Способ работы низкотемпературного теплового двигателя от источника геотермальной воды

4th year student, faculty of «Energy-intensive materials and products» «KNRTU»

engineer of the I category «Management of research work» «KSPEU» Russia, Kazan

MODE OF WORK OF THE LOW-TEMPERATURE HEAT ENGINE

FROM A SOURCE OF GEOTHERMAL WATER

Use of hydrothermal sources in the form of hot water for electricity production in power installations on the low-boiling working fluid is considered.

В настоящее время на геотермальных электростанциях (ГеоЭС) используется потенциал на глубине геотермального источника до 3 км с температурой около 300°С, при этом малой эффективностью обладают источники геотермальной теплоты на поверхности источника в виде горячей воды, кроме реализации системы отопления близлежащих населенных пунктов. Зарубежные фирмы (Turboden, Ormat, Maxxtec и др.) предлагают эффективные решения в утилизации низкоэнтальпийных источников теплоты для выработки электроэнергии с помощью энергоустановок на низкокипящих рабочих телах. Однако данные установки предназначены для работы от источников теплоты с температурой от 80°С и выше. При этом не востребованным остаются источники теплоты с температурой ниже 80°С, которые в настоящее время сбрасываются в окружающую среду, зачастую приводя к тепловому загрязнению [1].

Рассмотрим способ работы низкотемпературного теплового двигателя (НТД) от источника геотермальной теплоты с температурой ниже 80°С при определенных внешних условиях окружающей среды (рис. 1). Работа низкотемпературного теплового двигателя осуществляется по органическому циклу Ренкина (ОЦР), который может охлаждаться как водными ресурсами окружающей среды с температурой от 5°С до 18°С, так и воздушными ресурсами окружающей среды с температурой вплоть до минус 55°С. В качестве низкокипящего рабочего тела предлагается использовать сжиженный углекислый газ СО 2 или пропан С 3 Н 8 .

Рис. 1. Принципиальная тепловая схема НТД, работающего по ОЦР.

Низкотемпературный тепловой двигатель работает следующим образом (рис. 1): сжиженный газ СО 2 (или C 3 H 8 ) сжимается в насосе, нагревается и испаряется в теплообменнике-испарителе за счет подводимой теплоты геотермальной воды с температурой ниже 80°C, далее перегретый газ СО 2 (или C 3 H 8 ) расширяется в турбодетандере соединенный с электрогенератором, затем расширенный газ направляется на охлаждение в теплообменник-конденсатор водяного или воздушного охлаждения, где в процессе охлаждения газа СО 2 (или C 3 H 8 ) ниже его температуры насыщения происходит интенсивное сжижение, после чего сжиженный газ направляется в насос и цикл повторяется [2, 3].

Подобно тому, как геотермальная вода является прямым источником низкопотенциальной теплоты с температурой ниже 80°С, окружающая среда – прямой источник холода с температурой вплоть до минус 55°С. Термодинамическая система низкотемпературного теплового двигателя на сжиженном газе СО2 (или C3H8) может производить работу только при отсутствии равновесия между ее термодинамической системой и окружающей средой. При этом фактическая работа НТД, отдаваемая потребителю, сопоставляется с максимальным количеством работы, которую можно получить от термодинамической системы за счет ее внутренней энергии и подведенной к ней первичной тепловой энергии. Поэтому минимально допустимый температурный перепад, обеспечивающий полезную выработку электроэнергии НТД, может составлять 30°С при использовании в качестве источника холода – водные ресурсы окружающей среды и 40°С при использовании в качестве источника холода – воздушных ресурсов окружающей среды. В этом случае максимально возможная эксергетическая эффективность термодинамической системы данной установки может достигать 26%.

Основные особенности работы НТД с замкнутым контуром циркуляции на СО2 (или C3H8) заключается в следующем:

• 1.    В зимний период времени минимально допустимая температура охлаждающей воды составляет примерно 5°С, что в свою очередь ограничивает потенциал для использования теплоперепада в НТД с замкнутым контуром циркуляции на СО 2 или C 3 H 8 . При этом происходит значительное уменьшение тепловых выбросов в окружающую среду, так как температура сбрасываемой воды незначительно отличается от температуры воды в водоеме, что не приводит к изменению биотического компонента экосистемы.

• 2.    В зимний период времени минимально допустимая температура охлаждающего воздуха равна температуре окружающей среды, что в свою очередь не ограничивает потенциал для использования теплоперепада в НТД с замкнутым контуром циркуляции на СО 2 или C 3 H 8 . При этом возможна эксплуатация конденсаторов воздушного охлаждения в условиях холодного климата со средней температурой наружного воздуха в наиболее холодный период не ниже минус 55^оС.

• 3.    Температурный диапазон использования сжиженного газа СО₂ в качестве низкокипящего рабочего тела в тепловом контуре ОЦР ограничивается показателями критической температуры в 31°С и температурой в тройной точке минус 56,56°С. Поэтому использование сжиженного газа СО₂ в температурном диапазоне от 60°С до минус 55°С позволит обеспечить приемлемые давления контура циркуляции теплового двигателя и затраты на его сжатие.

• 4.    Температурный диапазон использования сжиженного газа C₃H₈ в качестве низкокипящего рабочего тела в тепловом контуре ОЦР ограничивается показателями критической температуры в 96,7°С и температурой насыщения при давлении не менее 0,1 МПа. Поэтому использование сжиженного газа C 3 H 8 в температурном диапазоне от 100°С до минус 42°С позволит исключить проблемы создания вакуума и обеспечения прочности, и герметичности трубопроводов и арматуры.