Спосіб зарядки і видобування геотермального тепла з ґрунту

Реферат: Винахід належить до способу видобування і використання геотермального тепла, а саме видобування тепла сухих глибинних порід. Спосіб зарядки і видобування геотермального тепла з ґрунту за допомогою теплоносія, який циркулює в контурі геліоколектор - тепловий насос обсадна труба - ґрунт і використовується для потреб теплопостачання. З метою підвищення ефективності використання сонячної радіації для зарядки і видобування геотермального тепла з ґрунту, в світлу годину доби теплоносій від геліоколектора, а в нічну годину - з бака акумулятора - потрапляє в ґрунт і заряджає його теплом по ущільненню між обсадною трубою і концентрично розташованою внутрішньою трубою, а виходить по внутрішній трубі. Теплоносій охолоджується в тепловому насосі і нагрівається в контурі. Для зменшення теплових втрат з ґрунту його поверхню в зоні обсадної труби закривають багатошаровою теплоізоляцією в радіусі не менш 10 діаметрів обсадної труби. UA 112923 C2 (12) UA 112923 C2 UA 112923 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до способів видобування і використання геотермального тепла, в частості видобування тепла сухих глибинних порід. Відомий спосіб видобування тепла земних надр шляхом використання геотермальних джерел [1, 2]. Недоліками відомого способу є: геотермальні джерела розташовані у місцях з підвищеною геологічною активністю, в яких обмежено будівництво, що створює труднощі їх використання, також висока мінералізація геотермальних вод, що призводить до відкладення на поверхні тепловикористовуючого обладнання; екологічне забруднення навколишнього середовища навколо свердловини мінералізованими геотермальними водами; високий тиск у гирлі свердловини, що підвищує вартість обладнання. Відомий також спосіб видобування тепла земних надр шляхом створення теплового "котла" [1], при якому бурять дві свердловини на деякій відстані один від одного і за допомогою ядерного вибуху створюють штучну порожнину між ними. До однієї з свердловин нагнітають холодну воду, а по другій виводять теплоносій у вигляді пари або гарячої води до споживача. При такому способі видобування тепла свердловина може бути розташована поблизу об'єкта теплоспоживання. Недоліками відомого способу є: можливість забруднення теплоносія та його втрати за рахунок витоку; висока вартість реалізації способу. Відомий також спосіб видобування геотермального тепла [3] з свердловини з температурним градієнтом по обсадної трубі за допомогою теплоносія, який циркулює у контурі і використовують для потреб теплопостачання тім, що охолоджений за допомогою теплового насосу теплоносій подається в обсадну трубу, а нагрітий - піднімається по концентрично опущеної в обсадну трубу трубі та передає тепло споживачу. Недоліками відомого способу є: по-перше, для використання температурного градієнта по обсадної трубі в свердловині потрібно мати глибоку, не менш ніж 300 метрів свердловину, а це призводить до збільшення гідравлічного опору і додаткових витрат енергії на просування теплоносія; по-друге, у продовж всього періоду видобування геотермального тепла температура ґрунту навколо обсадної труби знижується, тим самим знижується і температура теплоносія, який потрапляє до теплового насосу, що призводить до зниження коефіцієнту теплової трансформації теплового насосу і зниження теплової ефективності всієї теплопостачальної установки. Найбільш близьким до пропонованого є спосіб акумулювання сонячної енергії [4], в якому вибирають місцевість, де ґрунтові води находяться дуже близько від поверхні ґрунту. Покривають прозорим шатром геліотеплиці, викачують ґрунтову воду з водоносного шару, нагрівають її в геліотеплиці сонячним випромінюванням і далі закачують нагріту воду у водоносний шар ґрунту. До недоліків способу слід віднести: по-перше, зарядка ґрунтового акумулятора здійснюється циклічно, тобто в світлий час доби; по-друге, існують втрати тепла крізь поверхню ґрунту, навіть у місті розташування шатра теплиці за рахунок природної конвекції повітря. Задачею винаходу є створення способу з високою ефективністю використання сонячної радіації для зарядки і видобування геотермального тепла з ґрунту для теплопостачання споживача цілий рік, зниження собівартості тепла. Поставлена задача вирішується тим, що в світлу годину доби нагрітий теплоносій від геліоколектора, а в нічну годину - з бака акумулятора - потрапляє в ґрунт і заряджає його теплом по ущільненню між обсадною трубою і концентрично розташованою внутрішньою трубою, а виходить по внутрішній трубі, та згідно винаходу, видобування геотермального тепла здійснюється за допомогою теплоносія, охолодженого в тепловому насосі, який циркулює в контурі тепловий насос - внутрішня труба - обсадна труба і нагрівається, а для зменшення теплових втрат з ґрунту його поверхню в зоні обсадної труби закривають багатошаровою теплоізоляцією в радіусі не менш 10 діаметрів обсадної труби. Пропоноване технічне рішення відрізняється від аналога і прототипу тим, що в способі ґрунт заряджається цілодобово від геліоколектора і бака акумулятора, теплоносієм, який рухається по ущільненню між обсадною трубою і концентрично розташованою внутрішньою трубою, а виходить по внутрішній трубі. При видобуванні геотермального тепла з ґрунту охолоджений за допомогою теплового насоса теплоносій подається по концентрично розташованій в обсадній трубі внутрішній трубі, підіймається вгору по ущільненню між обсадною трубою і внутрішньою, нагрівається і далі потрапляє в випарник теплового насосу. На кресленні наведена схема пристрою, який реалізує спосіб зарядки і видобування геотермального тепла з ґрунту. Схема включає такі елементи: геліоколектор 1; бак акумулятор 1 UA 112923 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 2; тепловий насос 3; обсадна труба 4 з внутрішньою трубою 5; ґрунт 6; циркуляційні насоси 7, 8, 9; триходові крани 10, 11, 12, 13. Спосіб здійснюється таким чином. У світлу годину доби при зарядці ґрунту теплоносій - 1, який нагрівається в геліоколекторі 1, за допомогою насоса 7 потрапляє до бака акумулятора 2 і нагріває в ньому теплоносій - 2. Коли температура в баку 2 досягає заданої температури, триходовий кран 10 перекриває доступ теплоносія - 1 в бак акумулятор 2 і відкриває доступ до триходового крана 12, який у свою чергу перекриває доступ теплоносія - 1 до теплового насосу 3 і відкривається так, щоби теплоносій - 1 потрапляв від геліоколектора 1 до обсадної труби 4. Далі теплоносій - 1 проходить по внутрішній трубі 5 крізь триходовий кран 11, який закрито до теплового насосу 3 і відкрито до триходового крану 13, який відкрито до контуру з геліоколектором 1. Далі крізь геліоколектор 1 теплоносій - 1 нагрівається і циркулює крізь обсадну трубу по замкнутому колу, при цьому насос 7 вимкнено. В нічну годину для зарядки ґрунту триходові крани 10 і 13 перекрито від контуру з геліоколектором 1. Триходові крани 11 і 12 знаходяться в такому же стані, як і в світлу годину. Теплоносій - 1 за допомогою насоса 9 циркулює від бака акумулятора 2, де він нагрівається, до обсадної і внутрішньої труб 4, 5, де він віддає тепло у ґрунт 6, тобто заряджає його. При видобуванні геотермального тепла з ґрунту 6 охолоджений за допомогою теплового насоса 3 теплоносій - 1 подається насосом 8 по концентрично розташованій в обсадній трубі 4 внутрішній трубі 5, підіймається вгору по ущільненню між обсадною трубою і внутрішньою, нагрівається і далі потрапляє в випарник теплового насосу 3. При цьому триходовий кран 11 відкрито зі сторони теплового насоса 3 і закрито зі сторони насоса 9, який у даний момент часу виключено. Триходовий кран 12 відкрито зі сторони теплового насоса 3 і закрито зі сторони триходового крану 10. Слід відмітити, що в ґрунті знаходяться не одна обсадна труба великої довжини, а багато: 20…30 штук довжиною 20…25 метрів, в залежності від споживаної потужності теплопостачальної установки, які створюють масив обсадних труб у ґрунті або ґрунтовий акумулятор тепла. Теплові втрати зменшені внаслідок закривання ґрунту в зоні обсадної труби багатошаровою теплоізоляцією в радіусі не менш 10 діаметрів обсадної труби. Таким чином, спосіб відрізняється від відомих тим, що в світлу годину доби тепло від геліоколектора, а в нічну годину - з бака акумулятора - потрапляє в ґрунт і заряджає його теплом по ущільненню між обсадною трубою і концентрично розташованою внутрішньою трубою, а виходить по внутрішній трубі, також охолоджений за допомогою теплового насоса теплоносій подається по концентрично розташованій в обсадній трубі внутрішній трубі, а нагрітий підіймається вгору по ущільненню між обсадною трубою і внутрішньою і подає тепло в випарник теплового насосу, який далі передає тепло споживачу, а поверхня ґрунту в зоні обсадної труби закрита багатошаровою теплоізоляцією. Використані Джерела інформації: 1. Дворов И.М., Дворов В.И. Термальные воды и их использование. М., Просвещение, 1976. - 128 с. 2. Натанов Х.Х. Подготовка геотермальных вод к использованию. М., Стройиздат, 1980. - 80 с. 3. Патент Российской Федерации № 2288413. Опубл. 27.11.2006 Бюл. № 33 - аналог. 4. Патент Российской Федерации № 2275560. Опубл. 27.04.2006 Бюл. № 12 - прототип. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 60 1. Спосіб зарядки і видобування геотермального тепла з ґрунту за допомогою теплоносія, який циркулює в контурі геліоколектор - тепловий насос - обсадна труба - ґрунт і використовується для потреб теплопостачання, який відрізняється тим, що в світлу годину доби теплоносій від геліоколектора, а в нічну годину - з бака акумулятора - потрапляє в ґрунт і заряджає його теплом по ущільненню між обсадною трубою і концентрично розташованою внутрішньою трубою, а виходить по внутрішній трубі. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що охолоджений за допомогою теплового насоса теплоносій подається по концентрично розташованій в обсадній трубі внутрішній трубі, а нагрітий підіймається вгору по ущільненню між обсадною трубою і внутрішньою і подає тепло в випарник теплового насосу, який далі передає тепло споживачу. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що поверхня ґрунту в зоні обсадної труби закрита багатошаровою теплоізоляцією в радіусі не менш 10 діаметрів обсадної труби. 2 UA 112923 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3