Освоение энергии подземного океана
Дата: 12/03/2019
Тема: Альтернативные источники энергии



С.В.Коровкин, главный специалист АО «Атомэнергопроект»
Е.В.Тутунина, главный специалист АО ИК «АСЭ»

В настоящее время в мире получила широчайшее распространение технология отопления зданий тепловыми насосами. Тепловой насос за счет извлечения тепла из окружающей среды позволяет получить на один киловатт электрической мощности три-четыре киловатта тепловой мощности.



Стоимость отопления при этом сопоставима со стоимостью отопления магистральным газом и ниже, чем стоимость отопления твердым топливом, жидким топливом и электрическим нагревателями.

В условиях отсутствия спроса на новые атомные энергоблоки в России для ГК «Росатом» крайне выгоднораспространение технологии отопления тепловыми насосами, так как это повысит спрос на электроэнергию.

По оценочному расчету в России при применении теплонасосных систем для отопления домовладений, не имеющих подключения к магистральному газопроводу, необходимо около 10 млн. кВт дополнительной электрической мощности, что потребует строительства нескольких энергетических блоков.

Однако, в настоящее время отопление тепловыми насосами остается у нас экзотикой. Причина этого не в нашей технологической «отсталости», а в среднегодовой температуре на большей части страны.

Теплонасосная отопительная система представляет собой разновидность холодильной машины, которая обогревает здание за счет охлаждения грунта или грунтовых вод.

Верхняя часть земной коры состоит из осадочных пород, образовавшихся из продуктов разрушения горных пород в результате химических, геологических и биологических процессов.

Отличительной характеристикой осадочных пород является их пористость. Верхняя часть земной коры постоянно впитывает воду океанов, рек, озер иатмосферные осадки. За сотни миллионов лет поры между частицами пород земной коры заполнились водой. Объем воды, находящейся в глубинах земли в несколько раз превышает объем вод Мирового океана (Рис.1).

                                                      

                             Рис.1   Схема расположения подземных вод

 

Человечество давно использует подземные воды, как источник питьевой и технической воды. Запасы подземных вод практически неисчерпаемы.

Так же неисчерпаемы запасы тепловой энергии подземных вод. Во многих странах Западной Европы и Америки подземные воды используются в качестве источника энергии для отопительных теплонасосных установок.

Грунтовая вода прокачивается через промежуточный теплообменник, охлаждается и отдает тепловую энергию фреоновому контуру теплового насоса, который за счет работы компрессора нагревает отопительные радиаторы до +30÷+40°С (Рис.2).

          Рис.2 Теплонасосная отопительная система на грунтовой воде

1 – водоносный слой, 2 – скважина, 3 – водяной насос, 4 – подающий трубопровод,5 – тепловой насос, 6 – промежуточный теплообменник, 7 – циркуляционный насос, 8 – отопительный радиатор, 9 – сливной трубопровод, 10 – сливной колодец (скважина)

Подземные воды на глубине более 10 м круглый год имеют постоянную температуру с большой степенью точности равную среднегодовой температуре воздуха для данной местности. Кроме того, на каждые 100 метров глубины температура грунта возрастает в среднем на 1 градус.

Наиболее часто водоносный слой артезианских вод расположен на глубине около 100 метров.

Таким образом для большинства стран Западной Европы со среднегодовой температурой +8 ÷ +10°С температура поступающей в промежуточный теплообменник воды составляет около +10 °С.

Так как хладоноситель в теплообменнике имеет отрицательную температуру, то по опыту эксплуатации подобных установок для предотвращения образования слоя льда на теплопередающей поверхности воду в промежуточном теплообменнике нельзя охлаждать ниже +4°С. В противном случае происходит образование ледяных пробок и разрыв теплообменника.

При температуре поступающей воды +10°С и уходящей воды +4°С на промежуточном теплообменнике можно снять температурный перепад

t = 6°

Дебит артезианской скважины составляет в среднем

D = 0.5 кг/сек,

что позволяет с одной скважины в условиях Западной Европы получить тепловую мощность

 

Nскв = D×C×∆t = 0.5×4.2×6 =12.6 кВт, где

 

С=4.2 кДж/кг – теплоемкость воды.

Электрическая мощность скважинного водяного насоса равна 

 

где

D, кг/сек – дебит скважины

h, м – высота подъема воды

g = 9.81 м/сек2

ƞ – КПД насосной станции

 

Для скважины глубиной h = 100 м и КПД системы η = 0.5

 

Электрическая мощность компрессора теплового насоса в среднем равна половине тепловой мощности источника тепла, то есть

Nк = 6.3 кВт

Энергетический баланс процесса показан на Рис.3

                   Рис. 3 Схема баланса мощности для условий Западной Европы

 

Таким образом отопительная мощность составляет около 20 кВт с одной скважины. Этого достаточно для отопления здания площадью 400 квадратных метров. При этом мощность скважинного насоса составляет 14% от общей потребляемой электрической мощности, а на 1 кВт подведенной электрической мощности выделяется 2.7 кВт тепловой мощности.

Благодаря таким прекрасным характеристикам тепловые отопительные системы на подземной воде получили в странах Западной Европы и Америки широкое распространение.

Однако, попытки перенести эту технологию в Россию не дали положительных результатов.

Так как среднегодовая температура на большей части средней полосы России +4÷+5°С, то температура артезианской воды, например, в Московской области, составляет около +6°С.

На теплообменнике можно снять, таким образом, теплоперепад

t = 2°

Тепловая мощность, отбираемая от скважины, составит при этом

 

Nскв = D×C×∆t = 0.5×4.2×2 =4.2 кВт

 

Энергетический баланс процесса показан на Рис.4.

           Рис. 4 Схема баланса мощности для условий центральной России

 

Отопительная мощность в этом случае составляет около 7 кВт. При этом мощность скважинного насоса достигает 32% от общей потребляемой электрической мощности, а на 1 кВт подведенной электрической мощности выделяется всего 2.3 кВт тепловой мощности.

При таких параметрах эксплуатация теплового насоса с энергетической и экономической точки зрения неэффективна.

Кроме того, при работе в таких пограничных областях велик риск обледенения теплопередающей поверхности и разрыва теплообменника.

Не удивительно поэтому, что в средней полосе России подобные отопительные системы практически не встречаются.

Похожие причины ограничивают и применение в наших условиях теплонасосных отопительных систем с грунтовыми теплообменниками, так же очень распространенных в Западной Европе для извлечения тепловой энергии из грунта. Запас доступной тепловой энергии грунта у нас в два раза меньше, а отопительный период в полтора раза длиннее, что приводит к вымораживанию примыкающего к теплообменникам грунта и образованию «ледяных мешков».

Для повышения эффективноститеплонасосной отопительной системы на грунтовой воде необходимо увеличение температурного перепада на промежуточном теплообменнике. Необходимо создатьпромежуточный теплообменник, способный работать без обмерзания поверхности теплообмена при температуре воды в районе 0°С.

В 2012 году был запатентован мембранный теплообменник с изменяемой геометрией поверхности теплообмена, способной работать в колебательном режиме (Рис.5).

Рис.5

1 – разъемный корпус; 2 – мембрана; 3 – патрубок подвода и отвода хладоносителя; 4 - вода; 5 – лед;

 I – режим подачи хладоносителя; II – режим отвода хладоносителя

Особенностью аппарата является возможность организовать такой режим подачи хладоносителя под мембрану, при котором в зависимости от режима подачи хладоносителя мембрана будет колебаться с заданной амплитудой и заданным периодом.

При этом образующийся на мембране слой льда отслаивается и отделяется от мембраны. Таким образом теплообменная поверхность постоянно очищается.

Опытный образец такого аппарата был изготовлен в 2012 году (Рис. 6)

            Рис. 6 Опытный генератор льда с мембранным теплообменником

Полученный продукт представляет собой кашеобразную смесь воды и пластинок льда размерами от 1 до 5 мм и толщиной в десятые доли миллиметра или «снежно-кристаллический лед»(Рис. 7).

                Рис. 7 Снежно-кристаллический лед

Важной особенностью снежно-кристаллического льда является его способность таять в потоке воды с температурой +0.5 ÷ +1°С, что объясняется огромной площадью поверхности частичек льда.

Если в качестве промежуточного теплообменника теплонасосной отопительной системы использовать мембранный теплообменник с колеблющейся мембраной, то при прокачивании через него воды отслаивающиеся частицы льда будут таять, а поверхность теплообмена постоянно будет чистой.

Температура уходящей воды может быть понижена практически до 0° С без опасности обмерзания теплопередающей поверхности. Таким образом, использование мембранного теплообменника в качестве промежуточного теплообменника теплонасосной отопительной системы позволяет увеличить температурный перепад на промежуточном теплообменнике в условиях Московской области до 5°, а тепловую мощность, отбираемую от скважины, до10.5 кВт (Рис.8).

Рис. 8 Схема баланса мощности для условий центральной России при использовании мембранного теплообменника

 

Мощность скважинного насоса составляет в этом случае 16% от общей потребляемой электрической мощности, а на 1 кВт подведенной электрической мощности выделяется 2.7 кВт тепловой мощности.

Такие показатели делают показатели теплонасосных отопительных систем почти столь же эффективными, как в странах с более теплым климатом.

C 2017 года отопительная теплонасосная система с мембранным теплообменником работает для отопления помещения здания в Московской области с забором воды из одного колодца и сливом в другой колодец (Рис.9).

Рис.9 Отопительная теплонасосная система с промежуточным мембранным теплообменникомна колодезной воде

 

Для возможности наблюдать процессы фазового перехода вода-лед и лед-вода корпус мембранного теплобменника выполнен из прозрачного пластика. Тепловой насос изготовлен из кондиционера MitsubishiElectric MSZ-HJ.

Характеристики отопительной системы:

 

Электрическая мощность компрессора – 0.6кВт

Тепловая (отопительная) мощность – 1.5 кВт

Коэффициент трансформации мощности (СОР)- 2.5

Площадь отапливаемого помещения – 15 кв. м

Источник воды – колодец глубиной 5 м

Температура воды в колодце – от +6.0°С (ноябрь) до +2.2°С (март)

 

При проведении опытной эксплуатации выяснилось, что воду можно использовать любого качества, так как примеси не откладываются на мембране, а полностью поглощаются образующимися кристаллами льда и уносятся проточной водой.

В следующем отопительном периоде предполагается смонтировать отопительную теплонасосную систему для отопления коттеджа мощностью 5 кВт с серийным тепловым насосом (COP = 3)и забором воде либо из артезианской скважины, либо из близлежащего озера. Мембранный теплообменник представляет собой компактный аппарат и батареятеплобменниковможет обеспечить работу теплового насоса любой мощности.

 

Литература:

1.      Патент РФ №2490567, 10.09.2012. Способ генерирования льда// Коровкин С.В., Винокуров Н.П., Тутунина Е.В.

2.      Коровкин С.В. Теплообменные аппараты с изменяемой геометрией поверхности теплообмена [Электронный ресурс]// Интернет-газета Холодильщик.RU

http://www.holodilshchik.ru/index_holodilshchik_issue_2_2012_Teploobmennye_apparaty_s_izmenyaemoy_poverkhnostyu_teploobmena.htm

3.      Tutunina E., Vaselyev A., Korovkin S., Senkevich S. (2019) Optimization of Parameters and Operation Modes of the Heat Pump in the Environment of the Low-Temperature Energy Source. In: Vasant P., Zelinka I., Weber GW. (eds) Intelligent Computing & Optimization. ICO 2018. Advances in Intelligent Systems and Computing, vol 866. 497-504. Springer, Cham. DOI https://doi.org/10.1007/978-3-030-00979-3_52;

4.      Use of low-temperature heat transfer agents in the work of heat pumps in sub-zero temperatures conditions, Vasiliev A.N., Shepovalova O.V., Tutunina E.V., Energy Procedia. 2019. Т. 157. С. 1456-1461;

5.      Результаты предварительной экспериментальной проверки использования низкотемпературных теплоносителей при работе тепловых насосов, Васильев А.Н., Тутунина Е.В., Вестник аграрной науки Дона. 2018. Т. 3. № 43. С. 62-67.

6.      Некоторые результаты экспериментальных исследований намораживания льда в мембранном теплообменнике теплонасосной установки, Коровкин С.В., Тутунина Е.В., Инновации в сельском хозяйстве. 2018. № 3 (28). С. 110-122.  

7.      YouTube канал, «Генерация жидкого льда в мембранном теплообменнике»

https://www.youtube.com/watch?v=Rcmxj7AdzSc

 







Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=8478