепада давления указывает, что коллектор ВН 6 является лучшим вариантом, так как для перекачки в нем теплопередающей текучей среды необходима несколько меньшая мощность. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Однотрубный коллектор для теплонасосной установки, содержащий трубу (12), предназначенную для установки в теплонасосную систему и выполненную с возможностью обеспечения циркуляции в ней жидкого теплоносителя по замкнутому циклу для переноса тепла, принятого от теплового источника, к тепловому насосу и возврата жидкого теплоносителя обратно к тепловому источнику, отличающийся тем, что внутренняя поверхность (14) трубы (12) имеет неровную структуру, содержащую углубления и/или выступы (16). 2. Однотрубный коллектор по п.1, отличающийся тем, что указанная структура представляет собой желобчатый узор, причем внутренняя поверхность (14) выполнена с углублениями, формирующими непрерывные пазы (18) во внутренней поверхности (14), проходящей, по существу, в продольном направлении (L) трубы. 3. Однотрубный коллектор по п.2, отличающийся тем, что пазы (18) равномерно распределены вокруг внутренней окружной поверхности трубы на виде поперечного сечения трубы (12). 4. Однотрубный коллектор по пп.1-3, отличающийся тем, что углубления и/или выступы (16) проходят по спирали в продольном направлении (L) трубы. 5. Однотрубный коллектор по п.4, отличающийся тем, что направление проходящих по спирали углублений и/или выступов (16) изменяется в продольном направлении (L) трубы, по меньшей мере, в некоторой ее части. 6. Однотрубный коллектор по п.5, отличающийся тем, что направление проходящих по спирали углублений и/или выступов (16) изменяется в продольном направлении (L) трубы по меньшей мере каждые 2 м. 7. Однотрубный коллектор по пп.1-6, отличающийся тем, что углубления и/или выступы (16) находятся в диапазоне 0,2-5 мм, предпочтительно 0,2-2 мм. 8. Однотрубный коллектор по пп.1-7, отличающийся тем, что непрерывная труба (12) имеет поперечное сечение, по существу, одинаковое вдоль всего ее продольного направления (L). 9. Теплонасосная система, отличающаяся тем, что содержит однотрубный коллектор по пп.1-8.