Грунтовый теплообменник

Авторы патента:

Игнатов Михаил Викторович (RU)

Игнатов Юрий Николаевич (RU)

Игнатов Игорь Юрьевич (RU)

Игнатов Виктор Николаевич (RU)

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

Владельцы патента RU 2472076:

Игнатов Виктор Николаевич (RU)
Игнатов Михаил Викторович (RU)
Игнатов Игорь Юрьевич (RU)
Игнатов Юрий Николаевич (RU)

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. Технический результат - снижение затрат на создание и эксплуатацию грунтовых теплообменников за счет использования уже существующих горных выработок - колодцев, вертикальных и наклонных стволов шахт, горизонтальных подземных выработок а также снижение энергозатрат на преобразование температуры. Достигается технический результат за счет того, что грунтовый теплообменник включает теплообменник потребителя, сопряженный с реверсивным устройством, заглубленный в грунтовый массив подземный теплообменник, совместно соединяющие теплообменники трубопроводы, образующие замкнутую систему, заполненную рабочим телом в виде жидкости и ее паров, а также устройство, обеспечивающее циркуляцию рабочего тела по трубам, причем подземный теплообменник выполнен в виде горной выработки с пропущенными через ее боковые стены по всей глубине в радиальном направлении последовательно или параллельно соединенными горизонтальными или наклонными трубопроводами. Горная выработка может иметь наклон в пределах от 0 до 90 градусов к горизонтальной плоскости. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Известны два типа замкнутых теплообменников, расположенных в грунтовом массиве, использующих теплоту грунта и грунтовых вод с помощью трубопроводов, образующих замкнутую систему, заполненную рабочим телом в виде жидкости и ее паров (См. статья "Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплонасосных системах" Васильев Г.П., Научный руководитель ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ», д.т.н.. Председатель Совета директоров ОАО « ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» Н.В.Шилкин, инженер, НИИСФ):

1. Горизонтальные грунтовые теплообменники, представляющие собой отдельные трубы, расположенные в предварительно вырытых траншеях, положенные относительно плотно и соединенные между собой последовательно или параллельно.

Недостатком горизонтального грунтового теплообменника является ограниченная область применения ввиду необходимости использования больших площадей поверхности земли для их устройства.

2. Вертикальные грунтовые теплообменники, представляющие собой отдельные трубы, расположенные в пробуренных в земной коре скважинах, также соединенные между собой последовательно или параллельно.

Недостатком вертикальных грунтовых теплообменников является высокие затраты на строительство и невозможность обслуживания.

Также известен тепловой аккумулятор, приняты авторами за прототип (См. (19) RU (11) 2359183 (13) C1 (51) МПК F24J 3/08 (2006.01) (12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 18.02.2011 - действует; (21), (22) Заявка: 2007141726/06, 09.11.2007 (24) Дата начала отсчета срока действия патента: 09.11.2007; (45) Опубликовано: 20.06.2009; (72) Автор(ы): Ермаков Сергей Анатольевич (RU), (73) Патентообладателей): Ермаков Сергей Анатольевич (RU), (54) ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯТОР), включающий тепловой аккумулятор, который содержит надземный теплообменник потребителя, сопряженный по тепловому потоку с реверсивным холодильным устройством, а также заглубленный в грунтовой массив подземный теплообменник, совместно с соединяющими теплообменники трубопроводами, образующими замкнутую систему, заполненную рабочим телом в виде жидкости и ее паров, в котором подземный теплообменник выполнен в виде опускной и подъемной труб; опускная труба свободно сообщается с надземным теплообменником, а подъемная труба сообщается с надземным теплообменником через устройство, содержащее накопительно-вытеснительный сосуд с устройствами.

Недостатками известного технического решения также является ограниченная область применения, высокая стоимость изготовления и невозможность периодического обслуживания грунтового теплообменника в процессе эксплуатации.

Изобретение направлено на расширение области применения и снижение затрат на создание и эксплуатацию грунтовых теплообменников.

Технический результат изобретения заключается в использовании уже существующих горных выработок - колодцев, вертикальных и наклонных стволов шахт, горизонтальных подземных выработок действующих или переставших давать добычу горных предприятий для размещения в них грунтовых теплообменников, а также снижение энергозатрат на преобразование температуры.

Достигается технический результат за счет того, что грунтовый теплообменник включает теплообменник потребителя, сопряженный с реверсивным устройством, заглубленный в грунтовый массив подземный теплообменник, совместно соединяющие теплообменники трубопроводы, образующие замкнутую систему, заполненную рабочим телом в виде жидкости и ее паров, а также устройство, обеспечивающее циркуляцию рабочего тела по трубам, причем подземный теплообменник выполнен в виде горной выработки с пропущенными через ее боковые стены по всей глубине в радиальном направлении последовательно или параллельно соединенными горизонтальными или наклонными трубопроводами. Горная выработка может иметь наклон в пределах от 0 до 90 градусов к горизонтальной плоскости.

На фиг.1 представлен разрез вертикальной выработки.

На фиг.2 представлен разрез наклонной выработки.

На фиг.3 представлен разрез горизонтальной выработки.

На фиг.4 представлен поперечный разрез грунтового теплообменника.

Предлагаемый грунтовый теплообменник устроен следующим образом.

Основными узлами предлагаемого грунтового теплообменника являются: теплообменник потребителя 1, сопряженный по тепловому потоку 2 с реверсивным холодильным устройством 3, и заглубленный в грунтовой массив 4 подземный теплообменник 5, представляющий собой горную выработку 6, боковые стенки которой закреплены крепью 7.

По длине выработки 6 в радиальном направлении под различными углами расположены трубопроводы 8, представляющие собой последовательно или параллельно соединенные трубы.

Радиально направленные трубопроводы 8 по длине выработки сгруппированы в ярусы 9 (этажи или сегменты). Ввиду необходимости восполнения низкопотенциальной энергии грунтового массива 4 необходимо, чтобы трубопроводы были расположены максимально далеко друг от друга. Для этого радиально расположенные трубопроводы 8 каждого яруса 9 расположены со сдвигом на некоторый угол относительно друг друга в плоскости, перпендикулярной оси выработки.

Теплообменник потребителя 1 соединен с подземным теплообменником 5 соединительным трубопроводом 10.

Теплообменник потребителя 1 и подземный теплообменник 5 вместе с соединительным трубопроводом 10 представляют собой замкнутую систему, заполненную рабочим телом в виде жидкости и ее паров. Циркуляция рабочего тела по замкнутой системе обеспечивается циркуляционным устройством 11.

Изготовление подземного теплообменника 5 осуществляется как с использованием специально построенных (колодцы, шурфы, штольни), так и существующих горных выработок - вертикальные и наклонные стволы шахт, горизонтальные подземные выработки действующих или переставших давать добычу горных предприятий.

В зависимости от типа используемых труб и крепости грунтового массива 4 размещение трубопровод 8 осуществляется в предварительно пробуренных скважинах или посредствам вдавливания труб в грунт.

Предлагаемый грунтовый теплообменник работает следующим образом.

Циркулируя по замкнутой системе труб теплообменника потребителя 1, подземного теплообменника 5 и соединительного трубопровода 10 под воздействием циркуляционного устройства 11, рабочее тело (жидкость) поочередно подвергается температурному воздействию в обоих теплообменниках.

Проходя по трубопроводам 8 подземного теплообменника 5, рабочее тело получает тепловую энергию грунтового массива 4, в котором расположен теплообменник 5, и приобретает температуру грунта.

При условии расположения трубопровода 8 подземного теплообменника 5 ниже глубины промерзания эта температура всегда остается положительной и колеблется примерно от +5°С в зимний период до +18°С в летний период.

Поступая к теплообменнику потребителя 1, рабочее тело отдает накопленную в подземном теплообменнике 5 энергию в виде температуры. При этом рабочее тело получает энергию теплообменника потребителя 1 и приобретает соответствующую температуру, после чего опять поступает в трубопроводы 8 подземного теплообменника 5.

Этот цикл постоянно повторяется.

В совокупности с реверсивным холодильным устройством 3 грунтовый теплообменник позволяет значительно снизить энергозатраты.

Например, в летний период, когда температура воздуха на открытой поверхности достигает 40°C, и иногда и более, необходимо значительное количество энергии для преобразования температуры воздуха с 40°C до, например, 25°C.

Использование предлагаемого грунтового теплообменника позволяет расширить область его применения, значительно снизить затраты на изготовление, в случае необходимости производить эксплуатационное обслуживание, а также позволяет значительно снизить энергозатраты при работе реверсивного холодильного устройства.

1. Грунтовый теплообменник, включающий теплообменник потребителя, сопряженный с реверсивным холодильным устройством, заглубленный в грунтовый массив подземный теплообменник, совместно соединяющие теплообменники трубопроводы, образующие замкнутую систему, заполненную рабочим телом в виде жидкости и ее паров, а также устройство, обеспечивающее циркуляцию рабочего тела, отличающийся тем, что подземный теплообменник выполнен в виде горной выработки с пропущенными через ее боковые стены по всей глубине в радиальном направлении последовательно или параллельно соединенными горизонтальными или наклонными трубопроводами.

2. Грунтовый теплообменник по п.1, отличающийся тем, что горная выработка может иметь наклон в пределах от 0 до 90° к горизонтальной плоскости.

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. .

Геотермальное устройство // 2406944

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для теплоснабжения на основе геотермальных источников. .

Способ и устройство для нагревания и охлаждения // 2394191

Способ теплообмена в газовых и жидких средах // 2381432

Изобретение относится к теплообменным устройствам, применяемым для передачи тепла или холода в процессах, использующих потоки жидкости или газа, и может быть использовано в системах отопления, вентиляции, в химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Способ предотвращения солеотложения при утилизации энергии геотермальных вод // 2372564

Изобретение относится к утилизации энергии геотермальных вод и может быть использовано для теплоснабжения объектов различного назначения. .

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

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

Сеть для нагревания и охлаждения зданий // 2486416

Способ комплексного использования геотермального тепла с помощью пароэжекторного теплового насоса // 2528213

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.

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.