Патент на изобретение №2288413

(54) СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛА

(57) Реферат:

Использование: для извлечения и использования геотермальной энергии в системах теплоснабжения. Сущность: из скважины с температурным градиентом по обсадной трубе при помощи теплоносителя, циркулирующего в контуре и используемого для нужд теплоснабжения, охлажденный теплоноситель при помощи теплового насоса подается в обсадную трубу, а нагретый – поднимается по концентрично опущенной в обсадную трубу трубе и передает тепло потребителю. Тепло в теплый период используется для нужд холодоснабжения. Такой способ позволяет повысить экологичность использования геотермальной энергии и снизить ее себестоимость. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к способам извлечения и использования геотермального тепла, в частности извлечения тепла сухих глубинных пород.

Известен способ извлечения тепла земных недр путем использования геотермальных источников /Дворов И.М., Дворов В.И. Термальные воды и их использование. М., Просвещение, 1976. – 128 с., Натанов Х.Х. Подготовка геотермальных вод к использованию. М., Строийиздат, 1980. – 80 с./.

Недостатками известного способа являются: геотермальные источники расположены в местах повышенной геологической активности, в которых ограничено строительство, что затрудняет их использование; высокая минерализация геотермальных вод, что приводит к отложениям на поверхностях теплоиспользующего оборудования; экологическое загрязнение окружающей среды вокруг скважины минерализованными геотермальными водами; высокое давление в устье скважины, что удорожает стоимость оборудования.

Известен также способ извлечения тепла земных недр путем создания теплового “котла”, при котором бурят две скважины на некотором расстоянии друг от друга и при помощи ядерного взрыва создают искусственную полость между ними /Дворов И.М., Дворов В.И. Термальные воды и их использование. М., Просвещение, 1976. – 128 с./. В одну из скважин нагнетается холодная вода, а по другой выводят теплоноситель в виде пара или горячей воды к потребителю. При таком способе извлечения тепла скважина может быть расположена вблизи объекта теплопотребления.

Недостатками известного способа являются: возможность загрязнения теплоносителя и его потеря за счет утечек; высокая стоимость реализации способа.

Наиболее близким к предложенному является способ извлечения геотермального тепла, включающий бурение двух скважин, гидравлическая связь между которыми обеспечивается за счет сближения их боковых ветвей скважин для образования соединительных зон дробления и трещинообразования. При движении по скважинам и при фильтрации в соединительных зонах закачанная вода нагревается в результате контакта с высокотемпературным массивом горных пород и выводится по скважине на поверхность и поступает потребителю /Дворов И.М., Дворов В.И. Термальные воды и их использование. М., Просвещение, 1976. – 128 с., Натанов Х.Х. Подготовка геотермальных вод к использованию. М., Строийиздат, 1980. – 80 с., Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч. 4.1. Отопление / В.Н.Богословский, Б.А.Крупнов, А.Н.Сканави и др.; Под ред. И.Г.Староверова и Ю.И.Шиллера. М., Стройиздат, 1990. – 344 с./.

Недостатками известного способа являются: возможность загрязнения теплоносителя и его потеря за счет утечек; высокая стоимость реализации способа.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение экологичности и снижение себестоимости извлечения геотермального тепла.

Указанный технический результат достигается в способе извлечения геотермального тепла из скважины с температурным градиентом по обсадной трубе при помощи теплоносителя, циркулирующего в контуре, и используемого для нужд теплоснабжения, тем, что охлажденный при помощи теплового насоса теплоноситель подается в обсадную трубу, а нагретый – поднимается по концентрично опущенной в обсадную трубу трубе и передает тепло потребителю.

Тепло у потребителя в теплый период используется для нужд холодоснабжения.

На чертеже представлена схема устройства для извлечения тепла земных недр по предлагаемому способу. Схема включает в себя следующие элементы: скважину с обсадной трубой 1; подъемную трубу 2; тепловой насос 3; потребитель тепла 4; потребитель холода 5.

Способ осуществляется следующим образом.

Охлажденную воду от потребителя с температурой t₂ подают по межтрубному пространству в скважину. Вода нагревается от стенок обсадной трубы, а затем нагретая до температуры t₁ – подается потребителю. Так как температура нагретой воды t₁ в зависимости от температурного градиента может быть недостаточно высокой для прямого использования в системе теплоснабжения, использование теплового насоса позволяет увеличить теплоотдачу скважины за счет понижения температуры обратной воды t₂, закачиваемой в скважину. При этом исключается необходимость тепловой изоляции оголовка скважины (в прототипе осуществляется изоляция скважин на глубину до 300 м для предотвращения прогрева верхних слоев земной коры). Скважина предназначается для круглогодичного использования: в холодный период – на производственные нужды и коммунально-бытовые (отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение); в теплый период – на производственные нужды, коммунально-бытовые (горячее водоснабжение) и холодоснабжение. Т.к. контур для извлечения тепла является закрытым, то исключаются: загрязнение теплоносителя от грунтов; утечки теплоносителя в грунт. Не требуется создавать давление насосом для закачки теплоносителя в пласт; напор насоса используется только для преодоления гидравлических сопротивлений в системе, которые сравнимы с гидравлическими сопротивлениями в обычных тепловых сетях.

ПРИМЕР осуществления способа.

Для примера осуществления способа разработана математическая модель и программа расчета. Расчет выполнен для скважины № 6 с. Прасковейское Ставропольского края.

Математическая модель.

Для разработки математической модели приняты допущения:

– Земля рассматривается как шар с твердой оболочкой;

– в пределах локальной геотермальной зоны имеет постоянные значения плотности теплового потока q и геотермического потенциала grad Т;

– модель может рассматриваться без учета кривизны твердого тела.

Уравнения теплопередачи и теплового баланса в частных производных:

где Q₁ – количество тепла, получаемое теплоносителем, движущимся в межтрубном пространстве, от грунтов в единицу времени;

Q₂ – количество тепла, получаемое теплоносителем, движущимся в межтрубном пространстве, от теплоносителя, движущегося по внутренней трубе;

K_1i, K_2i – коэффициенты теплопередачи через стенки наружной и внутренней труб;

_1i, _2i – температурные напоры, определяемые по формулам:

t_грi – температура грунтов на границе соприкосновения с наружной трубой;

t_2i – температура теплоносителя в межтрубном пространстве;

t_1i – температура теплоносителя во внутренней трубе;

m и C_p1, С_р2 – массовый расход и теплоемкость теплоносителя в межтрубном пространстве и во внутренней трубе;

W₁, W₂ – водяные эквиваленты.

Согласно закону сохранения энергии при остывании элементарного объема грунтов с внутренним источником тепла

где q – плотность геотермального теплового потока;

_грi, C_грi – плотность грунта и его теплоемкость;

r – текущая цилиндрическая координата зоны термического влияния скважины;

d – бесконечно малый отрезок времени, равный

f₁, f₂ – площади сечения межтрубного пространства и внутренней трубы;

₁, ₂ – плотность теплоносителя в межтрубном пространстве и во внутренней трубе;

– изменение температуры грунта во времени, определяемое из дифференциального уравнения теплопроводности:

– коэффициент температуропроводности грунта;

_грi – коэффициент теплопроводности грунта;

dr – элементарное увеличение зоны термического влияния скважины за время d.

Для решения уравнения необходимо установить граничные условия.

Временными граничными условиями будут значения:

=0 и

При =0 начальные условия будут следующие:

– температура обратной воды – t₂;

– начальное распределение температуры грунта по глубине скважины t_грi=(z_i-L_н)·grad T+15°С;

при z_i=L, t_2i=t_1i, a _2i=0;

при t_2i=t_грi, _1i=0.

При _n, Q₁=qr² и устанавливается стационарный режим теплопередачи от грунтов к скважине.

Результаты расчета

При применении теплового насоса с понижением температуры обратной воды до 15°С тепловая мощность скважины увеличивается до 3,2 МВт.

Для системы холодоснабжения применяются абсорбционные или пароэжекторные холодильные машины, осуществляющие “прямое” преобразование теплоты в холод.

Формула изобретения

1. Способ извлечения геотермального тепла из скважины с температурным градиентом по обсадной трубе при помощи теплоносителя, циркулирующего в контуре и используемого для нужд теплоснабжения, отличающийся тем, что охлажденный при помощи теплового насоса теплоноситель подается в обсадную трубу, а нагретый – поднимается по концентрично опущенной в обсадную трубу трубе и передает тепло потребителю.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что геотермальное тепло используется в теплый период для нужд холодоснабжения.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 30.04.2007

Извещение опубликовано: 10.12.2008 БИ: 34/2008