Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I Анализ актуальности проблемы энергоснабжения обособленных потребителей и пути решения 9
1.1 Классификация удаленных и обособленных потребителей 9
1.2 Анализ существующих способов энергоснабжения удаленных и обособленных потребителей 16
1.3 Анализ перспективы использования возобновляемых источников энергии для энергоснабжения удаленных и обособленных потребителей 19
1.4 Анализ и обобщение характеристик теплового состояния недр Земли на территории РФ 36
ГЛАВА II Разработка методологии проведения исследований по эффективному использованию петротермальной тепловой энергии земли 58
2.1 Расчетно-параметрическое исследование процесса теплового съема из недр Земли 58
2.2 Физическое моделирование вариантов теплового съема в односкважинной системе 69
2.2.1 Описание и обоснование конструкции экспериментального стенда для моделирования съема глубинной тепловой энергии Земли 69
2.2.2 Оценка погрешности измерений 79
2.2.3 Определение влияния конструкции односкважинной системы съема глубинной тепловой энергии Земли на ее эффективность 80
2.2.4 Оценка влияния эксцентриситета трубопровода теплоносителя по отношению к срезу скважины на теплосъем из твердых пород 86
ГЛАВА III Анализ и оптимизация тепловых схем энергоисточников на основе использования петротермальнои энергии земли
3.1 Использование турбин на низкокипящих рабочих веществах 93
3.2 Схема энергогенерирующей установки на основе петротермальной тепловой энергии Земли с использованием тепловых насосов 104
3.3 Комбинированная схема прямого подогрева (или подогрева с ТНУ)
и генерация электрической энергии 109
ГЛАВА IV Технико-экономическое обоснование использования петротермальной тепловой энергии для энергоснабжения удаленных потребителей 114
4.1 Методика проведения технико-экономической оценки энергоисточника на основе использования глубинной тепловой энергии Земли 115
4.2 Расчёт денежного потока, генерируемого при внедрении петротермального энергоисточника 117
4.2.1 Расчет потребной мощности энергетической системы объекта 117
4.2.2 Расчет положительной составляющей денежного потока 118
4.2.3 Расчет отрицательной составляющей денежного потока 124
4.2.4 Расчет денежного потока при создании петротермальной энергоустановки 126
4.3 Определение основных показателей экономической эффективности 130
Заключение 138
Список использованной литературы
- Анализ перспективы использования возобновляемых источников энергии для энергоснабжения удаленных и обособленных потребителей
- Описание и обоснование конструкции экспериментального стенда для моделирования съема глубинной тепловой энергии Земли
- Схема энергогенерирующей установки на основе петротермальной тепловой энергии Земли с использованием тепловых насосов
- Расчёт денежного потока, генерируемого при внедрении петротермального энергоисточника
Введение к работе
Актуальность работы Использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) (энергия ветра и солнца, энергия биомассы, геотермальной энергии) становится все более актуальным в условиях постоянно растущей потребности страны в энергии, постепенного истощения запасов традиционных видов топлива, а также ухудшения экологической ситуации. Современная энергетика России, являющаяся важнейшим сектором отечественной экономики, не может гарантировать устойчивого развития страны на долговременную перспективу из-за неуклонного роста цен на органическое топливо, имеющего ограниченные запасы и оказывающего негативное влияние на окружающую среду. Это является одной из основных проблем современной энергетики России виду того, что на огромной территории РФ существует большое количество обособленных потребителей электрической и тепловой энергии, расположенных на значительном удалении от централизованных сетей тепло- и электроснабжения (лишь 30 % населенных пунктов России подсоединены к централизованным электрическим и тепловым сетям). На сегодняшний день проблема энергоснабжения обособленных потребителей решается с помощью энергогенерирующих установок, потребляющих органическое топливо, которое систематически доставляется к объектам. При такой схеме энергоснабжения потребителей стоимость отпускаемой электрической энергии может составлять до 100 руб/кВтчас.
На фоне угрожающего роста цен на энергоресурсы поиск альтернативных способов получения энергии превращается в проблему государственного значения, связанную с экономической безопасностью страны. Использование энергии ветра и солнца возможно только на определенных территориях при условии решения проблем, связанных с повышением эффективности производства и аккумулирования электрической и тепловой энергии. В России же ввиду ее природных условий - холодный и резко континентальный климат, обширные, труднодосягаемые и неравномерно населенные территории -требуется стабильный, доступный, безопасный и по возможности более эффективный в смысле освоения источник энергии.
Цель работы - разработка методологии эффективного энергоснабжения обособленных потребителей России на основе использования петротермальных источников энергии.
Задачи исследований:
- анализ состояния проблемы энергоснабжения обособленных и удаленных потребителей России и оценка эффективности существующих
способов энергоснабжения с использованием ВИЭ;
обобщение характеристик теплового состояния недр Земли на территории России;
обзор и классификация современных обособленных и удаленных потребителей, определение значения требуемой тепловой и электрической мощности для различных групп потребителей, выявление специальных требований по надежности и качеству тепловой и электрической энергии;
обоснование целесообразности выбора основного способа извлечения глубинной теплоты Земли с использованием теплообменного аппарата типа «труба в трубе»;
разработка методики расчета односкважинной системы съема и транспортировки глубинной теплоты Земли с учетом термических сопротивлений конструкций скважины и изменения теплофизических свойств теплоносителя (воды) при его движении к забою скважины;
разработка методики проведения экспериментального исследования по моделированию съема глубинной теплоты Земли;
изучение влияния различных конструкций односкважинной системы съема глубинной теплоты Земли на эффективность теплового съема;
подтверждение расчетной методики полученными экспериментальными данными;
разработка и технико-экономическое обоснование принципиальных тепловых схем генерирующего оборудования с учетом классификации обособленных потребителей по мощностным нагрузкам и требуемому соотношению тепловой и электрической энергии.
Научная новизна работы:
впервые установлено, что эффективность односкважинной системы съема и транспортировки глубинной тепловой энергии недр на поверхность без обсадной трубы в зависимости от скорости теплоносителя до 8,5% выше, чем односкважинная система съема с обсадной трубой по всей длине скважины;
в результате проведенных экспериментальных исследований выявлено, что наличие эксцентриситета внутренней трубы в односкважинной системе съема практически не влияет на эффективность системы в целом, что позволяет существенно упростить конструкцию односкважинной системы съема глубинной тепловой энергии недр;
уточнена методика расчета односкважинной системы типа «труба в трубе», за счет учета термического сопротивления конструкций системы и
изменения теплофизических свойств теплоносителя (воды) в зависимости от изменения глубины односкважинной системы съема.
Достоверность.
Достоверность полученных результатов определяется их корреляцией с результатами исследований других авторов, многократной повторяемостью экспериментальных результатов, использованием высокоточных средств измерений, определением погрешности измерений.
Практическая значимость работы:
впервые разработаны номограммы для определения термодинамических характеристик односкважинной системы съема без необходимости проведения дополнительных расчетов;
разработаны оригинальные схемные решения энергогенерирующего оборудования, позволяющие эффективно преобразовывать тепловую энергию недр в электрическую с к.п.д. установки до 64%.
проведена оптимизация низкокипящих рабочих веществ в контуре турбины и разработаны схемы, позволяющие производить наиболее эффективную выработку тепловой и электрической энергии при различных температурах теплоносителя на выходе из скважины.
Основные положения, выносимые на защиту:
методика проведения экспериментальных исследований по моделированию съема глубинной теплоты Земли с использованием односкважинного способа;
результаты экспериментальных и расчетных исследований по определению влияния отсутствия обсадной трубы в односкважинной системе съема глубинной теплоты Земли;
уточненная методика расчета односкважинной системы съема и транспортировки глубинной теплоты Земли с учетом термических сопротивлений конструкций скважины и изменения теплофизических свойств теплоносителя (воды) при его движении к забою скважины;
результаты оптимизации тепловых схем энергогенерирующего оборудования.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:
- на XVI Международной научно-технической конференциии студентов и
аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» НИУ МЭИ
(2010 г.);
на пятой российской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение теория и практика» НИУ МЭИ (2010 г.);
на Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Энергосбережение в секторе исследований и разработок: существующий потенциал и перспективы развития» (2012 г.)
на научно-техническом семинаре кафедры Промышленных теплоэнергетических систем.
Публикации.
Основное содержание работы изложено в 13 публикациях, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 152 страницах основного текста, содержит 38 рисунков, 27 таблиц, список литературы из 130 наименований и 3 приложения. Общий объем работы составляет 220 страниц.
Анализ перспективы использования возобновляемых источников энергии для энергоснабжения удаленных и обособленных потребителей
Обособленный потребитель электрической или тепловой энергии — юридическое или физическое лицо, использующее электрическую или тепловую энергию для производственных, бытовых или иных нужд, не подключенное к централизованным электрическим или тепловым сетям.
Классификация современных обособленных и удаленных потребителей энергии на территории РФ В общем случае потребители электрической энергии в соответствии с [1] подразделяют на 3 категории. Электроприемники I категории -электроприемники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой следующие последствия: - опасность для жизни людей, - значительный ущерб народному хозяйству; - повреждение дорогостоящего основного оборудования, - массовый брак продукции, - расстройство сложного технологического процесса, - нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства. Из состава электроприемников I категории выделяется особая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего основного оборудования.
Электроприемники I категории должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, и перерыв их электроснабжения при нарушении электроснабжения от одного из источников питания может быть допущен лишь на время
Электроприемники II категории - электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.
Электроприемники II категории рекомендуется обеспечивать электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания.
Для электроприемников II категории при нарушении электроснабжения от одного из источников питания допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады. Электроприемники III категории - все остальные электроприемники, не подходящие под определения I и II категорий. Для электроприемников III категории электроснабжение может выполняться от одного источника питания при условии, что перерывы электроснабжения, необходимые для ремонта или замены поврежденного элемента системы электроснабжения, не превышают 1 сут.
К обособленным потребителям электрической и тепловой энергии возможно отнести убежища гражданской обороны, которые в соответствии с [2] при наличии режима регенерации или воздухоохлаждающих установок оснащаются автономными источниками энергоснабжения. Для убежищ требуется обеспечить возможность длительного пребывания людей. Для этого сооружения помимо фильтро-вентиляции, снабжающей людей воздухом, должны иметь надежное электропитание, санитарно-технические устройства (водопровод, канализация, отопление), а также запасы воды.
Основной задачей гражданской обороны является защита населения от современных средств поражения путем размещения в защитных сооружениях - убежищах гражданской обороны. Данные убежища обеспечивают защиту от действия ударной волны, ядерного взрыва, светового излучения, проникающей радиации, отравляющих и бактериальных веществ. Электроприемники убежищ гражданской обороны относятся ко второй категории потребителей [2].
Основной группой обособленных и удаленных потребителей на территории России являются потребители тепловой и электрической энергии в сельском хозяйстве, малые населенные пункты и поселки городского типа, расположенные в удаленных районах страны Особенностями энергообеспечения обособленных и удаленных потребителей РФ являются [3]: - децентрализованное энергоснабжение потребителей; -разобщенность населенных пунктов и значительные расстояния между ними; - суровые климатические условия на основной части территории России; - высокая стоимость строительства энергоисточников; - необходимость надежного и постоянного по времени производства электрической и тепловой энергии, особенно в районах с экстремальными условиями проживания населения (Крайний Север); - ограниченное по времени проживание в местах освоения и добычи полезных ископаемых, и др. - низкая эффективность производства, транспорта и потребления топливно-энергетических ресурсов; - неприспособленность автономных систем энергоснабжения для эффективного использования местных ТЭР, в том числе нетрадиционных - высокая себестоимость вырабатываемой электрической энергии;
Электрификация потребителей сельского хозяйства до настоящего времени производилась на основе применения дизельных установок [4]. С 1964 г. на территории СССР насчитывалось 109 тыс. дизельных установок при средней мощности 40 кВт. Общая классификация потребителей тепловой и электрической энергии в сельском хозяйстве представлена в табл. 1.1 [4]. Наиболее крупными сельскохозяйственными потребителями электрической и тепловой энергии являются:
Описание и обоснование конструкции экспериментального стенда для моделирования съема глубинной тепловой энергии Земли
Сложность проблемы энергообеспечения потребителей заключается еще и в том, что имеют место принципиально разные условия в отношении потенциальных возможностей использования местных энергоресурсов. Наиболее крупные месторождения традиционных видов топлива находятся в регионах с суровым (холодным) климатом, причем транспортировка топливных ресурсов к месту переработки и потребления влечет за собой массу оперативных трудностей - существенная удаленность друг от друга мест добычи и потребления, предельно низкое качество дорог, а, зачастую, полное отсутствие транспортных путей для завоза топлива.
Южная и Центральная части России имеют широко развитую инфраструктуру систем энергообеспечения. Проблема энергоснабжения удаленных и обособленных потребителей южных и центральных регионов заключается в низкой термодинамической эффективности энергетических систем. Подчас эффективные с точки зрения термодинамики централизованные системы энергоснабжения имеют настолько «разросшуюся» инфраструктуру, что потери при транспортировке тепловой и электрической энергии, не только «съедают» эффект централизованной генерации энергии, но делают такой способ энергоснабжения крайне затратным и нецелесообразным.
В особую группу можно выделить обособленные и удаленные потребители Северной и Северо-Восточной частей Российской Федерации. Особенностями этих регионов является крайне низкая плотность населения (от 1 до 10 чел. на 1 км ) и значительная удаленность населенных пунктов друг от друга.
Природно-климатические условия этих регионов суровы - некоторые территории располагаются в районах вечной мерзлоты, тундры, таежных лесов. Климат преобладает резко-континентальный - жаркое лето и холодная продолжительная зима. Перепад температур может составлять от +39 С летом до -68 С зимой. Сильные ветры (до 8 м/с) могут сменяться полным безветрием (до 0 м/с). На территориях, расположенных северней 66-ой параллели, очень малая естественная освещенность из-за полярных ночей. [5]
Основой энергообеспечения большей части удаленных и обособленных потребителей являются электростанции и котельные на дизельном топливе -дизельные энергостанции. Анализ наиболее распространенных ДЭС Крайнего Севера показывает, что большая часть оборудования изношена, имеет низкую термодинамическую эффективность, доминирующую топливную составляющую в себестоимости энергии. В связи с этим качество энергоснабжения потребителей значительно снижено, с каждым годом увеличивается количество аварийных ситуаций, растут затраты на ремонты, и, соответственно, падает надежность систем энергоснабжения в целом. При этом стоимость энергетического обслуживания (тарифы на тепловую и электрическую энергию) не только не снижаются, но растут гораздо быстрее среднего роста тарифов по стране.
Также применительно к удаленным потребителям имеют место особенности транспортного сообщения. На большей части РФ завоз топлива носит сезонный характер. Морской, речной и железнодорожный виды транспорта осуществляют доставку топлива до определенного пункта накопления. Затем из пункта накопления доставляется автотранспортом. Морской и речной вид транспорта имеют ограниченное время навигации, автомобильная доставка топлива также осуществляется, в основном, по «автозимникам». [5] В связи с существенным территориальным разбросом потребителей, доставка дизельного топлива к месту потребления может осуществляться несвоевременно и с перебоями.
Также использование топлива оказывает негативное влияние на окружающую среду как локально (местные загрязнения), так и на климат планеты в целом.
Учитывая все перечисленные факторы, поиск решения проблем энергоснабжения обособленных и удаленных потребителей является актуальной задачей. Решение проблем энергоснабжения посредством развития традиционных подходов использования «углеводородной» энергетики - малоэффективно [6]. Необходима разработка и внедрение автономных источников на базе местных энергоресурсов, в том числе и возобновляемых источников энергии. А в нынешних условиях внедрение ВИЭ может стать приоритетным направлением.
Анализ перспективы использования возобновляемых источников энергии для энергоснабжения удаленных и обособленных потребителей
Возобновляемые источники энергии — это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих процессов в природе, а также жизненном цикле растительного и животного мира и жизнедеятельности человеческого общества.
Работы [9,10] по энергоснабжению от ВИЭ удаленных и обособленных потребителей подтверждают эффективность использования альтернативных источников энергии, но ограничения, накладываемые особенностями каждого из ВИЭ, не дают возможности повсеместного использования отдельного вида ВИЭ. Так, например, использование солнечной энергетики актуально в Южных регионах РФ, но полностью несостоятельно в районах Крайнего Севера. Использование ветровой энергии экономически обосновано лишь в регионах со средней скоростью ветра в течение года 5-8 м/с [11].
Анализ основного оборудования, применяемого для преобразования энергии ВИЭ в энергетическую продукцию (энергию требуемых параметров) показал, что на сегодняшний день удельная стоимость 1 установленного кВт варьируется от 700$ до 6000$ в зависимости от вида ВИЭ и необходимой номинальной мощности. Для потребителей, расположенных далеко от центральных регионов, это весьма высокая стоимость и без поддержки государства или крупных инвестиционных программ внедрение этих источников для небольших потребителей практически невозможно.
Основные параметры различных ВИЭ [12] представлены в табл. 1.4. Несмотря на достаточно высокую техническую изученность этих источников энергии, их доля в общем объеме производства тепловой и электрической энергии в России составляет незначительную величину.
Схема энергогенерирующей установки на основе петротермальной тепловой энергии Земли с использованием тепловых насосов
Известно, что глубинные недра Земли располагают колоссальным запасом тепловой энергии. Протекающие на протяжении миллиардов лет ядерные, гравитационные и другие процессы внутри Земли обуславливают накопление огромного теплового потенциала. Основными источниками этой тепловой энергии являются [13]: - самопроизвольный распад радиоактивных элементов (элементы с периодом полураспада, меньшим периода формирования Земли, распались при первоначальном разогреве планетного вещества, тогда как распад долгоживущих элементов продолжается в настоящее время); - гравитационная дифференциация вещества Земли и его расслоение с образованием плотного ядра и менее плотной оболочки; - тектонические процессы, вызывающие вертикальные и горизонтальные смещения крупных блоков земной коры и ее упругие деформации; - физико-химические процессы, протекающие в недрах Земли. Непрерывная генерация внутриземной теплоты компенсирует ее внешние потери, служит источником накопления глубинной тепловой энергии и определяет возобновляемую часть ее ресурсов.
Источники геотермальной энергии по классификации делятся на 5 типов [14]: - месторождения геотермального сухого пара. Они сравнительно легко разрабатываются, но довольно редки. Тем не менее, половина всех действующих в мире ГеоТЭС использует теплоту этих источников. - источники влажного пара (смеси горячей воды и пара). Они встречаются чаще. При их освоении приходится решать вопросы предотвращения коррозии оборудования ГеоТЭС и загрязнения окружающей среды (удаление конденсата из-за высокой степени его засоленности). месторождения геотермальной воды (содержат горячую воду или пар и воду). Они представляют собой, так называемые геотермальные резервуары, которые образуются в результате наполнения подземных полостей водой атмосферных осадков, нагреваемой близко лежащей магмой. - сухие горячие скальные породы, разогретые магмой (на глубине 2 км и более). Их запасы энергии наиболее велики (петротермальная энергия). Так же возможно ввести более укрупненную классификацию источников тепловой энергии недр: - паро-гидротермальные ресурсы. Известные и используемые с давних времен тепловые проявления в виде самоизливающихся источников пара или жидкости. Главным преимуществом является то, что эти ресурсы доступны и легки в освоении. Недостатки - локальность расположения источников, потребность очистки перед использованием, в некоторых случаях загрязнение окружающей среды (тепловое, химическое). Около 70% мирового энергетического потенциала паро-гидротермальных источников приходится на месторождения с температурой флюида менее 130 С [15]. Значительная часть таких геотермальных ресурсов разведана и в той или иной мере осваивается. - петротермальные ресурсы, (в развитых странах этот вид упоминается как HotDryRock (англ.) - горячая сухая порода). Сравнительно новое с точки зрения энергетики направление, основанное на использовании тепловой энергии, заключенной в твердых породах Земли - в коре. В сравнении с паро-гидротермальными ресурсами, это тепловое проявление встречается в любой точке планеты, независимо от ее географического расположения. Недостатком же является сложность извлечения, которая с развитием технологий бурения становится менее критичной. - магма. Этот вид теплового ресурса доступен в местах выхода магмы на поверхность, но территориально не имеет ограничений, поскольку располагается повсеместно под корой Земли (от 20 до 50 км). Ресурсы магмы наиболее привлекательные по количеству энергии и по ее потенциалу. Однако у человечества пока отсутствуют технологии для освоения столь высокопотенциальных и мощных источников.
За последнее время ученые развитых стран все больше внимания уделяют изучению возможности использования петротермальных ресурсов. На Всемирных Геотермальных Конгрессах, состоявшихся в 2000 году в Японии и в 2005 году в Турции, отмечалось, что использование тепловой энергии Земли станет одним из центральных направлений в энергетике третьего тысячелетия. Установленная мощность энергоисточников на основе использования теплоты недр на 2005 г. составляла 28,2 ГВт [16, 17], а в 2010 г. составила 48,4ГВт [18].
Источники энергоснабжения на основе использования глубинной теплоты недр состоят из системы съема и транспортировки тепловой энергии Земли на поверхность и из теплоэнергетического генерирующего оборудования. Системы съема и транспортировки тепловой энергии предназначены для извлечения паро-гидротермальных и петротермальных ресурсов.
Паро-гидротермальный ресурсы являются самыми доступными из тепловых ресурсов недр, т.к. они залегают на относительно небольшой глубине и для их извлечения не требуется дорогостоящего глубинного бурения. Паро-гидротермальная энергетика активно развивается в Индонезии [19-21], Мексике [22], США [23 -25], Новой Зеландии [26 -28], Китае [29-31], Африке [32], Корее [33], Сальвадоре [34], Греции [35], Канаде [36], Швейцарии [37], Турции [38], Польше [39], Японии [40], Франции [41-46], Италии, России и др.
Ввиду того, что основное количество паро-гидротермальных ресурсов расположено в зоне сейсмической активности, разработана методика для оценки температурного и теплового потенциала паро-гидротермальных ресурсов, основанная на информации о сейсмический активности в исследуемом районе [47]. Следуя данной методике возможно с достаточной высокой точностью определить температуру источника геотермального флюида и объем его резервуара.
Расчёт денежного потока, генерируемого при внедрении петротермального энергоисточника
В общем случае съем и транспортировка глубинной тепловой энергии недр на поверхность заключается в создании грунтовой циркуляционной системы в массиве пород Земли на глубине, определяемой тепловой нагрузкой потребителя. Наибольший интерес представляет «закрытый» способ извлечения петротермальной энергии недр.
Однако данный способ обладает существенным недостатком - малая площадь теплообмена по сравнению с открытым способом извлечения глубинной тепловой энергии недр. Скорость теплоносителя, м/с Номограмма для определения температуры теплоносителя на выходе из односкважиннои системы съема, тепловой мощности и гидравлического сопротивления системы для различных глубин и скоростей теплоносителя при геотермическом градиенте 5 С/100м Вышеназванную проблему возможно решить, отказавшись от использования обсадной трубы в твердых породах недр. При этом площадь контакта теплоносителя с породами значительно увеличится ввиду наличия неровностей на стволе скважины, образуемых в результате проведения буровых пород.
Учитывая, что в данном случае система является замкнутой с относительно невысоким уровнем водяного объема, негативные эффекты, связанные с дополнительной минерализацией теплоносителя могут быть успешно минимизированы с помощью применения ПАВ-технологии с использованием алифатических аминов.
Площадь контакта теплоносителя с породами возможно также увеличить искусственно, разрушая ствол скважины направленными микровзрывами или вымыванием породы высоконапорной водяной струей. Этот метод является предпочтительным, т.к. происходит существенное многократное увеличение площади контакта теплоносителя с породами. Однако при этом, часть ствола скважины остается заполненной фракциями твердых пород, которые не удалось удалить с пульпой.
Для определения влияния увеличенной шероховатой поверхности контакта с учетом присутствия фракций твердых пород в скважине на эффективность теплосъема с горных пород необходимо проведение экспериментальных исследований по моделированию съема глубинной тепловой энергии Земли.
Ввиду сложности натурного моделирования процесса съема петротермальной энергии Земли был разработан экспериментальный стенд [117] для решения данной задачи, состоящий из трех теплообменников типа «труба в трубе», нагревателей ленточного типа, трубопроводов, трубопроводной арматуры и измерительного оборудования.
Моделирование процесса увеличения шероховатости поверхности контакта осуществлялось за счет использования двух типов внешних труб теплообменников: - гладкой тонкостенной трубы из нержавеющей стали (базовый вариант); - гофрированной трубы из нержавеющей стали, имитирующей шероховатую поверхность ствола скважины.
Реальная шероховатость внутренней поверхности гофрированной трубы, безусловно, увеличивает площадь теплосъема. Если в первом приближении представить выступы шероховатости в виде равносторонних тетраэдров, то в независимости от высоты выступов площадь поверхности увеличивается в 3 раза.
Кольцевое пространство, образуемое гофрированной трубой и коаксиальной трубой, в одном из трех теплообменных аппаратов заполнялось гранитной крошкой фракции 2-5 мм с целью моделирования натурных условий, когда кольцевое пространство полностью или только частично заполнено твердыми фракциями грунта, которые не удалось удалить с пульпой.
Оценка влияния увеличенной шероховатой поверхности контакта теплоносителя и горячей стенки в конечном счете сводится к определению разности температур на входе и выходе из теплообменного аппарата типа «труба в трубе».
Принципиальная схема разработанного экспериментального стенда представлена на рис. 2.6. Стенд состоит из трех теплообменных аппаратов типа «труба в трубе» (1), в которые поочередно по трубопроводу подается холодная вода из системы холодного водоснабжения, расход которой регулируется и контролируется с помощью регулировочного вентиля (2) и расходомера (6). Среда (жидкость), поступая в теплообменный аппарат (1), подается в кольцевой зазор, проходя по которому нагревается за счет действия ленточного нагревателя (8). Температура теплоносителя измеряется термопарами (10). В нижней части теплообменного аппарата нагретая жидкость поступает в коаксиально расположенную трубу теплообменного аппарата и на выходе из него происходит измерение температуры жидкости датчиками температуры (4). Далее нагретая жидкость поступает в канализацию. Перепад давления по теплообменникам измеряется датчиками давления (3).
Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» выполнены в трех модификациях: - вариант I: теплообменный аппарат, изготовленный из гладкой тонкостенной медной трубы диаметром 28мм и толщиной стенки 1 мм с внутренней коаксиально расположенной полипропиленовой трубой диаметром 20 мм, армированной стекловолокном; - вариант II: теплообменный аппарат, изготовленный из гладкой тонкостенной медной трубы диаметром 28мм и толщиной стенки 1 мм и из тонкостенной нержавеющей гофрированный трубы с средним диаметром 32 мм и толщиной стенки 0,3 мм. Внутри теплообменного аппарата коаксиально расположена полипропиленовая труба диаметром 20 мм, армированная стекловолокном. - вариант III: теплообменный аппарат, изготовленный из гладкой тонкостенной медной трубы диаметром 28мм и толщиной стенки 1 мм и из тонкостенной нержавеющей гофрированный трубы с средним диаметром 32 мм и толщиной стенки 0,3 мм. Внутри теплообменного аппарата коаксиально расположена полипропиленовая труба диаметром 20мм, армированная стекловолокном. Кольцевое пространство в нижней части теплообменного аппарата заполнено гранитной крошкой фракцией 2-5 мм. Сечение трубопроводов выбиралось исходя из условия турбулизации потока жидкости в диапазоне скоростей от 0,5 до 1 м/с.
