CC BY
4
11,75°C, температура плавления минус 159,42°C. Экологически чистая схема использования низкокипящего теплоносителя (изобутана) с воздушным конденсатором позволяет исключить прямой контакт рабочего тела с окружающей средой [4, 5].
Во многом благодаря тому, что Мутновское геотермальное месторождение расположено в северном районе, на значительной высоте над уровнем моря, где среднегодовая температура воздуха составляет минус 1,5°С в течение восьми месяцев (с октября по май), а средняя температура ниже минус 5°С. Это позволяет понизить температуру конденсации в термодинамическом цикле до 10-20°С, что дает большой прирост (на 1020%) в выработке электроэнергии по сравнению с ГеоЭС, которые расположены в районах жаркого или умеренного климата.
Внедрение бинарных энергоустановок на ГеоЭС для выработки электроэнергии позволит в будущем повысить эффективный КПД станции и возможность конкурировать с традиционными тепловыми электростанциями.
Использованные источники:
1. Геотермальная энергетика в России. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://altenergiya.ru/termal/geotermalnaya-energetika-v-rossii.html.
2. Мутновский геотермальный энергетический комплекс на Камчатке. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http: //www.kamlib.ru/resourses/mutn2 .htm.
3. Патент на изобретение №2562506 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М. 10.09.2015 г.
4. Манушин Э.А., Бирюков В.В. Паротурбинная установка геотермальной электростанции бинарного цикла для геотермальных месторождений камчатского края. // Наука и образование. - 2011. - № 09. - 8 с.
5. Гафуров А.М., Осипов Б.М., Гафуров Н.М., Гатина Р.З. Способ утилизации тепловых вторичных энергоресурсов промышленных предприятий для выработки электроэнергии. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2016. - № 11-12. - С. 36-42.
УДК 62-176.2
Гафуров Н.М. студент 4 курса, ФГБОУ ВО «КНИТУ» факультет «Энергонасыщенных материалов и изделий»
Гафуров А.М. инженер I категории УНИР ФГБОУ ВО «КГЭУ» Россия, г. Казань СПОСОБ РАБОТЫ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ОТ ИСТОЧНИКА ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ВОДЫ Рассматривается использование гидротермальных источников в виде горячей воды для выработки электроэнергии в энергоустановках на
низкокипящих рабочих телах.
Ключевые слова: геотермальная энергетика, низкотемпературный тепловой двигатель, низкокипящее рабочее тело.
Gafurov N.M.
4th year student, faculty of «Energy-intensive materials and products»
«KNRTU» Gafurov A.M.
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.
Keywords: geothermal power, low-temperature heat engine, low-boiling working fluid.
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 СО2 или пропан С3Н8.
Рис. 1. Принципиальная тепловая схема НТД, работающего по ОЦР.
Низкотемпературный тепловой двигатель работает следующим образом (рис. 1): сжиженный газ СО2 (или С3Н8) сжимается в насосе, нагревается и испаряется в теплообменнике-испарителе за счет подводимой теплоты геотермальной воды с температурой ниже 80°С, далее перегретый газ СО2 (или С3Н8) расширяется в турбодетандере соединенный с электрогенератором, затем расширенный газ направляется на охлаждение в теплообменник-конденсатор водяного или воздушного охлаждения, где в процессе охлаждения газа СО2 (или С3Н8) 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 С3Н8) 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 СО2 или C3H8. 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 СО2 или C3H8. При этом возможна эксплуатация конденсаторов воздушного охлаждения в условиях холодного климата со средней температурой наружного воздуха в наиболее холодный период не ниже минус 55оС.
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 C3H8 в температурном диапазоне от 100°С до минус 42°С позволит исключить проблемы создания вакуума и обеспечения прочности, и герметичности трубопроводов и арматуры.
Использованные источники:
1. Гафуров А.М. Зарубежный опыт эксплуатации установок на низкокипящих рабочих телах. // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2014. Т. 24. №4 (24). - С. 26-31.
2. Гафуров А.М., Осипов Б.М., Гафуров Н.М., Гатина Р.З. Способ утилизации тепловых вторичных энергоресурсов промышленных предприятий для выработки электроэнергии. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2016. - № 11-12. - С. 36-42.
3. Патент на изобретение №2552481 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М. 10.06.2015 г.
