Проведено чисельне моделювання процесів теплопереносу в каскаді термосифонів, що представляють собою систему вилучення геотермальної енергії з великих глибин. Запропоновано математичну модель теплопереносу в шарі теплоносія на нижній кришці термосифона і паровому каналі, відрізняються від відомих спрощеним описом комплексу теплофізичних процесів, що протікають в зонах випаровування, транспорту і конденсації термосифона. Метою дослідження є розробка спрощеного методу розрахунку температурних полів в каскаді термосифонів, що забезпечує можливість проведення дослідно-конструкторських робіт зі створення систем вилучення геотермальної енергії на основі каскаду термосифонів. Крайова задача математичної фізики вирішувалася методом кінцевих різниць. Показана можливість аналізу основних характеристик температур в рамках моделі «ефективної» теплопровідності, коефіцієнти переносу якої можуть бути визначені експериментально. Встановлено можливість перенесення теплоти з великих глибин з «ефективністю», достатньою для досягнення в системі теплопостачання температур близько 330 К в умовах повної теплоізоляції зовнішнього контуру (поверхонь термосифона). Отримані результати є базою для подальшого розвитку моделей і методів аналізу процесів вилучення геотермальної енергії з великих глибин з використанням каскаду послідовно працюють термосифонів. За результатами отриманих теоретичних наслідків сформульовані основні напрямки експериментальних досліджень з метою обґрунтування зроблених за результатами чисельного аналізу висновків. Результати чисельного моделювання дають підстави для висновку про перспективність подальшої (експериментальної і теоретичної) розробки методу вилучення геотермальної енергії з великих глибин залягання ґрунтових вод з використанням каскаду термосифонів великої висоти.

Анотація наукової статті з фізики, автор наукової роботи - Нурпейіс Атлант Еділули


ANALYSIS OF POTENTIAL METHOD OF GEOTHERMAL ENERGY APPLICATION

The numerical simulation of heat transfer was conducted in a cascade of thermosyphons representing a system for extracting geothermal energy from great depths. We proposed a mathematical model of heat transfer in the coolant layer on the bottom cover of a thermosyphon and in the vapor channel differing from the well-known ones by a simplified description of the complex of thermophysical processes occurring in the evaporation, transport and condensation zones of the thermosyphon. The aim of this work is to develop a simplified method for calculating temperature fields in a cascade of thermosyphons, which makes it possible to conduct design and experimental work to create the systems for extracting geothermal energy based on a cascade of thermosyphons. The boundary problem of mathematical physics was solved by the method of finite differences. We showed the possibility to analyze the main characteristics temperatures within the framework of the model of «effective» thermal conductivity. The transfer coefficients of this model can be determined experimentally. We found the possibility of heat transfer from large depths with «efficiency» sufficient to achieve temperatures of about 330 K in the heat supply system when the external contour (thermosyphon surfaces) is completely thermally insulated. The results obtained are the basis for the further development of models and methods for analyzing geothermal energy extraction from great depths using a cascade of sequentially operating thermosyphons. According to the obtained theoretical results, the main directions of experimental studies were formulated to justify the conclusions made by the results of a numerical analysis. The results of numerical simulation provide grounds for concluding that the future (experimental and theoretical) development of a method for extracting geothermal energy from large depths of groundwater using a cascade of thermosyphons is promising.


Область наук:

  • фізика

  • Рік видавництва: 2019


    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ


    Наукова стаття на тему 'АНАЛІЗ МОЖЛИВОГО МЕТОДУ ВИКОРИСТАННЯ ГЕОТЕРМАЛЬНІЙ ЕНЕРГІЇ'

    Текст наукової роботи на тему «АНАЛІЗ МОЖЛИВОГО МЕТОДУ ВИКОРИСТАННЯ ГЕОТЕРМАЛЬНІЙ ЕНЕРГІЇ»

    ?УДК 536.24

    АНАЛІЗ МОЖЛИВОГО МЕТОДУ ВИКОРИСТАННЯ ГЕОТЕРМАЛЬНІЙ ЕНЕРГІЇ

    Нурпейіс Атлант Еділули,

    Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Національний дослідницький Томський політехнічний університет, Росія, 634050, м Томськ, пр. Леніна, 30.

    Проведено чисельне моделювання процесів теплопереносу в каскаді термосифонів, що представляють собою систему вилучення геотермальної енергії з великих глибин. Запропоновано математичну модель теплопереносу в шарі теплоносія на нижній кришці термосифона і паровому каналі, відрізняються від відомих спрощеним описом комплексу теплофізичних-чеських процесів, що протікають в зонах випаровування, транспорту і конденсації термосифона. Метою дослідження є розробка спрощеного методу розрахунку температурних полів в каскаді термосифонів, що забезпечує можливість проведення дослідно-конструкторських робіт зі створення систем вилучення геотермальної енергії на основі каскаду термосифонів. Крайова задача математичної фізики вирішувалася методом кінцевих різниць. Показана можливість аналізу основних характеристик - температур - в рамках моделі «ефективної» теплопровідності, коефіцієнти переносу якої можуть бути визначені експериментально. Встановлено можливість перенесення теплоти з великих глибин з «ефективністю», достатньою для досягнення в системі теплопостачання температур близько 330 К в умовах повної теплоізоляції зовнішнього контуру (поверхонь термосифона). Отримані результати є базою для подальшого розвитку моделей і методів аналізу процесів вилучення геотермальної енергії з великих глибин з використанням каскаду послідовно працюють термосифонів. За результатами отриманих теоретичних наслідків сформульовані основні напрямки експериментальних досліджень з метою обґрунтування зроблених за результатами чисельного аналізу висновків. Результати чисельного моделювання дають підстави для висновку про перспективність подальшої (експериментальної і теоретичної) розробки методу вилучення геотермальної енергії з великих глибин залягання ґрунтових вод з використанням каскаду термосифонів великої висоти.

    Ключові слова:

    Геотермальна енергетика, каскад двофазних термосифонів, математичне моделювання, тепловий потік, теплоперенос, випаровування, конденсація, кондукция.

    Вступ

    У зв'язку з тим, що ресурси гідроенергетики на планеті по суті вичерпані, теплові електричні станції (навіть найсучасніші) в процесі своєї роботи інтенсивно забруднюють навколишнє середовище, а використання атомної енергетики зустрічає великий опір з боку громадян багатьох держав (особливо Європи і Америки), альтернативні (відновлювані) джерела енергії (ВДЕ) залучають в останні роки все більше уваги [1-3]. Але за останні 20 років інтенсивної роботи промисловості багатьох розвинених держав (Німеччина, Данія, Нідерланди та ін.) Великих успіхів у використанні вітроустановок і сонячних батарей досягти не вдалося [3-5]. Внесок цих джерел енергії станом на 2015 р залишається незначним (менше 8% [3, 6]) як у великій (вироблення електрики), так і в малій (вироблення в основному теплоти) енергетиці [3-6]. Стає все більш очевидним, що ці два напрямки відновлюваної енергетики істотно обмежені за своїм потенціалом у зв'язку з об'єктивними умовами (географічним положенням, в основному). У зв'язку з цим найбільш привабливими після двадцяти років інтенсивних досліджень і розробок в області ВДЕ стають біомаса і геотермальна енергія. Ресурси останніх розподілені по територіях багатьох держав більш-менш рівномірно і можуть бути ефективно використані незалежно від пори року або дня.

    Слід зазначити, що біомаса як джерело енергії досліджується багато десятиліть вченими багатьох країн світової спільноти. Опубліковані тисячі статей з цієї тематики, наприклад [7-9]. Можна вважати, що основні технології використання біомаси в енергетиці в основному опрацьовані в плані науково-дослідних робіт.

    Набагато гірше стан справ в геотермальної енергетики. Поки передбачається [10, 11], що нагріта до високих температур вода повинна по трубах подаватися з низьких горизонтів (глибина до 1 км) в системи теплопостачання і після обороту повертатися в область високих температур. При такій технології вилучення геотермальної енергії виникають чотири проблеми, вирішити які вкрай складно:

    1. Втрати енергії при транспорті за рахунок теплоот-вода в навколишнє середовище (охолодження нагрітої до високих температур води). Для мінімізації цих втрат необхідна ефективна теплоізоляція всієї зовнішньої поверхні труб подачі наверх теплоносія.

    2. Великі витрати енергії на підйом теплоносія на великі висоти при роботі насосів. У більшості реальних ситуацій гаряча вода не може сама піднятися на поверхню.

    3. Виявлено, що геотермальна вода містить багато кислотних з'єднань, які дуже швидко призводять до корозії металів і виходу з ладу системи підйому такої води з низьких горизонтів (як трубопроводів, так і насосів).

    ЕО! 10.18799 / 24131830/2019/7/2172

    17

    4. При постійній тривалій експлуатації таких геотермальних джерел висока вірогідність їх виснаження в терміни, недостатні навіть для їх окупності.

    Альтернативою варіанту прямого підйому геотермальної води з великих глибин є схема використання каскаду великорозмірних термосифонів для передачі теплоти в систему теплопостачання. У цьому випадку немає необхідності використовувати насоси для вилучення нагрітої до високих температур води і немає корозії трубопроводів. Крім того, при такій схемі теплопередачі джерело енергії ( «гаряча» вода) не йде зі своїх горизонтів на поверхню. Відповідно, немає небезпеки «виснаження» джерела теплопостачання. Охолодження води в області контакту з нижньою кришкою першого в каскаді термосифона компенсується припливом теплоти внаслідок кондукції і конвекції з областей, в яких немає термосифонів.

    При реалізації передбачуваної схеми необхідно знати температуру на верхній кришці останнього термосифона з урахуванням термічних опорів кожного термосифона каскаду (ефективних теплопровідності парового потоку і термічних опорів поділяють термосифонного кришок). Для цього обчислення необхідно вирішувати систему рівнянь теплопереносу для каскаду термосифонів. Використання моделей [12-15], що описують повний комплекс тепло-фізичних і гідродинамічних процесів в паровому каналі термосифона, в шарі теплоносія і плівці конденсату на вертикальних стінках, при вирішенні завдання теплопереносу для каскаду термосифонів вкрай важко. Тому метою дослідження є розробка спрощеного методу розрахунку температурних полів в каскаді термосифонів, що забезпечує можливість проведення дослідно-конструкторських робіт зі створення систем вилучення геотермальної енергії на основі каскаду термосифонів.

    Постановка задачі

    Встановлено [16, 17], що при моделюванні теплофізичних процесів в термосифонного для розрахунку основної характеристики процесу - швидкості випаровування -досить рішення задачі ті-плопереноса в шарі теплоносія на нижній кришці в рамках моделі, що враховує крім теплопровідності також і термогравітаціонную конвекцію. В [16, 17] показано, що внесок конвективного механізму значний навіть при температурах конденсату менше температури кипіння. Але рішення задачі, істотно менш складною в порівнянні з постановками [12-15], також вимагає тривалих обчислень при аналізі характеристик процесів теплопереносу в каскаді термосифонів. Тому пропонується використовувати для опису процесів переносу теплоти в шарі теплоносія на нижній кришці рівняння теплопровідності, в якому за аналогією з рядом

    інших завдань (наприклад, [18, 19]) використовується «ефективний» коефіцієнт теплопровідності, що враховує не тільки кондукції, але і конвекцію відповідно до результатів чисельного моделювання [16, 17].

    Для обгрунтування такого підходу вирішена на першому етапі моделювання завдання теплопровідності для шару конденсату на нижній кришці одного термосифона.

    х2

    х1 ?

    у \ \ А до

    ___

    ES

    ч 11 ч

    1

    7

    5

    Мал. 1. Область рішення: 1 - металевий корпус; 2 - шари конденсату; 3 - паровий канал; 4 - поверхня випаровування

    Fig. 1. Area of ​​the solution: 1 - metal case; 2 - layers of condensate; 3 - vapor channel; 4 - surface evaporation

    Рівняння теплопровідності для нижньої кришки:

    Рівняння теплопровідності для шару кондом сата:

    (Д2Т2 д Т ^

    (1)

    дт "

    (2)

    Початкові умови для системи рівнянь (1) - (2):

    1 - 0: Т (х, у, 0) - Т0. (3)

    Граничні умови для рівнянь (1) і (2) мають вигляд:

    дт

    х - 0,0 < у < у,: - 1 - 0, (4)

    дх

    дт

    х - 0, у, < у < у2: - ^ - 0, (5)

    дх

    дт

    х - х2, 0 <у <у2: -А-1 - 0, (6)

    2 + 2 дх

    дт

    у - 0,0 < х < х2: -1-1 - д, (7)

    2 дх

    дт

    у - у2, 0 < х < х ,: А- ^ 2 = + V, РпСрп (ТГ-Т), (8)

    5 9Т1 П

    y = y2, x1 < x < x2: -X-1 = П, dy

    (9)

    x = Xj, П < y < У2:

    У = yi, П < x < x:

    T = T 2 '

    X1 dT

    1 _

    dx

    T = T 2

    X dT

    I _

    dd

    -i = K ^ r, (10)

    (11)

    w =

    A (PVS - P)

    2nRT

    M

    Ps = Pnexp I-

    QeM \ n pRT

    RT

    P = |

    M

    (12)

    (13)

    T, K

    _______ {--------- vH

    -A

    -T-

    -Г-

    -Г-

    T "

    T "

    -Г-

    -Г-

    -t

    1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 SOOO 9000

    a / a

    T.K

    де x, y - координати декартової системи координат; t - час; T - температура; X - теплопровідність; p - щільність; Ср - теплоємність; qe - теплота випаровування; We - швидкість випаровування; - лінійна швидкість; q - тепловий потік; А - коефіцієнт акомодації; Pvs - тиск насиченої пари, Pv - парціальний тиск пари над поверхнею рідини, Д = 8314 Дж / кмоль-К - універсальна газова постійна, M - молекулярна вага; 1 -матеріал кришки, 2 - рідина, п - пар.

    Нелінійна задача (1) - (13) вирішена методом кінцевих різниць з використанням ітераційної чотирьохточкові схеми, добре проявила себе при вирішенні нелінійних задач теплопереносу в умовах інтенсивних фазових перетворень [20] і хімічного реагування [21]. Основні труднощі чисельного рішення сформульованої крайової задачі обумовлені локальним стоком тепла на межі розділу фаз (поверхні випаровування теплоносія). Інтенсивне відведення теплоти в одній точ-

    т, до

    т, до

    про юоо 2000 Зою 4000 кюо бою гооо ЗООО еооо юооо т, з

    в / с

    0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Т, С

    г / d

    Мал. 2. Залежності температур в точці x = 0 мм, y = 6 мм від часу для шару теплоносія: а) q = 0,4 кВт / м2, б) q = 0,5 кВт / м2,

    в) q = 0,9 кВт / м2, г) q = 1,8 кВт / м2 (1 - експеримент (•••), 2 - чисельне рішення в рамках моделі (1) - (13) (- - -) , 3 - чисельне рішення рівняння теплопровідності для шару теплоносія (-))

    Fig. 2. Temperature dependences at point x = 0 mm, y = 6 mm on time for coolant layer: а) q = 0,4 kW / m2, б) q = 0,5kW / m2, в) q = 0,9 kW / m2,

    г) q = 1,8 kW / m2 (1 - experiment (•••), 2-numerical solution within the framework of the model (1) - (13) (- - -), 3 - numerical solution of the heat equation for the coolant layer (-))

    ке разностной сітки призводить до великих перепадів температур в поверхневому шарі конденсату. Тому завдання (1) - (13) вирішувалася з дуже малими кроками за часом (до 0,001 с), що, відповідно, призводило до великої тривалості обчислень.

    В якості теплоносія при проведенні чисельного моделювання було обрано дистильована вода, в зв'язку з тим, що є достовірні експериментальні дані по характеристикам цієї рідини і швидкостям випаровування в зонах зміни температур, що відповідають умовам роботи термосифонів [16], також відомі [16] температури в характерних точках шару цього теплоносія на нижній кришці термосифона в досить широкому діапазоні теплових потоків.

    На рис. 2 представлені залежності температур від часу в точці х = 0 мм, у = 6 мм (рис. 1) для шару теплоносія при теплових потоках д від 0,4 до 1,8 кВт / м2 (коефіцієнт ефективної теплопровідності (Аеф) варіювався від 4, 5 до 28 Вт / (м-К)).

    Три криві на рис. 2 відповідають результатам експериментів [16], чисельного моделювання в рамках моделі «ефективної» теплопровідності (крива 2) і результатами обчислень при вирішенні задачі теплопровідності без урахування термогравітаціонной конвекції (крива 3). Добре видно роль конвективного теплопереносу в формуванні температурного поля теплоносія. Результати рішення задачі (1) - (13) в рамках моделі «ефективної» теплопровідності добре відповідають експериментальним даним при значеннях Аф. З ростом q зростає Аеф (рис. 3) внаслідок інтенсифікації процесу термогравітаціонной конвекції. Чим більше q, тим швидше нагріті до високих температур нижні шари теплоносія піднімаються вгору, а відносно холодні верхні шари опускаються вниз - відбувається інтенсивне перемішування рідини при температурах, менших температури кипіння, такий механізм теплопере-носа буде характерний для будь-якого теплоносія.

    Результати рішення задачі (1) - (13) були використані при математичному описі процесу перенесення теплоти через каскад термосифонів. Область моделювання наведена на рис. 4. При постановці цієї задачі основним допущенням було припущення про ідеальний контакті нижніх і верхніх торцевих поверхонь всіх термосифонів каскаду (крім нижньої межі першого і верхньої межі останнього). При вирішенні задачі теплопровідності для системи подружжя-рехслойних пластин використовувалися результати вирішення завдання (1) - (13), а також експериментальні дані щодо ефективної теплопровідності парових каналів термосифонів отримані в [16, 17]. Ці характеристики визначаються з досить високою вірогідністю експериментально. Варто тільки відзначити, що ефективні теплопровідності парових каналів термосифонів (в деяких випадках термічні опори) отримані для відносно малих по висоті парових каналів. При вирішенні завдань ті-плопереноса для каскаду термосифонів доцільно провести додаткові експериментальні дослідження на термосифонного великої висоти для уточнення значень Аф.

    Мал. 3. Залежність ефективної теплопровідності теплоносія (Аеф, Вт / (мК)) від теплового потоку (q, Вт / м2) до нижньої кришки термосифона

    Fig. 3. Dependence of the effective thermal conductivity of the coolant (Xeff, W / (mK)) on the heat flux (q, W / m2) to the bottom cover of the thermosyphon

    0

    Мал. 4. Fig. 4.

    Область рішення: 1 - нижня кришка; 2 - шар конденсату; 3 - паровий канал; 4 - верхня кришка

    Area of ​​the solution: 1 - bottom cover; 2 - layer of condensate; 3 - vapor channel; 4 - top cover

    Розглядалася представницька група (до 40) термосифонів великої висоти (рис. 4). У кожному виділялися чотири зони істотно різної протяжності (товщини верхньої і нижньої кришок становила 3 ​​мм, товщина шару теплоносія на нижній кришці 20 мм, висота парового каналу 10 м). В рамках прийнятої фізичної моделі завдання теплопереносу в кожному окремому термосифонного зводиться до вирішення системи чотирьох рівнянь теплопровідності (кожне рівняння описує теплоперенос в одній їх вищезазначених зон). На кордонах між окремими шарами використані граничні умови четвертого роду (аналогічно, на кордонах між термосифонного). У такій постановці завдання зводиться до системи рівнянь:

    дт "д2Т" ,

    З р - = \ -2. 1 = 1, ^, 4 для кожного термосифона.

    ДГ ду

    На кордоні х = 0 (нижня межа нижньої кришки першого термосифона каскаду) можуть бути задані граничні умови першого роду:

    т (0, г) = ГИСТ,

    де Тіст - температура «гарячої» води на великій глибині залягання.

    На кордоні між шарами термосифона:

    дт.,

    відзначити, що отримані результати ілюструють принципову можливість використання геотермальної енергії із застосуванням каскаду термосифонів.

    л ВІД "

    i г + 1 '|ч

    ду ду

    T = T,, .

    На верхній межі верхньої кришки останнього термосифона задаються граничні умови третього роду:

    I ДТП = а (Т - Т),

    П Л V П в''

    ду

    де а - коефіцієнт тепловіддачі; Тв - температура води в системі опалення, що працює від геотермального джерела.

    Результати рішення задачі наведені на рис. 5 у вигляді розподілів температур по висоті каскаду (Л) термосифонів при варіюванні кількості від 10 до 100 шт.

    Результати чисельного моделювання (рис. 5) показують, що при температурі геотермальної води 373 К може бути досягнута температура верхньої кришки термосифона близько 336 К. Така температури в системі опалення є прийнятною для досить великого числа регіонів, наприклад, середньої смуги Росії. Необхідно відзначити, що при постановці завдання було прийнято умова теплоізоляції зовнішньої поверхні всіх термосифонів (відсутність втрат теплоти при її підйомі з великих глибин). Крім того, слід

    Мал. 5. Розподіл температури по висоті каскаду термосифонів при z = 100000 с, Хеф.в. = 28 Вт / (мК) для холодоагенту і ХЩпк = 600 Вт / (мК) для парового каналу: 1) h = 100 м; 2) h = 1000 м

    Fig. 5. Temperature distribution over the height of the cascade of thermosyphons at z = 100000 s, X, .lx = 28 W / (mK) for the refrigerant and Xellv, c = 600W / (mX) for the vapor channel: 1) h = 100 m; 2) h = 1000m

    висновок

    За результатами чисельного моделювання процесів теплопереносу в каскаді термосифонів обгрунтована можливість використання такої системи для вилучення геотермальної енергії з великих глибин при термосифонного великої висоти. Для розробки систем по вилученню геотермальної енергії за допомогою каскаду термосифонів необхідне проведення комплексу експериментальних і теоретичних досліджень з метою обґрунтування можливості використання основних характеристик роботи замкнутих двофазних термосифонів (в першу чергу ефективної теплопровідності), отриманих при щодо малих висотах останніх на ТЗ великої висоти. Сформульовано напрямки подальших досліджень по вибору конструктивних і режимних параметрів термосифонів.

    Дослідження проведено в рамках програми підвищення конкурентоспроможності Національного дослідницького Томського політехнічного університету серед провідних світових науково-освітніх центрів (госзаданіе «Наука» 8.13264.2018 / 8.9, проект ВІУ-ІШЕ-300/2018).

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Carapelucci R., Giordano L. Modeling and optimization ol an energy generation island based on renewable technologies and hydrogen storage systems // International Journal ol Hydrogen Energy. - 2012. - V. 37. - № 3. - P. 2081-2093.

    2. Akyuz E., Oktay Z., Dincer I. Performance investigation of hydrogen production from a hybrid wind-PV system // International Journal of Hydrogen Energy. - 2012. - V. 37. - № 21. - P. 16623-16630.

    3. Dynamic compressor optimization in natural gas pipeline systems / T.W.K. Mak, P. Van Hentenryck, A. Zlotnik, R. Bente // INFORMS Journal on Computing. - 2019. - V. 31 (1). - P. 40-65.

    4. Petersson A. Analysis, Modeling and Control of Doubly-Fed Induction Generators for Wind Turbines. Thesis for the degree of licentiate of engineering. - Goteborg, Sweden, 2003. - 122 p.

    5. Pagliaro M., Ciriminna R., Palmisano G. Flexible Solar Cells // ChemSusChem. - 2008. -V. 1. - Iss. 11. - Р. 880-891.

    6. Мудреців А.Ф., Кожухів А.С. Проблеми розвитку нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії // Збірник: Стратегічне планування і розвиток підприємств. - М .: ЦЕМІ РАН, 2016. - С. 100-103.

    7. Syngas production from microwave-assisted air gasification of biomass. P. 1. Model development / C. Ke, Y. Zhang, Y. Gao, Y. Wang, R. Ruan // Renewable Energy. - 2019. - V. 140. -P. 772-778.

    8. Фізико-хімічні основи процесів утворення біомаси та перспективи її використання в альтернативній енергетиці / Ю.М. Шалімов, А.В. Єпіфанов, В.І. Кудряш, В.Д. Єпіфанов, М.В. Лутовац, В.І. Федянін, Є.П. Євсєєв, С.А. Соколов, П.Н. Макаров, Г.Я. Власов, Г.С. Веранян // International Scientific Journal Life and Ecology. - 2015. - № 2. - С. 27-29.

    9. Analysis of feedstock requirement for the expansion of a biomass-fed district heating system considering daily variations in heat demand and biomass quality / O. Quirion-Blais, K.T. Malladi, T. Sowlati, E. Gao, C. Mui // Energy Conversion and Management. - 2019. - V. 187. - P. 554-564.

    10. Lund J.W., Boyd T.L. Direct utilization of geothermal energy 2015 worldwide review // Geothermics. - 2016. - V. 60. -P. 66-93.

    11. Bertani R. Geothermal power generation in the world 2010-2014: Update Report // Geothermics. - 2016. - V. 60. - P. 31-43.

    12. Kuznetsov G.V., Sitnikov A.E. Numerical analysis of basic regularities of heat and mass transfer in high-temperature heat pipe // TVT. - 2002. - V. 40. - Iss. 6. - P. 964-970.

    13. Kuznetsov G.V., Al-Ani M.A., Sheremet M.A. Numerical analyses of convective heat transfer in a closed two-phase thermosiphon // Journal of Engineering Thermophysics. - 2011. - V. 20 (2). -P. 201-210.

    14. Fadhl B., Wrobel L.C., Jouhara H. Numerical modelling of the temperature distribution in a two-phase closed thermosyphon // Applied Thermal Engineering. - 2013. - V. 60 - P. 122-131.

    15. Numerical study on the two-phase flow pattern and temperature distribution in a loop thermosyphon as a defrost device at the evaporator in the refrigerator / S.H. Park, Y.S. Kim, S.Y. Kim, Y.G. Park, M.Y. Ha // Journal of Mechanical Science and Technology. - 2018. - V. 32 (12). - P. 5927-5936.

    16. Кузнецов Г.В., Нурпейіс А.Є. Експериментальне визначення температур в характерних перетинах робочої зони замкнутого двухфазного термосифона // Известия вищих навчальних закладів. Проблеми енергетики. - 2018. - Т. 20. - № 3-4. -З. 136-144.

    17. Безродний М.К., Піоро І.Л., Костюк Т.О. Процеси перенесення в двофазних термосифонних системах. - Київ: Факт, 2005. -704 с.

    18. Піоро І.Л., Антоненко В.А., Піоро Л.С. Ефективні теплообмінники з двофазним термосифонного. - Київ: Наук. думка, 1991. - 248 с.

    19. Nurpeiis A.E., Nemova T.N. The opportunity analyses of using thermosyphons in cooling systems of power transformers on thermal stations // MATEC Web of Conferences. Heat and mass transfer in the system of thermal modes of energy - Technical and technological equipment. - Tomsk, April 19-21 2016. - V. 72. -01077, 7 p.

    20. Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Numerical investigation of the influence of convection in a mixture of combustion products on the integral characteristics of the evaporation of a finely atomized water drop // Journal of Engineering Physics and Thermophy-sics. - 2014. - V. 87. - P. 103-111.

    21. Mathematical simulation of thermophysical and thermos chemical processes during combustion of intumescent fire-protective coating / V.L. Strakhov, A.N. Garaschenko, G.V. Kuznetsov, V.P. Rudzinskii // Combustion, Explosion and Shock Waves. -2001. - V. 37. - P. 178-186.

    Надійшла 02.05.2019 р.

    Інформація про авторів

    Нурпейіс А.Е., асистент Науково-освітнього центру І.М. Бутакова Інженерної школи енергетики Національного дослідницького Томського політехнічного університету.

    UDC 536.24

    ANALYSIS OF POTENTIAL METHOD OF GEOTHERMAL ENERGY APPLICATION

    Atlant E. Nurpeiis,

    Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    National Research Tomsk Polytechnic University, 30, Lenin avenue, Tomsk, 634050, Russia.

    The numerical simulation of heat transfer was conducted in a cascade of thermosyphons representing a system for extracting geother-mal energy from great depths. We proposed a mathematical model of heat transfer in the coolant layer on the bottom cover of a ther-mosyphon and in the vapor channel differing from the well-known ones by a simplified description of the complex of thermophysical processes occurring in the evaporation, transport and condensation zones of the thermosyphon. The aim of this work is to develop a simplified method for calculating temperature fields in a cascade of thermosyphons, which makes it possible to conduct design and experimental work to create the systems for extracting geothermal energy based on a cascade of thermosyphons. The boundary problem of mathematical physics was solved by the method of finite differences. We showed the possibility to analyze the main characteristics -temperatures - within the framework of the model of «effective» thermal conductivity. The transfer coefficients of this model can be determined experimentally We found the possibility of heat transfer from large depths with «efficiency» sufficient to achieve temperatures of about 330 K in the heat supply system when the external contour (thermosyphon surfaces) is completely thermally insulated. The results obtained are the basis for the further development of models and methods for analyzing geothermal energy extraction from great depths using a cascade of sequentially operating thermosyphons. According to the obtained theoretical results, the main directions of experimental studies were formulated to justify the conclusions made by the results of a numerical analysis. The results of numerical simulation provide grounds for concluding that the future (experimental and theoretical) development of a method for extracting geothermal energy from large depths of groundwater using a cascade of thermosyphons is promising.

    Key words:

    Geothermal energy, cascade of two-phase thermosyphons, mathematical modeling, heat flow, heat transfer, evaporation, condensation, conduction.

    The study was conducted in the framework of the program of increasing the competitiveness of National Research Tomsk Polytechnic University among world's leading research and educational centers (state assignment «Nauka» 8.13264.2018 / 8.9, project VIU-ISHE-300/2018).

    REFERENCES

    1. Carapelucci R., Giordano L. Modeling and optimization of an energy generation island based on renewable technologies and hydrogen storage systems. International Journal of Hydrogen Energy 2012, vol. 37, no. 3, pp. 2081-2093.

    2. Akyuz E., Oktay Z., Dincer I. Performance investigation of hydrogen production from a hybrid wind-PV system. International Journal of Hydrogen Energy 2012, vol. 37, no. 21, pp.16623-16630.

    3. Mak T.W.K., Van Hentenryck P., Zlotnik A., Bente R. Dynamic compressor optimization in natural gas pipeline systems. INFORMS Journal on Computing, 2019, vol. 31 (1), pp. 40-65.

    4. Petersson A. Analysis, Modeling and Control of Doubly-Fed Induction Generators for Wind Turbines. Thesis for the degree of licentiate of engineering. Goteborg, Sweden, 2003. 122 p.

    5. Pagliaro M., Ciriminna R., Palmisano G. Flexible Solar Cells. ChemSusChem., 2008, vol. 1, Iss. 11, pp. 880-891.

    6. Mudretsov A.F., Tulupov A.S. Problemy razvitiya netraditsion-nykh i vozobnovlyaemykh istochnikov energii [Problems of development of non-traditional and renewable energy sources]. Sbor-nik: Strategicheskoe planirovanie i razvitie predpriyaty [Collection: Strategic planning and development of enterprises]. Moscow, TsEMI RAN Publ., 2016. pp. 100-103.

    7. Ke C., Zhang Y., Gao Y., Wang Y., Ruan R. Syngas production from microwave-assisted air gasification of biomass: Part 1 model development. Renewable Energy, 2019, vol. 140, pp. 772-778.

    8. Shalimov Yu.N., Epifanov A.V., Kudryash V.I., Epifanov V.D., Lutovats M.V., Fedyanin V.I., Evseev E.P., Sokolov S.A., Maka-rov P.N., Vlasov G.Ya., Veranyan G.S. Physico-chemical basis of biomass formation and prospects of its use in alternative energy. International Scientific Journal Life and Ecology, 2015-го, no. 2, pp. 27-29. In Rus.

    9. Quirion-Blais O., Malladi K.T., Sowlati T., Gao E., Mui C. Analysis of feedstock requirement for the expansion of a biomass-fed district heating system considering daily variations in heat demand and biomass quality. Energy Conversion and Management, 2019, vol. 187, pp. 554-564.

    10. Lund J.W., Boyd T.L. Direct utilization of geothermal energy 2015 worldwide review. Geothermics, 2016, no. 60, pp. 66-93.

    11. Bertani R. Geothermal power generation in the world 2010-2014: Update Report. Geothermics, 2016, vol. 60, pp. 31-43.

    12. Kuznetsov G.V., Sitnikov A.E. Numerical analysis of basic regularities of heat and mass transfer in high-temperature heat pipe. TVT, 2002 vol. 40, Iss. 6, pp. 964-970.

    13. Kuznetsov G.V., Al-Ani M.A., Sheremet M.A. Numerical analyses of convective heat transfer in a closed two-phase thermosiphon. Journal of Engineering Thermophysics, 2011, vol. 20 (2), pp. 201-210.

    14. Fadhl B., Wrobel L.C., Jouhara H. Numerical modelling of the temperature distribution in a two-phase closed thermosiphon. Applied Thermal Engineering, 2013, vol. 60, pp. 122-131.

    15. Park S.H., Kim Y.S., Kim S.Y., Park Y.G., Ha M.Y. Numerical study on the two-phase flow pattern and temperature distribution in a loop thermosyphon as a defrost device at the evaporator in the refrigerator. Journal of Mechanical Science and Technology, 2018, vol. 32 (12), pp. 5927-5936.

    16. Kuznetsov G.V., Nurpeiis A.E. Experimental determination of temperatures in characteristic sections of the working zone of a closed two-phase thermosyphon. Proceedings of the higher educational institutions. Energy sector problems, 2018, vol. 20, no. 3-4, pp. 136-144. In Rus.

    17. Bezrodnyy M.K., Pioro I.L., Kostyuk T.O. Protsessy perenosa v dvukhfaznykh termosifonnykh sistemakh [Transfer in two-phase thermosyphon systems]. Kiyev, Fakt Publ., 2005. 704 p.

    18. Pioro I.L., m Antonenko V.A., Pioro L.S. Effektivnye teploobmen-niki s dvukhfaznymi termosifonami [Efficient heat exchangers with two-phase thermosyphons]. Kiyev, Naukova dumka Publ., 1991. 248 p.

    19. Nurpeiis A.E., Nemova T.N. The opportunity analyses of using thermosyphons in cooling systems of power transformers on thermal stations. MATEC Web of Conferences. Heat and mass transfer in the system of thermal modes of energy - Technical and technological equipment. Tomsk, 19-21 April 2016. Vol. 72, 01077, 7 p.

    20. Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Numerical investigation of the influence of convection in a mixture of combustion products on the

    Information about the authors

    Atlant E. Nurpeiis, assistant, National Research Tomsk Polytechnic University.

    integral characteristics of the evaporation of a finely atomized water drop. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2014 року, vol. 87, pp. 103-111.

    21. Strakhov, V.L., Garaschenko, A.N., Kuznetsov, G.V., Rudzin-skii, V.P. Mathematical simulation of thermophysical and thermos chemical processes during combustion of intumescent fire-protective coating. Combustion, Explosion and Shock Waves, 2001., vol. 37, pp. 178-186.

    Received: 2 May 2019.


    Ключові слова: ГЕОТЕРМАЛЬНА ЕНЕРГЕТИКА /КАСКАД двофазним термосифонного /МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ /ТЕПЛОВОЇ ПОТІК /теплоперенос /випаровування /КОНДЕНСАЦІЯ /кондукції /GEOTHERMAL ENERGY /CASCADE OF TWO-PHASE THERMOSYPHONS /MATHEMATICAL MODELING /HEAT FLOW /HEAT TRANSFER /EVAPORATION /CONDENSATION /CONDUCTION

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити