A geotermikus energia épületgépészeti hasznosításának lehetőségei II.
2001/12. lapszám | Kónya Tamás | 3631 |
Figylem! Ez a cikk 24 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Egy kezdetben pozitív kút pozitivitása idővel csökkenhet, sőt negatív kúttá is válhat. Itt van jelentősége annak, hogy a kitermelt és hőtartalmának egy részét elveszített hévizet használat után elvezetjük valamilyen tárolóba, vízfolyásba, környezetszennyezést okozva, vagy visszasajtoljuk a megcsapolt mezőbe. Ez utóbbi esetben segítjük a tároló rétegenergiájának fenntartását, késleltetjük a kút vízhozamának, a kútfej nyomásának és hőmérsékletének csökkenését.
Termálkutak, búvárszivattyúk, kavitáció
Egy kezdetben pozitív kút pozitivitása idővel csökkenhet, sőt negatív kúttá is válhat. Itt van jelentősége annak, hogy a kitermelt és hőtartalmának egy részét elveszített hévizet használat után elvezetjük valamilyen tárolóba, vízfolyásba, környezetszennyezést okozva, vagy visszasajtoljuk a megcsapolt mezőbe. Ez utóbbi esetben segítjük a tároló rétegenergiájának fenntartását, késleltetjük a kút vízhozamának, a kútfej nyomásának és hőmérsékletének csökkenését.
Negatív kút esetében tehát a nyugalmi vízszint a térszint alatt van, gondoskodni kell a termálvíz kiemeléséről. Ennek széles körben elterjedt módszere, berendezése a búvárszivattyú használata. Az épületgépészet számos területén használunk szivattyút meleg víz, forró víz továbbítására, ezért fontosnak tartjuk, hogy a búvárszivattyús termálvíz-kiemeléssel részletesebben foglalkozzunk, mivel az itt fellelhető problémák, nehézségek egy részével máshol is találkozhatunk, például a fűtéstechnika területén.
A szivattyúzandó víz magas hőmérséklete miatt a búvárszivattyút a vízszint alá kell helyezni. Ha ezt nem így tennénk, a kavitáció jelensége miatt működésképtelenné válna a szivattyú, nem tudnánk a termálvizet kiemelni. Ezért is nevezzük ezeket a berendezéseket búvárszivattyúknak. A kutakba telepített búvárszivattyúk kis átmérőjű, többfokozatú radiális vagy félaxiális átömlésű centrifugálszivattyúk. Motorjuk szintén a víz alá kerül.
A centrifugálszivattyúkat, így a búvárszivattyúkat is áramlástechnikai szempontból homogén, összenyomhatatlan, folytonos és izotróp közeg továbbítására tervezték. (Izotróp közegnek azokat nevezzük, amelyekben a fizikai folyamatok terjedése iránytól független.) Ezeknek a feltételeknek a víz tökéletesen megfelel.
Probléma akkor jelentkezik, amikor szivattyúzás során az áramló víz nyomása a víz hőmérsékletéhez tartozó telített gőz nyomásának értéke alá csökken. Ilyenkor a folyadékfázisban gőzbuborékok jelennek meg, megszűnik a víz homogenitása, folytonossága és a gőz jelenléte miatt az áramló közeg összenyomhatóvá válik.
A búvárszivattyú környezetében a szívóoldalon várható leginkább ilyen mértékű nyomáscsökkenés. Kavitációnak nevezzük azt a jelenséget, amikor nyomáscsökkenés következtében a buborékos áramlás megjelenik. Ez káros jelenség, a búvárszivattyúk könnyen üzemképtelenné válhatnak.
- A gőzképződés következtében kialakult buborékos áramlás a forgó járókerék tömegeloszlását pillanatról pillanatra változtatja. Az ilyen módon dinamikailag kiegyensúlyozatlanná vált forgórész csapágyazása idő előtt tönkremehet.
- A buborékos áramlás nyomásegyenetlenséget, végső soron nyomáshullámokat indukálhat a csővezetékben, ez visszahat a gépegységre, káros mechanikai igénybevételt eredményez a szivattyúban és a csőhálózatban.
- A pulzáló áramlástöbblet áramlási veszteséget jelent, csökken a szivattyú szállítómagassága, a vízkiemelés hatásfoka.
- A legsúlyosabb következmény a kavitációs erózió, amikor az áramlás mentén a határoló falak felületét a jelentkező koptató hatású mechanikai igénybevétel lyukacsossá teszi, falvastagság csökkenés mellett a szerkezet tönkremegy. Ez érinti a járókerekeket és a járókerékházat egyaránt.
- A kavitációs üzemvitel jelenlétét jellegzetes hanghatások, zajok kísérik. Ez önmagában a berendezésre nézve káros hatással nincs, de jelzéssel szolgál a kezelőszemélyzet felé.
Szerencsétlen körülmények egybeesése kapcsán előfordulhat, hogy a búvárszivattyú már néhány hetes üzemelés után tönkremegy. Ez függ a kavitáció intenzitásától, a szerkezeti anyagok ellenálló képességétől.
Minél korábban vesszük észre a kavitáció jelenlétét, annál korábban léphetünk a rendellenes üzemmód megszüntetése érdekében, illetve megelőzhetjük a berendezés tönkremenetelét.
Mit tehetünk annak érdekében, hogy elkerüljük a kavitációt?
– A legfontosabb talán az, hogy az adott feladathoz választunk berendezést. Termálvíz kiemeléséhez erre a célra szerkesztett búvárszivattyút kell választanunk. A búvárszivattyúk minőségét meghatározó jellemzők közül különös hangsúllyal bír a szivattyú szívóképessége, azaz az a legkisebb szívóoldali nyomás, amely mellett a szivattyú még kavitáció nélkül üzemel.
– A szivattyú szívócsonkján bizonyos minimális hozzáfolyási magasságot kell biztosítani annak érdekében, hogy kavitáció ne alakuljon ki. Ennek értéke függ a szállított folyadék hőmérsékletétől, a szivattyú ún. belső dinamikus nyomásesésétől, amelyet az angol elnevezés rövidítése után NPSH-nak nevezünk.
Tekintettel arra, hogy az NPSH értéke a szivattyúban kialakuló áramlási viszonyoktól függ, ennek értékéről a szivattyúkatalógusok a térfogatáram függvényében a kiválasztási görbesereg segítségével adnak tájékoztatást.
Hideg vizet szállító szivattyúk esetében a légköri és a telített gőzre vonatkozó nyomásmagasság-különbség nagyobb az NPSH kritikus értékénél, így a bemerülési mélység negatív, azaz a szivattyú a vízszint fölé telepíthető. Hideg vizet szállító búvárszivattyúknál ennek nincs értelme, de nem is jelentkezhet kavitáció.
Összegezve az eddigieket, megállapítható, hogy
- termálvizet a magas vízhőmérséklet miatt csak búvárszivattyúval emelhetünk ki, és
- a kavitáció elkerülése érdekében gondosan kell meghatározni a szivattyú bemerülési mélységét.
Termálvizek felosztása jellemző tulajdonságaik alapján
A geotermikus energia épületgépészeti célú hasznosíthatóságának körülményeit nagyban befolyásolja, hogy az ebből a célból felszínre hozott termálvíz mint hőhordozó, milyen fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkezik. Emiatt célszerű néhány fontos szempont szerint csoportosítani a hévizeket.
Ha csak gyógyászati szempontból vizsgáljuk a hévizeket, alapvetően háromféléről beszélhetünk.
- A hévizek egy részére az jellemző, hogy egyszerűen csak melegek, összetételükben nincs semmi olyan anyag, ami megtalálható a következő két csoportban.
- Az ásványvízben kémiai vizsgálattal igazoltan fontos összetevők vannak, például bróm, jód stb. ezeknek különböző kedvező élettani, gyógyászati hatásuk igazolt.
- Gyógyvízről akkor beszélünk, ha az adott kút vizét az Egészségügyi Minisztérium a szükséges vizsgálatok és protokoll alapján gyógyvízzé minősíti. Fontos tudni, hogy itt a gyógyvízzé történő minősítés a jelenlegi szabályozás szerint kizárólag a kút vizére vonatkozik és nem arra a vízre, ami például ezzel a kúttal táplált gyógymedencében található.
Az energetikai célú hasznosítás esetében más szempontok szerint kell megvizsgálnunk a hévizeket:
Vannak ún. nagy és kis entalpiájú hévizek. A nagy entalpiájú forró víz vagy gőz hordozóközeg hőmérséklete 150 °C feletti. Az ilyen mezőkre elektromos erőműveket telepítenek. Az ennél alacsonyabb hőmérsékletű, kis entalpiájú készleteket közvetlen hőszolgáltatásra, elsősorban épületek fűtésére, használati meleg víz előállítására, a mezőgazdaságban üvegházak, fóliasátrak, állattartó épületek fűtésére használják.
Magyarországon csak kis entalpiájú mezők ismertek.
- Hőmérsékletük szerint beszélünk langyos (35 °C-ig), középmeleg (60 °C-ig) és meleg (60 °C felett) hévizekről.
- Az oldott vegyi anyagok szerint megkülönböztetünk hidrogén-karbonátos, kloridos, szulfátos, stb. vizeket.
- Keménységük szerint vannak lágy (5 nk° -ig), kissé kemény (15 nk°-ig) és kemény (15 nk° felett) hévizek.
- Gáztartalom szerint ismerünk robbanásveszélyes (metános) gázokat és robbanásveszélyes gázokat nem tartalmazó (nitrogén, szén-dioxid) hévizeket.
- Kémiai összetételük szerint vannak agresszív hatású, korróziót okozó (szén-dioxid, oldott oxigén, szulfid stb. tartalmú) hévizek és vannak olyanok, amelyekre ez kevésbé jellemző.
A termálvíz tulajdonságait tekintve az energetikai célú hasznosíthatóságot a következő jellemzők befolyásolják:
- a termálvíz keménységet okozó sótartalma,
- a termálvíz gáz- és korróziót okozó vegyianyag- tartalma,
- a termálkút vízhozama, a kútfej hőmérséklete és nyomása.
Fontos egyéb körülmény:
- a termálkút és a felhasználás helye közötti távolság,
- mennyire tudjuk a különböző hőmérséklet intervallumban működő fogyasztókat sorba kapcsolni,
- a lehűlt termálvíz visszasajtolásának körülményei, feltételei, költsége.
A hévizek általában nem a hasznosítás helyén találhatók. Emiatt
- vagy távvezetéken kell továbbítani a termálvizet, ami hőveszteséggel, többletköltséggel jár,
- vagy a kutak közelében kell kialakítani a hasznosítás lehetőségét,
- vagy a felhasználás helyén kell próbálkozni termálkút fúrásával.
A kérdés eldöntésében fontos szerepe van a természeti adottságokon túl a műszaki, gazdaságossági számításoknak is.
A geotermikus energia energetikai célú hasznosítása a műszaki gyakorlatban
A Magyarországon fellelhető geotermikus energiamezők hőhordozója jellemzően a víz, viszonylagosan alacsony hőmérséklete miatt energiaszintje, fajlagos energiatartalma ennélfogva szintén alacsony. Az energetikai célú felhasználáskor ezt figyelembe kell venni, a műszaki megoldás kiválasztásakor erre tekintettel kell lenni.
A körülményektől és lehetőségeinktől függően több műszaki megoldás közül választhatunk a megfogalmazott cél ismeretében:
- a földi hőáramot hasznosítjuk közvetlenül, vagy hőszivattyú segítségével magasabb energiaszintre emelve a hőforrás energiaszintjét,
- a felszínre hozott termálvizet,
- közvetlenül hasznosítjuk a hőleadó radiátorokban áramoltatva, vagy használati meleg vízként a csapolókon kifolyatva,
- hőcserélőbe vezetve felmelegítjük vele a fűtési és a használati meleg vizet,
- hőcserélők és hőszivattyú kissé bonyolultabb együttes rendszerében hasznosítjuk.
(Folytatjuk)
A cikksorozat részei:
A geotermikus energia épületgépészeti hasznosításának lehetőségei IV.
A geotermikus energia épületgépészeti hasznosításának lehetőségei III.
A geotermikus energia épületgépészeti hasznosításának lehetőségei II.
A geotermikus energia épületgépészeti hasznosításának lehetőségei I.
