ЭНЕРГИИ СКВАЖИН В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

Описание.

Изобретение относится к энергомашиностроению, и, в частности, к энергетическим машинам, преобразующим геотермальную тепловую энергию, за счет использования фазовых переходов и/или предельных состояний низкокипящей жидкости (на пример, фреона) - рабочего вещества (тела), объединенного U - образного теплообмен ного устройства с переменным диаметром, встроенным в нижней части дросселирующим устройством, являющегося испарителем и конденсатором рабочего тела, газового турбогенератора работающего по замкнутому органическому циклу Ренкина.

Энергия вырабатывается путем непосредственного отбора тепловой энергии от геотермальной среды скважины рабочим веществом находящимся в теплообменном устройстве проходящем по всей длине скважины, дросселирования , испарения и подаче по теплоизолированному трубопроводу к турбогенератору. Отработанный в турбине пар рабочего вещества по теплообменной части трубопровода большего диаметра поступает обратно в скважину и отдавая тепло в холодной верхней части скважины конденсируется в условиях повышающегося с глубиной статического давления. Сконденсированное рабочее вещество попадает в часть теплообменного устройства с меньшим диаметром и продолжает под силой тяжести движение вниз с повышением температуры и давления. Испарение в нижней части вновь расширяющейся теплообменной трубы сопровождается дальнейшим отбором тепла от геотермальной среды и по теплоизолированной части трубопровода подается нагретое газообразное рабочее вещество на вход турбины - цикл замыкается. По сути, данный способ позволяет функционировать устройству подобно термосифону.

Изобретение позволяет создать экономичную, экологически безопасную и долговечную электростанцию, рационально и экономически эффективно использовать в том числе и вышедшие из оборота или законсервированные нефтяные и газовые скважины.

Известны три схемы производства электроэнергии с использованием гидротермальных ресурсов: прямая с использованием сухого пара, непрямая с использованием водяного пара и смешанная схема производства (бинарный ц способ получения механической энергии вращения за счет использования разности температур морской воды на разных ее уровнях и гравитационного взаимодействия без расходования топливно-энергетических ресурсов.

Тип преобразования зависит от состояния среды (пар или вода) и ее температуры. Электростанции с непрямым типом производства электроэнергии на сегодняшний день являются самыми распространенными. Они используют горячие подземные воды (температурой до 182 ОС) которая закачивается при высоком давлении в генераторные установки на поверхности. Геотермальные электростанции со смешанной схемой производства отличаются от двух предыдущих типов геотермальных электростанций тем, что пар и вода никогда не вступают в непосредственный контакт с турбиной/генератором.

Ближайший предшествующий уровень техники раскрыт в следующем источнике Сущность изобретения в качестве рабочего тела используют низкокипящее вещество с высокой плотностью пара и проводят процесс расширения пара под статическим давлением, создаваемым столбом насыщенного пара в зоне испарения с помощью барометрической трубы.: (См. «Способ преобразования энергии пара в механическуюработу в паросиловой установке. П.М.Лойфер», патент RU2098641 С1 , МПК 6 F01 K 27/00).

Однако, этот способ технически сложно реализуем, также он обладает значительной инерционностью и не может обеспечивать высокий КПД преобразования низкопотенциальной энергии окружающей среды (геотермальной, воды и воздуха) в механическую энергию.

Известен также парокомпрессионные способы термотрансформации, включающие испарение рабочей среды при пониженном давлении, сопровождаемое поглощением тепловой энергии низкотемпературного источника, сжатие рабочей среды в парообразном состоянии с помощью компрессора, охлаждение и конденсацию рабочей среды с передачей, выделяющейся при этом тепловой энергии более высокотемпературному приемнику, и понижение давления рабочей среды (как правило, дросселированием) перед испарением. (См. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. - М.. Энергия, 1968, с. 185 - 212., а также изобретение «Способ и устройство для трансформации тепловой энергии», патент RU 2161759 , МПК 7 F25B9/08, F25B30/02).

Однако, энергетическая эффективность такого рода устройств сравнительно мала и уступает по эффективности способам на основе низкотемпературных кипящих жидкостей, поскольку требует применения устройства для трансформации тепловой энергии (холодильник или тепловой насос), включающее циркуляционный контур с установленными в нем последовательно испарителем, струйным аппаратом, охладителем (конденсатором), дросселем или детандером, и дополнительный циркуляционный контур (коммуникации), содержащий насос и испаритель высокого давления и подключенный к основному контуру со стороны насоса между охладителем и дросселем, а со стороны испарителя высокого давления - к струйному аппарату.

Известна теплосиловая установка, содержащая высокопотенциальный источник тепла, замкнутый контур с промежуточным теплоносителем, силовую турбину, теплообменники для нагрева и охлаждения рабочего тела. (См. изобретение «Теплотурбинный двигатель», патент RU2287709, МПК F01 K25/00).

Основные недостатки такой установки:

- сложность конструкции, потребность в источниках высоких температур, невозможность использования низкопотенциального тепла в широком диапазоне температур.

- невысокий КПД из-за непроизводительных потерь тепла на образование и конденсацию пара легкокипящей жидкости, который используется для вытеснения вспомогательной жидкости из камеры, а также невозможность использования в цикле низкопотенциального тепла для производства, например, электроэнергии и образования экологически чистой системы преобразования тепла.

Известным устройством преобразования тепловой энергии в механическую и электрическую энергию является теплосиловая установка, содержащая блок высокопотенциального источника тепла, замкнутый контур с промежуточным теплоносителем, силовую турбину, теплообменники для нагрева и охлаждения рабочего тела для преобразования энергии жидкой и газовой фаз в механическую и электрическую энергию. (См. изобретение «Энергетическая установка и способ приготовления ее рабочего тела», патент RU 2013572, МПК 5 F01K25/00).

Основные недостатки такой установки - необходимость и сложность технологии приготовления ее рабочего тела и, как результат, сложность конструкции, потребность в источниках высоких температур, невозможность использования низкопотенциального тепла, например, от естественных или техногенных источников, невысокий КПД.

Цель изобретения.

Целью изобретения является создание надежной и эффективной энергетической установки для преобразования геотермальной тепловой энергии нефтяных и газовых скважин за счет использования разности температур по по длине скважин, при воздействии разности температур (градиента) сред на рабочую жидкость (например, фреон), и использование ее фазовых переходов в агрегатные состояния из жидкой в газообразную фазы для экологически чистого преобразования геотермальной энергии внешнего заданного или атмосферного давления при переходе рабочего вещества из газообразной фазы в жидкую, используя термосифонный эффект и приведение в движение турбогенератора для преобразования в электрический ток.

Реализация изобретения.

Указанная цель и технический результат достигается за счет того, что устройство термосифонного преобразования геотермальной тепловой энергии нефтяных и газовых скважин в электрическую энергию, характеризующееся использованием процесса воздействия разности темератур по всему протяжению ствола скважины на рабочее вещество (например, фреон), и использование его переходов в агрегатные состояния из жидкой в газообразную фазы и наоборот для преобразования энергии геотермальной среды в кинетическую и внутреннюю энергию потока рабочего вещества и далее в механическую и электрическую энергию в турбогенераторе. Устройство содержит: U - образное теплообменное устройство (термосифон) из теплопроводящих труб с изменяющимся диаметром со встроенным диффузором теплоизолированной частью транспортирующей паровую нагретую фазу рабочего вещества и турбогенератором и отличающееся тем, что является одновременно в цикле испарителем и конденсатором рабочего тела (вещества) и являет собой замкнутый герметичный контур (термосифон), имеет неизменное количество (массу) рабочего вещества и является замкнутым (герметичным) объемом , отличающееся так же, отсутствием насосов, клапанов, компрессоров и подогревателей сепараторов и прочих элементов характерных для энергетических установок работающих по органическому циклу Ренкина.

Циркуляция рабочего вещества, фазовые переходы, сжатие, подвод и отвод тепловой энергии, обеспечивается силой тяжести и изменяющимся температурным градиентом по стволу скважины. Краткое описание чертежей.

На Фиг.1 показана принципиальная схема устройства и способ термосифонного преобразования геотермальной тепловой энергии нефтяных и газовых скважин в электрическую энергию

где 1 - подвод пара в турбогенератор, 2 - зона адиабатного расширения, 3 - зона конденсации, 4 - зона сжатия и нагрева, 5 - дроссель, 6 - зона испарения, 7 - зона транспорта, 8 - турбогенератор, 9 - ствол скважины

Осуществление изобретения.

Устройство и способ термосифонного преобразования геотермальной тепловой энергии нефтяных и газовых скважин в электрическую энергию реализуется за счет использования фазовых переходов рабочей жидкости в газ и обратно в жидкость (например, фреона) в единой замкнутой системе состоящей из испарителя, турбогенератора, конденсатора и дросселирующего устройства с замкнутым постоянным объемом, находящегося в нефтяной или газовой скважине и использующее, как теплопоглощение геотермальной средой тепловой энергии конденсации рабочего вещества на части скважины и последующий нагрев со сжатием жидкой фазы, так и тепловую энергию геотермальной среды для нагрева и испарения рабочего вещества с последующей транспортировкой газообразного нагретого рабочего тела на турбогенератор.

Принцип работы устройства термосифонного преобразования геотермальной тепловой энергии нефтяных и газовых скважин в электрическую энергию.

Тепловая энергия геотермальной среды скважины 8 в зоне испарения 6 передается жидкому рабочему телу (низкокипящему веществу) через U- образную трубу - теплообменник дросселируется в дросселе 5, испаряется, догревается и по зоне транспорта 8 подается на подвод пара в турбогенератор 1 где совершает механическую работу (приводит в действие электрогенератор) в зоне адиабатного расширения, после чего отработанный пар в верхней части скважины движется по зоне конденсации 3, где передает охлаждаясь теплоту конденсации геотермальной среде и рабочее тело (вещество) переходит в жидкую фазу. Далее по трубе с уменьшающимся диаметром рабочее тело движется в нижнюю часть ствола скважины 9 по зоне сжатия и нагрева 4, где жидкая фаза нагревается от геотермальной среды с быстрым повышением давления в соответствии с увеличением столба жидкой фазы рабочего вещества. Далее вабочее вещество снова попадает в зону дросселирования (дроссель 5) и цикл повторяется

Данный способ и достигнутый технический результат обеспечивает использование изменяющегося температурного градиента и тепловой энергии геотермальной среды в стволе скважины для осуществления термодинамического цикла фазового перехода рабочего тела в испарителе- конденсаторе (термосифоне) и используя турбогенератор позволяет преобразовать кинетическую и внутреннюю энергию рабочего тела (вещества) в механическую и электрическую энергию, а так же, практическое отсутствие изнашиваемых узлов и механизмов, высоких скоростей, высокие показатели удельной энергоемкости, простоту, низкую стоимость, экологическую чистоту, надежность, долговечность и независимость от условий на поверхности земли, а так же получить возобновляемый и стабильный источник электроэнергии способом и устройством термосифонного преобразования геотермальной тепловой энергии нефтяных и газовых скважин в электрическую энергию.