Установка для определения темпов изменения температуры пород недр

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для определения темпов изменения температуры пород недр при извлечении или аккумулировании тепловой энергии.

Известна установка для испытания различных материалов на возможность аккумулирования теплоты (патент CN на полезную модель №205484149, МПК G01N 25/20, опубл. 17.08.2016), содержащая теплоизолированный цилиндрический корпус с аккумулирующим материалом, на наружной поверхности которого находятся термопары. Через аккумулирующий материал проходит трубка с теплоносителем, выход которой соединен с емкостью, в которой расположен электрический нагреватель, а вход трубки соединен с выходом циркуляционного насоса, вход которого соединен с емкостью. Установка позволяет исследовать процесс аккумулирования тепловой энергии в материале, причем контролируется только температура на наружной поверхности материала.

Недостатком настоящей установки является узкая область применения и малые функциональные возможности вследствие невозможности исследования темпов изменения температуры внутри материала.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является установка для определения темпов изменения температуры пород недр, описанная в статье Недбайло А.Н. «Экспериментальная установка по исследованию грунтового аккумулирования теплоты» // Промышленная теплотехника, 2004. №26, с.: 183-185, содержащая модель пород недр, покрытую теплоизоляцией, в которой расположены датчики температуры и труба диаметром 25 мм, выход которой соединен со входом циркуляционного насоса, выход которого соединен с напорным баком, в котором расположен электрический нагреватель. Напорный бак в свою очередь соединен с входом трубы.

Недостатком настоящей установки является узкая область применения и недостаточная точность определения температурных полей в процессе теплообмена.

Технической задачей предлагаемого изобретения является возможность моделирования извлечения тепловой энергии недр в условиях, соответствующих натурным.

Технический результат заключается в расширении области применения известной установки за счет увеличения диапазона измерений температуры пород недр и повышении точности определения темпов изменения температуры в породах недр.

Это достигается тем, что известная установка для определения темпов изменения температуры пород недр, содержащая первый образец, включающий покрытую теплоизоляцией первую модель пород недр, выполненную в форме цилиндра радиусом R₁, внутри которой соосно установлена первая трубка радиусом r₁, а в среднем сечении радиально установлены первая термопара, расположенная на ее внешней поверхности, вторая термопара, расположенная на поверхности первой трубки, а также третья, четвертая и пятая термопары, расположенные между первой и второй термопарами, при этом вход первой трубки соединен подающим трубопроводом с покрытой тепловой изоляцией емкостью для теплоносителя, соединенной заполняющим трубопроводом, на котором установлен первый кран, с системой холодного водоснабжения, при этом в емкости расположены электрический нагреватель и датчик температуры емкости, а на подающем трубопроводе последовательно по направлению движения теплоносителя установлены насос, первый тройник, второй кран и входной датчик температуры, свободный отвод первого тройника соединен байпасным трубопроводом, на котором установлен третий кран, с емкостью, обратный трубопровод, соединенный с емкостью, с установленными на нем последовательно по направлению движения теплоносителя выходным датчиком температуры, вторым тройником и четвертым краном, причем к свободному отводу второго тройника подсоединен трубопровод дренажа, на котором установлен пятый кран, снабжена, по меньшей мере, одним дополнительным образцом, выполненным идентично первому образцу, первым электрическим нагревателем, установленным на внешней поверхности первой модели пород недр, шестой термопарой, расположенной на поверхности первой трубки симметрично второй термопаре, нижним датчиком уровня и верхним датчиком уровня, расположенными в емкости, промежуточным трубопроводом, промежуточным датчиком температуры, установленным на промежуточном трубопроводе, соединительно-подающим трубопроводом, соединительно-обратным трубопроводом, третьим и четвертым тройниками, шестым, седьмым и восьмым кранами, при этом дополнительный образец содержит покрытую теплоизоляцией вторую модель пород недр, выполненную в форме цилиндра радиусом R₂, на внешней поверхности которой расположен второй электрический нагреватель, а внутри соосно установлена вторая трубка радиусом вход которой соединен промежуточным трубопроводом с выходом первой трубки, а выход подсоединен к обратному трубопроводу, в среднем сечении второй модели пород недр радиально установлены седьмая термопара, расположенная на ее внешней поверхности, восьмая термопара, расположенная на поверхности второй трубки, а также девятая, десятая и одиннадцатая термопары, расположенные между седьмой и восьмой термопарами, на поверхности второй трубки симметрично восьмой термопаре расположена двенадцатая термопара, на обратном трубопроводе между выходом второй трубки и выходным датчиком температуры последовательно по направлению движения теплоносителя установлены третий тройник, шестой кран и четвертый тройник, при этом к свободному отводу третьего тройника подсоединен соединительный-подающий трубопровод, на котором установлен седьмой кран, к свободному отводу четвертого тройника подсоединен соединительно-обратный трубопровод, на котором установлен восьмой кран, радиус R₁ первой модели пород недр, радиус r₁ первой трубки, радиус R₂ второй модели пород недр, радиус r₂ второй трубки выбраны в масштабе 1:100 к натурной системе.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена схема установки для определения темпов изменения температуры пород недр.

Установка для определения темпов изменения температуры пород недр содержит первый образец 1, включающий первую модель пород недр 2, выполненную в форме цилиндра радиусом R₁ и покрытую теплоизоляцией 3. На внешней поверхности первой модели пород недр 2 расположен первый электрический нагреватель 4, а внутри соосно установлена первая трубка 5 радиусом r₁. В среднем сечении первой модели пород недр 2 радиально установлены первая термопара 6, расположенная на ее внешней поверхности, вторая термопара 7, расположенная на поверхности первой трубки 5, а также третья 8, четвертая 9 и пятая 10 термопары, расположенные между первой 6 и второй 7 термопарами. На поверхности первой трубки 5 симметрично второй термопаре 7 расположена шестая термопара 11.

Вход первой трубки 5 соединен подающим трубопроводом 12 с емкостью 13 для теплоносителя 14, покрытой тепловой изоляцией 15 и соединенной заполняющим трубопроводом 16, на котором установлен первый кран 17, с системой холодного водоснабжения. В емкости 13 расположены электрический нагреватель 18, нижний датчик уровня 19, верхний датчик уровня 20 и датчик температуры емкости 21. На подающем трубопроводе 12 последовательно по направлению движения теплоносителя 14 установлены насос 22, первый тройник 23, второй кран 24 и входной датчик температуры 25. Свободный отвод первого тройника 23 соединен байпасным трубопроводом 26, на котором установлен третий кран 27, с емкостью 13.

Установка для определения темпов изменения температуры пород недр содержит, по меньшей мере, один дополнительный образец 28, выполненный идентично первому образцу 1, и содержащий вторую модель пород недр 29, выполненную в форме цилиндра радиусом R₂ и покрытую теплоизоляцией 30. На внешней поверхности второй модели пород недр 29 расположен второй электрический нагреватель 31, а внутри соосно установлена вторая трубка 32 радиусом r₂, причем вход второй трубки 32 соединен промежуточным трубопроводом 33, на котором установлен промежуточный датчик температуры 34, с выходом первой трубки 5. В среднем сечении второй модели пород недр 29 радиально установлены седьмая термопара 35, расположенная на ее внешней поверхности, восьмая термопара 36, расположенная на поверхности второй трубки 32, а также девятая 37, десятая 38 и одиннадцатая 39 термопары, расположенные между седьмой 35 и восьмой 36 термопарами. На поверхности второй трубки 32 симметрично восьмой термопаре 36 расположена двенадцатая термопара 40.

Выход второй трубки 32 соединен с емкостью 13 обратным трубопроводом 41 с установленными на нем последовательно по направлению движения теплоносителя 14 выходным датчиком температуры 42, вторым тройником 43 и четвертым краном 44, причем к свободному отводу второго тройника 43 подсоединен трубопровод дренажа 45, на котором установлен пятый кран 46. При этом на обратном трубопроводе 41 между выходом второй трубки 32 и выходным датчиком температуры 42 последовательно по направлению движения теплоносителя 14 установлены третий тройник 47, шестой кран 48 и четвертый тройник 49. К свободному отводу третьего тройника 47 подсоединен соединительно-подающий трубопровод 50, на котором установлен седьмой кран 51, к свободному отводу четвертого тройника 49 подсоединен соединительно-обратный трубопровод 52, на котором установлен восьмой кран 53.

Радиус R₁ первой модели пород недр 2, радиус r₁ первой трубки 5, радиус R₂ второй модели пород недр 29, радиус r₂ второй трубки 32 выбраны в масштабе 1:100 к натурной системе.

Расстояние между первой 6 и второй 7 термопарами составляет R₁-r₁. Третья термопара 8 расположена на расстоянии (R₁-r₁)/10 от второй термопары 7, четвертая термопара 9 расположена на расстоянии (Rr₁-r₁)/5 от третьей термопары 8, пятая термопара 10 расположена на расстоянии (Rr₁-r₁)/3 от четвертой термопары 9.

Расстояние между седьмой 35 и восьмой 36 термопарами составляет R₂-r₂. Девятая термопара 37 расположена на расстоянии (R₂-r₂)/10 от восьмой термопары 36, десятая термопара 38 расположена на расстоянии (R₂-r₂)/5 от девятой термопары 37, одиннадцатая термопара 39 расположена на расстоянии (R₂-r₂)/3 от десятой термопары 38.

Экспериментальная установка для определения темпов изменения температуры пород недр работает следующим образом.

Первым 4 и вторым 31 электрическими нагревателями первая 2 и вторая 29 модели пород недр прогреваются до необходимых начальных температур T₁ и Т₂, причем нагрев первой модели пород недр 2 считается завершенным, когда температуры, измеряемые шестой термопарой 11, первой 6 и второй 7 термопарами, отличаются не более, чем на 0,5°C, а прогрев второй модели пород недр 29 завершен, когда температуры, измеряемые двенадцатой термопарой 40, седьмой 35 и восьмой 36 термопарами, отличаются не более, чем на 0,5°C. Теплоизоляция 3 и 30 препятствует остыванию первой 2 и второй 29 моделей пород недр в процессе нагрева. Возможность задания начальных температур первой 2 и второй 29 моделей пород недр, а также соблюдение масштаба при задании геометрических значений моделей пород недр, первой 5 и второй 32 трубок, позволяет обеспечить условия при определении темпов изменения температуры, соответствующие натурным (естественным).

Одновременно с прогревом первой 2 и второй 29 моделей пород недр из системы холодного водоснабжения при открытом первом кране 17 теплоносителем 14 (водой) заполняется емкость 13. По достижении уровня теплоносителя 14 в емкости 13 между нижним датчиком уровня 19 и верхним датчиком уровня 20, первый кран 17 закрывается. Далее теплоноситель 14 нагревается электрическим нагревателем 18 до необходимой температуры Т₂₁, значение которой контролируется по датчику температуры емкости 21. При закрытом втором кране 24 и открытом третьем кране 27 насос 22 обеспечивает циркуляцию теплоносителя 14 в емкости 13 по байпасному трубопроводу 26, за счет чего достигается равномерный прогрев до заданной температуры T₂₁. При этом тепловая изоляция 15 препятствует остыванию теплоносителя 14 в емкости 13.

После нагрева теплоносителя 14 открывается второй кран 24 и нагретый теплоноситель насосом 22 по подающему трубопроводу 12 подается с заданной скоростью из емкости 13 на вход первой трубки 5, причем значение температуры теплоносителя 14 перед входом первой трубки 5 Т₂₅ контролируется по входному датчику температуры 25. После первой трубки 5 по промежуточному трубопроводу 33 теплоноситель 14 поступает на вход второй трубки 32. Причем температура воды на выходе из первой трубки 5 Т₃₄ контролируется промежуточным датчиком температуры 34 и соответствует температуре на входе во вторую трубку 32. Температура воды на выходе второй трубки 32 Т₄₅ контролируется выходным датчиком температуры 45. При моделировании извлечения тепловой энергии шестой 48 и пятый 46 краны открыты, а четвертый 44, седьмой 51 и восьмой 53 краны закрыты, таким образом, теплоноситель 14 после выхода второй трубки 32 сливается в дренаж по трубопроводу дренажа 45. При моделировании аккумулирования тепловой энергии шестой 48 и четвертый 44 краны открыты, а седьмой 51, восьмой 53 и пятый 46 краны закрыты, таким образом, теплоноситель 14 после выхода второй трубки 32 по обратному трубопроводу 41 поступает обратно в емкость 13.

При движении теплоносителя 14 по первой 5 и второй 32 трубкам через первую 2 и вторую. 29 модели пород недр происходит извлечение (или аккумулирование) тепловой энергии вследствие наличия разности температур между теплоносителем 14 и моделями пород недр.

Для моделирования процесса извлечения тепловой энергии недр температуры первой модели пород недр 2 T₁ и второй модели пород недр 29 Т₂ задаются так, чтобы Т₂ было больше Т₁, причем температура теплоносителя T₂₁ задается меньше, чем значение температуры первой модели пород недр 2 T₁. В этом случае при движении теплоносителя 14 от входа первой трубки 5 к выходу происходит остывание первой модели пород недр 2 и нагрев теплоносителя 14, который затем по промежуточному трубопроводу 33 поступает на вход второй трубки 32 и продолжает нагреваться при движении от входа второй трубки 32 к выходу, при этом происходит остывание второй модели пород недр 29.

Для моделирования процесса аккумулирования тепловой энергии в недрах температуры первой модели пород недр 2 T₁ и второй модели пород недр 29 Т₂ задаются так, чтобы Т₂ было меньше Т₁, причем температура теплоносителя Т₂₁ задается больше, чем значение температуры первой модели пород недр 2 T₁. В этом случае при движении теплоносителя 14 от входа первой трубки 5 к выходу происходит нагрев первой модели пород недр 2 и остывание теплоносителя 14, который затем по промежуточному трубопроводу 33 поступает на вход второй трубки 32 и продолжает остывать при движении от входа второй трубки 32 к выходу, при этом происходит нагрев второй модели пород недр 29.

Таким образом, различные задаваемые температуры T₁ и Т₂ моделируют распределение температур в действительной системе, вследствие наличия естественного геотермического градиента.

Темп изменения температуры первой породы недр 2 при извлечении (или аккумулировании) тепловой энергии определяется скоростью изменения температур на второй 7, третей 8, четвертой 9, пятой 10 и шестой 11 термопарах. Процесс извлечения (или аккумулирования) тепловой энергии в первой модели пород недр 2 считается завершенным, когда температуры термопар 7-11 перестают меняться во времени, таким образом, устанавливаются эпюры температур в первой модели пород недр 2, характеризующие установившийся режим теплообмена. Наличие шестой термопары 11, функционально дублирующей вторую термопару 7, позволяет с большей точностью определять темп изменения температуры у стенки первой трубки 5, т.к. данная температура изменяется с большей скоростью, чем температуры на термопарах 8-10. Причем температура на стенке первой трубки 5 фактически определяет эффективность теплового съема при извлечении тепловой энергии недр.

Темп изменения температуры второй модели пород недр 29 при извлечении (или аккумулировании) тепловой энергии определяется скоростью изменения температур на восьмой термопаре 36 девятой 37, десятой 38, одиннадцатой 39 и двенадцатой термопаре 40. Процесс извлечения или аккумулирования тепловой энергии во второй модели пород недр 29 считается завершенным, когда температуры термопар 36-40 перестают меняться во времени, таким образом устанавливаются эпюры температур во второй модели пород недр 29, характеризующие установившийся режим теплообмена. Наличие двенадцатой термопары 40, функционально дублирующей восьмую термопару 36, позволяет с большей точностью определять темп изменения температуры у стенки второй трубки 32, т.к. данная температура изменяется с большей скоростью, чем температуры на термопарах 37-39. Причем температура на стенке второй трубки 32 фактически определяет эффективность теплового съема при извлечении тепловой энергии недр.

Для моделирования протяженных действительных систем извлечения (аккумулирования) тепловой энергии используют второй, третий и последующие дополнительные образцы, включающие характерные для исследуемых глубин модели пород недр, которые подсоединяют последовательно к соединительно-подающему трубопроводу 50. При этом шестой кран 48 закрыт, а седьмой 51 и восьмой 53 краны открыты. Возврат теплоносителя 14 после этих образцов происходит по соединительно-обратному трубопроводу 52. Это позволяет повысить точность моделирования извлечения (аккумулирования) тепловой энергии вследствие возможности использования наиболее близкой конфигурации образцов к натурным условиям (при использовании действительной системы).

Количество извлеченной или аккумулированной тепловой энергии в первой 2 и второй 29 моделях пород недр оценивается по формуле:

G - массовый расход воды, кг/с;

С_р - теплоемкость воды, Дж/кг*град.;

ΔT - разница конечных установившихся температур воды на входе и выходе из первой 5 и второй 32 трубок.

Использование изобретения позволяет определять темп изменения температуры различных пород недр при извлечении или аккумулировании тепловой энергии в широком диапазоне температур. Использование двух и более последовательно соединенных образцов, выполненных в масштабе к натурной системе, позволяет моделировать протяженные системы извлечения или аккумулирования тепловой энергии, причем наличие нескольких образцов позволяет использовать модели пород недр с различными теплофизическими характеристиками, фактически повторяя геологическое строение недр, что позволяет проводить моделирование с повышенной точностью. Определение темпов изменения температуры различных пород недр позволяет создавать системы извлечения тепловой энергии недр Земли или системы аккумулирования теплоты с использованием объема недр функционирующие длительное время с высокой эффективностью.