Document 4747870
advertisement
Энергосбережение, использование возобновляемых источников энергии и защита окружающей среды являются одними из важных направлений использования струйных и тепловых насосов Соответствующие автономные установки автора и их элементы были запатентованы в России, США, Индии, Австралии, Италии и Франции Патент в США № 4979344 связан с использованием струйных и тепловых насосов в геотермальных установках Патент основан на обширных теоретических и экспериментальных исследованиях этих аппаратов на лабораторных установках и в полевых условиях при работе на бросовых скважинах Паужетского геотермального месторождения на Камчатке 2 Геотермальная установка для водо- и теплоснабжения со струйными и тепловым насосами Установка предназначена для горячего водо- и теплоснабжения потребителей, энергосбережения и исключения загрязнений окружающей среды Тепловой насос в этой установке улучшает ее показатели (ее производительность и КПД) и делает ее работу более устойчивой. Он улучшает работу струйного насоса в системе теплоснабжения и повышает температуру рассола перед извлечения из него различных ценных элементов Установка исключает также слив остающихся рассолов в природные водоемы, позволяя осуществлять их реинжекцию в пласт геотермального месторождения 3 Геотермальная установка со струйными и тепловым насосами • 1-геотермальная скважина , 2-сепаратор, 3&4-паровые сопла, 5-ступень высокого давления, 6- 2ступенчатый инжектор, 7-струйный насос (СН), 8-обогревающая сторона, 9-теплообменник, 10-жидкостные сопла СН, 11-источник пресной воды, 12-жидкостные сопла ступени низкого давления, 13-камера смешения 2ой ступени, 14-система теплоснабжения, 15-система подачи горячей воды, 16-тепловой насос, 17испаритель, 18-конденсатор, 19-обогреваемая сторона, 20-охлаждаемая сторона, 21-линия для промежуточного теплоносителя, 22-дроссель, 23-компрессор, 23-теплообменник, 24-гидропривод, 25охлаждаемая сторона испарителя, 26-линия для охлаждаемой жидкости в 1ой ступени, 27- обогреваемая сторона конденсатора, 28-скважина для реинжекции, 23,30, 32-вентили 4 Изучение различных конструкций струйных насосов малой производительности на Паужетском геотерм. месторождении Были разработаны, а затем испытаны в лаборатории ЭНИН и в реальных полевых условиях конструкции СН с различными подводами жидкости: с многоструйным; центральным; двухступенчатым подводами, а также с профилировкой камеры смешения в месте ее перехода к горловине диффузора Производительность лабораторных СН - до 1 т/ч Начальное паросодержание смеси - 0.05-0.2 Давление смеси до СН - 0.1-0.25 МПа Давление жидкости до СН - 0.08-0.1 МПа Давление в камере смешения - 10-20 кПа Давление за СН’s - 0.25-0.8 МПа Температура жидкости - 10-250C Температура горячего рассола - 70-950C Температура на выходе из СН - 40-950C Длина - до 0,5 м Вес - до 3 кг Типичное распределение давления 5 по длине струйного насоса Пример исследования различный аспектов работы инжекторов и процессов в нем (изучалось распространение жидких струй во влажном двухфазном потоке) Установка для исследования лабораторных инжекторов и струйного насоса СН-312 на геотермальной скважине РК-1 1 – геотермальная скважина; 2 – сепаратор; 3 – пароводяная смесь; 4 – лабораторный инжектор; 5 – струйный насос СН-312; 6 – пусковой бачок; 7 – подача горячей воды и теплоснабжение; 8 – пар к ГеоТЭС; 9 – горный ручей; 10 – местная речка; 11 – сброс в атмосферу при запуске; 12 – сброс рассола после сепаратора 7 Испытание струйного насоса СН-312 производительностью 20 т/ч бросовой скважине РЕ-1 Паужетского геотермального месторождения 8 Испытания в лабораторных и полевых условиях не выявили различий в показателях струйных насосов различных размеров и производительности при одинаковых начальных параметрах При конструировании струйных насосов (СН) большой производительности были использованы следующие данные: 1) Результаты теоретических исследований, включая и следующие безразмерные параметры: Z = Y (Y–½Y), (1) • • • • где Z=[(pвых–pкс)/ρ2w22] [(1+u)/(u+ω)]2; u =G2/G1; ω=w1/w2; pвых и pкс - это давления на выходе диффузора и в камере смешения; w1 и w2 скорости парожидкостной смеси и жидкости на входе в камеру смешения; G2 и G1 – соответствующие расходы; ρ2 – плотность жидкости; Y=[F2(1+u)2]/[Fdд(u+ω)u]; F2 и Fгд – площадь, занимаемая жидкостью на входе в кс и площадь горловины диффузора. В то же время pвых–pкс =ρ2(w12/2)kсм (2Y-Y2), (2) где kсм – коэффициент, учитывающий потери на смешение: он тем меньше, чем меньше u и ω (ω→1). 9 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СТРУЙНЫХ НАСОСОВ И МЕТОД ИХ РАСЧЕТА Получены новые данные по характеристикам и геометрии двухфазных сопел – сопл Лаваля и сопл с центральным телом при истечении в них высоковлажной двухфазной смеси. Измерение реактивной тяги сопл позволило определять эффективность сопл и значения общей скорости, а также скоростей и плотностей фаз на выходе из сопл различной геометрии. В соответствии с полученными нами расчетными и экспериментальными данными длина диффузорной части сопл оказалась значительной, тогда как угол ее раствора небольшим. Профиль этой части осесимметричного сопла Лаваля целесообразно выполнять по лемнискате. Оптимальное значение КПД сопла с центральным телом достигло 65%. Показано, что при большом перепаде температур между потоками в таком сопле (например, при работе на калии) и при значительных размерах таких сопл, требуемых при повышенной производительности струйных насосов, целесообразно выполнение теплоизоляции между жидкостным и двухфазным соплами. • 2) • 3) Получены новые данные, необходимые для расчета основного элемента струйных аппаратов-инжекторов - его камеры смешения. Результаты по изучению процессов распространения, распада и факела распыла жидкостных струй в двухфазном потоке, а также теория и эксперимент позволили определить оптимальную длину камеры смешения, которая близка к шести калибрам входного сечения этой камеры. При значениях диаметров жидкостного сопла dж конструкции с центральным подводом (эквивалентного диаметра – для конструкции с многоструйным подводом) и горловины диффузора dгд, близких друг к другу, получаются условия оптимальной работы инжектора, что связано с завершением процессов смешения потоков и образованием требуемой структуры потока на входе в горловину диффузора. Некоторый выирыш в КПД камеры смешения дает оптимальное и интенсивное сужение выходного конического участка камеры смешения в месте его перехода к цилиндрической части диффузора. • 4) В результате обширных лабораторных и натурных исследований инжекторов, а также оптических и гидродинамических изучений скачка давления предложено выполнять диффузор с цилиндрической и расширяющейся частями, причем длина горловины диффузора (участка постоянного сечения) равна (3÷ 5) dгд, а угол раствора его расширяющейся части 12-140. Оптимальным при этом оказывается протекание скачка давления в горловине диффузора. В качестве одного из методов запуска и регулирования работы струйного насоса предложены наборы сменных по размеру горловин в месте перехода от конфузорной камеры смешения к диффузорной выходной части. • 5) Наряду с оптимальными геометрическими соотношениями струйных насосов получены новые данные по оптимальным режимным характеристикам. Для конструкций с многоструйным и центральным подводами обнаружено влияние отношения скоростей парожидкостной смеси и жидкости на входе в камеру смешения ω на КПД инжекторов. Оптимумы при снижении ω получены соответственно при ω = 9 и 3. Наибольшее значение внутреннего КПД составило около 11%, что, по крайней мере, в 1,25 раз больше всех известных из литературы значений. О роли других безразмерных параметров (u, Y, kсм) можно судить по пункту (1), а все пункты (1) –(5), включая также одномерную теорию течения в камере смешения и диффузоре, изобретения и патенты по указанным и другим конструкциям инжекторов (всего 16 патентов) составили в целом метод расчета струйных насосов. 10 Геотермальная установка со струйными насосами для водоподъема, подачи воды и теплоснабжения I - геотермальная скважина K-16; 2 - сепаратор; 3 - пароводяная смесь; 4 - насос СН-312; 5 - насос СН-315; 6 - насос СН-316; 7 - подача горячей воды и теплоснабжение; 8 - сброс пара в атмосферу; 9 - пар к струйным насосам; 10-холодная вода из местной речки; 11-сброс в атмосферу при запуске; 12-сброс рассола после сепаратора; 13-расходомер холодной воды; 14-расходомер водя после насосов 11 Монтаж установки с насосом СН-312, а также с насосами СН315 и СН-316 производительностью 60 т/ч 12 Результаты работы установки со струйными насосамиСН-312, СН-315 и СН-316 • СН позволили подавать потребителю требуемый расход воды с температурой от 35 to 950C • Установка позволяет использовать тепло, пар и рассол после бросовых скважин ГеоТЭС, тем самым защищая окружающую природную среду • СН решают и другие проблемы, осуществляя реинжекцию рассола после сепараторов через скважины повторной его закачки в пласт геотермального месторождения, тем самым продлевая срок функционирования меторождения 13 Струйные насосы позволяют подавать рассол в систему извлечения из него ценных элементов Струйные насосы позволяют понижать минерализацию рассолов в 2-3 раза благодаря закачке пресной воды из природных источников и их перемешиванию с рассолом, что создает допустимое по стандартам содержание солей в воде систем подачи горячей воды и теплоснабжения В пределах изменения режимных и геометрических параметров нами не обнаружено влияния масштабного фактора на работу инжекторов 14 Жидкостно-газовые инжекторы Рабочей жидкостью в таких аппаратах является жидкость, находящаяся под высоким давлением Такие аппараты требуют другого подхода и метода расчета Был использован метод Ярославского политехнического института, в котором такие аэраторы разрабатывались для применения в химической и нефтехимической технологиях Образующийся в инжекторе дисперсный двухфазный поток аналогичен псевдоожиженному слою. Интенсивное взаимодействие между фазами позволяет использовать инжектор как аэратор и как абсорбер Прибор разработан для снижения содержания фенола в термальных вода 15 Водовоздушный инжектор (аэратор) для снижения содержания фенола в воде после геотермальной скважины месторождения в Махачкале (Дагестан) • • • 1 – геотермальная скважина: 2 – распределительная сеть: 3 - аэратор; 4 – канал для подвода атмосферного воздуха, 5 – форсунка для распыливания жидкости; 6 – для анализов и ипользования 16 Аэратор для очистки геотермальных вод Расчеты аэратора были выполнены: для давления воздуха 0,1 МПа, давления воды 0,3 МПа, температуры воздуха 100C, объемного коэффициента инжекции 1 – 5 В экспериментах: давление воды 0.02-0.11 МПа, ее температура 77-810C, температура воздуха 14-180C Аэратор работал с повышенным шумом. Анализ образцов воды на содержание фенола до и после сепаратора показали значительное снижение этого содержания в результате интенсивного перемешивания и массообмена воды с воздухом Очищенная вода по своим показателям подходит для бытового использования Высокая температура воды после аэратора позволяет использовать ее для теплоснабжения 17 Преимущества установок со струйными и тепловымb насосами Струйные насосы заменили крупномасштабные центробежные насосы для минерализованных жидкостей, имеющие в таких условиях короткий срок службы, и обеспечили возможности для энергосбережения Такие установки устраняют вредное воздействие на ОС, в частности, они понижают тепловое загрязнение, а также загрязнение ОС паром и солями Они позволяют использовать конечную воду в жилищнокоммунальном хозяйстве Тепловой насос повышает эффективность, рабочую устойчивость и надежность всей системы Такие установки являются многофункциональными Геотермальные системы с такими насосами могут работать непрерывно во времени, что положительно отличает их от систем с другими возобновляемыми источниками энергии Время разработки и сооружения таких установок 18 не превышает нескольких месяцев Совпадение результатов натурных испытаний насосов с данными экспериментальных лабораторных исследований инжекторов в тех же интервалах изменения параметров (в частности, при невысоких начальных давлениях жидкости) оказалось вполне удовлетворительным. В результате установка могла выполнять все предназначенные для нее функции. Сами лабораторные испытания различных конструкций инжекторов как и их натурные испытания проведены при очень низком начальном паросодерданиина входе, составлявшем около 0,1). Опыты, проведенные при низком (атмосферном) давлении воды, позволили рекомендовать использование таких насосов в автономных геотермальных установках, а также: - в качестве разгонного устройства для автономных космических и наземных установок и установок на других возобновляемых источниках энергии, включая солнечную энергию - для использования бросового тепла и подачи питательной воды на металлургических предприятиях, в котельных, ТЭС и т.д. - для реинжекции воды в пласт и повышения дебита скважин месторождений (не только геотермальных, но и нефтяных) - для медицинских и других целей, когда инжектор выполняет роль регулятора постоянства температуры используемой воды, и т.д. 19 Автономные энергетические установки со струйными и тепловыми насосами для водо и теплоснабжения Такие многофункциональные установки полностью автономны, малы по размерам и просты по конструкции, включают струйный аппарат, являющийся одновременно теплообменником с непосредственным контактом сред, конденсатором и насосом, позволяют использовать низкопотенциальное тепло для многих целей. Часть этого тепла непосредственно преобразуется в механическую энергию, а оставшаяся часть может быть использована для теплоснабжения, снабжения горячей водой и в системе извлечения ценных элементов. Все основные процессы происходят в струйных насосах, которые могут быть одно- или многоступенчатыми и иметь различную конструкцию, и в тепловом насосе. Высокое давление на выходе из струйного насоса позволяет подавать жидкость на большую высоту и расстояние, запасать ее и использовать, например, в геотермальной установке для реинжекции рассолов в пласт месторождения. Тепловой насос повышает эффективность, рабочую устойчивость и надежность всей системы, а также расширяет возможности ее использования Установки с такими насосами достаточно просты в обслуживании и изготовлении могут работать на минерализованных водах. Область использования установок существенно расширяется благодаря возможности регулирования выходного давления и температуры воды. Такие установки не загрязняют окружающую среду, просты по конструкции, надежны в работе, недороги, достаточно эффективны в работе и имеют небольшой срок окупаемости. 20 Спасибо за внимание! Рад быть Вашим партнером в совместных работах vikab211@gmail.com 905-702-1171 21
