Каскадная геотермальная система

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Горобец Петр Григорьевич(72) Автор Горобец Петр Григорьевич(73) Патентообладатель Горобец Петр Григорьевич(57) 1. Каскадная геотермальная система, включающая в себя полярную трубу Фильда,имеющая внутренний и наружный трубчатые элементы, расположенные между собой в скважине коаксиально и на одном подземном гравитационном уровне по нижним концам,имеющая равные площади поперечного сечения внутреннего и наружного каналов,имеющая термоизоляцию внутреннего трубчатого элемента по всей длине и наружного трубчатого элемента на некоторой длине, имеющая теплопроводящий участок на нижнем конце наружного трубчатого элемента, отличающаяся тем, что верхние концы внутреннего и наружного трубчатых элементов разнесены между собой на некоторую высоту Н таким образом, что забор свежего воздуха в трубу Фильда производится с нулевого гравитационного уровня, нагрев воздуха на подземном гравитационном уровне, выброс отдавшего свое тепло воздуха в атмосферу на надземном гравитационном уровне. 26782006.04.30 2. Каскадная геотермальная система по п. 1, отличающаяся тем, что нижний конец трубы Фильда помещается на глубину, равную длине теплопроводной части наружного трубчатого элемента, в искусственный источник не извлекаемых геотермальных вод, который выполнен через эксплуатационную скважину, например, методом каскадного, направленного вертикально вниз на некоторую глубину С подземного взрыва, таким образом, что имеется возможность заполнить искусственный источник жидким теплоносителем, например водой, через технологическую скважину. 3. Каскадная геотермальная система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что теплопроводный участок наружного трубчатого элемента полярной трубы Фильда в поперечном сечении выполнен в зубчатом виде таким образом, что наружный диаметр теплопроводной части равен наружному диаметру термоизолированной части с учетом толщины термоизоляции, а глубина зубьев, ширина пазов между зубьями и количество зубьев выбирается таким, чтобы обеспечить максимально возможный теплообмен между средами вода, металл, воздух и сохранить равенство площади поперечного сечения внутреннего трубчатого элемента с площадью поперечного сечения наружного трубчатого элемента на всех его участках, теплопроводном и термоизолированном. 4. Каскадная геотермальная система по п. 1 или 2, или 3, отличающаяся тем, что в месте размещения Т образного соединения внутреннего трубчатого элемента с атмосферой, а также размещения иных конструктивных элементов, например теплоприемников,выполнено некоторое расширение наружного трубчатого элемента по диаметру или по периметру.(56) 1. Заявка Германии 4437124, МПК 24 3/08, 1996. 2. Заявка РБ 20000139, МПК 24 3/08, 2001 (прототип). Полезная модель относится к области теплотехники и предназначена для извлечения тепловой энергии от подземного гравитационного уровня с более высоким температурным потенциалом и передачи ее на поверхность земли (нулевой гравитационный уровень) с использованием искусственного источника не извлекаемых геотермальных вод, а также надземного гравитационного уровня в качестве ускорителя и поляризатора естественного движения воздушного потока проходящего через полярную трубу Фильда. Известно устройство 1 для извлечения и передачи геотермальной тепловой энергии с подземного гравитационного уровня на поверхность земли с помощью трубы Фильда, содержащее два коаксиально расположенных трубчатых элемента, каждый из которых имеет два конца. Трубчатые элементы разделены кольцевым каналом. Внешний трубчатый элемент выполнен из теплопроводного материала, предпочтительно металла, а его конец,расположенный на подземном гравитационном уровне, заглушен. Внутренний трубчатый элемент (предназначенный в данном аналоге для транспортирования нагретого теплоносителя с подземного гравитационного уровня на поверхность земли) теплоизолирован и конец его канала, находящийся у заглушенного конца внешнего трубчатого элемента, сообщается с упомянутым кольцевым каналом. Оговорено также, что поперечное сечение кольцевого канала между внутренним и наружным трубчатыми элементами равно поперечному сечению внутреннего трубчатого элемента. Недостатком анализируемого устройства является отсутствие конструктивных особенностей способствующих естественному движению теплоносителя (например, воздуха) по каналам устройства. В этой связи возникает потребность принудительного перемещения теплоносителя по каналам устройства. Лишено этого недостатка устройство для извлечения и передачи тепловой энергии полярная труба Фильда 2 (прототип). За счет полярности относительно температуры и 2 26782006.04.30 плотности (давления) теплоносителя в каналах внешнего и внутреннего трубчатых элементов, происходит естественное движение теплоносителя (воздуха) в заданном направлении. Конструктивно полярность достигается за счет соответствующей термоизоляции внешнего и внутреннего трубчатого элементов, а также за счет разницы в площади поперечного сечения между внутренним и кольцевым (наружным) каналами на теплопроводном участке полярной трубы Фильда. Таким образом, в анализируемом устройстве производится сужение (уменьшение диаметра) внутреннего трубчатого элемента. А это означает, что происходит уменьшение потока теплоносителя через скважину в единицу времени (при прочих равных условиях),приводящее к уменьшению максимально возможной (потенциальной) мощности, извлекаемой из скважины определенного типоразмера (диаметра). Очевидно, что оптимальное соотношение площадей поперечного сечения внутреннего и наружного кольцевого каналов для максимально возможного отбора мощности со скважины определенного типоразмера, равняется единице. Недостатком данного устройства является и далеко не оптимальный теплообмен между средами (сухая и горячая породаметаллвоздух) на теплопроводном участке полярной трубы Фильда, также затрудняющий отбор максимально возможной мощности из скважины определенного типоразмера. Задачей данной полезной модели является модернизация известной полярной трубы Фильда 2 путем использования надземного гравитационного уровня в качестве ускорителя и поляризатора естественного движения теплоносителя (например, воздуха) по каналам трубы Фильда, а также обустройство подземного искусственного источника не извлекаемых геотерманальных вод для погружения в него нижнего теплопроводящего конца модернизированной полярной трубы Фильда и улучшения теплообмена, с целью извлечения максимально возможной тепловой мощности из геотермальной скважины определенного типоразмера (диаметра) при условии коаксиального (т.е. компактного) расположения восходящей и нисходящей ветвей в одной скважине. Сущность и схема каскадной геотермальной системы изображена на фигурах 1,2, 3. Задача решается следующим образом. Верхний срез наружного (кольцевого) трубчатого элемента 2 (фиг. 1) известной полярной трубы Фильда 2 выводится на некоторый уровень Н по отношению к верхнему срезу внутреннего трубчатого элемента 1. При таком варианте поляризации холодный воздух пойдет естественным образом вниз по внутреннему трубчатому элементу (нисходящая ветвь), а горячий воздух пойдет естественным образом вверх по наружному (кольцевому) трубчатому элементу (восходящая ветвь). Очевидно, если верхний срез внутреннего трубчатого элемента вывести на некоторую высоту Н по отношению к верхнему срезу наружного трубчатого элемента мы будем иметь второй вариант поляризации (за счет надземного гравитационного уровня) естественного движения теплоносителя по каналам известной 2 трубы Фильда. Площади поперечного сечения наружного 2 и внутреннего 1 трубчатых элементов выполнены равными между собой. Для обеспечения этого условия на всей длине полярной трубы Фильда, в месте размещения Т-образного соединения внутреннего трубчатого элемента 1 с атмосферой (нулевой гравитационный уровень), а также в зоне размещения теплоприемников 3 (фиг. 1), выполнено расширение наружного трубчатого элемента 2 по диаметру (периметру). Для улучшения теплообмена и выравнивания температурных потенциалов различных подземных гравитационных подуровней, нижний конец модернизированной трубы Фильда 1 (фиг. 2) опускается (на глубину, равную длине теплопроводной части наружного трубчатого элемента) в искусственный источник 3 не извлекаемых геотермальных вод. Главной особенностью этого источника является его расположение в вертикальном направлении (т.е. вытянутость в направлении к ядру земли), в направлении к более высокому температурному потенциалу. Искусственный источник соединяется с поверхностью 3 26782006.04.30 земли технологической скважиной 2 (возможно даже наклонной) для заполнения искусственного источника жидким теплоносителем (например, водой) и для восполнения естественной убыли теплоносителя. Емкость для искусственного источника может быть выполнена, например, методом направленного подземного взрыва, через эксплуатационную скважину. Для улучшения теплообмена между средами (водаметаллвоздух), теплопроводный участок наружного трубчатого элемента 2 (фиг. 3) полярной трубы Фильда, в поперечном сечении выполнен в зубчатом виде. Для отбора поднятого из-под земли тепла в диаметральном расширении наружного трубчатого элемента 2 (фиг. 1) устанавливается, как минимум, один теплоприемник 3 любого типа. Для преобразования кинетической энергии движущегося воздушного потока в электричество, в Т-образном соединителе внутреннего трубчатого элемента с атмосферой,устанавливается, как минимум, один аэродинамический преобразователь 4 (фиг. 1). Для возможности управления воздушным потоком через полярную трубу Фильда в ней устанавливается, как минимум, одна регулируемая (вручную или автоматически, например центробежным регулятором) задвижка 5 (фиг. 1). Для предотвращения попадания в систему посторонних предметов на входе системы устанавливается, как минимум, один воздухозаборник 6 (фиг. 1). Термоизоляция внутреннего и наружного трубчатых элементов изображена на фиг. 1 пунктирной линией. Направление движения теплоносителя показано стрелками. Работает система следующим образом. За счет разности температур и давлений в подземном и надземном гравитационных уровнях системы теплоноситель (воздух) будет двигаться вверх по восходящей ветви. Создающееся в подземном гравитационном уровне разрежение будет компенсироваться холодными порциями теплоносителя с нулевого гравитационного уровня по нисходящей ветви системы. Таким образом, в системе происходит непрерывное естественное движение теплоносителя в заданном поляризатором направлении. Длина А теплопроводной части наружного трубчатого элемента (фиг. 1) выбирается такой, чтобы обеспечить максимально возможный теплообмен (водаметаллвоздух) за время прохождения теплоносителя через теплопроводную часть наружного трубчатого элемента. Искусственный источник геотермальных вод, в который помещается теплопроводная часть наружного трубчатого элемента полярной трубы Фильда, за счет естественной подвижности нагретого жидкого теплоносителя, выравнивает температурные потенциалы подуровня В (фиг. 2) до подуровня С. Таким образом происходит первая ступень подъема геотермального тепла в направлении от ядра земли к ее поверхности. Вторая ступень подъема геотермального тепла осуществляется в полярной трубе Фильда, за счет естественного движения теплоносителя (воздуха) по каналам системы. На теплопроводном участке А (фиг. 2), через внешний металлический трубчатый элемент зубчатой формы(фиг. 3), происходит теплообмен между нагретой водой и воздухом. Движущийся вверх, к надземному гравитационному уровню, нагретый воздух отдает свое тепло в теплообменниках расположенных на поверхности земли (нулевой гравитационный уровень) для его дальнейшего использования. Кинетическая энергия движущегося, но пока еще холодного воздушного потока, превращается в электричество за счет аэродинамических преобразователей 4 (фиг. 1) расположенных в нисходящей ветви на поверхности земли. Регулируемые задвижки 5 обеспечивают управление воздушным потоком по каналам системы, вплоть до его полного прекращения. Воздухозаборник 6 предотвращает попадание в систему посторонних предметов. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.