способ комплексного использования геотермального тепла с помощью пароэжекторного теплового насоса

Формула изобретения

Способ комплексного использования геотермального тепла с помощью пароэжекторного теплового насоса, в котором 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, отличающийся тем, что 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.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам использования геотермального тепла в системах электро- и тепло-холодоснабжения с помощью пароэжекторного теплового насоса.

Известно использование геотермальной энергии, когда термальная вода от продуктивных скважин направляется последовательно в бинарную электростанцию (БЭС), затем на отопление и горячее водоснабжение жилого поселка, обогрев теплиц и технологические нужды комплекса по переработке сельхозпродукции и далее на рыборазводный завод, после чего закачивается обратно в земные пласты [Комплексное использование геотермальных ресурсов Казьминского месторождения. БИЗНЕС-ПЛАН. АО «Наука», г.Москва].

Недостатками являются необходимость высокотемпературного гидротермального источника и высокие капитальные затраты на создание инфраструктуры (жилого поселка, теплиц комплекса по переработке сельхозпродукции, рыборазводного завода), которые связаны с неравномерностью распределения гидротермальных источников.

Известен также способ использования геотермального тепла в системах тепло-холодоснабжения, включающий применение абсорбционного теплового насоса [Патент 2358209 РФ, С1, МПК F24J 3/08. Способ использования геотермального тепла. / Н.И.Стоянов, А.И.Воронин, И.А.Гейвандов - 20071141863/06; Заявлено 12.11.07; Опубл. 10.06.09, Бюл. 16. Патентообладатель ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет»].

Наиболее близким к предложенному является способ использования геотермального тепла в системах тепло-холодоснабжения, включающий применение теплового насоса с понижением температуры обратной воды до 15°С, при этом для системы тепло-холодоснабжения применяются абсорбционные или пароэжекторные холодильные машины, осуществляющие «прямое» (без затрат электроэнергии на привод компрессора) преобразование теплоты в холод [Патент 2288413 РФ, C1, МПК F24J 3/08. Способ извлечения геотермального тепла. / Н.И.Стоянов, А.И.Воронин, И.А.Гейвандов - 2005113114/06; Заявлено 29.04.05; Опубл. 27.11.06, Бюл. 33. Патентообладатель ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет»].

Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение себестоимости тепло-холодоснабжения за счет гибкого режима комплексной выработки тепловой энергии, холода и электрической энергии.

Указанный технический результат достигается за счет того, что охлажденный теплоноситель подается в скважину, а нагретый передает тепло потребителю при помощи пароэжекторного теплового насоса. Тепло скважины в теплый период используется для выработки холода для нужд холодоснабжения. При снижении или отсутствии нагрузок на системы тепло-холодоснабжения осуществляется выработка электрической энергии при помощи турбогенератора, работающего на паре хладагента (низкокипящего теплоносителя), получаемого в генераторе пароэжекторного теплового насоса. Преимущества фреоновых пароэжекторных тепловых насосов перед пароводяными: отсутствие вакуума в испарителе при достаточно низких температурах; малое значение потерь на трение и на удар в пароструйном эжекторе из-за низких скоростей; работа машины при меньших отношениях давления конденсации и испарения.

На фиг.1 представлена схема для использования тепла земных недр по предлагаемому способу для тепло- холодоснабжения и выработки электрической энергии. Схема включает в себя следующие элементы: геотермальную скважину (1); тепловой насос (2), включающий: генератор (Г), испаритель (И), конденсатор (Кд), паровой эжектор (Э), дроссельно-регулирующий вентиль (РВ), насос для перекачивания конденсата (Н); потребитель тепла (3); потребитель холода (4); паровую турбину на низкокипящем теплоносителе (хладагенте) с электрогенератором (5).

Обозначения по схемам: G, G_K, G_m - расходы теплоносителей через скважину, конденсата, перекачиваемого насосом и подаваемого на турбину соответственно; t₁, t ₂ - температуры теплоносителя на выходе и входе скважины.

Способ осуществляется следующим образом.

Скважина предназначается для круглогодичного использования: в холодный период - на теплоснабжение: производственные нужды и коммунально-бытовые (отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение); в теплый период - на теплоснабжение: производственные нужды, коммунально-бытовые (горячее водоснабжение) и холодоснабжение. Для более гибкого режима использования тепла скважины осуществляется выработка электрической энергии.

Охлажденную скважинную воду подают в скважину. Вода нагревается в скважине и подается в генератор пароэжекторного теплового насоса, а затем используется в системе теплоснабжения после нагрева теплоносителя для системы отопления и горячего водоснабжения в конденсаторе.

Для нужд теплоснабжения в теплый период скважинная вода после генератора пароэжекторного теплового насоса используется у потребителя на нужды теплоснабжения, а затем подается обратно в скважину, а охлаждение теплоносителя для системы холодоснабжения осуществляется в испарителе.

При отсутствии или сокращении нагрузки на системы тепло-холодоснабжения осуществляется выработка электрической энергии электрогенератором паровой турбины на низкокипящем теплоносителе (хладагенте).

Применение теплового насоса позволяет увеличить теплоотдачу скважины за счет понижения температуры обратной воды t₂, закачиваемой в скважину, а применение пароэжекторного теплового насоса позволяет осуществлять использование теплоты за счет тепла скважины, т.е. без затрат электроэнергии, как в парокомпрессорном тепловом насосе.

Пример осуществления способа.

Вода из скважины с температурой не ниже 80°С (по условию работы пароэжекторных тепловых насосов на низкокипящем хладагенте (фреоне, например фреоне 22), с генератором с нагревом горячей водой) подается в генератор теплового насоса (Г). Пары хладагента поступают на пароструйный эжектор (Э) и на турбину (5). Отсасываемые пароструйным эжектором пары хладагента из испарителя и от турбины направляются в конденсатор (Кд), где конденсируются при температуре порядка 25°С, отдавая тепло потребителю (3). Часть жидкого хладагента дросселируется в дроссельно-регулирующем вентиле (РВ) и направляется в испаритель (И), а часть конденсата G_K из конденсатора насосом (Н) перекачивается в генератор (Г).

Для нужд теплоснабжения в холодный период у потребителя (3): производственные нужды и коммунально-бытовые (отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение) используется скважинная вода после генератора пароэжекторного теплового насоса при температуре порядка 70°С для нагрева теплоносителя системы теплоснабжения, предварительно нагретого в конденсаторе (Кд), а затем направляется обратно в скважину при температуре порядка 30°С (1).

Для нужд теплоснабжения в теплый период: производственные нужды, коммунально-бытовые (горячее водоснабжение) и холодоснабжение используется скважинная вода после генератора пароэжекторного теплового насоса (Г) для нагрева теплоносителя системы теплоснабжения, предварительно нагретого в конденсаторе (Кд), и затем направляется обратно в скважину (1), а охлаждение хладоносителя для системы холодоснабжения (4) осуществляется в испарителе (И) до температуры порядка 5°С.

При работе в режиме турбогенератора пары хладагента (низкокипящего теплоносителя) С4 при температуре 75-80°С (при давлении порядка 3 МПа для фреона 22) направляются на паровую турбину (5) для выработки электрической энергии, а отработанный пар отсасывается паровым эжектором в конденсатор (Кд) и конденсируется при давлении порядка 0,9 МПа. При этом испаритель отключается или уменьшается его производительность.