Способ комплексного использования геотермального тепла с помощью пароэжекторного теплового насоса

Авторы патента:

Гейвандов Иоганн Арестагесович (RU)

Смирнов Станислав Сергеевич (RU)

Стоянов Николай Иванович (RU)

Воронин Александр Ильич (RU)

F24J3/08 - геотермального тепла (устройства для использования геотермальной энергии с целью получения механической энергии F03G 4/00)

Владельцы патента RU 2528213:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Кавказский федеральный университет" (RU)

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в системах тепло-холодоснабжения при использовании геотермального тепла с помощью пароэжекторного теплового насоса. Сущность: охлажденный теплоноситель подается в скважину, а нагретый передает тепло потребителю при помощи пароэжекторного теплового насоса, причем тепло скважины в теплый период используют для выработки холода для нужд холодоснабжения. При снижении или отсутствии нагрузок тепло-холодоснабжения осуществляют выработку электрической энергии при помощи турбогенератора, работающего на паре хладагента - низкокипящего теплоносителя, который получают в генераторе пароэжекторного теплового насоса, при этом пары хладагента направляются на паровую турбину для выработки электрической энергии, а отработанный пар отсасывается в конденсатор пароэжекторного теплового насоса пароструйным эжектором. Такой способ позволит снизить себестоимость тепло-холодоснабжения за счет гибкого режима комплексной выработки тепловой энергии, холода и электрической энергии. 1 ил.

Изобретение относится к способам использования геотермального тепла в системах электро- и тепло-холодоснабжения с помощью пароэжекторного теплового насоса.

Известно использование геотермальной энергии, когда термальная вода от продуктивных скважин направляется последовательно в бинарную электростанцию (БЭС), затем на отопление и горячее водоснабжение жилого поселка, обогрев теплиц и технологические нужды комплекса по переработке сельхозпродукции и далее на рыборазводный завод, после чего закачивается обратно в земные пласты [Комплексное использование геотермальных ресурсов Казьминского месторождения. БИЗНЕС-ПЛАН. АО «Наука», г.Москва].

Недостатками являются необходимость высокотемпературного гидротермального источника и высокие капитальные затраты на создание инфраструктуры (жилого поселка, теплиц комплекса по переработке сельхозпродукции, рыборазводного завода), которые связаны с неравномерностью распределения гидротермальных источников.

Известен также способ использования геотермального тепла в системах тепло-холодоснабжения, включающий применение абсорбционного теплового насоса [Патент 2358209 РФ, С1, МПК F24J 3/08. Способ использования геотермального тепла. / Н.И.Стоянов, А.И.Воронин, И.А.Гейвандов - 20071141863/06; Заявлено 12.11.07; Опубл. 10.06.09, Бюл. 16. Патентообладатель ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет»].

Наиболее близким к предложенному является способ использования геотермального тепла в системах тепло-холодоснабжения, включающий применение теплового насоса с понижением температуры обратной воды до 15°С, при этом для системы тепло-холодоснабжения применяются абсорбционные или пароэжекторные холодильные машины, осуществляющие «прямое» (без затрат электроэнергии на привод компрессора) преобразование теплоты в холод [Патент 2288413 РФ, C1, МПК F24J 3/08. Способ извлечения геотермального тепла. / Н.И.Стоянов, А.И.Воронин, И.А.Гейвандов - 2005113114/06; Заявлено 29.04.05; Опубл. 27.11.06, Бюл. 33. Патентообладатель ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет»].

Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение себестоимости тепло-холодоснабжения за счет гибкого режима комплексной выработки тепловой энергии, холода и электрической энергии.

Указанный технический результат достигается за счет того, что охлажденный теплоноситель подается в скважину, а нагретый передает тепло потребителю при помощи пароэжекторного теплового насоса. Тепло скважины в теплый период используется для выработки холода для нужд холодоснабжения. При снижении или отсутствии нагрузок на системы тепло-холодоснабжения осуществляется выработка электрической энергии при помощи турбогенератора, работающего на паре хладагента (низкокипящего теплоносителя), получаемого в генераторе пароэжекторного теплового насоса. Преимущества фреоновых пароэжекторных тепловых насосов перед пароводяными: отсутствие вакуума в испарителе при достаточно низких температурах; малое значение потерь на трение и на удар в пароструйном эжекторе из-за низких скоростей; работа машины при меньших отношениях давления конденсации и испарения.

На фиг.1 представлена схема для использования тепла земных недр по предлагаемому способу для тепло- холодоснабжения и выработки электрической энергии. Схема включает в себя следующие элементы: геотермальную скважину (1); тепловой насос (2), включающий: генератор (Г), испаритель (И), конденсатор (Кд), паровой эжектор (Э), дроссельно-регулирующий вентиль (РВ), насос для перекачивания конденсата (Н); потребитель тепла (3); потребитель холода (4); паровую турбину на низкокипящем теплоносителе (хладагенте) с электрогенератором (5).

Обозначения по схемам: G, G_K, G_m - расходы теплоносителей через скважину, конденсата, перекачиваемого насосом и подаваемого на турбину соответственно; t₁, t₂ - температуры теплоносителя на выходе и входе скважины.

Способ осуществляется следующим образом.

Скважина предназначается для круглогодичного использования: в холодный период - на теплоснабжение: производственные нужды и коммунально-бытовые (отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение); в теплый период - на теплоснабжение: производственные нужды, коммунально-бытовые (горячее водоснабжение) и холодоснабжение. Для более гибкого режима использования тепла скважины осуществляется выработка электрической энергии.

Охлажденную скважинную воду подают в скважину. Вода нагревается в скважине и подается в генератор пароэжекторного теплового насоса, а затем используется в системе теплоснабжения после нагрева теплоносителя для системы отопления и горячего водоснабжения в конденсаторе.

Для нужд теплоснабжения в теплый период скважинная вода после генератора пароэжекторного теплового насоса используется у потребителя на нужды теплоснабжения, а затем подается обратно в скважину, а охлаждение теплоносителя для системы холодоснабжения осуществляется в испарителе.

При отсутствии или сокращении нагрузки на системы тепло-холодоснабжения осуществляется выработка электрической энергии электрогенератором паровой турбины на низкокипящем теплоносителе (хладагенте).

Применение теплового насоса позволяет увеличить теплоотдачу скважины за счет понижения температуры обратной воды t₂, закачиваемой в скважину, а применение пароэжекторного теплового насоса позволяет осуществлять использование теплоты за счет тепла скважины, т.е. без затрат электроэнергии, как в парокомпрессорном тепловом насосе.

Пример осуществления способа.

Вода из скважины с температурой не ниже 80°С (по условию работы пароэжекторных тепловых насосов на низкокипящем хладагенте (фреоне, например фреоне 22), с генератором с нагревом горячей водой) подается в генератор теплового насоса (Г). Пары хладагента поступают на пароструйный эжектор (Э) и на турбину (5). Отсасываемые пароструйным эжектором пары хладагента из испарителя и от турбины направляются в конденсатор (Кд), где конденсируются при температуре порядка 25°С, отдавая тепло потребителю (3). Часть жидкого хладагента дросселируется в дроссельно-регулирующем вентиле (РВ) и направляется в испаритель (И), а часть конденсата G_K из конденсатора насосом (Н) перекачивается в генератор (Г).

Для нужд теплоснабжения в холодный период у потребителя (3): производственные нужды и коммунально-бытовые (отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение) используется скважинная вода после генератора пароэжекторного теплового насоса при температуре порядка 70°С для нагрева теплоносителя системы теплоснабжения, предварительно нагретого в конденсаторе (Кд), а затем направляется обратно в скважину при температуре порядка 30°С (1).

Для нужд теплоснабжения в теплый период: производственные нужды, коммунально-бытовые (горячее водоснабжение) и холодоснабжение используется скважинная вода после генератора пароэжекторного теплового насоса (Г) для нагрева теплоносителя системы теплоснабжения, предварительно нагретого в конденсаторе (Кд), и затем направляется обратно в скважину (1), а охлаждение хладоносителя для системы холодоснабжения (4) осуществляется в испарителе (И) до температуры порядка 5°С.

При работе в режиме турбогенератора пары хладагента (низкокипящего теплоносителя) С4 при температуре 75-80°С (при давлении порядка 3 МПа для фреона 22) направляются на паровую турбину (5) для выработки электрической энергии, а отработанный пар отсасывается паровым эжектором в конденсатор (Кд) и конденсируется при давлении порядка 0,9 МПа. При этом испаритель отключается или уменьшается его производительность.

Способ комплексного использования геотермального тепла с помощью пароэжекторного теплового насоса, в котором охлажденный теплоноситель подается в скважину, а нагретый передает тепло потребителю при помощи пароэжекторного теплового насоса, причем тепло скважины в теплый период используют для выработки холода для нужд холодоснабжения, отличающийся тем, что при снижении или отсутствии нагрузок тепло-холодоснабжения осуществляют выработку электрической энергии при помощи турбогенератора, работающего на паре хладагента - низкокипящего теплоносителя, который получают в генераторе пароэжекторного теплового насоса, при этом пары хладагента направляются на паровую турбину для выработки электрической энергии, а отработанный пар отсасывается в конденсатор пароэжекторного теплового насоса пароструйным эжектором.

Система для извлечения гидротермальной энергии из глубоководных океанических источников и для извлечения ресурсов со дна океана // 2485316

Способ посезонного использования низкопотенциального тепла приповерхностного грунта и скважинные теплообменники для осуществления вариантов способа // 2483255

Изобретение относится к технологиям и средствам автономного отопления объектов различного назначения с комплексным использованием, на основе скважинных циркуляционных систем закрытого типа и тепловых насосов, низкопотенциальных возобновляемых тепловых источников из окружающей среды.

Грунтовый теплообменник // 2472076

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в устройствах, охлаждающих жилые и иные сооружения в теплый период года и нагревающих эти сооружения в холодное время года.

Система теплоснабжения и горячего водоснабжения на основе возобновляемых источников энергии // 2445554

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для теплоснабжения и горячего водоснабжения децентрализованных объектов малой мощности с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Геоэлектростанция и способ повышения ее мощности // 2441185

Изобретение относится к теплоэнергетике. .

Установка для использования геотермальной энергии низкотемпературных подземных горных пород // 2430312

Изобретение относится к средствам извлечения геотермальной энергии массива горных пород и может использоваться для обогрева зданий и сооружений. .

Система и распределительная цистерна для сети низкотемпературной энергии // 2429428

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в системе использования низкотемпературной энергии, содержащей контур коллектора, заполненного первым рабочим раствором, теплопередающий контур, заполненный вторым рабочим раствором, теплообменник, выполненный с возможностью теплопереноса между рабочими растворами контура коллектора и теплопередающим контуром.

Система автономного обогрева помещений // 2429423

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к системам теплоснабжения помещений. .

Труба и система для использования низкотемпературной энергии // 2421666

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к использованию низкотемпературной энергии земного грунта. .

Петротермальная электростанция и устройство монтажа теплоотборной системы петротермальной электростанции // 2529769

Изобретение относится к области энергетики, в частности к электростанциям, работающим на базе глубинного тепла Земли. Петротермальная электростанция содержит скважину, пробуренную до глубины с температурой забоя не менее 600°С, теплоотборную систему, расположенную в скважине, содержащую паровой котел, два присоединенных к нему трубопровода, каждый из которых состоит из отдельных частей, причем части трубопровода для нагнетания воды соединены с частями паропровода для отвода пара жесткими перемычками с образованием секций, при этом часть скважины в зоне расположения парового котла с захватом зоны его разогрева, заполнена водонепроницаемым материалом, остальная часть скважины заполнена породой, поднятой на поверхность при бурении скважины с соблюдением порядка ее расположения в земной коре в месте бурения. Устройство монтажа теплоотборной системы петротермальной электростанции включает монтажную вышку с гидроподъемником, монтажный стол, выполненный в виде сварочного стола, раздвижным, с выемками, образующими в центре стола при соединении этих частей проем с возможностью продвижения через него в скважину секций теплоотборного устройства. Обеспечивает надежную работу петротермальной электростанции, повышение мощности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Геотермальное устройство // 2529850

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах теплоснабжения производственных и жилых зданий. Геотермальное устройство включает теплообменник, сопряженный с тепловым насосом, грунтовый теплообменник, установленный в геотермальной скважине, трубопроводы, соединяющие теплообменники с образованием замкнутой системы, заполненной рабочим телом в виде жидкости, причем грунтовый теплообменник содержит опускную и подъемную трубы, сообщающиеся друг с другом в нижней зоне. Свободное пространство геотермальной скважины заполнено наполнителем с высокой дренирующей способностью, грунтовый теплообменник содержит, по меньшей мере, шесть подъемных труб, удаленных от опускной трубы на расстояние не меньше их диаметра, причем трубы грунтового теплообменника сообщены между собой посредством оголовка, при этом опускная труба выполнена с возможностью равномерного подвода к ее внешней поверхности дренирующей жидкости и наполнителя геотермальной скважины с возможностью его увлажнения. Система увлажнения наполнителя геотермальной скважины включает накопительную камеру, расположенную ниже оголовка. Технический результат выражается в повышении теплопроизводительности грунтового теплообменника и расширении области применения. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ аккумулирования энергии абсорбционным тепловым насосом // 2533527

Изобретение относится к способам аккумулирования энергии в когенерационных системах, работающих в цикле тригенерации, в системах извлечения геотермальной энергии абсорбционным тепловым насосом, в системах использования низкопотенциальной тепловой энергии с помощью абсорбционного теплового насоса. Согласно способу избыточно выработанная электрическая энергия переводится в тепловую энергию и с избыточно выработанной тепловой энергией используется для хемотермического аккумулирования энергии в абсорбционном тепловом насосе. При этом для получения тепла аккумулированный в конденсаторе жидкий хладагент направляется в абсорбер. Технический результат - возможность аккумулирования как тепловой, так и электрической энергии при суточном маневрировании отпуска энергии потребителю. 1 ил.

Способ добычи и использования концентрированных геотермальных рассолов // 2535873

Изобретение относится к технологиям добычи и применения глубокозалегающих подземных пластовых рассолов, обладающих, как правило, не только гидроминеральным потенциалом, в особенности промышленными концентрациями полезных компонентов для прямого использования или последующей переработки в товарные продукты, но и тепловым потенциалом, пригодным для использования по энергетическому назначению. Обеспечивает повышение эффективности способа. Сущность изобретения: по способу с помощью скважины вскрывают напорный рассолоносный пласт, поднимают из него по эксплуатационной обсадной колонне высокоминерализованный геотермальный рассол. После этого по кольцевому пространству между эксплуатационной и промежуточной обсадными колоннами, сообщенному через устьевую обвязку скважины с наземными емкостями и нагнетательным оборудованием, а также со сформированной до вскрытия рассолоносного пласта в интервале геологического разреза скважины ниже пачки регионального водоупора зоной поглощения. Рассол отводят в процессе вскрытия, освоения и дальнейшей эксплуатации пласта в зону поглощения и наземные емкости с возможностью использования гидроминерального потенциала рассола из емкостей. При этом защиту эксплуатационной колонны от оседания твердых образований на ее стенках из добываемого рассола в процессе его перемещения от пласта к устью скважины осуществляют путем термостатирования верхней части колонны в интервале вероятного температурного фазового перехода за счет непрерывной или периодической прокачки вдоль потока рассола в колонне с возможностью теплопереноса к нему теплоносителя с начальной температурой, превышающей ожидаемые без термостатирования температуры рассола в интервале вероятного температурного фазового перехода. Согласно изобретению прокачку теплоносителя ведут внутри поднимаемого по эксплуатационной колонне рассола посредством размещения в этой колонне замкнутого контура циркуляции с теплоносителем в виде технической воды. Этот контур выполнен в виде коаксиального теплообменника, протянутого в колонне до глубины не менее величины интервала фазового перехода. Он состоит из соосного колонне теплопроводящего вертикального цилиндрического корпуса, закрытого в основании и имеющего сверху отверстия для подачи воды в корпус. Внутри корпуса - центральный трубопровод с открытым недостающим до основания корпуса нижним концом и открытым для выпуска воды выше устья скважины верхним концом. При этом воду прокачивают сначала по образованному корпусом и трубопроводом кольцевому пространству теплообменника в направлении, противоположном направлению подъема рассола по эксплуатационной колонне, затем подают по центральному трубопроводу к выходу из теплообменника. Использование гидроминерального потенциала рассола проводят с отводом образующегося при использовании менее концентрированного флюида вместе с отводимыми излишками рассола из пласта и емкостей в зону поглощения. При этом перед подачей в общую отводную линию флюид фильтруют от механических примесей. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Транспортный трубопровод // 2553527

Изобретение относится к трубопроводному транспорту и может быть использовано при транспортировке различных жидких и газообразных продуктов (пар, вода, углеводороды и др.) на предприятиях АПК, в коммунальном хозяйстве, нефтяной, химической и др. промышленности. Транспортный трубопровод содержит секции, запорную арматуру, наружный изоляционный слой и нагревательный элемент, подключенный к источнику теплоносителя. Нагревательный элемент выполнен по меньшей мере из двух нагревательных участков, каждый из которых состоит из змеевидно изогнутых трубок с жидкостью-теплоносителем внутри. В качестве источника тепла для теплоносителя использованы расположенные на глубине незамерзающего слоя земли геотермальный тепловой насос и тепловой аккумулятор. Тепловой насос состоит из соединенных последовательно компрессора, испарителя и дросселя. Тепловой аккумулятор содержит корпус с изоляцией, заполненный твердым теплоаккумулирующим материалом, внутри которого расположены подводящий и отводящий трубчатые змеевики, заполненные теплоносителем. Причем отводящий змеевик соединен своими концами через вентили с соответствующими входом и выходом нагревательных участков, а подводящий змеевик соединен одним входом с дросселем, а другим с компрессором теплового насоса. Изобретение обеспечивает повышение надежности его работы и экономию энергоресурсов. 1 ил.

Транспортный обогреваемый трубопровод // 2555088

Изобретение относится к трубопроводному транспорту. К наружной поверхности обогреваемого трубопровода плотно прилегает коллектор с теплоносителем. В качестве источника тепла для теплоносителя использован геотермальный тепловой насос. Тепловой насос содержит соединительные трубопроводы, дроссели, генератор пара, испаритель, три последовательно соединенных эжектора, три конденсатора, причем третий конденсатор имеет греющую трубу, три циркуляционных насоса, тепловой аккумулятор с коллектором. Каждый эжектор состоит из приемной камеры, сопла и диффузора. Коллектор теплового аккумулятора через первый циркуляционный насос соединен с генератором пара. Пар из генератора через дроссели поступает в сопла первого, второго и третьего эжекторов. Приемная камера первого эжектора через соединительный трубопровод соединена с выходом испарителя. Приемная камера второго эжектора через второй циркуляционный насос и первый конденсатор соединена с диффузором первого эжектора. Приемная камера третьего эжектора через третий циркуляционный насос и второй конденсатор соединена с диффузором второго эжектора. Выходы конденсаторов соединены с входом испарителя. Пар на выходе из эжекторов поступает в третий конденсатор и нагревает греющую трубу, соединенную с коллектором на обогреваемом трубопроводе. Повышает производительность перекачки. 1 ил.

Теплопроводный цилиндр, установленный с u-образным стержневым трубопроводом и кольцевым трубопроводом // 2561785

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для передачи тепла. Теплопроводный цилиндр, предназначенный для установки в накопителе тепла, снабжен множеством U-образных трубопроводов и выполнен так, что теплоизоляция находится между концом для впуска текучей среды и концом для выпуска текучей среды каждого из множества U-образных трубопроводов, причем две или более радиально размещенные секции U-образного трубопровода установлены внутри теплопроводного цилиндра, и отделены друг от друга, и имеют внутренние проходы, которые не сообщаются друг с другом внутри теплопроводного цилиндра. Теплоизолирующее устройство образовано из теплоизолирующей структуры и включает тело, которое должно быть помещено между сегментами трубопровода возле первого конца для впуска и выпуска текучей среды каждого из U-образных трубопроводов, которые установлены рядом с аксиальным сердечником столбчатого трубопроводного тела и сегментами трубопровода возле второго конца для впуска и выпуска текучей среды каждого из U-образных трубопроводов, что значительного уменьшит потери тепловой энергии, вызванные теплопроводностью между соседними сегментами трубопровода. 3 н.п. ф-лы, 12 ил.

Подземный контур в системе низкотемпературной энергии и способ ее получения // 2561840

(57) Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для создания системы низкотемпературной энергии в подземном контуре. Подземный контур используется, например, для передачи тепловой энергии, извлеченной из окружающей среды, к тепловому насосу или подобному устройству. Подземный контур содержит коллекторную систему труб, выполненную в виде витков змеевика с образованием по крайней мере двух кольцевых труб различного поперечного сечения, образованных полыми профилями, причем трубы расположены и смонтированы, по существу, концентрично таким образом, что соседние трубы образуют между собой отдельные объемы потока, а самая внутренняя их полость простирается по всей длине коллекторной системы труб. Благодаря большому количеству полых профилей, размещаемых по всей длине трубопровода, коллекторная система труб становится значительно короче, что упрощает её монтаж и эксплуатацию. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 16 ил.

Системы и способы обеспечения устойчивого экономического развития путем интегрированной выработки возобновляемой энергии полного спектра // 2562336

В одном варианте выполнения изобретения предложен способ подачи электроэнергии при помощи источника возобновляемой энергии, включающий: обеспечение первого источника возобновляемой энергии, причем первый источник возобновляемой энергии является непостоянным или не обеспечивает достаточного количества энергии; подачу энергии от первого источника возобновляемой энергии на электролизер с целью формирования энергоносителя посредством электролиза; избирательное реверсирование электролизера, позволяющее использовать его в качестве топливного элемента; и подачу энергоносителя на электролизер для выработки энергии, причем первый источник возобновляемой энергии, электролизер или энергоноситель получает дополнительное тепло от первого источника тепла; и первый источник тепла выбран из группы, состоящей из геотермального и солнечного источника тепла. 5 н. и 36 з.п. ф-лы, 26 ил.

Аккумулятор тепловой энергии, содержащий камеру расширения // 2586425

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в подземных аккумуляторах тепловой энергии. Подземный аккумулятор содержит колодец и по меньшей мере один туннель, соединенные друг с другом с обеспечением сообщения по текучей среде. Туннель имеет по меньшей мере три секции. Вторая секция туннеля расположена между первой и третьей секцией, соединена с ними и закупорена у конца, сопряженного с третьей секцией, которая, кроме того, присоединена к колодцу. Колодец, а также первая и третья секции туннеля выполнены с возможностью помещения в них текучей среды для аккумулирования тепла. Вторая секция туннеля выполнена с возможностью применения в качестве камеры расширения, в которую поступает объем текучей среды, превышающий объем колодца, первой и третьей секции туннеля. Аккумулятор дополнительно снабжен первым переносящим средством для временного перевода избыточного объема текучей среды из колодца и/или третьей секции туннеля в первую секцию туннеля. Кроме того, у аккумулятора имеется второе переносящее средство для перевода избыточного объема текучей среды из первой секции туннеля во вторую секцию туннеля. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.