ЭКОКОМПЛЕКС НА ЭНЕРГИИ ЗЕМНЫХ НЕДР
ECO-COMPLEX BASED ON ENERGY OF EARTH SUBSOILS

Изобретение относится к теплоэнергетике.
Существует проблема северных городов, суть которой сводится к тому, что в северных широтах отсутствуют природные условия для комфортного проживания человека (отрицательные температуры, полярная ночь), притом что большая часть полезных ископаемых Земли находится именно там (стоимость полезных ископаемых Севера экспертами ООН оценивается в 22-24 триллиона долларов).
Целью изобретения является создание комфортных условий для проживания человека независимо от внешних (природных) условий.
Известна геотермальная установка, обеспечивающая комфортные условия в населенном пункте, использующая энергию земных недр, доставляемую рабочими телами, которыми являются электрический ток, поступающий по электрическим сетям, и воздух, поступающий из атмосферы по каналу, находящемуся на глубине от земной поверхности, внутри канала находится турбина привода электрогенератора и водовоздушный теплообменник (заявка JP 55142980, опубл. 07.11.1980).
Известен способ доставки энергии земных недр с больших глубин на поверхность Земли с использованием воды (патент US 3786858, опубл. 22.06.1974).
Поставленная цель достигается тем, что энергия земных недр доставляется в экокомплекс электрическим током по электрическим сетям и воздухом, поступающим из атмосферы, по каналу, находящемуся на глубине от земной поверхности. При этом на выходе из нижней части канала на глубине более 4000 метров находится турбина привода электрогенератора, а на выходе из канала (на земной поверхности) - водовоздушный теплообменник.
Сущность изобретения заключается в том, что воздух и электрический ток как рабочие тела позволяют разместить турбину электрогенератора в канале на глубине более 4000 метров от земной поверхности и доставить энергию земных недр наверх, чего нельзя сказать о воде (патент SU 20880, опубл. 31.05.1931), давление которой при заполнении указанного канала составляет более 400 атм, что делает невозможным размещение турбины на указанной глубине.
Потери энергии при транспортировке уменьшаются, если нисходящую и восходящую части канала сделать вертикальными, а их стенки выполнить из теплоизолирующего материала.
Количество доставляемой в экокомплекс энергии увеличивается, если в нижней части канала, находящейся на глубине более 4000 метров, установить теплообменные аппараты, обеспечивающие передачу тепла земных недр воздуху.
На фиг.1 изображен экокомплекс.
На фиг.2 показаны зависимости мощности теплового потока от температуры наружного воздуха и глубины шахты.
На фиг.3 показаны зависимости эффективной мощности турбины от температуры наружного воздуха и глубины шахты.
На фиг.4 показаны зависимости температуры воздуха на входе в водовоздушный теплообменник от температуры наружного воздуха и глубины шахты.
Экокомплекс (фиг.1) представляет собой теплоизолированное от внешней среды пространство 1, содержащее все необходимое для комфортного проживания человека: жилые и административно-хозяйственные сооружения (здания), лесопарковую (сельскохозяйственную) зону, водоем и др. объекты, необходимые для жизни человека.
Жизненный цикл в экокомплексе поддерживается за счет энергии земных недр, которая доставляется в экокомплекс с глубины более 4000 метров рабочими телами: воздухом и электрическим током. Для этих целей выполнен воздушный канал, состоящий из трех участков (каналов): двух вертикальных - 2, 3 и одного горизонтального - 4, находящегося на глубине более 4000 метров от земной поверхности. Канал 2 соединяет горизонтальный канал 4 с атмосферой, а канал 3 с экосистемой. На выходе из канала 4 установлена турбина 5, приводящая в действие электрогенератор 6. На выходе из канала 3 установлен водовоздушный теплообменник, обеспечивающий горячей водой жилые и административно-хозяйственные сооружения (здания). В нижней части канала 3 установлены газовые горелки. Стенки каналов 2 и 3 покрыты теплоизолирующим материалом, стенки канала 4 выполнены из теплопроводящего материала. Кроме этого, в канале 4 находится теплообменник 7, обеспечивающий теплообмен между землей и воздухом.
Жизненный цикл в экокомплексе поддерживается следующим образом. Воздух, находящийся в канале 3, нагревается с помощью газовых горелок. Нагретый воздух поднимается вверх и заполняет канал 3. По мере заполнения давление (вес) воздуха в канале 3 становится меньше давления (веса) воздуха в канале 2. В результате между входом и выходом канала 4 устанавливается перепад давлений, под действием которого воздух из канала 4 поступает в канал 3, из атмосферы - в канал 2 и далее в канал 4. Горелки выключают. Движение воздуха при этом не прекращается (функцию горелок выполняет теплообменник 7).
2
2
При движении воздух попадает в турбину 5, которая совместно с электрогенератором 6 преобразует часть энергии (теплоты) воздуха в электроэнергию, которая доставляется в экокомплекс электрическим током по электрическим сетям. Оставшаяся энергия (теплота) доставляется в экокомплекс воздухом по каналу 3. Излишки теплоты Q удаляются в атмосферу. При необходимости теплота Q может быть использована для преобразования снега, находящегося на земной поверхности, в техническую воду.
1
н
1
На фиг.2 показаны зависимости мощности теплового потока Q при расходе воздуха, равном одной тонне в секунду, от температуры наружного воздуха Т и глубины шахты L. При определении Q принято, что температура Земли не зависит от температуры наружного воздуха и увеличивается с удалением от земной поверхности на 30 градусов на каждый километр (например, на глубине 4 км температура Земли - 120°С).
н
На фиг.3 показаны зависимости эффективной мощности турбины Ne при расходе воздуха, равном одной тонне в секунду, от температуры наружного воздуха Т и глубины шахты L. Эффективная мощность турбины определялась по формуле
,
в
где G - расход воздуха, равный одной тонне в секунду;
р
с - удельная теплоемкость воздуха, МДж/(т·град);
к - показатель адиабаты;
π - степень повышения давления воздуха в канале 2;
г
Т - температура воздуха в тепловой камере, К;
с
р
η, η - кпд в процессах сжатия и расширения (приняты равными 0,92).
Степень повышения давления воздуха в канале 2 определяется как
,
г
R - газовая постоянная воздуха;
g - ускорение свободного падения;
х
Т - средняя температура воздуха в канале 2.
н
На фиг.4 показаны зависимости температуры воздуха на входе в водовоздушный теплообменник от температуры наружного воздуха Т и глубины шахты L.
Представленные данные показывают, что энергетические потоки, генерируемые в земных недрах, при прохождении воздуха по глубинному каналу (глубина более 4000 метров) достаточны для поддержания жизненного цикла внутри экокомплекса.
Экокомплекс на энергии земных недр позволяет решить проблему северных городов и не только, учитывая процессы, связанные с климатическими изменениями, происходящими на Земле, например остыванием Гольфстрима. В перспективе экокомплекс на энергии земных недр может стать энергетической основой для поддержания жизни человека на Земле. Экокомплекс на энергии земных недр не зависит от природных (погодных) условий, является безопасным, не оказывает влияния на экологию Земли.