ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1996 года по МПК F24J3/08 

Изобретение относится к геотермальным устройствам и может быть использовано в системах теплоснабжения и энергоснабжения населенных пунктов.

Известно геотермальное устройство (авт. св. СССР N 1633237, кл. F 24 J 3/08, опублик. 1991), содержащее выполненные в грунте вертикальные нагнетательную и отводящую скважины, в первую из которых установлена обсадная труба с двумя разнесенными по высоте перфорированными участками.

Для расширения диапазона производительности путем перераспределения расходов теплоносителя через перфорированные участки в грунте в зоне нагнетательной скважины дополнительно выполнены вертикальная трещина гидроразрыва и ряд дополнительных криволинейных скважин, подводящих к отводящей скважине забойными и выходными участками, первые из которых расположены на высоте на уровне перфорированных участков нагнетательной скважины и выведены в полость трещины на ее периферии.

Геотермальное устройство может быть использовано для извлечения тепла из предварительно разрушенного высокотемпературного горного массива.

Недостатками устройства являются сложность осуществления и узкий диапазон его использования.

Известно геотермальное устройство (авт. св. СССР N 1657896, кл. F 24 J 3/08, опублик. 1991), содержащее теплообменник с трактом геотермального теплоносителя, две сообщенные под землей скважины и два идентичных циркуляционных блока, каждый из которых выполнен в виде насоса с всасывающим и напорным патрубками, соединенными двумя байпасными трубопроводами, подключенными каждый своими концами через задвижки к упомянутым патрубкам насоса, причем байпасные трубопроводы одного из блоков подключены соответственно к одной из упомянутых скважин и к тракту теплообменника. Для повышения экономичности и надежности путем снижения отложений байпасные трубопроводы второго циркуляционного блока подключены соответственно к второй скважине и тракту теплообменника, а всасывающие патрубки насосов блоков соединены дополнительно перепускным трубопроводом, дополнительно снабженным задвижкой, причем подключение байпасных трубопроводов к скважинам осуществлено через дополнительно установленные отделители примесей.

Существенными недостатками такого геотермального устройства являются использование двух скважин, сообщенных между собой, и двух циркуляционных блоков, выполненных в виде насосов, что энергетически не выгодно из-за большого расхода электроэнергии для перекачивания геотермального теплоносителя и большие потери геотермального тепла из-за расположения оборудования и трубопроводов устройства на поверхности земли.

Известны способ и установка для отбора геотермального тепла от грунтовой воды из колодца, имеющего трещиноватое грунтовое основание (заявка Японии N 1-37667, кл. F 24 J 3/08, опублик. 1989).

Из колодца, сообщающегося с источником горячей воды, поднимают горячую воду, большую часто тепла которой используют для теплообмена с соответствующей средой. В качестве среды для теплообмена может быть использована поверхностная вода или газообразный фреон. Установка содержит насос и теплообменник.

Установка может быть использована в тех случаях, когда имеются вблизи населенных пунктов гейзеры или источники тепла, расположенные на небольшой глубине от поверхности земли, что сужает диапазон использования установки. Относительно низкая производительность установки зависит от наличия грунтовых вод (расходных характеристик) и времени года.

Известен способ переработки снега и устройство для его реализации, включающее геотермальную установку (авт. св. СССР N 1781359, кл. E 01 H 5/10, опублик. 1992). Геотермальная установка содержит открытую сверху подземную камеру с размещенным над ней бункером, сообщенную через установленный в ней вертикальный трубопровод с подземным источником тепла через скважину, выполненную под дном подземной камеры, причем верхний конец трубопровода закреплен в перекрытии бункера, а в стенках и в дне подземной камеры выполнены каналы, сообщенные с ее полостью и источником давления текучей среды через систему трубопроводов, и фильтр.

Недостатками геотермальной установки являются относительно узкий диапазон функциональных возможностей и некоторая возможность загрязнения окружающей среды при транспортировке загрязнителей из снега.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей и снижение загрязнения окружающей среды.

Цель достигается тем, что геотермальная установка, содержащая открытую сверху подземную камеру с размещенным над ней бункером, сообщенную через установленный в ней вертикальный трубопровод с подземным источником тепла через скважину, выполненную под дном подземной камеры, причем верхний конец трубопровода закреплен в перекрытии бункера, а в стенках и в дне подземной камеры выполнены каналы, сообщенные с ее полостью и источником давления текучей среды через систему трубопроводов, и фильтр, снабжена обратным клапаном, установленным в нагнетательном патрубке источника давления текучей среды, при этом средний участок вертикального трубопровода выполнен перфорированным, а бункер выполнен герметичным и теплоизолированным от внешней среды и сообщен через фильтр с отопительным контуром, а также дополнительным вертикальным трубопроводом, размещенным коаксиально в основном вертикальном трубопроводе и в скважине, газопаровой турбиной, установленной в верхней части дополнительного вертикального трубопровода и кинематически связанной с электрогенератором, при этом в межстенном пространстве основного и дополнительного вертикальных трубопроводов под перфорированным участком основного вертикального трубопровода установлено кольцо с обратными клапанами, а верхний конец основного вертикального трубопровода выполнен закрытым, газопаровая турбина снабжена направляющим кожухом, сообщенным с фильтром, выход отопительного контура сообщен с всасывающим патрубком источника давления текучей среды.

При патентных исследованиях не обнаружена заявляемая совокупность признаков установки для достижения цели изобретения.

Предлагаемая геотермальная установка, наряду с использованием известных технических средств, отличается от известных тем, что вода (конденсат), поступающая из отопительного контура населенного пункта, подается в подземную камеру, из которой через перфорированный участок основного вертикального трубопровода сливается в межстенное пространство основного и дополнительного вертикальных трубопроводов, затем, перемещаясь по скважине, сливается в зону парообразования, находящуюся на ее нижних горизонтальных, после чего пар, расширяясь, поднимается по дополнительному вертикальному трубопроводу в газопаровую турбину для выработки электроэнергии, смонтированную в верхней части дополнительного вертикального трубопровода, а из направляющего кожуха турбины пар, очищаясь от вредных веществ, вновь поступает в отопительный контур. Потери воды компенсируются из дополнительного резервуара с водой или водопровода. Таким образом, предложена экологически чистая автономная замкнутая система для отопления населенных пунктов, не загрязняющая окружающую среду.

Из патентных исследований можно заключить, что изобретение является новым, так как не известно из уровня техники. Кроме того, изобретение имеет изобретательский уровень, так как для специалиста явным образом не следует из уровня техники в данной области. Изобретение промышленно применимо в виду того, что признаки установки могут быть промышленно освоены в любом промышленно-строительном комплексе.

На фиг. 1 схематично изображена геотермальная установка, продольный разрез; на фиг. 2 показан узел I на фиг. 1; на фиг. 3 узел II на фиг. 1.

Геотермальная установка включает в себя подземную камеру 1, которая содержит, например, концентрически расположенные трубчатые секции 2, 3, 4, нижние части которых снабжены кольцевыми уступами 5. Между трубчатыми секциями 2-4, а также между грунтом 6 и внешней трубчатой секцией 2 имеются кольцевые зазоры 7, 8, 9 шириной от одного до нескольких дециметров, заполняемые электропроводящей текучей средой, например тиксотропным раствором. Трубчатые секции 2-4 выполнены, например, из сверхпрочного шлакощелочного бетона.

Для пропорционального распределения нагрузок с внешней трубчатой секции на внутренние секции подземной камеры предусматривается пропорциональное распределение гидростатических давлений текучей среды в кольцевых зазорах конструкции. При этом боковое давление, действующее на внутреннюю поверхность трубчатой секции, предусматривается значительно меньше, чем боковое давление, действующее на внешнюю поверхность той же трубчатой секции. Это обеспечивается либо изменением удельного веса текучей среды, либо изменением высоты трубчатой секции (авт. св. СССР N 846650, кл. E 02 D 27/10, 1979). Так, в случае использования конструкции, изображенной на фиг. 1, распределение нагрузок между секциями осуществляется за счет изменения удельного веса текучей среды в кольцевых зазорах. В этом случае удельный вес текучей среды в кольцевом зазоре 7 больше, чем в кольцевом зазоре 8, а в кольцевом зазоре 9 меньше, чем в кольцевом зазоре 8. Такое выполнение подземной камеры обеспечивает снижение толщины стенок трубчатых секций, экономию материалов и не уменьшает их надежность.

В нижней части трубчатой секции 4 изготавливается плита-днище 10 из высокопрочного тепло-токопроводящего материала, например титана. Плита-днище 10 электрически связана с арматурой трубчатых секций 2-4 (не показано). Трубчатые секции 2-4 с плитой-днищем 10 образуют опускное сооружение, глубина которого может составлять до 150 м.

Под плитой-днищем 10 подземной камеры пробуривается скважина 11 с температурой на ее нижнем конце в пределах 99-105^оС за счет излучения тепла окружающих пород на ее нижних горизонтах, при этом скважина 11 выполняет функции теплопровода между подземным источником тепла и подземной камерой для обогрева трубчатых секций 2-4 и их внутреннего пространства. Скважина 11 на нижнем конце может иметь сферическую полость, которую возможно сформировать посредством взрыва взрывчатых веществ.

Пределы температур определяются из следующих соображений. Принимая во внимание то, что температура жидкости (воды), при которой давление ее насыщенного пара Р_п равно внешнему барометрическому давлению Р_о, называется температурой (точкой) кипения (Яворский Б.М. Детлаф А.А. Справочник по физике. М. Наука, 1985, с. 146), равной при давлении 1 кг/см² 99,09^оС, а при давлении 2 кг/см² 119,62^оС (Бахмачевский Б.И. и др. Теплотехника. М. Металлургия, 1964, с. 605, приложение 6), а также учитывая общую глубину скважины, равную ≈ 2700м, температуру пород на нижних горизонтах скважины определяют в пределах 99-105^оС (Механизация на угольных шахтах ФРГ. /Под ред. Н.К. Гринько. М. Недра, 1979, с. 8). Изменение температуры пород коры Земли может иметь широкий диапазон, поэтому при строительстве подземных сооружений производятся измерения температуры через каждые 100 м при бурении лидер-скважин.

Скважина 11 сообщается через отверстие 12, выполненное в плите-днище 10, с полостью основного вертикального трубопровода 13. Верхний конец основного вертикального трубопровода 13 закреплен в перекрытии 14, являющемся общим элементом герметичного и теплоизолированного бункера 15 и подземной камеры. Средняя часть 16 основного вертикального трубопровода 13 выполнена перфорированной. В перекрытии 14 выполнены проемы 17 для свободного перетекания теплоносителя. В проемах 17 установлены решетки (не показаны).

Кроме того, в трубчатой секции 4 и в плите-днище 10 подземной камеры выполнены каналы 18, 19 и 20, сообщенные с ее полостью, подземным источником тепла и источником 21 давления текучей среды, выполненным в виде насоса. Нагнетательный патрубок 22 насоса 21 сообщен через обратный клапан 23 и систему трубопроводов 24, 25 и 26 с каналами 18, 19 и 20. Всасывающий патрубок 27 насоса 21 сообщен с выходным трубопроводом 28 отопительного контура (не показан).

В скважине 11 и в основном вертикальном трубопроводе 13 коаксиально установлен дополнительный вертикальный трубопровод 29, межстенное пространство которых сообщено с подземным источником тепла. В верхней части дополнительного вертикального трубопровода 29 установлена газопаровая турбина 30, которая посредством валопровода 31 и редуктора 32 связана с электрогенератором 33 для выработки электроэнергии. В межстенном пространстве основного 13 и дополнительного 29 вертикальных трубопроводов под перфорированным участком 16 герметично установлено кольцо 34 с обратными клапанами 35. Количество обратных клапанов 35 выбирается из расчета расхода воды, подаваемой к подземному источнику тепла, для образования пара.

К бункеру 15 герметично присоединен фильтр 35 известной конструкции с минимальным гидравлическим сопротивлением. Фильтр 36 посредством теплопровода 37 подключен к отопительному контуру населенного пункта (не показано). Для повышения напора в отопительном контуре в установке может быть предусмотрен дополнительный источник 38 давления, например газодувка, всасывающий патрубок которой подключен к фильтру 36, а нагнетательный патрубок через задвижку 39 к теплопроводу 37.

В геотермальной установке может быть предусмотрен дополнительный теплообменник известной конструкции, вмонтированной, например, в стенку трубчатой секции 3 (не показан). В качестве теплоносителей может быть использован фреон, магнитофоры и другие теплоносители. Дополнительный теплообменник посредством герметичных теплопроводов связывается с теплообменниками по месту использования тепла, например, для нагрева воды в устройствах коммунальных предприятий. Для уменьшения потерь теплоносителя, а также снижения потерь напора газопаровой турбины 30 последняя снабжена направляющим кожухом (аппаратом) 40, сообщенным с фильтром 36.

Геотермальная установка работает следующим образом.

Предварительно выбирают площадку для строительства подземной камеры 1. Проводят полный комплекс изыскательских работ, в том числе бурят на площадке сверхглубокую скважину 11. Бурение скважины предварительно производят на поиск нефти или газа. При отрицательных результатах поиска, а также при отсутствии радиоактивных руд и вредных биоактивных зон продолжают бурение скважины с замером температуры окружающих пород через каждые 100 м. При достижении заданных температур окружающих пород в пределах 99-105^оС на нижних горизонтах скважины строят подземную камеру 1.

В виду того, что тепло непрерывно поступает от подземного источника тепла через скважину 11 в подземную камеру 1, последняя нагревается за счет конвекции и циркуляции потоков воздуха между нагретыми породами источника тепла и элементами установки. Затем включают насос 21 и подключают выходной трубопровод 28 отопительного контура к водопроводу, вода из которого подается в подземную камеру 1 через обратный клапан 23, систему трубопроводов 24, 25, 26 и каналы 18, 19, 20. Одновременно открывают задвижку 39, обеспечивая сообщение подземной камеры 1 с теплопроводами 37 отопительного контура. Подземная камера заполняется водой и одновременно нагревается за счет тепла, подведенного от подземного источника тепла. При достижении уровнем воды перфорированной части 16 основного вертикального трубопровода вода поступает в межстенное пространство основного и дополнительного вертикальных трубопроводов, под действием которой открываются обратные клапаны 35 в кольце 34. Вследствие этого вода, стекая по стенкам упомянутых трубопроводов и по внутренней стенке скважины 11, нагревается, а в зоне подземного источника тепла в пределах температур 99-105^оС превращается в пар. При этом водопровод отключается от выходного трубопровода 28. Пар, расширяясь, устремляется по дополнительному вертикальному трубопроводу 29 в газопаровую турбину 30. Лопатки газопаровой турбины 30 под действием пара приводятся во вращение, вращение которых передается через валопровод 31 и редуктор 32 электрогенератору 33 для выработки электроэнергии. После этого пар из направляющего кожуха 40 поступает в теплопровод 37 отопительного контура через фильтр 36. По мере увеличения длительности работы геотермальной установки давление пара в дополнительном вертикальном трубопроводе 29 увеличивается за счет его нагрева и увеличения объемов парообразования. Пар, перемещаясь по отопительному контуру под действием перепада давлений, конденсируется, отдавая тепло теплообменникам, а конденсат сливается в выходной трубопровод 28, из которого посредством насоса 21 перекачивается в подземную камеру 1.

При низкой температуре окружающего воздуха увеличивают расход теплоносителя пара. Для увеличения напора в отопительном контуре включают дополнительный источник 38 давления газодувку, вследствие этого увеличивается циркуляция теплоносителя в геотермальной установке.

В летних условиях геотермальная установка преимущественно используется для коммунальных нужд, например для нагрева воды для банно-прачечных предприятий, для горячего водоснабжения домов населенных мест.

Таким образом, изобретение позволяет расширить функциональные возможности установки и снизить загрязнение окружающей среды.

Технико-экономические преимущества изобретения заключаются в том, что сокращаются ассигнования из бюджетов городов, населенных мест на их отопление в зимних условиях, а также расходы на топливо (каменный уголь, нефтепродукты).

Экспериментально установлено, что теплота парообразования 1 г воды при 100^оС равна 539 кал. Когда пары воды снова сгущаются в жидкость, то теплота парообразования выделяется в окружающее пространство и называется теплотой конденсации (Эллиот Л. и Уилкокс У. Физика, М. Наука, 1967, с. 314).

Таким образом, в предложенной геотермальной установке на каждой тонне воды создается экономия энеpгетических pесуpсов,pавная 539000 ккал, за счет использования подземного источника тепла,что создает экономический эффект от использования геотеpмальной установки.

Использование: в системах теплоснабжения и энергоснабжения населенных пунктов. Сущность изобретения: геотермальная установка включает подземную камеру, которая содержит концентрически расположенные трубчатые секции, нижние части которых снабжены кольцевыми уступами. В нижней части одной из трубчатых секций изготавливается плита-днище, под которой пробуривается скважина с температурой на ее нижнем конце в пределах 99 - 105^oС. Скважина выполняет функции теплопровода между подземным источником тепла и подземной камерой для обогрева трубчатых секций. Скважина сообщается через отверстие с полостью основного вертикального трубопровода, средняя часть которого выполнена перфорированной. В указанной трубчатой секции и в плите подземной камеры выполнены каналы, сообщенные с ее полостью, подземным источником тепла и источником давления текущей среды, выполненным в виде насоса. Нагнетательный патрубок насоса сообщен через обратный клапан и систему трубопроводов с каналами. Всасывающий патрубок насоса сообщен с выходным трубопроводом отопительного контура. В скважине и в основном вертикальном трубопроводе коаксиально установлен дополнительный трубопровод, межстенное пространство которых сообщено с подземным источником тепла. В верхней части дополнительного трубопровода установлена газопаровая турбина, которая кинематически связана с электрогенератором и сообщена с фильтром. Фильтр посредством теплопровода подключен к отопительному контуру. Для надежной работы газопаровой турбины в межстенном пространстве основного и дополнительного трубопроводов установлены обратные клапаны, предусмострен направляющий кожух, сообщенный с фильтром, а верхний конец основного вертикального трубопровода заглушен. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ УСТАНОВКА, содержащая открытую сверху подземную камеру, бункер, размещенный над последней, источник давления со всасывающим и напорным патрубками, фильтр, скважину, выполненную под дном подземной камеры и сообщенную с подземным источником тепла, основной вертикальный трубопровод, размещенный в подземной камере, сообщенной со скважиной, и закрепленный верхним концом в перекрытии бункера, при этом в стенке и в дне подземной камеры выполнены каналы, сообщенные через систему трубопроводов с нагнетательным патрубком источника давления текучей среды, отличающаяся тем, что она снабжена обратным клапаном, установленным в нагнетательном патрубке источника давления текучей среды, средний участок вертикального трубопровода выполнен перфорированным, а бункер - герметичным и теплоизолированным от внешней среды и сообщен через упомянутый фильтр с отопительным контуром, выход которого сообщен с всасывающим патрубком источника давления текучей среды. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена газопаровой турбиной и дополнительным вертикальным трубопроводом, размещенным коаксиально в основном вертикальном трубопроводе и в скважине, газопаровая турбина установлена в верхней части дополнительного вертикального трубопровода и кинематически связана с электрогенератором, при этом в межстенном пространстве основного и дополнительного вертикальных трубопроводов под перфорированным участком основного вертикального трубопровода установлено кольцо с обратными клапанами, а верхний конец основного вертикального трубопровода выполнен закрытым. 3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что газопаровая турбина снабжена направляющим кожухом, сообщенным с фильтром.