ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
GEOTHERMAL PLANT

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.
<mrow><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>g</mi><msub><mi>γ</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>H</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mn>0,5</mn><msub><mi>γ</mi><mn>1</mn></msub><msubsup><mi>V</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>g</mi><msub><mi>γ</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mn>0,5</mn><msub><mi>γ</mi><mn>2</mn></msub><msubsup><mi>V</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
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:
1
2
где P; Р - статическое давление в обсадной трубе 2 и в теплоизолированной трубе 4;
1
2
Н; Н - высота столба рабочего тела 21 в обсадной трубе 2 и в теплоизолированной трубе 4;
1
2
γ; γ- средняя плотность рабочего тела 21 в обсадной трубе 2 и в теплоизолированной трубе 4;
1
2
V; V - скорость рабочего тела 21 в межтрубном пространстве и в теплоизолированной трубе 4;
g - ускорение свободного падения.
1
2
1
2
1
2
Для скважины выполняются следующие условия: H=Н; V=V; γ>γ.
В результате уравнение Бернулли запишется следующим образом:
Г
1
2
1
1
2
Р=P-P=gH(γ-γ),
Г
где Р - 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:
1
1
2
1
1
2
2
3
4
3
5
6
1
3
1
1
2
η=(J-J)-v(p-p)-v(p-p)-v(p-р)/(J-J)-v(p-p),
1
где J - энтальпия изобутана в испарителе;
2
J - энтальпия изобутана при адиабатном расширении в турбине;
3
J- энтальпия изобутана в конденсаторе;
1
v - объем изобутана, закачиваемый насосом в испаритель;
2
v - объем воды, закачиваемый во вторую скважину;
3
v - объем воды, закачиваемый в конденсатор;
1
2
3
4
5
6
(p-Р); (p-p); (p-p) - 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:
2
1
2
1
3
η=J-J/ J-J.
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.
31
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)10Дж. В глинистых отложениях, содержащих уран, торий и калий, температурный градиент равен 1°C на 30 м глубины, а процесс накопления тепла продлится миллиарды лет.
6
2
6
2
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 6,3-10 Вт/м и 1,13-10 Вт/м.
2
2
9
2
2
Энергетическая эффективность предлагаемого устройства намного выше всех известных возобновляемых источников энергии. Например, энергия солнечного излучения за полные 24 ч составляет 270 Вт/м тепловой энергии или 12,6 Вт/м 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 1.895-10 кВт/ч в год. При этом занимаемая геотермальными установками площадь равна 192 м. Отчужденная волжским водохранилищем площадь составляет 3117 км, 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.