PL222919B1 - Otworowy wymiennik ciepła - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest otworowy wymiennik ciepła, umożliwiający pobieranie energii geotermicznej przy wykorzystaniu wymuszonego, zamkniętego obiegu wodnego.

Pobieranie energii geotermicznej z formacji geologicznych przy wykorzystaniu obiegu wodnego, jest atrakcyjną finansowo i ekologiczną alternatywą w stosunku do pozyskiwania energii cieplnej w instalacjach ogrzewanych paliwami.

W opisie patentowym PL 102863 ujawniono sposób wykorzystania ciepła ziemi z głębokich otworów wiertniczych, zgodnie z którym po dowierceniu się do pokładów geotermicznych zaślepia się koniec ostatniej kolumny rurowej obudowy otworu, opuszcza się do niej rury tłoczące oraz rury ssące ogrzany czynnik, a następnie zakłada się, korzystnie powyżej pokładu geotermicznego, uszczelnienie pomiędzy rurami ssącymi a tłoczącymi oraz ściankami obudowy otworu, kierując przepływ ogrzanego czynnika z rur tłoczących wzdłuż obudowy otworu.

Sposób adaptacji otworu wiertniczego na otworowy wymiennik ciepła polega według opisu patentowego PL 192722 na tym, że otwór wiertniczy płucze się i wymienia płuczkę wiertniczą na nośnik ciepła, a następnie zapuszcza się kolumnę rur wewnętrznych, korzystnie o niskim współczynniku przewodności cieplnej, po czym montuje się głowicę cyrkulacyjną na wylocie otworu wiertniczego i rur wewnętrznych.

Z opisów patentów US 4223729 i PL 186556 oraz zgłoszeń patentowych WO 96/23181 i WO 03/012295, znane są też rozwiązania, według których energia geotermiczna jest pobierana przy wyk orzystaniu wymuszonego obiegu wody, zatłaczanej w głąb gorącej formacji geologicznej pionową stu dnią doprowadzającą i wyprowadzanej na powierzchnię po ogrzaniu przez pionową studnię odprowadzającą. Według tych znanych rozwiązań, obie studnie połączone są ze sobą na poziomie gorącej formacji geologicznej przez obszar naturalnych lub sztucznie poszerzonych pęknięć, albo przez zasadniczo poziomo wiercone w górotworze pętle lub otwory.

Ponadto z opisu zgłoszenia patentowego PL358629(A1), znany jest pojedynczy otwór wiertniczy, umożliwiający pozyskiwanie gorącej wody grzanej ciepłem geotermicznym.

Ujawniony w tym zgłoszeniu otwór wiertniczy zawiera otworowy wymiennik ciepła, którego zewnętrzny płaszcz stanowi stalowa rura okładzinowa, wypuszczona na całą głębokość otworu wiertn iczego. We wspomnianej rurze okładzinowej umieszczona jest osiowo druga stalowa rura wewnętrzna,

Dolny koniec rury okładzinowej, sięgający w głąb gorącej formacji geologicznej (górotworu) jest zamknięty cementową plombą, zaś dolny koniec rury wewnętrznej sięga powyżej niej, tak aby umożliwić wypływ wody chłodnej do dolnej części rury okładzinowej i ogrzanie tej wody ciepłem geotermicznym, a następnie wyprowadzenie ogrzanej wody na powierzchnię przez cylindryczną, szczelinową przestrzeń pomiędzy rurą okładzinową i rurą wewnętrzną.

Na górnej części wewnętrznej rury jest umieszczona głowica zasilająca wymiennik, a na górnej części rury okładzinowej głowica odbierająca.

Przepływ (cyrkulacja) wody przez znany wymiennik otworowy wymuszana jest przez pompę układu ciepłowniczego, która przyłączona jest do głowicy zasilającej i przez rurę wewnętrzną tłoczy chłodną wodę w głąb otworu wiertniczego. Podgrzana ciepłem górotworu woda pobierana jest z głowicy zasilającej do wymiennika ciepła i następnie kierowana do ssawnej strony pompy. Wymiennik ciepła jest połączony z siecią odbiorników ciepła.

W celu zmiany parametrów wody podgrzanej, a tym samym mocy cieplnej, w znanym rozwiązaniu przewidziano regulację wyłącznie poprzez zmianę natężenia strumienia wody przepływającej przez otwór wiertniczy.

Ponieważ w miarę przepływu ogrzanej wody w rurze okładzinowej ku powierzchni ziemi, temperatura górotworu obniża się, w znanym rozwiązaniu wymiennika otworowego zaproponowano, aby górną część okładzinowej rury obłożyć wewnątrz izolacją termiczną.

Wprawdzie zapobiegnie to oddawaniu przez gorącą wodę ciepła do zimnego górotworu, ale co oczywiste, będzie też tłumić przepływ strumienia wody ogrzanej, a tym samym ograniczać moc znanego wymiennika.

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji wymiennika otworowego pozbawionego niedogodności znanych ze stanu techniki, a ponadto umożliwiającego regulację w obrębie wymiennika parametrów wody ogrzanej ciepłem geotermicznym, w znacznie szerszym niż dotychczas zakresie.

Osiągnięto to dzięki centralnemu ulokowaniu w wymienniku kanału dla wyprowadzanej wody gorącej, by odseparować wodę gorącą od płaszcza wymiennika i uniknąć strat ciepła do zimniejszych

PL 222 919 B1 warstw górotworu, przy jednoczesnym ulokowaniu kanału dla wprowadzanej do wymiennika wody chłodnej przy płaszczu, a ponadto wprowadzeniu pomiędzy kanał wody gorącej a kanał wody chłodnej termicznie izolującej przegrody, o dających się dynamicznie zmieniać parametrach mających wpływ na wielkość strumienia ciepła, wymienianego w obrębie wymiennika między przepływającą wodą gorącą i wodą chłodną.

Dodatkowo, dla ograniczenia wymiany ciepła między płaszczem wymiennika a górotworem, wprowadzono w przypowierzchniowej części wymiennika termicznie izolującą przegrodę o zadanej przenikalności cieplnej, usytuowaną na zewnątrz płaszcza.

Zgodnie z wynalazkiem, otworowy wymiennik ciepła ma płaszcz, który stanowi okładzinowa rura wpuszczona na całą głębokość otworu wiertniczego i zagłębiona w gorącej formacji geologicznej oraz ma ulokowaną osiowo wewnątrz płaszcza wewnętrzną rurę, tak iż dolny koniec wewnętrznej rury jest usytuowany powyżej cementowego korka na dnie otworu lub formacji geologicznej zamykającej od dołu płaszcz wymiennika, a ponadto na górnej części wymiennika jest umieszczona głowica doprowadzająca do niego strumień chłodnej wody i wyprowadzająca z niego strumień wody podgrzanej ene rgią geotermiczną, przy czym kanał wyprowadzający z wymiennika ogrzaną wodę stanowi wewnętrzna rura, a kanał doprowadzający chłodną wodę stanowi cylindryczna przestrzeń przy okładzinowej rurze otworu wiertniczego.

Wymiennik charakteryzuje się tym, że jego wewnętrzna rura jest wyposażona w termiczny izolator gazowy, który zawiera otwartą ku dołowi otulinową rurę, usytuowaną koncentrycznie względem wewnętrznej rury i korzystnie ustabilizowaną koncentrycznie na długości wewnętrznej rury, a w cylindrycznej przestrzeni między otulinową rurą i wewnętrzną rurą izolator zawiera sprężony gaz, zwłas zcza azot lub ditlenek węgla. Pierścieniowa szczelina między wewnętrzną rurą, a otulinową rurą jest przy górnym końcu tych rur zasklepiona, zaś cylindryczna przestrzeń między nimi jest połączona z króćcem gazowym. Gaz w izolatorze ma ciśnienie równoważące hydrostatyczne ciśnienie słupa wody nad znajdującą się w cylindrycznej przestrzeni między wspomnianymi rurami, granicą fazową gaz-woda.

Przez wspomniany króciec można pomiędzy wewnętrzną rurę i otulinową rurę wtłaczać lub usuwać porcje gazu tworzącego izolacyjną warstwę wokół wewnętrznej rury. Powoduje to, w miarę wtłaczania lub usuwania gazu przesuwanie się w dół lub w górę granicy fazowej gaz-woda, proporcjonalnie do ciśnienia gazu w przestrzeni między rurami. Tym samym uzyskuje się wygodną i dyn amiczną zmianę wysokości warstwy izolującej termicznie wewnętrzną rurę, a co za tym idzie również i zmianę powierzchni wymiany ciepła pomiędzy wysoko i nisko-temperaturowym czynnikiem cyrkulującym przez wymiennik.

Ponadto korzystnie jest, gdy w górnej, przypowierzchniowej części wymiennika jego płaszcz jest odseparowany od górotworu osłonową rurą, a pomiędzy nią i płaszczem usytuowana jest izolacja cieplna, przynajmniej w formie powietrznej pustki.

Otworowy wymiennik ciepła geotermicznego według wynalazku umożliwia dopływ ciepła z górotworu do cieczy krążącej w wymienniku w strefie najgłębszej oraz ogranicza wymianę ciepła w pozostałych strefach wymiennika dzięki zastosowaniu wspomnianych izolowanych przegród.

Wymiennik można w znany sposób włączać do znanego pompowego układu cieplnego, wym uszającego cyrkulację wody i zaopatrzonego na przykład w przeponowy wymiennik sieci odbiorczej, w celu przesłania dalej pobranej energii geotermicznej. Istnieje przy tym możliwość dostosowania nie tylko natężenia przepływu wody w wymienniku, ale i jej temperatury do bieżących potrzeb odbiorcy ciepła geotermicznego.

Wykorzystanie wymiennika stanowiącego przedmiot wynalazku może znaleźć szerokie zastosowanie głównie na potrzeby ciepłownictwa, a także upraw rolnych i gospodarstw domowych. Energia uzyskana dzięki stosowaniu wymiennika nie zakłóca środowiska naturalnego.

Szczególną korzyść można uzyskać stosując wynalazek w przypadku negatywnych prac poszukiwawczych realizowanych z wykorzystaniem głębokich wierceń. Suchy (pusty) otwór wiertniczy, który w klasycznym przypadkach jest wówczas likwidowany, może dzięki wynalazkowi zostać zaadoptowany w celach pozyskania energii geotermicznej.

Wykorzystanie uzdatnionej wody w obiegu wody zasilającej wymiennik zapobiega problemom z wytrącaniem osadów, korozją metalowych elementów czy zatykaniem instalacji.

Wynalazek jest przybliżony poniżej opisem przykładów wykonania, uwidocznionych na rysunku, na którym:

PL 222 919 B1 fig. 1 - przedstawia schematyczny przekrój otworu wiertniczego z zagłębionym w nim wymiennikiem otworowym - w pierwszym przykładzie wykonania;

fig. 2 - schematyczny przekrój otworu wiertniczego z zagłębionym w nim wymiennikiem

- w drugim przykładzie wykonania;

fig. 3 - schematyczny przekrój otworu wiertniczego z zagłębionym w nim wymiennikiem

- w trzecim przykładzie wykonania.

W pierwszym przykładzie wykonania wynalazku, dotyczącym zasadniczo wymienników otworowych w otworach wiertniczych o głębokości rzędu 1000-1200 m, gdy warstwa geologiczna o podwyższonej temperaturze jest relatywnie płytko, w otwór wiertniczy jest wpuszczona okładzinowa rura 1 o stałej średnicy. Jest przy tym zrozumiałym i oczywistym dla znawców, że wspomnianą okładzinową rurę 1 stanowi zwykle kolumna z typowych rur, stosowanych w pracach wiertniczych.

Dolny koniec okładzinowej rury 1 jest zagłębiony w górotwór, który zamyka wymiennik od dołu, nie dopuszczając do przesiąkania wód do wnętrza otworu.

Alternatywnie, jeżeli zachodzi taka potrzeba, to dolny koniec okładzinowej rury 1 jest zagłębiony w górotwór i zaczopowany znanym cementowym korkiem 2.

W okładzinową rurę 1, która stanowi płaszcz wymiennika otworowego, jest wpuszczona na całą głębokość otworu wiertniczego wewnętrzna rura 3. Wewnętrzna rura 3 jest usytuowana w osi okładzinowej rury 1 i ustabilizowana na jej długości znanymi elementami dystansowymi, które dla większej czytelności pominięto na załączonym rysunku.

Dolny koniec wewnętrznej rury 3 sięga powyżej warstwy górotworu lub cementowego korka 2 w dnie otworu, które zamykają okładzinową rurę 1 u dołu, tak aby umożliwić przepływ wody, ogrzanej ciepłem górotworu w dolnej części okładzinowej rury 1, do wewnętrznej rury 3.

Górna część wewnętrznej rury 3 jest połączona ze znaną głowicą 4, odbierającą ogrzewaną wodę i przykładowo kierującą ją rurociągiem do sieciowego wymiennika 5.

Z wymiennika 5 ochłodzona woda jest przez pompę 6 zawracana do znanej zasilającej głowicy 4, połączonej z górną częścią okładzinowej rury 1, będącej płaszczem wymiennika i kierowana w głąb otworu w celu ogrzania ciepłem geotermicznym.

W celu szybkiej i wygodnej, dynamicznej zmiany parametrów wody podgrzanej wyprowadzanej wewnętrzną rurą 3, w wymienniku otworowym zastosowano termiczny izolator gazowy wokół rury wewnętrznej 3, który utrudnia wymianę ciepła po nisko- i wysokotemperaturowych stronach wymiennika otworowego.

Izolator gazowy zawiera otwartą ku dołowi otulinową rurę 7, ustabilizowaną koncentrycznie na długości wewnętrznej rury 3. W cylindrycznej przestrzeni pomiędzy wewnętrzną rurą 3 a otulinową rurą 7, izolator zawiera gaz, na przykład azot techniczny, o takim ciśnieniu, żeby granica fazowa 8 gaz-woda w przestrzeni między wewnętrzną rurą 3 i otulinową rurą 7, znajdowała się na żądanym poziomie ponad dolną krawędzią wewnętrznej rury 3.

Pierścieniowa szczelina między wewnętrzną rurą 3 a otulinową rurą 7 jest przy górnym końcu tych rur zasklepiona, a przestrzeń pomiędzy tymi rurami jest połączona z gazowym króćcem 8.

Zmiany parametrów termicznych gazowego izolatora dokonuje się przez zmianę położenia granicy fazowej X gaz-woda w przestrzeni między wewnętrzną rurą 3 i otulinową rurą 7, wprowadzając lub upuszczając gaz króćcem 8.

Zrozumiałym jest przy tym, że otulinowa rura 7 jest ustabilizowana względem wewnętrznej rury 3 znanymi elementami dystansowymi, które dla lepszej czytelności pominięto na załączonym rysunku.

W tym przykładzie wykonania pokazano, że okładzinowa rura 1, stanowiąca płaszcz wymiennika jest w górnej, przypowierzchniowej części odseparowana od górotworu osłonową rurą 9. Pomiędzy osłonową rurą 9 i okładzinową rurą 1 jest powietrzna pustka, stanowiąca izolację cieplną 10 dla górnej części płaszcza wymiennika. Ponadto na powierzchni gruntu ułożona jest pokrywa 11, zasłaniająca od góry pustą przestrzeń pomiędzy osłonową rurą 9 i okładzinową rurą 1.

W drugim przykładzie wykonania wynalazku, zwłaszcza gdy otwór wiertniczy ma głębokość rzędu powyżej 1500 m, wiadomym jest, że wpuszcza się do niego okładzinowe rury 1 o średnicy sto pniowo zmniejszającej się w głąb otworu, a złącza między okładzinowymi rurami 1 o zróżnicowanej średnicy uszczelnia się pakerami.

W tym przykładzie wykonania wynalazku wymiennik otworowy ma płaszcz złożony z dwóch okładzinowych rur 1, o stopniowo zmniejszającej się średnicy. Dolny koniec najgłębiej położonej okładzinowej rury 1 jest podobnie jak poprzednim przykładzie, zagłębiony w górotwór lub zamknięty korkiem 2.

PL 222 919 B1

Podobnie jak w pierwszym przykładzie, w płaszcz wymiennika jest wpuszczona na całą głębokość otworu wiertniczego wewnętrzna rura 3, usytuowana w osi okładzinowych rur 1 i ustabilizowana względem nich znanymi elementami.

Dolny koniec wewnętrznej rury 3 jest perforowany i sięga do warstwy górotworu lub cementowego korka 2, które zamykają najniższą okładzinową nową rurę 1, a jednocześnie dzięki wspomnianej perforacji zapewniony jest przepływ gorącej wody przez wewnętrzną rurę 3 ku górze wymiennika otworowego, podobnie jak ma to miejsce w pierwszym przykładzie, i odbieranie jej głowicą 5 z w ymiennika na zewnątrz.

Jednakże gazowy izolator 7 wokół wewnętrznej rury 3 ma w tym przykładzie wykonania nieco inną konstrukcję niż w przykładzie pierwszym, co wynika z konieczności zapewnienia chłodnej wodzie możliwości w miarę swobodnego przepływu przez zmniejszającą się skokowo w głąb otworu pierścieniową przestrzeń przy okładzinowych rurach 1.

Dlatego też w tym przykładzie otulinowa rura 7 usytuowana wokół wewnętrznej rury 3 sięga w głąb otworu tylko do miejsca, w którym okładzinowa rura 1, wyznaczająca płaszcz wymiennika, jest najszersza. Dodatkowo, dolny koniec tej otulinowej rury 7 jest perforowany, tak aby ograniczyć opory przepływu wody chłodnej, wtłaczanej w głąb wymiennika otworowego. Ponieważ w tym przykładzie pozostałe cechy konstrukcyjne gazowego izolatora oraz innych elementów wymiennika nie wymagają modyfikacji w porównaniu z przedstawionym już przykładem pierwszym, to zrozumiałym jest, że nie zachodzi potrzeba ponownego ich opisywania.

W trzecim przykładzie realizacji wynalazku, najniżej położony odcinek (kolumna) okładzinowych rur jest perforowany.

Przykład ten prezentuje szczególny przypadek, spotykany w praktyce przy poszukiwaniu gorących wód termalnych, gdy do otworu wiertniczego zapuszczana jest rura perforowana 12, umożliwiająca dopływ podziemnej wody termalnej do otworu, w razie natrafienia na warstwę wodonośną takiej wody.

W przypadku negatywnego wyniku wiercenia i braku dopływu wody podziemnej do takiego otworu, można dokonać adaptacji konstrukcji suchego otworu dla pobierania ciepła z gorącego gór otworu przy użyciu wymiennika otworowego według wynalazku.

Tak jak w poprzednich przykładach, konieczne jest odizolowanie rury perforowanej 12 od górotworu, aby mogła stanowić ona najniżej położoną część płaszcza wymiennika otworowego według wynalazku, W tym celu zapuszczona jest do otworu dodatkowa (nowa) kolumna z okładzinowych rur 1, a przestrzeń pomiędzy perforowaną rurą 12, i nową kolumną okładzinowych rur 1 jest wypełniona cementem.

Pozostałe cechy konstrukcyjne tego wymiennika otworowego odpowiadają cechom przedstawionym już w pierwszym i drugim przykładzie.

Przedstawiony wyżej przykład stanowi potwierdzenie szczególnych korzyści z zastosowania wynalazku w przypadku negatywnych prac poszukiwawczych realizowanych z wykorzystaniem głębokich wierceń z zapuszczaniem rur perforowanych.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Otworowy wymiennik ciepła o płaszczu, który stanowi okładzinowa rura wpuszczona na całą głębokość otworu wiertniczego, mający ulokowaną osiowo wewnątrz płaszcza wewnętrzną rurę, tak iż dolny koniec wewnętrznej rury jest usytuowany powyżej korka lub formacji geologicznej zamykającej od dołu płaszcz wymiennika, a ponadto wyposażony w usytuowaną na górnej części wymiennika głowicę, doprowadzającą do niego strumień chłodnej wody i wyprowadzającą z niego strumień wody podgrzanej energią geotermiczną, przy czym kanał wyprowadzający z wymiennika ogrzaną wodę stanowi wewnętrzna rura, a kanał doprowadzający chłodną wodę stanowi cylindryczna przestrzeń przy okładzinowej rurze, znamienny tym, że wewnętrzna rura (3) jest wyposażona w termiczny izolator gazowy, który zawiera otwartą ku dołowi otulinową rurę (7) usytuowaną koncentrycznie względem wewnętrznej rury (3), zaś w przestrzeni między otulinową rurą (7) i wewnętrzną rurą (3) zawiera sprężony gaz, przy czym pierścieniowa szczelina między wewnętrzną rurą (3) i otulinową rurą (7) jest przy górnym końcu tych rur zasklepiona, a cylindryczna przestrzeń między nimi jest połączona z gazowym króćcem (8).

   PL 222 919 B1
2. 2. Otworowy wymiennik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że otulinowa rura (7) jest ustabilizowana koncentrycznie na długości wewnętrznej rury (3).
3. 3. Otworowy wymiennik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że w górnej, przypowierzchniowej części wymiennika jego płaszcz jest odseparowany od górotworu osłonową rurą (9), a pomiędzy nią i płaszczem usytuowana jest izolacja cieplna (10), przynajmniej w formie powietrznej pustki.
4. 4. Otworowy wymiennik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że termiczny izolator gazowy zawiera sprężony azot.
5. 5. Otworowy wymiennik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że termiczny izolator gazowy zawiera sprężony ditlenek węgla.