20. Варианты возможных схем ГеоТэс

Геотермальная энергетика — направление энергетики, основанное на производстве электрической энергии за счёт энергии, содержащейся в недрах земли, на геотермальных станциях.

1. Первыми были освоены электростанции на сухом пару. Для производства электроэнергии на них пар, поступающий из скважины, пропускается непосредственно через турбину/генератор.

2. Электростанции с непрямым типом производства электроэнергии на сегодняшний день являются самыми распространенными. Они используют горячие подземные воды (температурой до 182 0С) которая закачивается при высоком давлении в генераторные установки на поверхности.

3. 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.

Принцип работы установки открытого типа

Принципиальная тепловая схема паротурбинной геотермальной установки с одноступенчатым расширением теплоносителя.

1 – Скважина эксплутационная; 2 - Скважина нагнетательная; 3 – Парогенератор; 4 – Насос; 5 – Конденсатор; 6 – Турбина; 7 – Генератор; 8 – Градирня

Принцип работы установки закрытого типа

Принципиальная тепловая схема турбокомпрессорной установки закрытого цикла

1 – Скважина эксплутационная; 2 – Скважина нагнетательная; 3 – Теплообменник; 4 – Насос; 5 - Парогенератор; 6 – Генератор; 7 – Турбина; 8 – Компрессор; 9 – Конденсатор; 10 – Градирня.

Двухконтурная ГеоТэс на водяном паре

Двухконтурная выработка энергии

Электростанция такого типа вырабатывает электроэнергию, используя горячую геотермальную воду для испарения химического соединения (на схеме фиолетовое) с температурой кипения намного меньшей, чем у воды. Пары этого химического соединения под давлением поступают на турбину, приводя ее во вращение.

Паро-водяной цикл

Такая электростанция использует для приведения турбины во вращение пар из паровой скважины (на схеме сиреневый), предварительно отпрепарированный от поднимающейся вместе с ним горячей воды (на схеме розовая). Горячая вода снова закачивается в землю. Отработанный пар конденсируется и используется в системе рециркуляции воды.

21.Преобразование тепловой энергии океана (птэо)

Суть заключается в использовании разницы температур глубинных и поверхностных вод океана. Энергия извлекается из движения тепловых потоков. Существует экспериментальная станция на Гавайях. Существующая технология дает возможность производить совсем небольшое количество электроэнергии. Но ученые утверждают, что в скором времени данная технология будет усовершенствована, что позволит производить необходимое количество энергии.

Сторонники, говорят, что использование энергии океана предпочтительнее, чем использование энергии ветра. Приливы и отливы постоянны и абсолютно предсказуемы, что не сказать о ветре. Благодаря плотности воды, объемы рабочих турбин намного меньше, чем для производства энергии с помощью ветра.

Учитывая сложность и высокую стоимость строительства энергодобывающих станций на море, себестоимость полученной энергии довольно велика. Однако, надо помнить, что подобные технологии молоды и в основном носят экспериментальный характер. Но как только отрасль «созреет», расходы снизятся.

В Шотландии ведется строительство ГЭС, энергию будут получать из приливных сил океана. У берегов штата Орегона, работают уже несколько подобных станций. Великобритания также планирует использовать энергию воды.

Преобразование тепловой энергии, запасенной океаном, в механическую энергию и далее в электроэнергию требует создания тепловой машины, тем или иным способом использующей естественный перепад температур между прогретыми поверхностными и охлажденными глубинными слоями вод. В первом приближении доля преобразуемой энергии может быть определена через КПД термодинамического цикла Карно как T ∆T , где ∆T – величина перепада температур между нагревателем и холодильником; T – абсолютное значение температуры нагревателя (К). Соответственно для определения реализуемых запасов тепловой энергии необходимы сведения о распределении температур на поверхности океана, толщине прогретого слоя, глубине залегания слоя холодных вод, скорости перемещения водных масс.

Расчет теплообменников

Целью теплового расчета является определение поверхности теплообмена, а если последняя известна, то целью расчета является определение конечных температур рабочих жидкостей. Основными расчетными уравнениямитеплообмена при стационарном режиме являются уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса. Уравнение теплопередачи: Q = k·F·(t₁ – t₂ ) , где Q — тепловой поток, Вт, k - средний коэффициент теплопередачи, Вт/(м²град), F — поверхность теплообмена в аппарате, м², t₁ и t₂ - соответственно температуры горячего и холодного теплоносителей. Уравнение теплового баланса при условии отсутствия тепловых потерь и фазовых переходов: Q = = m₁ ·Dt₁ = m₂·Dt₂ , или

Q = V₁r₁·c_р1·(t^/₁ - t^//₁) = V₂ r₂·c_р2 ·(t^//₂ - t^/₂),

где V₁r₁,V₂ r₂ - массовые расходы теплоносителей, кг/сек, с c_р1 и c_р2 - средние массовые теплоемкости жидкостей в интервале температур от t^ґ до t^//, t^/₁ и t^//₁ температуры жидкостей при входе в аппарат;  t^/₂ и t^//₂ - температуры жидкостей при выходе из аппарата.  Величину произведения V·r·c_р = W, Вт/град -называют водяным, или условным, эквивалентом. С учетом последнего уравнение теплового баланса может быть представлено в следующем виде:

(t^/₁ - t^//₁) / (t^//₂ - t^ґ₂) = W₂ / W₁ ,

W₂ , W₁ - условные эквиваленты горячей и холодной жидкостей.

При прохождении через теплообменный аппарат рабочих жидкостей изменяются температуры горячих и холодныхжидкостей. На изменение температур большое влияние оказывают схема движения жидкостей и величины условных эквивалентов. На рис.12.4 представлены температурные графики для аппаратов с прямотоков, а на рис.12.5 для аппаратов с противотоком.

Как видно из рис.12.4 , при прямотоке конечная температура холодного теплоносителя всегда ниже конечнойтемпературы горячего теплоносителя. При противотоке (рис.12.5) конечная температура холодной жидкости может быть значительно выше конечной температуры горячей жидкости. Следовательно, в аппаратах с противотоком можно нагреть холодную среду, при одинаковых начальных условиях, до более высокой температуры, чем в аппаратах с прямотоком. Кроме того, как видно из рисунков, наряду с изменениями температур изменяется также и разность температуря между рабочими жидкостями, или температурный напор Dt.

Величины Dt и k можно принять постоянными только в пределах элементарной поверхности теплообмена dF. Поэтому уравнение теплопередачи для элемента поверхности теплообмена dF справедливо лишь в дифференциальной форме:

dQ==k·dF·Dt .

Тепловой поток, переданный через всю поверхность F при постоянном среднем коэффициенте теплопередачи k, определяется интегрированием уравнения :

Q =  k·dF·Dt= k·F·Dt_ср ,

где Dt_ср - средний логарифмический температурный напор по всей поверхности нагрева. Для случаев, когда коэффициент теплопередачи на отдельных участках поверхности теплообмена значительно изменяется, его усредняют: k_ср = (F₁·k₁ + F₂·k₂ + … + F_n·k_n) / (F₁ + F₂ + … + F_n). Тогда при k_ср = const уравнение примет вид

Q =  k_ср Dt ·dF = k_ср ·Dt_ср ·F.

Если температура теплоносителей изменяется по закону прямой линии (рис.12.6, пунктирные линии), то средний температурный напор в аппарате равен разности среднеарифметических величин:

Dt_ср = (t^/₁ + t^//₁)/2 - (t^//₂ + t^/₂)/2 . (12.21)

Однако температуры рабочих жидкостей меняются по криволинейному закону. Поэтому уравнение (12.21) будет только приближенным и может применяться при небольших изменениях температуры обеих жидкостей. При криволинейном изменении температуры величину Dt_ср называют среднелогарифмическим температурным напором и определяется по формулам: для аппаратов с прямотоком

Dt_ср = [(t^/₁ - t^/₂) - (t^//₁ - t^//₂)] / ln[(t^/₁ - t^/₂)/(t^//₁ - t^//₂)] . (12.22)

для аппаратов с противотоком

Dt_ср = [(t^/₁ - t^//₂) - (t^//₁ - t^/₂)] / ln[(t^/₁ - t^//₂)/(t^//₁ - t^/₂)] . (12.23)

Численные значения Dt_ср для аппаратов с противотокм при одинаковых условиях всегда больше Dt_ср для аппаратов с прямотоком, поэтому аппараты с противотокм имеют меньшие размеры.