ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2014 года по МПК F03G7/00 

Предлагаемое изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, сельскохозяйственных теплиц и получения электрической энергии.

Известна геотермальная установка, работающая в зоне с вулканической активностью, с постоянным дебетом термальной воды и повышенной минерализацией, а также большим количеством газа (И.М.Дворов. Геотермальная энергетика. М.: Наука. 1967 г. Стр. 68-70 - прототип). Для устранения вредного влияния на установку повышенной минерализации и газа использован паротурбинный цикл нового типа, отличный от обычных циклов геотермальных электростанций тем, что в качестве рабочего тела применяется изобутан. Из скважины горячая вода, проходя через теплообменник, отдает свое тепло вторичному теплоносителю-изобутану. При этом охлажденная термальная вода через теплообменник, отбора тепловой энергии на коммунальные нужды, закачивается насосом в соседнюю скважину, унося с собой растворенные соли и газы. Пары изобутана, расширяясь, вращают ротор турбины, который приводит в действие электрический генератор. Отработанный пар конденсируется во вторичном теплообменнике (конденсаторе) с водяным охлаждением, откуда жидкий изобутан насосом откачивается и подается в испаритель для повторного цикла.

Данное устройство принято за прототип. Оно имеет ряд существенных недостатков:

- высокие затраты электроэнергии в цикле на перекачку изобутана, подачу холодной воды во вторичный теплообменник (конденсатор) и закачивание термальной воды в соседнюю скважину;

- низкую надежность устройства за счет содержащихся в воде агрессивных газов и химических веществ, разрушающих обсадную трубу, а также высокая карбонатная жесткость охлажденной воды затрудняет ее прокачку в соседнюю скважину вплоть до полного забивания ее солями жесткости;

- высокие затраты на прокачку воды и термоизоляцию труб, например в город Рейкьявик горячая вода поступает по трубопроводу длиной 50 км;

- территории с вулканической активностью, в которых расположено основное количество энергетических устройств, мало населены и расположены в труднодоступных местах.

Целью предлагаемого изобретения является использование гравитационной силы земли для осуществления паротурбинного цикла с высоким термическим кпд без использования термальной воды. А также возможность устанавливать устройство в любой точке земного шара.

Поставленная цель достигается тем, что в обсадной трубе с зазором установлена теплоизолированная труба. В забое обсадной трубы установлена заглушка. В устье скважины, например, на трубе кондуктора с внутренней стороны установлен теплоизоляционный слой с низкой теплопроводностью. Между теплоизолированной трубой и обсадной трубой установлена перегородка, отделяющая зону нагнетания от зоны нагрева. На перегородке установлено, например, дозирующее отверстие. Теплообменник соединен с обсадной трубой и турбиной. Теплоизолированная труба соединена с турбиной. Внутренний объем обсадной трубы, теплоизолированной трубы, теплообменника и турбины содержит рабочее тело, например н-бутан.

На фигуре представлено предлагаемое устройство. Оно содержит скважину в грунте 1, содержащую обсадную трубу 2. В забое на обсадной трубе 2 установлена заглушка 3. Внутри обсадной трубы 2 с зазором установлена теплоизолированная труба 4 с теплоизоляционным слоем 5. На обсадной трубе 2 установлен цементный камень 6.

В устье скважины установлена труба кондуктора 7, содержащая с внутренней стороны теплоизоляционный слой 8 с низкой теплопроводностью, а с наружной стороны цементный камень 9. На цементном камне 9 установлена направляющая труба 10. На направляющей трубе 10 установлен цементный камень 11. Теплоизолированная труба 4 соединена с турбиной 12 трубопроводом 13. На турбине 12 установлен электрогенератор 14. Обсадная труба 2 соединена с теплообменником 15 трубопроводом 16. Турбина 12 соединена с теплообменником 15 трубопроводом 17. Отопительная система 18 соединена с теплообменником 15 трубопроводами 19 и 20. Внутренний объем обсадной трубы 2, теплоизолированной трубы 4, турбины 12 и теплообменника 15 содержат рабочее тело 21 - н-бутан. На уровне кондуктора 7 между теплоизолированной трубой 4 и обсадной трубой 2 установлена перегородка 22, отделяющая зону нагнетания от зоны нагрева, с дозирующим отверстием 23. На трубопроводе 19 установлен циркуляционный водяной насос 24.

Устройство работает следующим образом. Рабочее тело 21 в жидком виде под гравитационным давлением через дозирующее отверстие 23, установленное в перегородке 22, поступает из зоны нагнетания в зону нагрева. Отбирая тепло от грунта 1, через цементный камень 6 рабочее тело 21 нагревается с увеличением объема и уменьшением плотности. Затем нагретое рабочее тело 21 поступает с высокой температурой в теплоизолированную трубу 4. Часть тепловой энергии рабочего тела 21 через теплоизоляционный слой 5 поступает в межтрубное пространство и передается менее нагретому рабочему телу 21 в обсадной трубе 2. В устройстве осуществляется рекуперация тепловой энергии, и температура рабочего тела 21 в теплоизолированной трубе 4 практически постоянна за счет теплоизоляционного слоя 8, установленного на трубе кондуктора 7. Теплоизоляционный слой 8 не позволяет рекуперированной тепловой энергии поступать в холодный грунт 1, а возвращает ее в цикл нагрева рабочего тела 21. Это приводит к возникновению гравитационного давления между теплоизолированной трубой 4 и обсадной трубой 2 за счет низкой средней плотности рабочего тела 21 в теплоизолированной трубе 4. Величина гравитационного давления определяется из известного уравнения Бернулли: $$P_1+g{\gamma }_1{H}_1+\mathrm{0,5}{\gamma }_1{V}_1^2=P_2+g{\gamma }_2{H}_2+\mathrm{0,5}{\gamma }_2{V}_2^2$$

где P₁; Р₂ - статическое давление в обсадной трубе 2 и в теплоизолированной трубе 4;

Н₁; Н₂ - высота столба рабочего тела 21 в обсадной трубе 2 и в теплоизолированной трубе 4;

γ₁; γ₂ - средняя плотность рабочего тела 21 в обсадной трубе 2 и в теплоизолированной трубе 4;

V₁; V₂ - скорость рабочего тела 21 в межтрубном пространстве и в теплоизолированной трубе 4;

g - ускорение свободного падения.

Для скважины выполняются следующие условия: H₁=Н₂; V₁=V₂; γ₁>γ₂.

В результате уравнение Бернулли запишется следующим образом:

Р_Г=P₁-P₂=gH₁(γ₁-γ₂),

где Р_Г - гравитационное давление, развиваемое скважиной.

Под действием гравитационного давления рабочее тело 21 из теплоизолированной трубы 4 по трубопроводу 13 поступает на турбину 12. В турбине 12 рабочее тело 21 расширяется и вращает ротор турбины 12, который приводит в действие электрогенератор 14. В прототипе обратимый термический кпд цикла Ренкина равен:

η₁=(J₁-J₂)-v₁(p₁-p₂)-v₂(p₃-p₄)-v₃(p₅-р₆)/(J₁-J₃)-v₁(p₁-p₂),

где J₁ - энтальпия изобутана в испарителе;

J₂ - энтальпия изобутана при адиабатном расширении в турбине;

J₃ - энтальпия изобутана в конденсаторе;

v₁ - объем изобутана, закачиваемый насосом в испаритель;

v₂ - объем воды, закачиваемый во вторую скважину;

v₃ - объем воды, закачиваемый в конденсатор;

(p₁-Р₂); (p₃-p₄); (p₅-p₆) - давления развиваемые насосами.

В предлагаемом устройстве термический кпд выше за счет исключения из цикла энергии, потребляемой насосами. При этом обратимый термический кпд цикла Ренкина будет равен:

η₂=J₁-J₂/ J₁-J₃.

Из турбины 12 рабочее тело 21 поступает в теплообменник 15, где часть тепловой энергии передает воде. Нагретая вода циркуляционным насосом 24 подается в отопительную систему 18 по трубопроводу 19. Из отопительной системы 18 охлажденная вода поступает в теплообменник 15 по трубопроводу 20. Затем цикл повторяется.

Предлагаемая установка за счет гравитационного давления позволит получать электрическую энергию с высоким термическим кпд, высокой эксплуатационной надежностью и экологической безопасностью. Достигается это за счет исключения энергетических затрат на проталкивание рабочего тела в турбину, закачивание охлажденной термальной воды во вторую скважину, подачу холодной воды в конденсатор и отсутствия термальной воды в цикле, что позволяет получать тепловую и электрическую энергию, практически в любой точке земного шара, используя термальные поля земной стратисферы. Эти поля занимают огромные пространства Западно-Сибирской платформы, Западного Предкавказья, Русской платформы и в других частях земного шара. Перечисленные территории состоят из глинистых отложений глубиной 0,5-5 км и содержат высокую концентрацию радиоактивных элементов. За миллионы лет радиоактивного распада в стратисфере накоплено астрономическое количество тепловой энергии порядка (0,6-2)10³¹ Дж. В глинистых отложениях, содержащих уран, торий и калий, температурный градиент равен 1°C на 30 м глубины, а процесс накопления тепла продлится миллиарды лет.

Установленная в глинистых отложениях скважина с обсадной трубой 0,14 м на глубине 3600 м имеет в забое температуру 130°С. Рабочее тело 21 в теплоизолированной трубе 4 имеет температуру 100°C и давление 15 бар. В теплообменнике 15 при давлении 2,8 бар температура рабочего тела равна 30°C. Гравитационное давление скважины равно 24,3 бар. Значение термического кпд устройства составляет 0,8427 от термического цикла Карно, а в прототипе не более 0,53. При этих параметрах геотермальная установка будет генерировать в течение 142 лет в среднем 102000 Вт тепловой мощности и 17400 Вт электрической мощности. Установив вторую скважину на расстоянии 120 м, можно, включая каждую скважину на 142 года, получать тепловую и электрическую энергию практически бесконечно за счет радиоактивного распада. Срок окупаемости геотермальной установки не превысит 10 лет при стоимости 5200 руб. за 1 м скважины. Удельная плотность тепловой и электрической энергии скважины соответственно составляет 6,3-10⁶ Вт/м² и 1,13-10⁶ Вт/м².

Энергетическая эффективность предлагаемого устройства намного выше всех известных возобновляемых источников энергии. Например, энергия солнечного излучения за полные 24 ч составляет 270 Вт/м² тепловой энергии или 12,6 Вт/м² электрической энергии. Установив 12433 геотермальных установок, можно получить 1268 МВт тепловой мощности, что эквивалентно среднегодовой мощности Волжской ГЭС. Дополнительно 12433 геотермальных установок генерируют 216,33 МВт электрической мощности, что соответствует 1.895-10⁹ кВт/ч в год. При этом занимаемая геотермальными установками площадь равна 192 м². Отчужденная волжским водохранилищем площадь составляет 3117 км², которая больше государства Самоа. Стоимость отчужденных земель намного дороже стоимости 12433 геотермальных установок.

Литература

1. Н.М.Дворов. Геотермальная энергетика. М.: Наука, 1967 г., стр.68-70 - прототип.

2. Н.С.Боганник. К познанию закономерностей развития земной коры и геотермальных полей стратисферы. М.: Наука, 1970 г., стр.62-79.

3. В.А.Кириллин, В.В.Сычев, А.Е.Шейндлин. Техническая термодинамика. Москва, 1974 г., стр.47-56, 235, 311-336.

4. Г.Н.Алексеев. Общая теплотехника. М.: Высшая школа, 1980 г., стр.432.

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, сельскохозяйственных теплиц и получения электрической энергии. Геотермальная установка содержит обсадную трубу, трубу кондуктора, направляющую трубу, цементный камень, теплообменник, турбину и электрогенератор. В обсадной трубе содержится рабочее тело и установлены теплоизолированная труба, перегородка с дозирующим отверстием и заглушка в забое. Техническим результатом является использование гравитационной силы Земли для осуществления паротурбинного цикла с высоким термическим КПД без использования термальной воды, а также возможность устанавливать устройство в любой точке земного шара. 1 ил.

Геотермальная установка, содержащая обсадную трубу, трубу кондуктора, направляющую трубу, цементный камень, теплообменник, турбину и электрогенератор, отличающаяся тем, что в обсадной трубе, содержащей рабочее тело, установлены теплоизолированная труба, перегородка с дозирующим отверстием и заглушка в забое.