Systém přeměny tepelné energie na elektrickou energii
Korzuchin A.V. 1
1 MAOU “Golyshmanovskaya střední škola č. 4”
Kuzminych I.G. 1
1 MAOU “Golyshmanovskaya střední škola č. 4”
Autor práce byl oceněn diplomem vítěze XNUMX. stupně
Text práce je umístěn bez obrázků a vzorců.
Plná verze práce je k dispozici v záložce “Job Files” ve formátu PDF
Myšlenka využití vnitřního tepla Země k získávání energie existuje již dlouho. K tomu se používají geotermální tepelná čerpadla. Ta extrahují energetické zásoby nahromaděné ve vodě a přenášejí je do topného okruhu domu, respektive energii akumulují. Použití čerpadel se vyplatí za 15 let a pokud je v blízkosti plyn, využívají ho. Tato technologie se používá jak pro relativně „horkou“, tak i „teplou“ vodu. Další nevýhodou je instalace čerpadel, zejména pokud je subtermální voda hluboká a musíte kopat hluboký vrt, který se při tání nebo zamrzání země může deformovat. Jedná se však o ekologický druh energie, a proto je relevantní, i když je drahý.
Problém. Nízké pokrytí přenosových vedení (PTL) v některých oblastech.
Nemožnost průmyslového rozvoje území bez elektřiny.
Velké množství vzdálených autonomních odběrných míst, monitorovacích bodů ropovodů a plynovodů, meteorologických stanic, lesnictví.
Uhlovodíkové palivo jako základ pro autonomní elektrické generátory.
Relevance. V poslední době se vynakládá mnoho prostředků na zásobování lidí energií a během výroby této energie se do atmosféry uvolňuje velké množství škodlivých látek. Tento projekt je navržen tak, aby tyto dva problémy vyřešil.
Předmět studiatermální vody využívané k výrobě energie.
Předmět studia: výkres prototypu zařízení, které využívá termální vody k výrobě energie.
HypotézaV Ťumeňské oblasti je možné vytvořit zařízení schopné využívat termální vody k výrobě energie.
Účel: určit nejoptimálnější způsob přenosu elektřiny do autonomních bodů (monitorovací body ropovodů a plynovodů, meteorologické stanice, lesnictví).
1. Určit možnost využití termálních vod k zásobování autonomních míst energií
2. Navrhněte základní schéma přeměny tepla na elektřinu
3. Zvažte konstrukční rizika a navrhněte řešení
4. Představte koncept návrhu instalace.
Použité metody: teoretické a empirické.
Získaná data. Je znázorněno základní schéma zařízení pro přeměnu tepelné energie termálních vod na elektrickou energii. Jsou navrženy možnosti modernizace zařízení pro zvýšení účinnosti. Jsou identifikována rizika pro provoz zařízení.
Vývoj a tvorba projektu obnovitelné energie využívající energii termální vody pro zásobování podniků a domácností v obci nebo okrese elektřinou.
Obec a podniky vynakládají obrovské výdaje na elektřinu. V obci Golyshmanovo roste počet obyvatel, staví se nové domy a podniky, rozvíjí se infrastruktura, což vede ke zvýšení spotřeby energie. Vznikají proto problémy s poklesy napětí v obci a přepětím v postavených domech (staví se na nových ulicích). V Golyshmanovském okrese se nacházejí zdroje termálních vod o teplotě 43 stupňů. Jejich hloubka je 5 metrů, proto je nutné instalovat další zdroje energie pro spotřebitele. Tento rozvoj pomůže snížit spotřebu vyrobené elektřiny a umožní využívat zdroj pro vlastní spotřebu.
Základní metody tvorby – studium práce, modelování, konstrukce modelu. Vytvoření zásadně nového modelu zdroje energie.
Studium populárně-vědecké literatury a webových stránek na internetu
Návrh výkresů, modelů, výpočet pracovního systému.
Rizika používání modelu.
Úprava modelovaného systému
Metoda pro přeměnu nízkopotenciálního tepla na elektrickou energii.
[Elektronický zdroj]. Režim přístupu: http://www.findpatent.ru/patent/209/2099543.html.
Převodník tepla na elektřinu podle Vinogradova. [Elektronický zdroj]. Způsob přístupu: http://zaryad.com/forum/threads/preobrazovatel-tepla-v-ehlektrichestvo-po-vinogradovu.7286/.
Přeměna tepla. [Elektronický zdroj]. Režim přístupu: http://cryostar.com.ua/preobrazovanie-tepla.html
Hlavní část
Na světě existuje mnoho ložisek termální vody a Rusko není výjimkou, některá z těchto vod se nacházejí v: Ťumeňské oblasti, Altaji, Kamčatce, Krasnodarském kraji, Bajkalu. A všechny tyto termální zdroje lze využít k výrobě energie. V průběhu provedeného přehledu literatury a existujících metod přeměny tepelné energie na elektrickou energii jsme zvážili dvě nejslibnější technologie, na jejichž základě je možné vyvinout technologii pro efektivní využití tepla termální vody na elektrickou energii.
První metodou je využití technologie tepelného čerpadla. Tepelné čerpadlo využívá energii z obnovitelných zdrojů – ohřátého vzduchu, země, hornin nebo vody – k výrobě tepelné energie. Tato přeměna se provádí pomocí speciálních látek zvaných chladiva.
Konstrukčně se každé tepelné čerpadlo skládá ze dvou částí: vnější části, která „odebírá“ teplo z obnovitelných zdrojů, a vnitřní části, která toto teplo dodává do topného nebo klimatizačního systému domu. Moderní tepelná čerpadla se vyznačují vysokou energetickou účinností, což v praxi znamená následující – spotřebitel, tj. majitel domu, který používá tepelné čerpadlo, utratí za vytápění nebo chlazení svého domu v průměru pouze čtvrtinu peněz, které by utratil, kdyby tepelné čerpadlo neexistovalo.
Jinými slovy, v systému s tepelným čerpadlem je 75 % užitečného tepla (nebo chladu) zajištěno volnými zdroji – teplem země, podzemní vody nebo použitým vzduchem ohřátým v prostorách a odváděným ven.
Schéma provozu tepelného čerpadla
Podívejme se, jak funguje snad nejoblíbenější tepelné čerpadlo v každodenním životě poháněné teplem země. Tepelné čerpadlo pracuje v několika cyklech.
Cyklus 1, odpařování. Vnější část tepelného čerpadla země-voda je uzavřený systém trubek zakopaných v zemi v určité hloubce, kde je teplota stabilní po celý rok a pohybuje se v rozmezí 7–12 °C. Aby bylo možné „sbírat“ dostatečné množství energie ze země, musí být celková plocha, kterou zabírá podzemní potrubní systém, 1,5–2krát větší než celá vytápěná plocha domu. Tyto trubky jsou naplněny chladivem, které se ohřívá na teplotu země. Chladivo má velmi nízký bod varu, takže může přecházet do plynného stavu již při teplotě země. Tento plyn poté vstupuje do kompresoru.
Cyklus 2, komprese. Právě tento kompresor spotřebuje veškerou energii potřebnou pro provoz tepelného čerpadla, ale ve srovnání například s vytápěním z plynového kotle jsou tyto náklady výrazně nižší. Plynné chladivo ohřáté na teplotu 7-12 °C z podzemního potrubí v komoře kompresoru je tedy silně stlačeno, což vede k jeho prudkému ohřevu.
Cyklus 3, kondenzace. Po kompresním cyklu získáme horkou páru pod vysokým tlakem, která je přiváděna do vnitřní, „domácí“ části tepelného čerpadla. Tento plyn lze nyní použít pro systém ohřevu vzduchu nebo pro ohřev vody v systému ohřevu vody a zásobování teplou vodou. Tuto horkou páru lze také použít se systémem „teplé podlahy“. Horký plyn, který odevzdává teplo topnému systému, se ochlazuje, kondenzuje a mění se na kapalinu.
Cyklus 4, expanze. Tato kapalina vstupuje do expanzního ventilu, kde se její tlak snižuje. Nyní je nízkotlaké kapalné chladivo posláno zpět do podzemí, aby se ohřálo na teplotu země. A všechny cykly se opakují. (Obrázek 1, Dodatek).
Druhou metodou využití tepelné energie půdy nebo okolního vzduchu je použití technologie termálních pilot. Termální piloty jsou sezónně provozovaná chladicí zařízení (SOD) určená k udržení půdy v zamrzlém stavu, což zajišťuje stabilitu budov, konstrukcí na pilotách a také konzervuje zamrzlou půdu kolem podpěr a potrubí přenosového vedení, podél železničních náspů a dálnic. Technologie sezónně provozovaných chladicích zařízení je založena na zařízení pro přenos tepla (termosifonu), které v zimě odebírá teplo z půdy a přenáší ho do okolního prostředí. Důležitou vlastností této technologie je, že pracuje přirozeně, tj. nevyžaduje externí zdroje energie.
Princip fungování všech typů sezónních chladicích zařízení je stejný. Každé z nich se skládá z utěsněné trubky obsahující chladivo – chladivo: oxid uhličitý, amoniak atd. Trubka se skládá ze dvou částí. Jedna část je umístěna v zemi a nazývá se výparník. Druhá, radiátorová část trubky, je umístěna na povrchu. Když teplota okolí klesne pod teplotu země, kde se výparník nachází, začnou v radiátorové části kondenzovat páry chladiva. V důsledku toho se tlak sníží a chladivo v odpařovací části začne vřít a odpařovat se. Tento proces je doprovázen přenosem tepla z odpařovací části do radiátorové části.
-Nízký průtok kapaliny lopatkami generátoru
– Kondenzace chladiva na bočních stěnách
– Hluboký výskyt termálních vod
– Porušení těsnosti systému během provozu
– Nestacionární teplotní gradient mezi podzemní vodou a povrchem během dne/dní
– Složitost oprav a údržby
Přenos tepla pomocí termosifonu
V současné době existuje několik typů provedení sezónních chladicích zařízení.
1) Termostabilizátor. Je to vertikální termosifonová trubka, kolem které půda zamrzá.
2) Tepelná pilota. Jedná se o vertikální pilotu s integrovaným tepelným sifonem. Tepelná pilota může nést určité zatížení, například podpěru ropovodu.
3) Zařízení pro hluboké sezónní chlazení. Jedná se o dlouhou (až 100 metrů) termosifonovou trubku se zvětšeným průměrem. Taková chladicí zařízení se používají pro teplotní stabilizaci zemin ve velkých hloubkách, například pro tepelnou stabilizaci přehrad a hrází.
4) Šikmé sezónní chladicí zařízení. Tento typ chladicího zařízení se liší od tepelného stabilizátoru tím, že instalace odpařovacího potrubí se provádí ve sklonu cca 5 %. V tomto případě je možné instalovat šikmé odpařovací potrubí přímo pod budovy postavené na betonových deskách.
5) Horizontální chladicí zařízení. Zvláštností horizontálního sezónního chladicího zařízení je, že je instalováno zcela horizontálně na úrovni připraveného základového materiálu. V tomto případě je budova postavena přímo na nepokleslé zemině umístěné na izolační vrstvě a odpařovacích trubkách. Výhodou horizontálních chladicích zařízení je možnost jejich použití ve dvou konfiguracích: na deskových a pilotových základech.
6) Systém vertikálního chladicího zařízení. Tento typ sezónně provozovaného chladicího zařízení je podobný horizontálnímu chladicímu zařízení, ale na rozdíl od něj může kromě horizontálních odpařovacích trubek obsahovat až několik desítek vertikálních odpařovacích trubek. Výhodou tohoto systému je efektivnější udržování půdy v zamrzlém stavu. Nevýhodou systémů vertikálních chladicích zařízení je obtížnost jejich opravy a údržby. (Obrázek 2, Dodatek)
Myšlenkou je vytvořit elektrárnu schopnou využívat tepelné zdroje k výrobě elektřiny. Pro elektrárnu jsme zvolili technologii termálních pilot, protože je v tomto případě vhodnější. Abychom ji však mohli využít k výrobě elektřiny, museli jsme výrazně změnit konstrukci termálních pilot. (Obrázek 3, Dodatek). Uvnitř termálních pilot jsme přidali trubku, ve které jsou oběžná kola střídavě umístěna na centrální hřídeli, připojené k elektrickému generátoru. Tvar krytu termálních pilot je vytvořen ve tvaru kužele směřujícího dolů, pro směrovaný tok kondenzované kapalné chladicí kapaliny do vnitřní trubky a způsobení otáčení oběžných kol. Ve fázi výroby se do utěsněné trubky nalije chladicí kapalina, která se ve spodní části piloty odpařuje v důsledku ohřevu od stěn, jehož intenzitu zvyšuje radiátor v kontaktu s termální vodou. Chladicí kapalina je zvolena tak, aby teplota odpařování byla od 20 do 37 °C a teplota kondenzace od -30 do 20 °C. Termální pilota je zakopána do země do hloubky, kde teplota podzemní vody dosahuje 20-37 °C. Boční stěny tepelného pilotu mezi radiátory jsou tepelně izolovány, aby se zabránilo kondenzaci a stékání kapaliny do dna, čímž by se obcházelo vnitřní potrubí s rotujícími oběžnými koly. Nejvyšší účinnosti zařízení dosáhne při maximálním teplotním gradientu mezi půdou a vzduchem na povrchu, stejně jako při intenzitě výměny tepla, které jsou ovlivněny rychlostí větru, rychlostí pohybu termální vody a žebrováním teplosměnné plochy.
První možnost nezohledňovala tepelnou izolaci a umístění žeber a nebyla vyřešena ani otázka proudění kapaliny, která musí překonat vnitřní tření osy, na které jsou umístěny rotační lopatky, aby se dala do pohybu. (Obrázek 4, Dodatek)
Ve druhé fázi je navrženo řešení problému, kdy se v horní části válce použije mezilehlá nádrž na kapalinu. Po naplnění na určitou úroveň kapalina s vysokým průtokem proudí vnitřním potrubím a roztáčí lopatky. Tím je cyklicky poháněna rotace elektromotoru spolu s vyrovnávacími akumulátory elektrické energie. (Obrázek 5, Dodatek) Absence mezilehlé nádrže na kapalinu při malém teplotním gradientu neumožňuje vytvořit významný průtok kapaliny k překonání vnitřního tření pohyblivých mechanismů a uvedení elektrického generátoru do pohybu. Přítomnost mezilehlé nádrže na kapalinu tento problém řeší. (Obrázek 6, Dodatek)
Neuvažujeme o použití vrtu s tepelným čerpadlem, ale prototypu zařízení tepelné komory. Do tepelné komory se umístí chladivo (freon, v našem případě petrolej), které se při zahřátí odpařuje, tvoří páru a stoupá vzhůru, přičemž se z něj odebere určité množství tepla. Poté kondenzuje, pohybuje se dolů (pro stlačení odváděné páry je potřeba čerpadlo, které ji přemění zpět na kapalinu) a je ohříváno termální vodou. Proces se opakuje. Klima Ťumeňské oblasti je kontinentální. Průměrná teplota v zimě je -15 stupňů, průměrná teplota v červenci je +23 stupňů, průměrná roční teplota je +2 stupně, od 96 do 275 slunečných dnů v roce. Mezi teplotou vzduchu a teplotou subtermální vody bude téměř vždy rozdíl a chladivo začne vřít při teplotě +5 stupňů a zdroj bude fungovat. Termální vodu pro ohřev potrubím nepustíme, protože se jedná o chlorid sodný a je potřeba ji čistit (trubky neustále zarůstají usazeninami), což si vyžádá dodatečné finanční prostředky, termální hromadu budeme vytápět, to je rozdíl mezi naším projektem a analogy. Nápad považujeme za nový a originální, pomůže nejen získat další zdroj energie, ale také obnovit provoz hydroterapeutického centra.
Ekonomický přínos. Odhadli jsme účinnost reálné instalace – je přibližně 35 %. Vzhledem k tomu, že hladina termální vody není hluboká (4 metry) a teplotní rozdíl bude téměř vždy, a v létě můžete použít tepelné čerpadlo.
Myšlenkou projektu je vytvoření autonomního zdroje elektřiny, který lze využít i v těžko dostupných místech. Myšlenkou projektu pro naši obec je využití termálních vod k výrobě energie pro domy a podniky v obci. V obci se nacházejí zdroje termálních vod (chlorido-sodných), které se nevyužívají. Před 20 lety fungovalo hydroterapeutické centrum. Nedaleko uzavřené nemocnice se nachází drůbežárna a využití vodní energie poskytne dodatečnou energii podniku a domům. Pokud se však hydroterapeutické centrum obnoví, pouze moderními metodami, pak to obyvatelům obce poskytne sociální zařízení, které zlepší zdraví obyvatel a vytvoří nová pracovní místa.
Je znázorněno základní schéma instalace pro přeměnu tepelné energie termálních vod na elektrickou energii. Jsou navrženy možnosti modernizace instalace pro zvýšení účinnosti. Jsou uvedena rizika pro provozuschopnost instalace. Požadováno: výpočet parametrů systému, laboratorní zkoušky, výběr chladiva, stanovení geometrie, výpočet tepelně-fyzikálních charakteristik systému.
1. Prozkoumali jsme geotermální zdroje Ruské federace s nízkým potenciálem a zjistili jsme, že termální vody se nacházejí na území Ruska – to znamená, že je budeme moci využívat.
2. Vyvinuli jsme schéma pro přeměnu tepla termálních vod na elektřinu, což znamená, že je lze využít k výrobě energie.
3. Prozkoumali jsme rizika našeho zařízení a našli jsme způsoby, jak je minimalizovat – tím se sníží pravděpodobnost selhání instalace.
4. Předložili jsme koncept návrhu instalace, který umožní její budoucí montáž.
5. A po porovnání cen metod přenosu elektřiny jsme zjistili, že pro přenos elektřiny do autonomních bodů (monitorovací body ropovodů a plynovodů, meteorologické stanice, lesnictví) by nejlepším řešením bylo použití jednotky pracující na termálních vodách.
Seznam použitých zdrojů a literatury
Horké prameny v Ťumeni. http://tyumengoryachieistochniki.ru
Termální prameny Krasnodarského kraje.
Geotermální energie: globální trendy a ruské perspektivy.
Přeměna tepla na elektřinu. https://www.forumhouse.ru/threads/87510/
Přeměna tepelné energie na elektrickou energii s vysokou účinností: metody a zařízení: http://fb.ru/article/426370/preobrazovanie-teplovoy-energii-v-elektricheskuyu-s-vyisokim-kpd-sposobyi-i-oborudovanie.
Obrázek 1. Schéma provozu tepelného čerpadla.
Obrázek 2. Schéma zapojení termosifonu.
Obrázek 3. Schéma zapojení tepelné piloty.
Instalace v sekci
Obrázek 4. Trojrozměrný obraz instalace.
Obrázek 5. Instalace. První verze.
Obrázek 6. Instalace. Vylepšená verze.
