авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Теоретические основы и технологии извлечения геотермальной энергии с использованием абсорбционных тепловых насосов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Смирнов Станислав Сергеевич

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АБСОРБЦИОННЫХ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск, 2011

Работа выполнена на кафедре «Теплогазоснабжение и экспертиза недвижимости» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Северо-Кавказский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Стоянов Николай Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Кураков Юрий Иванович кандидат технических наук, доцент
Руденко Николай Николаевич
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» г. Краснодар

Защита диссертации состоится «16» декабря 2011 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.304.08 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в 107 ауд. главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской обл., ГСП-1, ул. Просвещения, д. 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)».

С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайте ФГБОУ ВПО ЮРГТУ www.npi-tu.ru

Автореферат разослан «14» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д.212.304.08 кандидат технических наук, доцент Скубиенко С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной работы. Запасы основных видов органического топлива в недрах Земли ограниченны и Россия, не смотря на свои огромные запасы топлива, стоит, как и другие государства, перед задачей более экономного использования топлива и поиска альтернативных источников энергии. Использование возобновляемых источников энергии (геотермальной и солнечной) может позволить снизить расход топлива на 5–10%.

В настоящее время можно считать, что целый ряд экономических и социальных факторов будут способствовать усилению интереса отдельных граждан, сельскохозяйственного, коммунально-бытового и курортно-оздоровительного секторов народного хозяйства России к приобретению и эксплуатации агрегатов и установок, использующих возобновляемые источники энергии. Так же Федеральный закон Российской Федерации № 261-ФЗ 23 ноября 2009 года «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» определяет создание правовых, экономических и организационных основ стимулирования энергосбережения и повышения энергетической эффективности.





Большинство технологий и технических средств, используемых для преобразования нетрадиционных возобновляемых видов энергии (ВИЭ), не оказывают вредного воздействия на окружающую среду и могут считаться экологически чистыми. Выработка энергии на базе этих источников позволяет замещать значительные количества дефицитного органического топлива, сократить объемы перевозок топлива в отдаленные регионы, исключить образование и негативное воздействие продуктов сгорания на среду обитания. В настоящее время многие виды ВИЭ уже конкурентоспособны на энергетическом рынке, особенно геотермальная энергетика.

Существенным недостатком использования термальных установок в различных практических целях является как их низкая удельная теплопроизводительность, так и сложный химический состав подземных вод (значение pH, степень минерализации, ионно-солевой и газовый состав и др.), затрудняющий непосредственное практическое использование. Отработанные термальные воды содержат часто высокие концентрации мышьяка, бора, различных металлов, это представляет важную проблему, связанную с природоохранными мероприятиями.

Кроме того, распределение гидротермальных источников не соответствует плотности населения, в связи с преимущественным расположением высокопотенциальных гидротермических источников в зонах высокой геологической активности. Транспортирование же низкопотенциальной тепловой энергии на большие расстояния экономически не оправдано, что предполагает для окупаемости проекта выработку электроэнергии как наиболее мобильного источника энергии и развитие теплопотребляющей инфраструктуры вокруг источника (теплицы, зарыбленные водоемы, бальнеологические объекты и жилые дома). Однако создание такой инфраструктуры требует значительных капитальных вложений.

Таким образом, проблема может быть также решена использованием петротермальной энергии.

Тематика диссертации удовлетворяет Федерально-целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» научно-исследовательские работы по лоту «Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области энергетики и энергосбережения по критической технологии «Технологии новых и возобновляемых источников энергии».

Объект исследования. Петротермальная энергия. Геотермальная скважина и работа абсорбционного теплового насоса на геотермальной энергии для тепло- холодоснабжения объектов жилищно-коммунального хозяйства. Совместная работа в пиковых режимах с традиционными источниками энергии.

Изучаемые явления. Геотермальный потенциал скважин. Распределение температуры в грунтах скважины при извлечении геотермальной энергии. Абсорбционные тепловые насосы. Температурные режимы использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения. Совместная работа в пиковых режимах с традиционными источниками энергии.

Цель исследования. Эффективное извлечение геотермальной энергии с помощью абсорбционных тепловых насосов, внедрение которых внесет значительный вклад в развитие экономики страны.

Задачи исследования:

– анализ и оценка геотермического потенциала;

– разработка методов извлечения и использования низкопотенциального тепла геотермальной скважины для систем тепло- холодоснабжения;

– разработка математической модели извлечения геотермальной энергии;

– разработка методики расчета извлечения геотермальной энергии;

– разработка программ расчета извлечения геотермальной энергии;

– согласование режимов извлечения и использования геотермальной энергии;

– оценка экологической, энергетической и экономической эффективности извлечения и использования геотермальной энергии.

Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:

– разработаны новые способы извлечения и использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения при извлечении петротермальной энергии глубинных скважин;

– построена математическая модель извлечения геотермальной энергии глубинных земных пород, учитывающая нестационарность тепловых процессов в скважине;

– предложена новая методика расчета извлечения геотермальной энергии;

– предложена новая методика расчета использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения;

– теоретически обоснованна и разработана высокоэффективная конструкция теплогенератора для совместной работы в пиковых режимах.

Достоверность научных положений и полученных в работе результатов основана на корректности постановки задач исследования и принятых упрощающих допущений; подтверждается применением физически обоснованных математических моделей и подтверждением их адекватности данными других авторов, а также достаточно широкой публикацией результатов работы и их обсуждением на научных конференциях различного уровня.

Практическая значимость. Результаты научных исследований включены в отчет о научно-исследовательской работе по государственному контракту от 22 июня 2007 г. № 02.516.11.6059 «Технология извлечения и использования геотермальной энергии для систем тепло-холодоснабжения» Шифр «2007-6-1.6-13-02-016» (Акт внедрения).

Результаты исследования внедрены на предприятии ООО Фирма «Экология-Термо» г. Ставрополь (конструкция разработанного высокоэффективного котла. Акт внедрения).

Результаты исследования используются в учебном процессе при подготовке специалистов в Северо-Кавказском государственном техническом университете по дисциплине «Использование вторичных энергоресурсов и возобновляемых источников энергии» у студентов специальности 270109.65 – Теплогазоснабжение и вентиляция (разработаны методические указания).

Эколого-социальная и экономическая эффективность. Эффективность работы определяется целым рядом технических, экономических и социально-экологических факторов.

Технические факторы определяются полученными характеристиками:

– температурой теплоносителя (не ниже 85 оС), позволяющей использовать тепло для систем тепло- холодоснабжения объектов жилищно-коммунального хозяйства;

– тепловой мощностью скважины (до 1,2 МВт при глубине до 3000 м), достаточной для тепло- холодоснабжения небольшого поселка.

Экономические факторы определяются единовременными капитальными затратами, эксплуатационными затратами и сроком окупаемости капитальных затрат.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на ежегодных научно-технических конференциях по результатам научно-исследовательской работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов Северо-Кавказского государственного технического университета и региональных научно-технических конференциях «Вузовская наука – Северо-Кавказскому региону», международных научно-технических конференциях;

Работа проводилась по планам госбюджетных и хоздоговорных НИР Северо-Кавказского государственного технического университета.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

– способы извлечения и использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения;

– математическая модель извлечения геотермальной энергии глубинных земных пород;

– новая методика расчета извлечения геотермальной энергии;

– новая методика расчета использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения.

– согласование режимов извлечения и использования геотермальной энергии.

Работу можно охарактеризовать, как комплекс научно-обоснованных техническо-экономических и технологических решений по совершенствованию технологии извлечения и использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения, внедрение которой может внести значительный вклад в повышение энергоэффективности использования геотермальной энергии.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы и ее результатов полностью отражено в 9 публикациях: в журналах, рекомендуемых ВАК – 3, в том числе 1 патент; в центральном журнале – 1 статья; в других изданиях – 2 статьи; сделано 9 докладов на международных и Российских научно-технических конференциях различного уровня, по которым опубликованы материалы докладов.

Структура и объем работы: введение, 5 глав, заключение, список литературы из 105 наименований и приложения. Общий объем диссертационной работы 127 с., включая 3 таблиц и 16 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, научная новизна, практическая значимость диссертационной работы, приведены основные положения и результаты, выносимые на защиту.

Глава 1. Анализ методов технико-экономической и экологической оценки извлечения и использования геотермальной энергии

Теплоэнергетический комплекс РФ: состояние, влияние на окружающую среду и перспективы развития

Экономическое развитие России, как и других стран мира, в значительной степени зависит от выбора энергетической стратегии на ближайшие 30 – 50 лет. Разработанная стратегия развития энергетики до 2020 года, к сожалению, не учитывает в должной мере роль ВИЭ, что является серьезной ошибкой и способно привести в будущем к сдерживанию развития экономики страны.

В настоящее время наиболее используемыми в нашей энергетике являются мазут, газ и уголь. Если делать ставку на интенсификацию добычи угля для покрытия дефицита топлива, то необходимо в 3 раза увеличить его объем производства, при этом выбросы вредных газов возрастут при выработке энергии в 10 раз по сравнению с использованием газа в качестве топлива. Газ, в свою очередь, в нашей стране сегодня стоит почти в 4 раза меньше, чем за рубежом. Поэтому, выгоднее продавать его по мировым ценам, а на вырученные средства покупать энергию.

Развитие атомной энергетики является стратегически важным, но требует решения множества проблем, в том числе по обеспечению безопасности, особенно в части утилизации отходов и ликвидации последствий аварий.

Таким образом, долгосрочная стратегия развития энергетики страны должна обеспечивать независимость от органического топлива и экологическую чистоту. Другими словами, ВИЭ в перспективе должны внести значительный вклад не только в региональную энергетику, но и стать определяющими в энергетическом балансе в целом.

Темпы развития альтернативных ВИЭ в развитых странах мира столь высоки, что к 2050 году они способны будут заместить до 70 % традиционного энергоснабжения.

На основе прогнозного анализа развития топливно-энергетического комплекса может быть сделан вывод, что вопрос освоения ВИЭ становится в XXI веке определяющим во внешней политике, поскольку страны, освоившие ВИЭ, получат очевидные и значительные экологические и экономические преимущества. И можно считать развитие ВИЭ вопросом государственной безопасности.

Анализ методик оценки и районирования геотермальных ресурсов

Потенциальные геотермальные ресурсы характеризуют тепловой потенциал толщи пород на прогнозируемую глубину бурения до 10 км. Плотность распределения ресурсов определяется исходя из пред­посылки, что массив можно охладить до температуры окружающей среды.

Петрогеотермальные ресурсы. Оценка и райони­рование

Прогнозные петрогеотермальные технически доступные ресурсы геотермального теплоснабжения рассчитываются в двух режимах, определяемых потребителем: режим 70/20 °С – для горячего водоснаб­жения (ГВС) и 90/40 °С – для отопления.

Для обеспечения температуры теплоносителя, рав­ной 90 °С, средняя температура массива должна быть не менее 100 °С, а заданная температура на верхней границе ресурсного интервала - не менее 50 °С.

Общие потенциальные ресурсы геотермальной характеризуют сырьевую базу гео­термальной энергетики. Их общий тепловой потенциал эквивалентен 1 702 трлн. т у. т. Подсчитанные прогноз­ные, технически доступные ресурсы геотермальной энергии для нужд теплоснабжения 70/20 °С составили 56,9 трлн. т у. т., в том числе для нужд отопления – 30,5 трлн. т у. т. Энергетический по­тенциал технически доступного, экономически целесо­образного и экологически чистого альтернативного ис­точника энергии для нужд теплоснабжения составляет 44,6 трлн. т у. т. (режим 70/20 °С), в том числе для ото­пления – 16,4 трлн. т у. т.

Анализ геотермических режимов и тепловых потоков земных недр

В пределах континентов А. А. Смысловым намечено несколько типов областей (блоков земной коры), в разной мере благоприятных для использования тепла Земли в практических целях (с учетом современного уровня технических средств):

1) малоперспективные (до глубины 3 – 5 км); со стационарным режимом, нормальным тепловым потоком (q 60 мВт/м2) и геотермическим градиентом (grad T < 20 °С/км) (фундамент древних платформ, палеозойской складчатой области и др.);

2) ограниченно перспективные; охлаждающиеся блоки (q 80 мВт/м2; gradT (20 30) °С/км) (области кайнозойского оледенения и др.);

3) перспективные; с эволюционным верхнекоровым разогревом осадочных отложений и заключенных в них подземных вод, температура которых на глубинах 1,5 – 2,5 км достигает 50 – 100 °С при весьма значительной площади их распространения (q = (40 60) мВт/м2; gradT (20 30) °С/км ) (чехол молодых платформ и др.);

4) весьма перспективные; области с разогревом благодаря притоку глубинного тепла и его экранизации слаболитифицированными осадочными отложениями (q = (60 80) мВт/м2; gradT (30 50) °С/км) (рифтовые впадины, межгорные и краевые впадины в регионах с орогенным режимом и др.);

5) перспективные; разогревающиеся блоки без проявлений магматизма (q 80 мВт; gradT (25 30) °С/км) в пределах рифтовых структур и современных орогенов;

6) наиболее перспективные; с современными проявлениями вулканизма и гидротермальной деятельности (q > 70 мВт/м2; gradT = (25 90) °С/км).

Формулирование возможных направлений решения задачи

Исходя из выполненного анализа способов извлечения и использования геотермальной энергии (фонтанный, коллекторный, скважинный), определен наиболее предпочтительный. Технический результат достигается за счет того, что охлажденный теплоноситель подается в обсадную трубу, а нагретый – поднимается по концентрично опущенной в обсадную трубу трубе и передает тепло потребителю при помощи теплового насоса. Тепло у потребителя в теплый период используется для нужд холодоснабжения.

На рисунке 1 представлена схема устройства для извлечения тепла земных недр по предлагаемому способу.

Рисунок 1 – Способ извлечения геотермального тепла:

1 – скважина с обсадной трубой; 2 – подъемная труба; 3 – тепловой насос; 4 – потребитель тепла; 5 – потребитель холода; grad t – температурный градиент; L – глубина скважины

На рисунках 2 и 3 представлены функциональные схемы использования тепла земных недр для тепло- и холодоснабжения при помощи абсорбционного теплового насоса (АБТН). Схемы включают в себя следующие элементы: геотермальную скважину (1); тепловой насос (2), включающий: генератор (Г), испаритель (И), конденсатор (Кд), абсорбер (Аб); теплообменник системы горячего водоснабжения (3); потребитель тепла (4); потребитель холода (5).



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.