СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛА Российский патент 2006 года по МПК F24J3/08 

Изобретение относится к способам извлечения и использования геотермального тепла, в частности извлечения тепла сухих глубинных пород.

Известен способ извлечения тепла земных недр путем использования геотермальных источников /Дворов И.М., Дворов В.И. Термальные воды и их использование. М., Просвещение, 1976. - 128 с., Натанов Х.Х. Подготовка геотермальных вод к использованию. М., Строийиздат, 1980. - 80 с./.

Недостатками известного способа являются: геотермальные источники расположены в местах повышенной геологической активности, в которых ограничено строительство, что затрудняет их использование; высокая минерализация геотермальных вод, что приводит к отложениям на поверхностях теплоиспользующего оборудования; экологическое загрязнение окружающей среды вокруг скважины минерализованными геотермальными водами; высокое давление в устье скважины, что удорожает стоимость оборудования.

Известен также способ извлечения тепла земных недр путем создания теплового "котла", при котором бурят две скважины на некотором расстоянии друг от друга и при помощи ядерного взрыва создают искусственную полость между ними /Дворов И.М., Дворов В.И. Термальные воды и их использование. М., Просвещение, 1976. - 128 с./. В одну из скважин нагнетается холодная вода, а по другой выводят теплоноситель в виде пара или горячей воды к потребителю. При таком способе извлечения тепла скважина может быть расположена вблизи объекта теплопотребления.

Недостатками известного способа являются: возможность загрязнения теплоносителя и его потеря за счет утечек; высокая стоимость реализации способа.

Наиболее близким к предложенному является способ извлечения геотермального тепла, включающий бурение двух скважин, гидравлическая связь между которыми обеспечивается за счет сближения их боковых ветвей скважин для образования соединительных зон дробления и трещинообразования. При движении по скважинам и при фильтрации в соединительных зонах закачанная вода нагревается в результате контакта с высокотемпературным массивом горных пород и выводится по скважине на поверхность и поступает потребителю /Дворов И.М., Дворов В.И. Термальные воды и их использование. М., Просвещение, 1976. - 128 с., Натанов Х.Х. Подготовка геотермальных вод к использованию. М., Строийиздат, 1980. - 80 с., Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч. 4.1. Отопление / В.Н.Богословский, Б.А.Крупнов, А.Н.Сканави и др.; Под ред. И.Г.Староверова и Ю.И.Шиллера. М., Стройиздат, 1990. - 344 с./.

Недостатками известного способа являются: возможность загрязнения теплоносителя и его потеря за счет утечек; высокая стоимость реализации способа.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение экологичности и снижение себестоимости извлечения геотермального тепла.

Указанный технический результат достигается в способе извлечения геотермального тепла из скважины с температурным градиентом по обсадной трубе при помощи теплоносителя, циркулирующего в контуре, и используемого для нужд теплоснабжения, тем, что охлажденный при помощи теплового насоса теплоноситель подается в обсадную трубу, а нагретый - поднимается по концентрично опущенной в обсадную трубу трубе и передает тепло потребителю.

Тепло у потребителя в теплый период используется для нужд холодоснабжения.

На чертеже представлена схема устройства для извлечения тепла земных недр по предлагаемому способу. Схема включает в себя следующие элементы: скважину с обсадной трубой 1; подъемную трубу 2; тепловой насос 3; потребитель тепла 4; потребитель холода 5.

Способ осуществляется следующим образом.

Охлажденную воду от потребителя с температурой t₂ подают по межтрубному пространству в скважину. Вода нагревается от стенок обсадной трубы, а затем нагретая до температуры t₁ - подается потребителю. Так как температура нагретой воды t₁ в зависимости от температурного градиента может быть недостаточно высокой для прямого использования в системе теплоснабжения, использование теплового насоса позволяет увеличить теплоотдачу скважины за счет понижения температуры обратной воды t₂, закачиваемой в скважину. При этом исключается необходимость тепловой изоляции оголовка скважины (в прототипе осуществляется изоляция скважин на глубину до 300 м для предотвращения прогрева верхних слоев земной коры). Скважина предназначается для круглогодичного использования: в холодный период - на производственные нужды и коммунально-бытовые (отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение); в теплый период - на производственные нужды, коммунально-бытовые (горячее водоснабжение) и холодоснабжение. Т.к. контур для извлечения тепла является закрытым, то исключаются: загрязнение теплоносителя от грунтов; утечки теплоносителя в грунт. Не требуется создавать давление насосом для закачки теплоносителя в пласт; напор насоса используется только для преодоления гидравлических сопротивлений в системе, которые сравнимы с гидравлическими сопротивлениями в обычных тепловых сетях.

ПРИМЕР осуществления способа.

Для примера осуществления способа разработана математическая модель и программа расчета. Расчет выполнен для скважины № 6 с. Прасковейское Ставропольского края.

Математическая модель.

Для разработки математической модели приняты допущения:

- Земля рассматривается как шар с твердой оболочкой;

- в пределах локальной геотермальной зоны имеет постоянные значения плотности теплового потока q и геотермического потенциала grad Т;

- модель может рассматриваться без учета кривизны твердого тела.

Уравнения теплопередачи и теплового баланса в частных производных:

где Q₁ - количество тепла, получаемое теплоносителем, движущимся в межтрубном пространстве, от грунтов в единицу времени;

Q₂ - количество тепла, получаемое теплоносителем, движущимся в межтрубном пространстве, от теплоносителя, движущегося по внутренней трубе;

K_1i, K_2i - коэффициенты теплопередачи через стенки наружной и внутренней труб;

Θ_1i, Θ_2i - температурные напоры, определяемые по формулам:

t_грi - температура грунтов на границе соприкосновения с наружной трубой;

t_2i - температура теплоносителя в межтрубном пространстве;

t_1i - температура теплоносителя во внутренней трубе;

m и C_p1, С_р2 - массовый расход и теплоемкость теплоносителя в межтрубном пространстве и во внутренней трубе;

W₁, W₂ - водяные эквиваленты.

Согласно закону сохранения энергии при остывании элементарного объема грунтов с внутренним источником тепла

где q - плотность геотермального теплового потока;

ρ_грi, C_грi - плотность грунта и его теплоемкость;

r - текущая цилиндрическая координата зоны термического влияния скважины;

dτ - бесконечно малый отрезок времени, равный

f₁, f₂ - площади сечения межтрубного пространства и внутренней трубы;

ρ₁, ρ₂ - плотность теплоносителя в межтрубном пространстве и во внутренней трубе;

- изменение температуры грунта во времени, определяемое из дифференциального уравнения теплопроводности:

- коэффициент температуропроводности грунта;

λ_грi - коэффициент теплопроводности грунта;

dr - элементарное увеличение зоны термического влияния скважины за время dτ.

Для решения уравнения необходимо установить граничные условия.

Временными граничными условиями будут значения:

τ=0 и

При τ=0 начальные условия будут следующие:

- температура обратной воды - t₂;

- начальное распределение температуры грунта по глубине скважины t_грi=(z_i-L_н)·grad T+15°С;

при z_i=L, t_2i=t_1i, a Θ_2i=0;

при t_2i=t_грi, Θ_1i=0.

При τ_n→∞, Q₁=qπr² и устанавливается стационарный режим теплопередачи от грунтов к скважине.

Результаты расчета

Глубина скважины L, м3600Тепловая мощность скважины Q, кВт398,8Температура воды t₁, °С59

При применении теплового насоса с понижением температуры обратной воды до 15°С тепловая мощность скважины увеличивается до 3,2 МВт.

Для системы холодоснабжения применяются абсорбционные или пароэжекторные холодильные машины, осуществляющие "прямое" преобразование теплоты в холод.

Использование: для извлечения и использования геотермальной энергии в системах теплоснабжения. Сущность: из скважины с температурным градиентом по обсадной трубе при помощи теплоносителя, циркулирующего в контуре и используемого для нужд теплоснабжения, охлажденный теплоноситель при помощи теплового насоса подается в обсадную трубу, а нагретый - поднимается по концентрично опущенной в обсадную трубу трубе и передает тепло потребителю. Тепло в теплый период используется для нужд холодоснабжения. Такой способ позволяет повысить экологичность использования геотермальной энергии и снизить ее себестоимость. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ извлечения геотермального тепла из скважины с температурным градиентом по обсадной трубе при помощи теплоносителя, циркулирующего в контуре и используемого для нужд теплоснабжения, отличающийся тем, что охлажденный при помощи теплового насоса теплоноситель подается в обсадную трубу, а нагретый - поднимается по концентрично опущенной в обсадную трубу трубе и передает тепло потребителю.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что геотермальное тепло используется в теплый период для нужд холодоснабжения.