SK500242019U1

SK500242019U1 - Geotermálny výmenník na získavanie geotermálnej energie zo suchých hornín prostredníctvom teplonosného média

Info

Publication number: SK500242019U1
Application number: SK500242019U
Authority: SK
Inventors: Jaroslav Longauer; Ivan Kočiš; Tomáš Krištofič
Original assignee: Ga Drilling As
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2019-12-02
Also published as: WO2020197511A1; EP3762663B1; EP3762663A1; SK8762Y1

Abstract

Spôsob získavania geotermálnej energie zo suchých horúcich hornín v uzavretom okruhu geotermálneho výmenníka pomocou cirkulujúceho teplonosného média zahŕňa prenos tepla získavaného z teplonosných hornín do teplonosného média v uzavretom obehovom okruhu s minimalizáciou tepelných a hydraulických strát, ako aj minimalizáciou jej strát netesnosťami vrtu pomocou vhodne navrhnutej geometrickej konfigurácie geotermálneho výmenníka. Potrubné vedenie teplovýmennej produkčnej časti (3) je vytvorené stúpajúco v smere od bodu A k výstupnej časti (4) geotermálneho výmenníka, kde uhol stúpania je 1° až 20° od horizontálneho smeru.

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka geotennálneho výmenníka na získavanie geotermálnej energie zameranej predovšetkým na energiu získavanú zo suchých hornín hlbinných vrtov.

Doterajší stav techniky

Získavanie tepla a výroba elektrickej energie z geotermálnej tepelnej energie ako jedna z mála oblastí energetiky nie je pri výrobe zaťažená generovaním skleníkových plynov a emisií. Práve vďaka tejto črte teplo z geotennálneho výmenníka predstavuje významnú a príťažlivú alternatívu konvenčnej výroby tepelnej ako aj elektrickej energie z fosílnych palív. Má jednu z najnižších emisných, karbónových stôp, avšak jej dostupnosť je limitovaná prírodnými danosťami a vysokými technologickými nárokmi kladenými na zariadenia potrebné pre získavanie geotennálneho tepla. Výhodou geotermálnej energie je rovnomerná a neprerušovaná produkcia tepla v zemskom plášti a jadre. Táto skutočnosť umožňuje pokryť základné energetické potreby a to prakticky kdekoľvek, keďže teplo je v danej hĺbke vždy dostupné a nezávislé od výkyvov na zemskom povrchu (najmä hydro-meteorologickými vplyvmi).

Množstvo využiteľného tepla získané z hornín je limitované produkovaným tepelným výkonom a jeho teplotnou úrovňou. Na množstvo získaného tepla má významný vplyv:

• tepelná vodivosť samotných hornín. Zastúpené horniny majú významne sa líšiace teplo -vodivé vlastnosti. Čoho dôsledkom sú rôzne výkony výmenníka pri rovnakom teplotnomgradiente.

• vertikálny teplotný gradient, ktorý je daný rozdielom teplôt medzi dvoma miestami umiestnenými vertikálne nad sebou s rôznou hĺbkou.

Pojem Suché horniny vymedzuje samotnú horninu v geologickom podloží pod zemským povrchom S narastajúcou hĺbkou rastie teplota hornín.

Teplo suchých hornín je názov technickej oblasti vymedzenej na získavanie tepelnej energie z horúcich suchých hornín v angličtine známe pod termínom Hot Dry Rock (HDR), v ktorej sa uplatňujú inžinierske geotermálne systémy (EGS).

Geotermálny výmenník je zariadenie na získavanie tepla z hornín.

Ultrahlboký geotermálny výmenník - tvorený sústavou potrubných vedení vytvorených v suchej horúcej hornine dosahujúcich hĺbok 5 až 10 km v budúcnosti aj 15 až 20 km pre získavanie energie pri superkritických podmienkach. Vyznačuje sa vetvením potrubných vedení a pozostáva z funkčných častí rozdelených podľa ich hlavných črt: vstupnej časti výmenníka, teplo-výmennej-produkčnej časti výmenníka a výstupnej časti výmenníka. Získané teplo je odovzdávané v nadzemnej výmenníkovej stanici.

Nadzemná výmenníková stanica - miesto odovzdávania tepelnej energie z teplonosného média do distribučných sietí spotreby tepla. Nadzemná časť pozostáva z odovzdávacej resp. výmenníkovej stanice a spotrebičov tepla.

Vstupná časť výmenníka je časť výmenníka tvorená potrubným vedením, ktorá slúži na rozvod a prívod teplonosného média z povrchu do hlbinnej teplo produkčnej časti.

Teplo-výmenná produkčná časť výmenníka je časť, kde dochádza k najintenzívnejšiemu prestupu tepla vzhľadom na najvyšší rozdiel teplôt medzi teplonosnýmmédiom a horninou.

Výstupná časť výmenníka - je časť výmenníka, ktorá slúži prioritne na transport, minoritne na prenos a zisk tepla. Je tvorená potrubným vedením vytvoreným v rastlej hornine, ako aj vloženou výstužou v prevažne sedimentámych vrstvách horniny.

Rozdeľovače a zberače - pozostávajú z potrubných vedení, ktoré podľa potreby rozdeľujú a spájajú vetvy vedení do uzavretého okruhu.

Teplonosné médium - tekutina využívaná na prenos tepla.

Stena potrubného vedenia - výhodne vytvorené in-situ z hornín s hladkým a tesným povrchom V častiach horninového masívu, kde sa nachádzajú sypké, sedimentáme horniny je časť vedenia vyhotovená rúrami.

Teplonosná zberná plocha - súčasť teplo-výmennej produkčnej časti výmenníka tvorená s plošného zväzku potrubných vedení.

Spôsob získavania geotermálnej energie možno rozdeliť do troch základných skupín:

• Hydrogeotermálne systémy. Hydrogeotermálmy spôsob získavania energie je podmienený existenciou vhodného, v geologických formáciách vytvoreného, vodného zásobníka, tzv. aquifera.

• Otvorené systémy - Hydraulicky stimulované geotermálne systémy (Enhanced Geotermal Systems (EGS)). V prípade EGS systému sa využívajú špecifické vlastnosti podložia horninového komplexu, najmä priepustnosť. Ak nie je priepustnosť, je potrebné ju stimulovať, dodatočnými inžinierskymi postupmi. Nakoľko sa v týchto systémoch prirodzene nevyskytuje vodný zásobník, je potrebného vytvoriť. To si vyžaduje

S K 50024-2019 U1 veľké množstvo vody s objemom niekoľkých km³, čo výrazne znižuje využiteľnosť tejto technológie najmä v oblastiach s nedostatkomvody.

• Uzavreté systémy - Engineered Geothermal Systems (EGS). Výmenníky s uzavretým okruhom sú známe najmä z oblasti tzv. „plytkej geotermie”. V existujúcich realizáciách využívajú teplonosné médium cirkulujúce vo výmenníku s uzavretým a tesným okruhom konštruovanom priamo vo vrte. Horniny vo väčších hĺbkach umožňujú dosiahnuť vyššie teploty, no koncept konštruovaného výmenníka zplytkej geotermie to kvôli svojej architektúre/rozmerom neumožňuje. Vytvorenie výmenníka vo väčších hĺbkach vyžaduje inžinierske riešenie a nové technologické postupy.

Spotreba teplonosného média v uzavretom geotermálnom systéme je rádovo nižšia ako pri otvorených výmenníkoch. Vzhľadom na potrebnú tesnosť a inštaláciu komplexného funkčného výmenníka má tento výmenník svoje technické a hĺbkové obmedzenia. Teplonosné médium s vyššou výstupnou teplotou možno uplatniť vo viacerých tepelných, na vyššie formy energie transformovateľných, procesoch. To prináša väčšie možnosti uplatnenia.

Väčšina publikovaných patentov a patentových prihlášok zaoberajúcich sa problematikou výmeny tepla z geotermálnych vrtov je odvodených z oblasti poznatkov vychádzajúcich z konceptu výmenníkov plytkej geotermie.

Prvé patentované koncepty extrapolovali koncept plytkej geotermie do hĺbky, preberali hlavné črty, ďalšie riešili geometriu za účelom zväčšenia teplo-výmenných plôch a tvorby výmenníka konvenčnými vŕtacími technológiami v hornine.

O. K. Sonju a koľ, v patentovej prihláške US 20160245550 Al, popisujú geotermálnu elektráreň s koaxiálnym vedením vstupného a výstupného potrubia. Produkčné vetvy sú vedené predovšetkým v horizontálnom smere. Patent zahŕňa i postup vytvárania jednotlivých vetiev geotermálneho výmenníka, kedy výmenník je plne funkčný aj pri ďalšom rozširovaní vetiev výmenníka. Nevýhoda koaxiálneho prevedenia v súčasnom ochladzovaní vystupujúceho zohriateho média je hlavnou nevýhodou tejto geometrie a vyskytuje s a vo viace rých patentoch a patentových prihláškach v oblasti využitia geotermálnej energie.

V patente US 6 247 313B1 (WO 98/22760) pôvodcov P. H. Moe, K. M. Rabben, popisuje zariadenie využívajúce geotermálnu energiu a viaceré geometrické prevedenia. Vstupná časť je samostatná a v hĺbke minimálne 1 000 m sa horizontálne alebo vertikálne vetví. Vystupujúca časť zviera s vetvami ostrý uhol. Táto geometria vyžaduje vyššie nároky na čerpadlá (čo znižuje efektivitu využitia energie v systéme). Jedným z dôvodov sú ostré uhly v geometrii, ktoré majú za dôsledok, vďaka zvýšenému hydraulickému odporu, výrazné hydraulické straty. Priemer vstupného a výstupného potrubia je rovnaký.

V patentovej prihláške D. L Micklesona, US 2007245729 Al je geotermálny systém v tvare písmena U. Vstup média môže byť vzdialený od výstupu aj 5 km, čo je v prípade hlbinných vrtov technicky náročné na vytvorenie. Takýto systém má zároveň vysoké požiadavky na výkon čerpadiel na prekonanie hydraulických strát, čo v konečnom dôsledku znižuje efektivitu získavania geotermálnej energie.

Ďalšou významnou skupinou geotermálnych výmenníkov sú otvorené systémy, opísané napr. v patente US 6 668 554 BI. V takýchto systémoch je potrebná vyššia spotreba pracovného média, keďže steny výmenníka nie sú tesné. V prípade použitia vody ako média je využiteľnosť týchto systémov veľmi závislá od dostatku vodných zdrojov. D. W. Brown opisuje aj využitie CO2 ako pracovného média, namiesto vody. To predstavuje určité výhody z pohľadu rozpustnosti minerálnych látok v médiu (CO2 oproti vode). Naopak, prítomnosť CO2 ako pracovného média výrazne ovplyvňuje tlakové závislosti fyzikálnych vlastností média a fázové zmeny pri vyšších tlakoch.

Dôležitou črtou, prakticky pre všetky spôsoby získavania tepla geotermálnym spôsobom, je geometrické usporiadanie. Pre koaxiálne geotermálne výmenníky tepla je charakteristická geometria, kde je vstup média obklopený vystupujúcim médiom alebo naopak. V patente US8708046 B2 C. Montgomery a kol. je vstup média v strede a výstup po okrajoch. Opačný prípad: vstup po obvode a výstup v strede je prezentovaný v patente EP0830550 J. H. Shnella.

V oboch prípadoch je vďaka tejto geometrii jednoduchšia konštrukcia geotermálneho výmenníka. Vďaka tejto koaxiálnej geometrii je ale nižšia účinnosť získavania energie, keďže dochádza k výraznému chladeniu horúceho vystupujúceho média vstupujúcim chladným médiom

Samotný spôsob získavania geotermálnej energie môže prebiehať dvomi základnými princípmi • prenosom energie využitím chemických reakcií • fyzikálnym spôsobompomocou teplonosného média.

Hlavným spôsobom získavania energie v patente J. H. Shnella je využitie geotermálnej energie na endotermickú reakciu a po transporte média na povrch sa energia uvoľňuje pomocou exotermickej reakcie. V prípade endotermickej reakcie je uvažovaný katalytický rozklad etanolu na vodík a etylén oxid. Exotermickoii reakciou je spätná reakcia za vzniku etanolu. Nedostatkom takéhoto prístupu je komplikovanosť pri separácii. Nevyhnutná je prítomnosť katalyzátora (paládium alebo meď) vo vnútri vrtu. Okrem finančnej náročnosti použitie takýchto materiálov predstavuje výrazné environmentálne riziko.

Bežnejším je spôsob získavania energie pomocou teplonosného média. Princíp, vysvetlený v patente

S K 50024-2019 Uí

EP1995457B1 N. Kudrina, spočíva v injektáži studeného média na povrchu, jeho následného zohriatia v potrubiach geotermálneho výmenníka a odovzdaní tepelnej energie. Ochladené médium sa môže opätovne využiť. Detailnejší opis je obsiahnutý v patentovej prihláške US 4 357 802 A E. F. Wahl ΙΠ. a F. B. Boucher. V ich vynáleze je uvedených niekoľko rôznych teplonosných médií, ako napr. uhľovodíky a CO2. Dôležitou súčasťou celého procesu sú aj zmeny skupenstva a s tým súvisiace zmeny fyzikálnych vlastností - predovšetkým hustoty. V prípade niektorých teplonosných médií, ako napr. halogénderiváty uhľovodíkov, je otázna ich využiteľnosť kvôli ich toxicite a ekologickému dopadu. V prípade použitia plynných médií je potrebné ich rozpustiť v teplonosnom transportnom médiu. V opačnom prípade by to viedlo k zvýšeniu nákladov na transport médií.

CN 103362442 A opisuje popri otvorenom aj uzavretý systém geotermálneho (GT) výmenníka. Zameriava sa na spojenie dvoch vrtov, prostredníctvom pomocného vrtu, so zabezpečenímzrovnomemenia prietoku teplonosného média v teplo výmenných vetvách. Pôvodcovia sa zaoberali len riešením hydraulický ch strát a nezaoberali sa zvyšnými vplyvmi na celkove tlakové pomery vo výmenníku.

Podstata technického riešenia

Uvedené nedostatky výmenníkov tepla, uvedených v predchádzajúcej časti, sú do veľkej miery odstránené geotermálnym výmenníkom tepla na získavanie geotermálnej energie zo suchých hornín prostredníctvom teplonosného média s uzavretým okruhom s vysokou teplotou nad 130 °C výhodne nad 190 °C a ešte výhodnejšie nad 250 °C, prípadne vyššou na výstupe na zemský povrch. Výmenník obsahuje spätno-tlakový uzáver, teplonosné médium, potrubné vedenie vytvorené vriacou technológiou v horninovom masíve. Výmenník môže obsahovať čerpadlo na načerpanie teplonosného média do potrubného vedenia. Potrubné vedenie geotermálneho výmenníka pozostáva z minimálne jednej klesajúcej vstupnej časti potrubného vedenia na privedenie teplonosného média do hĺbky 2,5 až 20 km Na klesajúcu vstupnú časť je napojená teplovýmenná produkčná časť potrubného vedenia, a na teplovýmennú produkčnú časť je napojená výstupná časť potrubného vedenia. Podstatou geotermálneho výmenníka podľa tohto technického riešenia je, že potrubné vedenie teplovýmennej produkčnej časti je vytvorené stúpajúco v smere od bodu A k výstupnej časti výmenníka, kde uhol stúpania je 1° až 20° od horizontálneho smeru, pričom teplovýmenná produkčná časť obsahuje minimálne dve vetvy potrubného vedenia a kde klesajúca vstupná časť potrubného vedenia je kratšia než súčet dĺžok stúpajúceho potrubného vedenia teplovýmennej produkčnej časti a stúpajúcej výstupnej časti z hľadiska prúdenia teplonosného média; pričom najnižší bod geotermálneho výmenníka je označený ako bod A; ďalej obsahuje rozdeľovač, umiestnený za najnižším bodom A, na vytvorenie vetiev teplovýmennej produkčnej časti a zberač na spojenie vetiev potrubného vedenia teplovýmennej produkčnej časti na prechode do výstupnej časti, a kde rýchlosť prúdenia teplonosného média vo výstupnej časti je vyššia, ako je rýchlosť prúdenia teplonosného média v teplovýmennej produkčnej časti, pričom rýchlosť prúdenia teplonosného média vo vstupnej a teplovýmennej produkčnej časti výmenníka je nižšia ako 0,8 nvs na zabezpečenie čo najnižších hydraulických strát.

Podľa tohto výhodného uskutočnenia rýchlosť prúdenia teplonosného média v teplovýmennej produkčnej časti je od 0,1 až 0,3 nVs.

Podľa ďalšieho výhodného uskutočnenia priemer potrubného vedenia výstupnej časti je menší ako je priemer potrubného vedenia vstupnej časti výmenníka.

Podstatou tohto technického riešenia je aj geotermálny výmenník tepla na získavanie geotermálnej energie zo suchých hornín prostredníctvom teplonosného média s uzavretým okruhom na získanie vysokého tepelného výkonu pri nízkej teplote na výstupe 60 až 130 °C, obsahujúci spätno-tlakový uzáver, teplonosné médium, potrubné vedenie vytvorené vriacou technológiou v horninovom masíve, ďalej môže obsahovať čerpadlo na načerpanie teplonosného média do potrubného vedenia, potrubné vedenie geotermálneho výmenníka pozostáva minimálne z jednej klesajúcej vstupnej časti potrubného vedenia na privedenie teplonosného média do hĺbky 2,5 až 20 km na klesajúcu vstupnú časť je napojená teplovýmenná produkčná časť, a na teplovýmennú produkčnú časť je napojená výstupná časť potrubného vedenia. Podstatou tohto typu geotermálneho výmenníka je, že vstupná časť potrubného vedenia je klesajúca pod uhlom 3 až 8° od vertikálneho smeru je kratšia než súčet dĺžok stúpajúceho potrubného vedenia teplovýmennej produkčnej časti a stúpajúcej výstupnej častipotrubného vedenia geotermálneho výmenníka z hľadiska prúdenia teplonosného média; a kde najnižší bod geotermálneho výmenníka je označený ako bod A. Potrubné vedenie teplovýmennej produkčnej časti je vytvorené stúpajúco v smere od bodu A kvýstupnej časti výmenníka, kde uhol stúpania je 1° až 20° od horizontálneho smeru, pričom teplovýmenná produkčná časť pozostáva z minimálne dvoch vetiev potrubného vedenia, rozdeľovača umiestneného za najnižším bodom A, na vytvorenie vetiev teplovýmennej produkčnej časti, kde priemer potrubného vedenia vetiev teplovýmennej produkčnej časti je rovnaký ako je priemer potrubného vedenia vstupnej časti. Rýchlosť prúdenia teplonosného média v teplovýmennej produkčnej časti je minimálne 1,3 nvs, pri prietoku 33 l/s; Ďalej obsahuje zberač na spojenie vetiev potrubného

S K 50024-2019 U1 vedenia na prechode do výstupnej časti, pričom rýchlosť prúdenia teplonosného média vo vertikálnej výstupnej častivýmenníka je 2 až 5 nťs, výhodne2,4 až 3,2 nýs.

Podľa výhodného uskutočnenia geotermálneho výmenníka tohto typu teplovýmenné produkčné vetvy potrubného vedenia, majú priemer 4 až 9“ a rovnakú dĺžku.

Podľa ďalšieho výhodného uskutočnenia tohto typu geotermálneho výmenníka rýchlosť prúdenia teplonosného média v teplovýmennej produkčnej časti je vyššia ako 0,5 nýs.

Pri oboch typoch geotermálnych výmenníkov je potrubné vedenie vstupnej časti vytvorené v prevažne šikmom zvislom smere a je napojené na potrubné vedenie teplovýmennej produkčnej časti minimálnym polomerom ohybu, ktorý dovoľuje vŕtacia technológia. Podľa výhodného uskutočnenia môže byť horná časť potrubného vedenia vstupnej časti a/alebo výstupnej časti v blízkosti povrchu spevnená pažením Podľa výhodného uskutočnenia potrubné vedenie teplovýmennej produkčnej časti za bodom A inklinačne môže stúpať pod uhlom 3° až 15° od horizontálneho smeru. Teplovýmenná produkčná časť môže obsahovať 2 až 6 vetiev, spájajúcich sa v zberači, pričom vzájomná vzdialenosť stredných častí vetiev potrubného vedenia teplovýmennej produkčnej časti je 550 až 750 m Podľa výhodného uskutočnenia teplonosným médiom môže byť voda.

Podstatou tohto technického riešenia je aj geotermálny výmenník vhodný na maximalizáciu získavanej teploty teplonosného média ako aj na maximalizáciu množstva získaného tepla, ktorého podstatou je, že obsahuje teplonosné médium a potrubné vedenie vytvorené vriacou technológiou, kde potrubné vedenie obsahuje tri vstupné časti, smerujúce šikmo nadol pod uhlom 10° až 25° od vertikálneho smeru, a ktorých vstupy na povrchu vytvárajú vrcholy rovnostranného trojuholníka, a ku každej vstupnej časti je pripojená samostatná teplovýmenná produkčná časť, pozostávajúca z dvoch až troch vetiev smerujúcich smerom nahor pod uhlom 1 až 20° od horizontálnej roviny k zvislej osi prechádzajúcej stredom rovnostranného trojuholníka, pričom každá teplovýmenná produkčná časť má samostatný výstup, ktorý ústi do výstupnej časti geotermálneho výmenníka prebiehajúcej smerom nahor v smere zvislej osi prechádzajúcej stredom rovnostranného trojuholníka, pričom vstupná a výstupná časť sú definované z hľadiska prúdenia teplonosného média.

Podľa výhodného uskutočnenia tento geotermálny výmenník môže obsahovať tri vstupné časti a jednu výstupnú časť, pričom v zmysle smeru prúdenia teplonosného média je každá vstupná časť za bodom A samostatne rozdelená rozdeľovačom do troch vetiev teplovýmennej produkčnej časti a kde dve vonkajšie vetvy sú usporiadané symetricky okolo vnútornej vetvy v rovine stúpajúcej k osi výstupnej časti pod uhlom 10 až 20° od horizontálnej roviny a všetky tri vetvy tej istej teplovýmennej produkčnej časti sú spojené zberačom, kde stredný perimeter výmenníka, je 635 m a v tejto vzdialenosti od osi výstupnej časti môžu byť jednotlivé susedné potrubné vedenia tej istej teplovýmennej produkčnej časti, v každej z troch teplovýmenných produkčných častí, od seba rovnomerne vzdialené 333 m; a vzdialenosť vonkajších vetiev dvoch susedných teplovýmenných produkčných častí môže byť 627 m a kde vo vzdialenosti od stredu geotermálneho výmenníka 943 m môže byť vzájomná maximálna vzdialenosť vonkajších vetiev tej istej teplovýmennej produkčnej časti je 860 m a vzájomná maximálna vzdialenosť vonkajších vetiev dvoch susedných teplovýmenných produkčných častí môže byť 1021 m a polomer výmenníka od osi výstupnej časti ku každému rozdeľovaču vo vodorovnej rovine môže byť 1320 m

Podľa výhodného uskutočnenia všetky vetvy každej teplovýmennej produkčnej časti majú rovnaký priemer.

Tok tepla z horniny do teplonosného média je určený tepelnými vlastnosťami hornín a teplotným gradientom Odoberané teplo z hornín z pohľadu tepelného stavu pozostáva z akumulačnej a dynamickej zložky tepla.

• Akumulačná zložka tepla predstavuje teplo, ktoré je v hornine uložené. V najväčšej miere je odoberané z horniny v počiatočnej fáze činnosti výmenníka, čiže v čase nábehu výmenníka (rádovo v mesiacoch).

• Dynamická zložka tepla predstavuje teplo privádzané k výmenníku zo zemského jadra. Podiel dynamickej zložky voči akumulačnej sa s časom zväčšuje, až sa stabilizuje.

Z pohľadu času a samotnej prevádzky výmenníka sa rozlišujú počiatočná a stabilná fáza. Počiatočná fáza končí stabilizáciou teplotného gradientu v hornine. Pre prevádzku a životnosť výmenníka je podstatná stabilná fáza. Po počiatočnej fáze akumulačná zložka s časom výrazne klesá na úroveň rádovo jednotiek percent. Vtedy je teplo prechádzajúce neohraničeným masívom z horniny zastúpené prevažne privedeným tokom tepla z odľahlejších častí horninového masívu geologického útvaru.

Geometria výmenníka (vzdialenosti potrubných vedení v teplovýmennej produkčnej časti) je navrhovaná pre prevádzku výmenníka v stabilnej fáze.

So vzrastajúcou vzdialenosťou, od potrubného vedenia výmenníka, rastie teplota, ktorá v určitej konkrétnej vzdialenosti vždy dosiahne teplotu neovplyvnenej horniny. Jej veľkosť určuje minimálnu neovplyvnenú vzdialenosť medzi potrubnými vedeniami z pohľadu teplotného ovplyvnenia pri návrhu jednotlivých vetiev výmenníka.

Tepelná vodivosť horniny a geometrické rozmery potrubného vedenia ovplyvňujú veľkosť tepelného toku do potrubného výmenníka. Keďže sa jedná o radiálne (kruhové) štruktúry potrubného vedenia v hornine,

S K 50024-2019 U1 s klesajúcou vzdialenosťou od potrubného vedenia rastie hustota tepelného toku, ako aj teplotný gradient. Limitným parametrom oboch veličín je teplotná vodivosť horniny. Obmedzujúcim parametrom tepelného toku, čiže výkonu výmenníka je tepelná vodivosť v hornine a nie tepelná vodivosť v teplonosnom médiu tak ako je tomu vo výmenníkoch v bežných tepelných procesoch.

V potrubných vedeniach geotermálneho výmenníka zabezpečuje prenos tepla obiehajúce teplonosné médium, ktoré je súčasťou výmenníka.

Základnou kvalitatívnou veličinou využiteľnosti geotermálneho tepla z výmenníka je teplota. Čím je teplota teplonosného média na výstupe vyššia, tým je vyššia využiteľnosť tepla vo viacerých technológiách. S narastajúcou teplotou klesajú aj požiadavky na výkon prenášaný tep lonosným médiom Naopak, čím je teplota teplonosného média nižšia, tým je jej technologická využiteľnosť menšia. Efektivita výroby elektrickej energie so znižujúcou s a teplotou významne klesá.

Podstatou efektívneho získavania tepla pomocou geotermálneho výmenníka je návrh vhodnej geometrie a prietoku výmenníka na získanie teplonosného média s vysokou teplotou teda teplotou nad 130 °C, výhodne 170 °C na povrchu. To umožňuje širšie využitie tepelnej energie vo viacerých aplikáciách za sebou.

V budúcnosti pri hĺbkach až 20 km vhodný návrh geometrie umožňuje dostať ďaleko viac energie do teplonosného média pokiaľ s a výmenník bude nachádzať v superkritických podmienkach.

Maximalizácia získanej teploty a maximalizácia množstva tepla sú navzájom protichodné požiadavky. Vyžadujú odlišné prístupy pri návrhu geometrických parametrov výmenníka.

• Pri potrebe zisku vysokej teploty je podstatou nízka rýchlosť prúdenia a dlhá časová zdrž teplonosného média v teplovýmennej produkčnej časti výmenníka a následne čo najvyššia rýchlosť vo výstupnej časti výmenníka.

• Pri maximalizácii množstva tepla, na povrch dopraveného získaného tepla je potrebná vysoká rýchlosť prúdenia a veľký prietok teplonosného média v teplovýmennej produkčnej a výstupnej časti výmenníka.

To, aký koncept výmenníka sa zvolí, závisí od aplikácií a požiadaviek, pre ktoré je získané teplo (resp. dosiahnutá teplota) určené. Nie je vhodné kombinovať oba spôsoby prevádzky v jednom návrhu výmenníka.

Vhodná konštrukcia a geometria geotermálneho výmenníka je dôležitá pre minimalizáciu tlakových a hydraulických strát a zvýšenie výstupnej teploty súčasne. Hlavnou črtou výmenníka sú samostatné a tesné potrubné vedenia v prevažne vertikálnom smere vo vstupnej a výstupnej časti. Vhodné rýchlosti prúdenia kvapaliny a súčasne akceptovateľné hydraulické straty sú pre dopravu teplonosného média dosahované pri rýchlostiach menších ako 0,8 nýs. Teplo-produkčná časť je horizontálno-stúpajúca, s uhlom stúpania do 20°, výhodne do 5°. Z pohľadu hydraulických strát je nevýhodná čisto horizontálna geometria.

Pretlakový okruh výmenníka musí obsahovať technické prvky zabezpečenia. Vstup vstupnej časti výmenníka je vybavený bezpečnostnýmspätno-tlakovým uzáverom a potrubným vedením

Potrubím sa podľa možnosti priamočiarym spôsobom privádza médium k horúcej teplo-produkčnej vrstve hornín. Vo vstupnej časti výmenníka potrubné vedenie prechádza cez vrchné usadené vrstvy hornín, kde z dôvodu ich nízkej pevnosti a tesnosti je vedenie teplonosného média spevnené a utesnené pažením prenášajúcim tlak pri pretlakovaní média do hlbších oblastí a zabraňujúcim úniku teplonosného média. Paženie a izolácia v hĺbke viac ako 1-2 km nie je technicky ani ekonomicky únosné.

Základnou charakteristikou vstupnej časti výmenníka v porovnaní s ostatnými časťami výmenníka sú tlakové straty a termovztlaková sila. Termovztlaková sila rastie s narastajúcou teplotou, avšak iba vo vstupnej časti pôsobí proti smeru prúdenia tekutiny Ftz + FtY > Ftx (obr. 4b), čo sa prejavuje v celkovompoklese tlakových strát (ptherm na obr. 2). Preto je dôležité dosiahnutie optimálnej rýchlosti prúdenia kvapaliny priminimalizácii hydraulických strát (čiarkovaná čiara na obr. 7, dpdyn)·

Minimalizácia hydraulických strát výmenníka ako celku sa dosahuje tým, že vstupné časti potrubného vedenia výmenníka sú klesajúce a vo svojej dĺžke predstavujú kratšiu časť v porovnaní k súčtu tepelnoprodukčných a výstupných častí výmenníka, ktoré sú stúpajúce. Návrh geometrie obsahuje kratšie/dlhšie vetvy, s cieľom znížiť hydraulické straty.

Základnou črtou výmenníka z pohľadu teplo-výmenného média je, že teplonosné médium s narastajúcou hĺbkou prichádza do kontaktu s okolitými horninami a ich rastúcou teplotou, pričom s a od nich ohrieva (pozri obr. 7). Poklesom hustoty v menšom hĺbkovom intervale sa znižujú tlakové nároky pri cirkulácii teplonosného média. S narastajúcim tlakom a teplotou hustota neklesá, ale entalpia média rastie. To spôsobuje termovztlakovú silu, ktorá sa prejavuje kladne v stúpajúcich častiach výmenníka, negatívne v klesajúcich častiach (obr. 4b). Najväčší vplyv termovztlakových síl je v časti s najväčším prírastkom tepla a to je v stúpajúcej teploprodukčnej časti výmenníka.

V teplo-produkčnej časti výmenníka je výhodné zabezpečiť čo najväčšiu plochu prestupu tepla. Súčasné zväčšenie plochy a zníženie prietoku prispieva k zníženiu hydraulických tlakových strát vynaložených na obeh teplonosného média. S poklesom prietoku teplonosného média rastie teplota teplonosného média vzhľadom na dĺžku potrubného vedenia a rastie aj výstupná teplota.

Významným spôsobom regulácie prietoku v teplo-produkčnej časti výmenníka je nadimenzovanie vetvenia-rozdeľovačom a zberačom Vetvenie je podmienené:

S K 50024-2019 U1 • rozšírením zbernej plochy za účelom zberu tepla • získavaním termohydraulického silového účinku • minimalizáciou hydraulických požiadaviek okruhu • urýchlením prietoku v časti, kde dochádza k stratám tepla s cieľom minimalizácie ochladenia teplonosného média a za účelom dosiahnutia čo najvyššej výstupnej teploty z okruhu

Pre rovnomerné a plnohodnotné využitie vetiev a maximalizáciu tepelnej výmeny z horniny do teplonosného média je pri rovnakých priemeroch potrubných vedení potrebné zabezpečiť rovnaký prietok. Keď tomu tak nie je, niektoré vetvy prenesú až niekoľkokrát menej tepla, čím sa tepelný výkon celého systému teploprodukčnej časti znerovnomerňuje a znižuje. Rovnaký prietok je možné zabezpečiť rovnakými dĺžkovými proporciami, t. j. keď sú vetvy ekvidištančné, alebo reguláciou t. j. zrovnomemením prietoku medzi nimi, napríklad škrtením. Realizácia škrtenia v odľahlej a neprístupnej štruktúre je ale náročná. V prípade, že je tak urobené bez regulácie, jednotlivé vetvy majú nerovnomerný výkon, odlišné teploty teplonosného média a výstupná teplota je nižšia.

K pozitívnemu pôsobeniu termovztlaku na teplonosné médium dochádza v častiach výmenníka. Pri zmenšujúcej sa hĺbke, rastie teplota teplonosného média a klesá jeho hustota. Naopak v časti výmenníka, kde sa zväčšuje hĺbka a rastie teplota teplonosného média pôsobi termovztlak proti smeru toku média. Táto časť je pri celkovom pozitívnom pôsobení termovztlaku kratšia ako časť, kde termovztlak pôsobí v smere toku média.

Primárnou funkciou výstupnej časti je minimalizovať tepelné straty a pokles teploty teplonosného média, čo sadosahujenasledovnýmiopatreniami:

• urýchlením toku a to úpravami potrubného vedenia zúžením prierezu • zmenšením teploprestupnej plochy vo výstupnej časti výmenníka, čím sa znižuje spätný tepelný tok z teplejšieho teplonosného média do studenšej horniny.

• spojením viacerých tokov za účelom zmenšenia mernej teplovýmennej plochy prostredníctvom zvýšenia rýchlosti.

Vbode B, ktorý sa nachádza vo výstupnej časti výmenníka, teplota teplonosného média prekročí teplotu steny. Zmení sa smer tepelného toku a teplonosné médium sa začína ochladzovať. Výstupná časť je rozdelená bodom B na dve odlišné časti. Vo výstupnej časti pred bodomB sa teplo ešte získava, pričomza bodomB je výhodné s narastajúcim rozdielom teplôt redukovať tepelné straty a podľa ekonomickej výhodnosti túto časť výmenníka izolovať z hĺbky maximálne 1 km od povrchu až po výmenníkovú stanicu. Nárastom prietokovej rýchlosti, skrátením času zdrže teplonosného média a zmenšením teplovýmennej plochy potrubného vedenia v koncovej časti výtokovej časti za bodom B dochádza k eliminácii poklesu teploty teplonosného média. Horná časť výstupnej časti je v nespevnenej časti v blízkosti povrchu spevnená pažením, keďže táto čas to je vedená cez vrstvu sedimentámych a nekompaktných hornín.

Základnou črtou tesného geotermálneho výmenníka tvoreného priamo realizáciou potrubných vedení v hornine sú steny vedenia, ktoré zabezpečujú utesnenie trhlín a netesností, ako aj zníženie drsnosti povrchu stien. Steny s hladkým a tesným povrchom minimalizujú hydraulické straty v potrubnom vedení výmenníka pri obehu a recirkulácii teplonosného média. Steny potrubného vedenia v kompaktných častiach pozostávajú z tepelne upravených a stlačených hornín do tesnej, vitrifikovanej povrchovej štruktúry.

Prietokové množstvá média, ktoré pretekajú jednotlivými časťami sú buď priemerom, alebo počtompotrubných vedení výhodne nakonfígurované tak, že sledujú nasledovné závislosti/črty:

- Vo vstupnej časti je výhodné, keď je rýchlosť vzhľadom na tepelný zisk a tlakové straty optimálna/primeraná, keďže s narastajúcou rýchlosťou teplonosného média rastú hydraulické straty v okruhu geotermálneho výmenníka.

- V tepelno-produkčnej časti je výhodné, keď je prúdenie média najpomalšie, aby sa čo najviac prejavil prenos tepla do teplonosného média na zvýšení teploty média v najteplejšej oblasti suchých hornín a prejavil silový účinok termovztlaku.

- Vo výstupnej časti, najmä v časti, kde teplota média je vyššia ako teplota okolitých hornín je výhodné, keď je rýchlosť média najvyššia. Tým s a minimalizuje časová zdrž v miestach, minimalizuje sa ochladenie kvapaliny. Avšak zároveň rýchlosť nesmie prekročiť limitnú úroveň, čím sa vyhneme významnému nárastu tlakovej straty, ktorú je potrebné pomocou čerpadla pokryť.

Uvedené dva typy výmenníkov sa nelíšia len v rýchlosti prietoku teplonosného média, ale aj v geometrii:

• Celková dĺžka potrubných vedení (pri rovnakom výkone, ale nižšej výstupnej teplote je celková dĺžka potrubného vedenia kratšia ako vprípade s vyššou požadovanou teplotou média na výstupe) • V prípade požiadavky vyššieho tepelného výkonu sa vyžaduje väčší priemer potrubného vedenia výstupnej časti oproti vstupnej častipotrubného vedenia geotermálneho výmenníka ako na získanie teplonosného média s vysokou teplotou (nad 130 °C) na výstupe

V teploprodukčnej časti potrubné vedenie pokrýva plochu siahajúcu k priemeru 550 m, pri ktorom je minimálne vzájomné ovplyvnenie vplyvom poklesu teploty vo vzdialených častiach. Ak je to viac ako 750 m tu nie je ovplyvnenie žiadne, avšak vyžaduje vytvorenie veľkých dĺžok potrubných vedení na prekonanie do

S K 50024-2019 U1 právnej vzdialenosti, čo nie je ekonomicky výhodné, pretože sa zbytočne predlžujú potrubné vedenia.

Prehľad obrázkov na 'výkresoch

Obr. 1 Návrh konfigurácie geotennálneho výmenníka so spevnenou podpovrchovou časťou vo vstupnej i výstupnej časti výmenníka. Potrubné vedenie v teplo-produkčnej časti sa rozvetvuje v rozdeľovači a jednotlivé vetvy sa spájajú na jedného potrubného vedenia v zberači.

Obr. 2 Priebehy veličín konfigurácie geotennálneho výmenníka v závislosti od hmotnostného prietoku teplonosného média. Q-tepelný výkon, T-výstupná teplota, E celková získaná energia, Ei oss^- straty energie, ptherm- termálny vznos, pdyn- tlakové straty v sústave Body Q a T odpovedajú jednotlivým konfiguráciám výmenníkov. Qľimx a'ľ_lmx príkladu 2, Q1 príkladu 1 a Q2 príkladu 3.

Obr. 3. Optimálne vzdialenosti vetiev v pôdorysnom rozložení z pohľadu životnosti- vyťažiteľnosti tepla z horniny a vzájomného ovplyvnenia s a susedných vetiev.

Na obr. 4a a 4c sú znázornené geotennálne výmenníky podľa WO 98/22760 a na obr. 4b je znázornená geometria geotennálneho výmenníka podľa tohto technického riešenia. Obr. 5 Základný koncept GT výmenníka kde os výmenníka prechádza strednou časťou teplo-produkčného vedenia. Teplo-produkčné potrubné vedenie inklinačne stúpa pod uhlom nižším ako 5°.

Obr. 6 Pohľad zhora na základné priestorové konfigurácie geotennálneho výmenníka.

Obr. 7 Vývoj teploty (T), zmeny tlaku (dp), prírastku tepla (dQ) v závislosti od polohy vo výmenníku. 0 na osi x predstavuje vstup do výmenníka, E výstup z výmenníka, od bodu A začína výmenník stúpať, od bodu B je teplota média vyššia ako teplota okolia.

Príklady uskutočnenia

Príklad 1

Vyhotovenie zariadenia GT výmenníka na získavanie tepla so znížením cirkulačných hydraulických nárokov a vysokú výstupnú teplotu teplonosného média z výmenníka.

Hlavnou črtou získavania tepla je prevedenie výmenníka so samostatnými a tesnými potrubnými vedeniami v prevažne vertikálnom, vertikálno-deklinačnom smere.

Geotermálny výmenník podľa tohto technického riešenia, tak ako je znázornený na obr. 1 obsahuje klesajúcu vstupnú časť 2, ktorá pozostáva z 5 A” potrubného vedenia s primáme transportnou funkciou. Táto vstupná časť 2 zabezpečuje privedenie teplonosného média s požadovanou teplotou, do miesta v hĺbke s najvyššou dostupnou teplotou suchých hornín (HDR).

Vstupná časť 2 potrubného vedenia sa odchyľuje od zvislej polohy pod miernym uhlom 5°. Následne v teplovýmennej produkčnej časti 6,1 km potrubné vedenie z prevažne zvislého smeru prechádza s minimálnym polomerom do vodorovného a mieme inklinačného smeru teplovýmennej produkčnej časti. Minimálny polomer je okolo 50 m je daný obmedzeniami vriacej technológie. Následne sa potrubné vedenie rozdelí do samostatných potrubných vedení vetiev s rýchlosťami prúdenia teplonosného média od 0,15 až 0,18 nťs. Bod A je miestom, kde teplovýmenné produkčné potrubné vedenie začína inklinačne stúpať pod uhlom 10°. Od tohto bodu dochádza k pozitívnemu prejavu tennovztlaku a pozitívnemu silovému účinku pri prúdení teplonosného média. Tento účinok je znásobený nárastom teploty a poklesom hustoty v potrubných vedeniach teplovýmennej produkčnej časti 3 prestupom tepla zo suchých hornín. To je znásobené rozdelenímteplonosného média rozdeľovačom 5 do troch potrubných vedení - vetiev teplovýmennej produkčnej časti 3. Pri životnosti 25 rokov a vzdialenosti medzi jednotlivými vetvami v stredných častiach potrubných vedení 650 m dochádza k minimálnemu vzájomnému ovplyvneniu tepelných tokov v suchých hornín ách 8.

Následné rozvetvené časti vedení v teplovýmennej produkčnej časti 3 sú pospájané do jedného potrubného vedenia - zberača 6 zaústeného do výstupnej časti 4 geotennálneho výmenníka v hladine -1500 m, ktorý má priemer dvakrát menší ako je priemer vstupnej časti 2 geotennálneho výmenníka. Rýchlosť v tejto výstupnej časti 4 je až šesťkrát vyššia oproti vstupnej časti 2 a dosahuje, no neprekračuje 2 nťs. Horná časť výstupnej časti 4 je v nespevnenej časti v blízkosti povrchu spevnená pažením. Vrt v tejto časti má viac ako 2,5 násobný priemer oproti teplo-produkčnej časti, pričom vložené paženie je výhodne zaizolované „groutom“, ktorý má tepelnoizolačné vlastnosti (tepelná vodivosť nižšia ako 1 W/mK)

Na povrchu, vo výstupnej časti 4 je podobne ako pri vstupnej časti 2 geotermálny výmenník vybavený tlakovým uzáverom a následne ústi do výmenníkovej a cirkulačno-čerpacej stanice 1, ktorá zabezpečuje opätovnú cirkuláciu teplonosného média.

Príklad 2

Geotermálny výmenník s minimálnvm počtom vstupných a výstupných potrubných vedení. S veľkým

S K 50024-2019 U1 počtom potrubných vedení v teplovýmennej produkčnej časti. Uvedená geometria predstavuje príklad geotermálneho výmenníka zameraného na maximálnu teplotu.

Výmenník je znázornený na obr. 4b.

Výhodné sú minimálne priemery potrubných vedení vzhľadom na minimalizáciu nákladov pri vŕtaní, ktoré sú úmerné rozrušenej arozvŕtanej hornine.

Výmenník s minimálnym prierezom a malým prietokom médií v teplovýmennej produkčnej časti umožňuje dosiahnuť maximalizáciu merného tepelného výkonu potrubného vedenia zberaného z okolitej horniny vztiahnutého na množstvo odvŕtanej horniny z horninového masívu.

Potrubné vedenie vstupnej časti 2 geotermálneho výmenníka znázorneného na obr. 4b má priemer 6 %” klesá do hĺbky 6000 m vertikálne pod uhlom 16°. V nespevnenej podpovrchovej časti je potrubné vedenie spevnené pažením Povrch stien v spevnenej časti je plazmovo upravovaný natavovaním a/alebo nanášaním natavovaného prídavného materiálu je povrch stien upravovaný do tesného a hladkého stavu. Rýchlosť prúdenia teplonosného média je 1,2 nťs. V spodnej sekcii vstupnej časti potrubného vedenia prechádza potrubné vedenie z klesajúcej prevažne zvislej polohy do stúpajúcej pod uhlom 19° do lýrového rozdeľovača 5. Rozdeľovač 5 je tvorený potrubným vedením 6 ktoré stúpa pod uhlom 5°. Do tohto potrubného vedenia rozdeľovača 5 sú s plynulým nábehom zaústené potrubné vedenia jednotlivých vetiev teplovýmennej produkčnej časti 3 v rovnakých odstupoch. V tomto prípade sa jedná o šesť vetiev - „strún“ lýry s potrubnými vedeniami priemeru 4 lú”. Vetvy potrubného vedenia teplovýmennej produkčnej časti 3 sú radené rovnobežne v rovine šikmo stúpajúcej pod uhlom 19°. V hornej časti sú s plynulým nábehom vovedené do zberača 6 potrubného vedenia, ktoré stúpa pod rovnakým uhlom 5°. Toto potrubie má priemer 4 %” a teplonosné médium v ňom prúdi lýchlosťou 0,5 nTs. Za posledným vstupom teplovýmennej produkčnej časti 3 potrubné vedenie zmení smer z prevažne vodorovného smeru a začne stúpať kolmo k povrchu.

Rýchlosť prúdenia vo vertikálnej výstupnej časti 4 geotermálneho výmenníka je 2,6 m/s. V hornej časti výstupnej časti 4, kde sanachádzajú prevažne sedimentáme a nespevnené horniny je potrubné vedenie vystužené produktovou rúrou s funkciou paženia s priemerom 4”. Toto paženie je zvonka zaizolované izolačným materiálom, horninou s vysokým tepelným odporom Vrt v tejto časti má priemer 8 %” a priestor medzi pažením a stenou je vyplnený izolačným horninovým materiálom Vyvložkovanie v tomto príklade siaha od hĺbky 1200 m pod povrchom na menší priemer 4”. Rýchlosť prúdenia teplonosného média v tejto časti je 3,3 nvs a to pri maximálnom prietoku 27 1/s. Povrchové časti obsahujú technické prvky podobne ako v príklade 1.

Príklad 3

Dané vyhotovenie výmenníka sleduje: vysoký tepelný výkon, nižšiu výstupnú teplotu a zároveň vysoký prietok teplotno-výkonovou časťou geotermálneho výmenníka (iné požiadavky a nároky ako v príklade 2: vysoký tepelný výkon oproti vysokej teplote).

Konfigurácia geotermálneho výmenníka zameraného na vysoký tepelný výkon je znázornená na obr. 5 a pozostáva z rovnakej konfigurácie potrubných vedení ako geotermálny výmenník opísaný v príklade 2 avšak s významne nižším počtom vetiev teplo-produkčnej časti 3. Vstupná časť 2 výmenníka pozostáva zpotrubného vedenia s priemerom 7” s transportnou funkciou, ktorá klesá mieme šikmo cca 5°. Táto časť zabezpečuje prívod teplonosného média do požadovanej teplotnej úrovne hornín, do miesta v hĺbke s najvyššou dostupnou teplotou suchých hornín (HDR) a v požadovanej vzdialenosti 1300mod zvislej osi. Rýchlosť prúdenia kvapaliny pri prietoku 33 1/s je 1,3 nTs.

V mieste dosiahnutianajnižšieho miesta A potrubné vedenie prechádza do vodorovného anásledne stúpajúceho smeru pod uhlom 19° smerujúc k osi výstupnej časti 4 potrubného vedenia podobne ako v príklade 2 s tým rozdielom, že za bodom A z rozdeľovača 5 sa oddeľujú len tri vetvy teplovýmennej produkčnej časti 3 potrubného vedenia, ktoré majú priemer 4 %” a tieto majú rovnakú dĺžku. Rýchlosť prúdenia vo vetvách teplo-produkčnej časti 3 je 1,07 m/s čo je približne 2,5-krát viac ako v príklade 2.

Za poslednou vetvou teplovýmennej produkčnej časti 3 jednotlivé vetvy ústia do zberača 6, ktorý má priemer 5”, ktorý je rovnako veľký ako priemer výstupnej časti 4 potrubného vedenia geotermálneho výmenníka. Potrubné vedenie za pripojením poslednej vetvy do zberača 6 zmení smer z vodorovne mieme stúpajúceho smeru a začne stúpať kolmo v mieste osi výstupnej časti 4 k povrchu.

Rýchlosť prúdenia vo vertikálnej výstupnej časti 4 výmenníka je 2,6 m/s. V hornej časti výstupnej časti 4 je vystužená produktová rúra s funkciou paženia s priemerom 4 %” a rýchlosť tu dosahuje maximálne 3,2 m/s. Ďalšie časti geometrie a parametre sú zhodné s parametrami v príklade 2.

Geotermálny výmenník zameraný na získavanie tepla s nižšou teplotou na výstupe, t. j. zameraný na tepelný výkon má o 25 % nižšiu sumárnu dĺžku potrubných vedení, o 23 % väčší prietok a dosahuje takmer rovnaký celkový tepelný výkon ako geotermálny výmenník opísaný v príklade 1.

Príklad 4

Tento príklad porovnáva geometriu GT výmenníka od autorov Moe, Rabben s návrhom geometrie návrh

S K 50024-2019 U1 nutej podľaprincípovprezentovanýchvtejtoprihláške.Návrh GTpodľatohtotechnickéhoriešenia aplikujeme na geometriu GT výmenníka od autorov Moe, Rabben, v jednotlivých krokoch poukazujeme na odlišnosti., Výsledkom čoho je GT výmenník, ktorý dosahuje vyššiu výslednú efektívnosť, výkon.

V patente US6247313 autorov Moe, Rabben (MR) zmienenom v stave techniky sú opísané príklady zariadení na získavanie geotermálnej energie zo suchých hornín. Zariadeniami je získavané teplo pomocou geotermálneho výmenníka z horninového geologického útvaru charakteristického tepelnou vodivosťou 3 W/m°C pre rastlú horninu a 4 W/m°C pre žulu. Na obrá/ku 4c) je uvedený príklad uskutočnenia zariadenia podľa US6247313 s potrubným vedením vo vstupnej časti s priemerom 25 cm, s vetvením do teplo-produkčnej časti v hĺbke 3370 m až 4370 m V teplo-produkčnej časti potrubné vedenia rovnobežne klesajú a to v najnižšej vetve do hĺbky 6000 m. Tieto vetvenia sú zaústené do výstupného potrubného vedenia s priemerom 40 cm, do ktorého vstupujú šikmo nadol. Cez výstupné potrubie je ohriata kvapalina odvádzaná na povrch do výmenníkovej stanice.

Táto konfigurácia výmenníka s prevažne klesajúcim smerom toku média pri jeho súčasnom ohreve generuje termovztlak pôsobiaci proti smeru prúdenia teplonosného média. Na jeho prekonanie a na zabezpečenie cirkulácie je potrebné dodať energiu čerpadlami.

Prvým krokom zlepšenia geotermálneho výmenníka podľa US6247313 bez zmeny geometrie je otočenie smeru prúdenia teplonosného média. Pri otočení smeru prúdenia média bude väčšia časť potrubného vedenia (teplo-produkčnej aj výstupnej časti) stúpajúca, a tým bude výsledný účinok termovztlaku kladný v porovnaní so záporným výsledným termovztlakom pri smere prúdenia média vo výmenníku podľa US6247313. Výsledkom úprav zmeny prúdenia je nižšia celková spotreba energie potrebná na zabezpečenie cirkulácie teplonosného média, keďže hydraulické straty sú pokryté termovztlakom

Pôvodný zámer pôvodcov US6247313 pri dimenzovaní priemerov bol znížiť tlakové straty v rozšírenej výstupnej časti potrubného vedenia v dôsledku zvýšenia teplôt vyšších tlakov a expanzie. To sa prejaví zvýšením tepelných strát v dôsledku väčšej plochy a dlhšej časovej zdrže teplonosného média, väčšiemu prestupu tepla vo výstupnej časti výmenníka.

Otočením smeru prúdenia teplonosného média sa vstupná časť výmenníka vymení s výstupnou. Menší priemer teraz výstupnej časti potrubných vedení výmenníka MR sa pozitívne prejaví pri opačnom smere toku prúdenia: poklesom tepelných strát vo výstupnej častipotrubného vedenia. Zvýšené tlakové straty sú pokryté pomocou termovztlaku. Pri menšom priemere sa dosahuje vyššia výstupná rýchlosť, kratší čas zdržania kvapaliny amenšia teplo-prestupná plocha potrubného vedenia do okolia.

V US6247313 sa konštatuje tepelný výkon zariadenia dopravený na povrch na úrovni 1,5 MW z tepla získaného z hornín 1,7 MW, čo predstavuje stratu 0,2 MW.

Pri otočení smeru prúdenia teplonosného média a želateľnej zmene rýchlosti prietoku (podmienená zámenou priemerov vstupných a výstupných potrubí), v súlade s týmto technickým riešením, sa dosiahne výkon dopravený na povrch 1,68 MW a straty sa znížia o 25 %, čo znamená vyššiu výstupnú teplotu z geotermálneho výmenníka a lepšiu využiteľnosť získanej energie.

V US6247313 konfigurácii empirickým výpočtom bol stanovený merný tepelný výkon výmenníka 0,21 kW/m potrubného vedenia. Pôvodcovia US6247313 výmenníka sa síce zaoberajú priestorovým a dĺžkovým dimenzovaním geotermálneho výmenníka s dôrazom na výpočet tepelného výkonu a získavanie tepla vztiahnuté na merný tepelný výkon hornín vzhľadom na dĺžku výmenníka a teplo -produkčného potrubného vedenia, no nezaoberajú sa dosiahnutím hospodárnosti pri prekonávaní hydraulických odporov a cirkulácii v uzavretom výmenníku. Nerieši sa tu celková energetická náročnosť pri získavaní geotermálnej energie z pohľadu energií vynaložených na cirkuláciu vody a ani minimalizáciu strát tepla pri transporte ohriatej kvapaliny do výmenníkovej stanice.

Ďalšie vylepšenia výmenníka už je možné dosiahnuť len úpravou geometrie. Významný vplyv na maximálne využitie teplo-produkčných častí vetiev výmenníka má rovnomerný prietok.

Na dosiahnutie rovnomernosti prietoku vo vetvách teplo-produkčnej časti podľa US6247313 umiestnili v jednom z príkladov vetvy potrubných vedení teplo-produkčnej častí výmenníka do rovnakých ekvitermických hladín. Umiestnenie vetiev do ekvitermických hladín je len čiastkovým riešením a nezabezpečí rovnaký prietok cez vetvy teplo-produkčnej časti výmenníka.

Úpravy geometrie podľa tohto úžitkového vzoru voči US6247313 vedúce k zníženiu energetickej náročnosti výmenníka, sú zmeny v:

a) teplo-produkčnej časti výmenníka: konfigurácia vetvení v teplo-produkčnej časti a zmena sklonu

b) priemery potrubí vstupnej/výstupnej časti výmenníka.

a) Rovnaký prietok a rovnomerný prestup tepla v potrubných vedeniach vetvenia teplo -produkčnej časti výmenníka je zabezpečený nielen umiestnením potrubných vedení do ekvitermických hladín, ale zároveň aj ich ekvidištančným dimenzovaním Vďaka lýrovej konfigurácii teplo-výmennej časti výmenníka sú dĺžky potrubných vedení a trasy teplonosného média od vstupu do výstupu teplo -výmennej časti výmenníka rovn aké. Pre zabezpečenie rovnomerného toku cez vetvenia je potrebné pri vŕtaní potrubných vedení rozdeľovača 5 s priemerom 4 a zberača 6 s priemerom 4 dodržať rovnaké proporcie, dĺžky vetiev.

S K 50024-2019 U1

V teplo-produkčnej časti výmenníka teplonosné médium stúpa šikmo pod uhlom 20° - 50° (výhodne 45°), kde sa rozdeľuje na štyri rovnako dlhé potrubné vedenia. Tieto teplo-produkčné vedenia smerujú šikmo nahor k osi výstupného potrubného vedenia a tak časť energie potrebná na cirkuláciu je zabezpečená termovztlakom Ich výsledný sumárny účinok sa premieta v znížených nárokoch na výkon čerpadla.

b) Cieľom tohto úžitkového vzoru bolo zlepšiť teplovýmenný proces a zvýšiť výkon, zvýšiť merný výkon k vynaloženej energii a zároveň znížiť straty. Dosiahlo sa to úpravou priemerov potrubí vstupnej/výstupnej časti výmenníka tak aby výstupná časť mala výhodne menší priemer ako vstupná.

Vhodné zmeny priemerov potrubí sa zhodou okolností v tejto konkrétnej geometrii podarilo dosiahnuť, keď sme z vstupnej časti výmenníka podľa US6247313 urobili výstupnú z iných dôvodov.

Zlepšenie teplovýmenného procesu možno ďalej dosiahnuť, zmenou geometrie a rozmerov potrubných vedení výmenníka nasledovne: priemer potrubného vedenia spodnej výstupnej časti: zberača 6 a nadväznej výstupnej časti po bod B je rovnakého priemeru ako vo vstupnej časti priemeru 7’. Od bodu B má priemer 4 Vi”, čo je na rozdiel od US6247313 patentu menší ako vo vstupnej časti 7”. To umožňuje zmenšiť teplovýmennú plochu potrubného vedenia výmenníka vo výstupnej časti výmenníka a skrátiť čas pri doprave kvapaliny od teplo-produkčnej časti na povrch, do výmenníkovej stanice. Touto konfiguráciou sa znižujú tepelné straty a tepelný tok z potrubného vedenia do okolitej horniny. V dôsledku vysokých teplôt teplonosného média v potrubných vedeniach teplo-produkčnej časti dochádza najmä v koncovej sekcii výstupnej časti potrubného vedenia k vysokému rozdielu teplôt horniny a kvapaliny, čo má za následok nárast tepelných strát do horniny. Tieto straty síce významne neklesnú, no pomôžu kvyššej teplote výstupnej kvapaliny na vstupe do výmenníkovej stanice.

Príklad 6

Príklady optimalizovaných konfigurácií uzavretého geotermálneho výmenníka s maximalizáciou vetvení vztiahnutých na plošno-objemovú výťažnosť sú na obr. 6, kde na

Obr. 6a) je znázornená geometria s viacerými vstupnými časťami 2 a jednou výstupnou časťou 4 - schematické znázornenie geometrie;

Obr. 6b) priestorová geometria s umiestnením vetiev v teplo-produkčnej časti 3 do ekvitermických hladín;

Obr. 6c) je pohľad zhora na obr. 6b).

Príklad 7

Optimálne vzdialenosti vetiev v pôdorysnom rozložení z pohľadu životného cyklu vzájomného ovplyvnenia susedných vetiev.

Geotermálny výmenník znázornený na (obr. 3) má tri vstupy, teda tri prívodné vetvy (0) a jeden výstup (E).

V zmysle smeru prúdenia teplonosného média sa každá prívodná vetva rozdeľuje do troch potrubných vedení v súlade s predchádzajúcim opisom, pričom

Kružnica f:

• Predstavuje stredný perimeter výmenníka, čo znamená vzdialenosť od stredu výmenníka je 635 m (nie je to polovica polomeru, je to o čosi menej, pretože je tam započítaný nábehový rádius rozvetvenia) • Jednotlivé potrubné vedenia (jednej vetvy) sú od seba rovnomerne vzdialené (napr. vzdialenosť medzi F1 a F2, alebo medzi F2 a F3), čiže obvodová vzdialenosť v strednom perimetri je rovnaká, 2 x 333 m • V tomto perimetri sa určuje vzdialenosť jednotlivých vetiev od seba (napr. vzdialenosť medzi bodmi F3 aF4). Pre optimálne rozloženie je to 627 m, ktorá je pri životnosti a teplotnej vodivosti hornín výhodne o málo väčšia ako 550 m

Kružnica d:

• Najväčšia vzdialenosť medzi krajnými potrubnými vedeniami jednotlivých vetiev sa nachádza 943 m od stredu výmenníka (kružnica d).

• Vzájomná maximálna vzdialenosť krajných potrubných vedení jednej vetvy od seba (napr. medzi bodmi Dl a D2) je 860 m • Vzdialenosť medzi vetvami v tomto perimetri (napr. medzi bodmi D2, D3) je 1021 m Polomer výmenníka (vzdialenosť medzi stredovou osou výstupnej časti výmenníka - stred výmenníka a najvzdialenejším bodom C) vpôdoryseje 1,32 km

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Geotermálny výmenník na získavanie geotermálnej energie zo suchých hornín prostredníctvom teplonosného média s uzavretým okruhom teplonosného média, obsahujúci spätno-tlakový uzáver, teplonosné médium, potrubné vedenie vytvorené vŕtacou technológiou v horninovommasíve, ďalej obsahuje čerpadlo na načerpanie teplonosného média do potrubného vedenia, potrubné vedenie geotermálneho výmenníka pozostáva minimálne z jednej klesajúcej vstupnej časti (2) potrubného vedenia na privedenie teplonosného média do hĺbky 2,5 až 20 km, na klesajúcu vstupnú časť (2) je napojená teplo výmenná produkčná časť (3) potrubného vedenia, a na teplovýmennú produkčnú časť (3) je napojená výstupná časť (4) potrubného vedenia, vyznačujúci sa tým, že potrubné vedenie teplo výmennej produkčnej časti (3) je vytvorené stúpajúco v smere od najnižšieho bodu potrubného vedenia k výstupnej časti (4) výmenníka, kde uhol stúpania je 1° až 20° od horizontálneho smeru.
2. Geotermálny výmenník podľa nároku 1, na získavanie geotermálnej energie zo suchých hornín s vysokou teplotou nad 130 °C na výstupe na zemský povrch, vyznačujúci sa tým, že teplovýmenná produkčná časť (3) obsahuje minimálne dve vetvy potrubného vedenia a kde klesajúca vstupná časť (2) potrubného vedenia je kratšia než súčet dĺžok stúpajúceho potrubného vedenia teplovýmennej produkčnej časti (3) a stúpajúcej výstupnej časti (4) potrubného vedenia geotermálneho výmenníka z hľadiska prúdenia teplonosného média; ďalej obsahuje rozdeľovač (5), umiestnený za najnižším bodom potrubného vedenia geotermálneho výmenníka , na vytvorenie vetiev teplovýmennej produkčnej časti (3) a zberač (6) na spojenie vetiev potrubného vedenia teplovýmennej produkčnej časti (3) na prechode do výstupnej časti (4), a kde súčet prierezov potrubného vedenia vetiev teplovýmennej produkčnej časti (3) je väčší ako je prierez potrubného vedenia výstupnej časti (4), a kde čerpadlo zabezpečuje rýchlosť prúdenia teplonosného média nižšiu ako 0,8 nVs v potrubných vedeniach vstupnej a teplovýmennej produkčnej časti.
3. Geotermálny výmenník podľa nároku 2, vyznačujúci sa tým, že je opatrený čerpadlom na zabezpečenie rýchlosti prúdenia teplonosného média v teplovýmennej produkčnej časti 0,1 až 0,3 m/s.
4. Geotermálny výmenník podľa nároku 2, vyznačujúci sa tým, že, priemer potrubného vedenia výstupnej časti (4) je menší ako je priemer potrubného vedenia vstupnej časti (2) výmenníka.
5. Geotermálny výmenník podľa nároku 1, na získavanie geotermálnej energie zo suchých hornín s vysokým tepelným výkonom a teploty na výstupe 60 až 130 °C, vyznačujúci sa tým, že vstupná časť (2) potrubného vedenia je klesajúca pod uhlom 3 až 8° od vertikálneho smeru a je kratšia než súčet dĺžok stúpajúceho potrubného vedenia teplovýmennej produkčnej časti (3) a stúpajúcej výstupnej časti (4) potrubného vedenia geotermálneho výmenníka z hľadiska prúdenia teplonosného média; kde teplovýmenná produkčná časť (3) pozostáva z minimálne dvoch vetiev potrubného vedenia, rozdeľovača (5), umiestneného za najnižším bodom výmenníka, na vytvorenie vetiev teplovýmennej produkčnej časti (3) a zberača (6) na spojenie vetiev potrubného vedenia na prechode do vertikálnej výstupnej časti (4), pričom priemer potrubného vedenia výstupnej časti (4) výmenníka je menší ako je priemer potrubného vedenia vstupnej časti (2) výmenníka a kde čerpadlo zabezpečuje rýchlosť prúdenia teplonosného média vo vertikálnej výstupnej časti výmenníka 2 až 5 m/s.
6. Geotermálny výmenník tepla podľa nároku 5, vyznačujúci sa tým, že priemer potrubného vedenia vetiev teplovýmennej produkčnej časti (3) je rovnaký ako je priemer potrubného vedenia vstupnej časti (2), pričom čerpadlo zabezpečuje rýchlosť prúdenia teplonosného média vo vstupnej časti minimálne 1,3 m/s.
7. Geotermálny výmenník tepla podľa nároku 5, vyznačujúci sa tým, že teplo výmenné produkčné vetvy (3) potrubného vedenia, majú priemer 4“ až 9” a rovnakú dĺžku.
8. Geotermálny výmenník tepla podľa nároku 5, vyznačujúci sa tým, že rýchlosť prúdenia teplonosného média v teplovýmennej produkčnej časti (3) je viac ako 0,5 m/s.
9. Geotermálny výmenník podľa nárokov 1, 2 alebo 5, vyznačujúci sa tým, že potrubné vedenie vstupnej časti (2) je vytvorené v prevažne šikmom zvislom smere a je napojené na potrubné vedenie teplovýmennej produkčnej časti (3) minimálnym polomerom ohybu, ktorý dovoľuje vŕtacia technológia.
10. Geotermálny výmenník podľa nárokov 1, 2 alebo 5, vyznačujúci sa tým, že horná časť potrubného vedenia vstupnej časti (2) a/alebo výstupnej časti (4) je v nespevnenej časti v blízkosti povrchu spevnená pažením.
11. Geotermálny výmenník podľa nárokov 1, 2 alebo 5, vyznačujúci sa tým, že potrubné vedenie teplovýmennej produkčnej časti (3) za najnižším bodom výmenníka inklinačne stúpa pod uhlom 3° až 15° od vodorovného smeru.
12. Geotermálny výmenník podľa nárokov 1, 2 alebo 5, vyznačujúci sa tým, že teplovýmenná produkčná časť (3) obsahuje 2 až 6 vetiev, spájajúcich sa v zberači (6), pričom vzájomná vzdialenosť stredných častí vetiev potrubného vedenia teplo výmennej produkčnej časti (3) je 550 až 750 m.
13. Geotermálny výmenník podľa nárokov 1, 2 alebo 5, vyznačujúci sa tým, že teplonos

S K 50024-2019 U1 ným médiom je voda.
14. Geotermálny výmenník podľa niektorého z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúci sa tým, že obsahuje teplonosné médium a potrubné vedenie vytvorené vŕtacou technológiou, kde potrubné vedenie obsahuje tri vstupné časti (2), smerujúce šikmo nadol pod uhlom 10° až 25° od vertikálneho smeru, a ktorých vstupy na povrchu vytvárajú vrcholy rovnostranného trojuholníka, a ku každej vstupnej časti (2) je pripojená samostatná teplovýmenná produkčná časť (3), pozostávajúca z dvoch až troch vetiev smerujúcich vodorovne až smerom nahor pod uhlom 1 až 20° od horizontálneho smeru k zvislej osi prechádzajúcej stredom rovnostranného trojuholníka, pričom každá teplovýmenná produkčná časť (3) má samostatný výstup, ktorý ústi do výstupnej časti (4) geotermálneho výmenníka prebiehajúcej smerom nahor v smere zvislej osi prechádzajúcej stredom rovnostranného trojuholníka, pričom vstupná a výstupná časť sú definované z hľadiska prúdenia teplonosného média.
15. Geotermálny výmenník podľa nároku 14, vyznačujúci sa tým, že obsahuje tri vstupné časti (1) a jednu výstupnú časť (4), pričom v zmysle smeru prúdenia teplonosného média je každá vstupná časť (2) za najnižším bodom výmenníka samostatne rozdelená rozdeľovačom (5) do troch vetiev teplovýmennej produkčnej časti (3) kde dve vonkajšie vetvy sú usporiadané symetricky okolo vnútornej vetvy v rovine stúpajúcej k osi výstupnej časti (4) pod uhlom 10 až 20° od horizontálnej roviny a všetky tri vetvy tej istej teplovýmennej produkčnej časti sú spojené zberačom (6), kde stredný perimeter výmenníka, je 635 m a v tejto vzdialenosti od osi výstupnej časti (4) jednotlivé susedné potrubné vedenia tej istej teplovýmennej produkčnej časti v každej z troch teplovýmenných produkčných častí (3) sú od seba rovnomerne vzdialené 333 m; a vzdialenosť vonkajších vetiev dvoch susedných teplovýmenných produkčných častí (3) je 630 m a kde vo vzdialenosti od stredu geotermálneho výmenníka 940 m je vzájomná maximálna vzdialenosť vonkajších vetiev tej istej teplovýmennej produkčnej časti je 860 m a vzájomná maximálna vzdialenosť vonkajších vetiev dvoch susedných teplovýmenných produkčných častí (3) je 1000 m a polomer výmenníka od osi výstupnej častiku každému rozdeľovaču vo vodorovnej rovine je 1300 m
16. Geotermálny výmenník podľa nárokov 1, 2, 5, 14, alebo 15, vyznačujúci sa tým, že všetky vetvy každej teplovýmennej produkčnej časti (3) majú rovnaký hydraulický odpor.