Геотермальная энергетическая установка

 

Использование: в области подземного тепла. Сущность изобретения в расположенную под поверхностью земли 1 установку через загружающий канал 3 поступает жидкий теплоноситель от источника 6, проходит через теплособирающее устройство 5 и покидает установку через добывающий канал 4, поступая в приемник 7. Стенки этого тракта являются непроницаемыми для теплоносителя. Добывающий 4 и загружающий 3 каналы теплоизолированы 9 от окружающей породы. Нижние уровни теплоизоляции (нижние концы каналов) расположены на разных уровнях так, что нижний конец добывающего канала расположен выше, чем нижний конец загружающего. Нагреваемый от подземного тепла в теплособирающем устройстве теплоноситель имеет меньшую плотность, стремится подняться вверх через канал 4, т. к. более низкое положение нижнего конца загружающего канала 3 препятствует обратному движению теплоносителя. Создаваемый таким образом поток теплоносителя переносит тепло наверх, а постоянство потока поддерживается тем, что нагретый теплоноситель покидает систему, поступая в приемник 7, расположенный приблизительно на уровне верхнего конца загружающего канала. Предусмотрен ряд решений для повышения теплообмена между породой и теплоносителем. 2 ил.

Изобретение относится к области использования подземного тепла и касается устройств, использующих жидкий теплоноситель.

Известные решения используют, как правило, или использование термодиффузии нагреваемого теплоносителя через поступающий сверху холодный [1] или прокачку с помощью насосов теплоносителя через трубы, опущенные на необходимую глубину [4] или закачку теплоносителя в зону пористости или трещиноватости и последующая откачка теплоносителя насосами и подъем на поверхности Земли [2, 3] Известна геотермальная энергетическая установка, содержащая размещенные в толще Земли вертикальные загружающий и добывающий каналы, верхние концы которых расположены на поверхности Земли и соединены соответственно с источником и приемником теплоносителя, а нижние размещены на разных уровнях и соединены теплособирающим устройством с образованием непроницаемого тракта для перемещения теплоносителя [5] /прототип/.

Недостатком этого устройства является то, что превращение теплоносителя в пар требует либо дополнительной энергии, либо пригодно для ограниченного количества районов.

Целью изобретения является повышение эффективности геотермальных энергетических установок [ГТЭУ] На фиг. 1 изображена схема установки.

На поверхности Земли расположены верхние концы вертикального загружающего канала (вход) 3 и вертикального добывающего канала (выход) 4, соединенные соответственно с источником теплоносителя 6 (холодного) и приемником нагретого жидкого теплоносителя 7, нижние концы каналов расположены на разных уровнях так, что нижний конец загружающего канала расположен выше, чем нижний конец канала 3, при этом оба нижних конца соединены с теплособирающим устройством 5. Вертикальные каналы 3 и 4 покрыты теплоизолирующим слоем 9. Теплособирающее устройство 5 имеет стенки с повышенной теплопроводностью и достаточную внутреннюю поверхность для нагрева внутреннего теплоносителя при его перемещении. Оно может быть выполнено, например, в виде змеевика или спирали для размещения геотермальной установки в одной скважине. Кроме того, оно может быть снабжено специальным приспособлением 8, усиливающим теплообмен, например радиатором, имеющим большую поверхность соприкосновения как с внутренним теплоносителем, так и с прилегающей земной породой или внешним теплоносителем, естественным при расположении теплособирающего устройства в водоносном слое или специально залитым, например, водой, в зону вокруг теплособирающего устройства через отдельный дополнительный канал 11 или через основной загружающий 3 с помощью дополнительного клапана(не показан). Вертикальные каналы 3 и 4 покрыты теплоизолирующим слоем 9.

На Фиг. 2 изображена схема установки с дополнительным каналом при расположении установки в зоне трещеватости или пористости 10. Установка содержит дополнительный канал 11 с входом 12, содержащим внешний теплоноситель.

Геотермальная энергетическая установка работает следующим образом. От внешнего источника теплоносителя 6 теплоноситель с температурой внешней среды (порядка 5 20^oС) поступает в загружающий канал 3, заполняет теплособиращее устройство 5 и добывающий канал 4. При этом в вертикальном канале 3 температура теплоносителя сохраняется на уровне температуры источника, поскольку стенки выполнены с тепловой изоляцией от породы, например, покрыты теплоизолирующей пластмассой, или любым другим способом. Таким образом, каналы 3, 4, и 5 образуют систему сообщающихся сосудов и залитая в них вода находится в равновесии. Через некоторое время после заливки теплоносителя температура в устройстве 5 поднимется до температуры окружающей породы. Эта температура на глубине 1 км составляет в России, как правило, от 20^o до 60^oС, на Северном Кавказе до 70^oС, а на Тянь-Шане до 90^o С. На глубине 5 км в таких районах температура приближается к 100^oС. При реальном значении глубины скважин 1500 2000 метров, можно ожидать перепады температур порядка 30^o 60^oС, особенно в холодное время года, когда температура источника близка к нулю, а необходимость в геотермальном тепле наибольшая. По мере нагрева более теплая вода из теплособирющего устройства 5 будет подниматься по каналу 4, но не пойдет в канал 3 из-за того, что устройство 5 расположено выше нижнего конца канала 3. Образовавшиеся при заливке воды сообщающиеся сосуды 3 6 4 будут отличаться тем, что вода в правой части 5 4 будет теплее, а, следовательно, иметь меньшую плотность. Т.к. верхний конец канала 4 находится на уровне верхнего конца канала 3, то столб воды в канале 4 не уравновешивает столб воды в канале 3. Теплоизоляция обоих каналов исключает влияние температуры окружающей породы и позволяет эффективно использовать тепловой напор. По мере нагрева воды из-за разности плотностей в сообщающихся сосудах теплоноситель постепенно начинает перемещаться в сторону выходного канала и выливаться в приемник воды 7, перенося туда приобретенную тепловую энергию.

Экономическая эффективность изобретения определяется возможностью создания автономной и достаточно простой установки, не требующей для своей работы дополнительных источников энергии, практически не требующей обслуживания, способной работать при ограниченном температурном перепаде.

ЛИТЕРАТУРА 1. Зиров Н.А. Геотермосифон. // В сб. Безумные идеи НПК "Безумные идеи" 1990, с.26-27.

2. А. с. N 1638489, кл. F 24 J 3/08.

3. А. с. N 1657896, кл. F 04 J 3/08.

4. Дядькин Ю.Д. и др. Исследование и разработка рациональных систем извлечения и использования тепла. Изучение и использование тепла земли, М. Наука 1973, с.43.

5. Патент СССР N 20880, кл. F 24 J 3/08, 1931.

Формула изобретения

1. Геотермальная энергетическая установка, содержащая размещенные в толще Земли вертикальные загружающий и добывающий каналы, верхние концы которых расположены на поверхности Земли и соединены соответственно с источником и приемником теплоносителя, а нижние размещены на разных уровнях и соединены теплособирающим устройством с образованием непроницаемого тракта для перемещения теплоносителя, отличающаяся тем, что загружающий и добывающий каналы выполнены теплоизолированными, их верхние концы размещены на одном уровне, а нижний конец добывающего канала размещен выше нижнего конца загружающего канала, при этом теплособирающее устройство выполнено из материала с высокой теплопроводностью.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что теплособирающее устройство выполнено в виде трубы, растянутой или свернутой в змеевик или спираль.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что внешняя поверхности теплособирающего устройства составляет одно целое или соединена с устройством, усиливающим теплообмен, например радиатором или тепловой трубкой.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что теплособирающее устройство расположено в зоне искусственной или естественной трещиноватости или дробления, а установка содержит дополнительный вертикальный канал с открытым нижним концом, расположенным в указанной зоне, причем его верхний канал соединен с источником какого либо теплоносителя, не обязательно такого же, как в основном тракте.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что теплособирающее устройство расположено в области водоносного горизонта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2