Автором этой статьи были разработаны различные схемы автономных и многофункциональных установок с такими насосами. Как схемы, так их основные элементы были запатентованы в России, Индии, Австралии, Италии, Франции и США. Патент в США №4970344 связан с использованием различных по конструкции струйных и теплового насосов в установке для водоподъёма и теплоснабжения, а также для снижения минерализации геотермального рассола, извлечения из него ценных элементов или для повторной его закачки в пласт геотермального месторождения.
Патент основан на обширных теоретических и экспериментальных исследованиях указанных схем и аппаратов на лабораторных установках ЭНИН, а также в полевых условиях Паужетского геотермального месторождения на Камчатке, где были проведены испытания насосов на различных бросовых скважинах. Установка со струйными и тепловым насосами показана на рис. 1.
Одновременно устраняя тепловое и солевое загрязнение окружающей среды, установка должна обеспечивать горячее водо- и теплоснабжение посёлка буровиков, в частности, осуществлять бытовое обеспечения водой с пониженной минерализацией, а также теплоснабжение жилищ и теплиц. Работа буровиков на Паужетке очень важна, поскольку при окончании срока действия отдельных скважин приходится бурить и вводить в действие новые дорогостоящие скважины, обеспечивающие непрерывность действия местных ГеоТЭС. Однако бросовые скважины продолжают загрязнять теплом и паром окружающую и исключительно ценную природную среду Камчатки. Именно по инициативе буровиков выполнялась работа по исключению сливов и выбросов от бросовых геотермальных скважин, то есть по защите местной окружающей природной среды и по снижению минерализации горячей воды, подаваемой в дома буровиков, до норм, безопасных для здоровья. Повышенное содержание бора в местных термальных водах, в частности, вредно влияло на состояние зубов жителей посёлка.
Патент основан на обширных теоретических и экспериментальных исследованиях указанных схем и аппаратов на лабораторных установках ЭНИН, а также в полевых условиях Паужетского геотермального месторождения на Камчатке, где были проведены испытания насосов на различных бросовых скважинах
В указанной установке, а также в агрегатах только со струйными насосами, описанных ниже, может использоваться либо пароводяная смесь, непосредственно поступающая из бросовых геотермальных скважин, либо пар после сепараторов ГеоТЭС. В данной работе приведён в основном опыт использования пароводяной смеси. Сами установки позволяют осуществлять реинжекцию сливных вод в пласт геотермального месторождения через скважины закачки. Достижению высокой производительности и эффективности установки, показанной на рис. 1, должен способствовать установленный в ней тепловой насос.
Вкратце опишем действие этой установки. Паровая смесь после скважины и сепаратора поступает к соплам 3 и 4. Рассол после сепаратора направляется в теплообменник 9 и отдаёт тепло пресной воде из источника 11. Затем пресная вода поступает в жидкостные сопла 12 второй ступени инжектора 6. После смешения с этой водой завершается конденсация пара в этом инжекторе, а вода используется в системе теплоснабжения 14. Охлаждённый рассол после теплообменника 9 поступает в центральное сопло 10, а затем и камеру смешения струйного насоса 7. Пар поступает сюда через кольцевое паровое сопло 4.
После выхода из насоса 7 рассол, имеющий достаточно высокое давление, поступает на вход теплового насоса 16 в его обогреваемую часть, тогда как в охлаждаемую сторону 25 испарителя 17, через которую проходит и дополнительно охлаждается вода после использования в системе теплоснабжения 14, что повышает показатели инжектора 6. Тепло от этой воды отдаётся промежуточному теплоносителю (жидкости с низкой температурой кипения), перемещающемуся по обогреваемой стороне 19 испарителя 17. Здесь теплоноситель вскипает, а образующийся пар затем сжимается в компрессоре 23, снабжённом гидравлическим приводом 24, действие которого основано на срабатывании давления воды после инжектора 6. Количество воды, используемой в гидроприводе 24 компрессора 23, незначительно (не более 10 % от её расхода после инжектора 6).
Температура и теплосодержание промежуточного теплоносителя возрастают в результате сжатия, после чего тот поступает в конденсатор 18 и, проходя по его охлаждаемой стороне 20, отдаёт тепло рассолу, движущемуся по нагреваемой стороне 27 конденсатора 18. То есть тепловой насос охлаждает жидкость перед поступлением его в инжектор 6 и нагревает рассол перед его использованием для извлечения из него полезного сырья или для реинжекции в пласт геотермального месторождения. Дроссельный клапан 22, установленный в контуре 21, служит для подъёма давления промежуточного теплоносителя после конденсатора 18.
Таким образом, тепловой насос улучшает производительность и КПД установки, а также делает её более многофункциональной и устойчивой в работе при одновременном снижении попадания термальных рассолов в природные водоёмы, реки и ручьи Камчатки.
Рассматриваемые установки, работающие на влажном паре, существенно (в два-три раза) понижают минерализацию солей в воде благодаря смешению минерализованных рассолов в струйных насосах-инжекторах с пресной водой из этих поверхностных источников и характеризуются простотой, надёжностью и низкой стоимостью. Это связано, в частности, с тем, что бросовые скважины, являющиеся важной частью установок, полностью обесцениваются после окончания срока своей активной работы на ГеоТЭС.
Особым достоинством установок является устранение теплового и солевого загрязнения окружающей среды.
Что касается струйных насосов (инжекторов-конденсаторов), то они совмещают в своей работе функции вакуумного и нагнетательного насосов, а также смесителей и конденсаторов, поднимающих пресную воду из источника и перекачивающих определённое количество термальной минерализованной воды потребителю. Струйные насосы содержат паровое и жидкостное сопла, камеру смешения и диффузор. В камере смешения струйного аппарата, являющейся эффективным теплообменником смешивающего типа, осуществляется интенсивный нагрев холодной жидкости, а также её разгон двухфазным потоком после сопла инжектора, а в диффузоре — существенное повышение давления. Такие насосы не требуют ухода, оказываются достаточно дешёвыми и несложными в изготовлении и обслуживании. В них отсутствуют трущиеся и вращающиеся детали, что гарантирует длительный срок службы. Минерализация термальных вод после струйных насосов резко понижается.
Нами сначала были изучены в реальных условиях малые лабораторные конструкции инжекторов и первые небольшие струйные насосы для геотермального применения, которые были установлены после бросовых скважин Паужетского геотермального месторождения. Установка, на которой были проведены соответствующие испытания, показана на рис. 2.
Затем были разработаны, испытаны и успешно работали крупные конструкции струйных насосов с различными подводами холодной жидкости — многоструйным, центральным и двухступенчатым, а также с подводом через отверстия запуска горячих рассолов.
Характеристики струйных насосов позволили эффективно им работать в достаточно широких диапазонах изменения режимных параметров. Для регулирования выходных параметров струйных насосов на Паужетке (Камчатка) применён сменный набор горловин диффузора на выходе из их камер смешения. Ввод термальной жидкости через отверстия запуска осуществлён нами впервые, и оказался весьма полезным, а это ещё один повод рекомендовать замену дорогостоящих и громоздких центробежновихревых насосов с электроприводом струйными насосами.
Установка для испытания и работы установки с тремя струйными насосами на Камчатке показана на рис. 3.
На Камчатке были успешно испытаны различные по конструкции и по производительности струйные насосы, поднимающие из источников и перекачивающие от 1 до 60 тонн в час холодной и горячей минерализованной воды. Габариты данных агрегатов следующие: длина — 0,5-3,5 м, диаметр до 0,3 м, масса — от 5 до 350 кг. Начальное паросодержание смеси — 0,04-0,015, её начальное давление — 0,1-0,25 МПа, давление в камерах смешения — 10-20 кПа, давление за насосами — 0,25-0,8 МПа; температура холодной жидкости — 4-15 °C, температура горячего рассола — 70-95 °C, температура на выходе насосов — 40-85 °C.
Важным результатом работы было отсутствие влияния масштабного фактора на показатели инжекторов. Размеры инжекторов никак не влияли на режимные характеристики аппаратов (естественно, при тщательном их проектировании по разработанной автором методике). Кратко изложим эту методику.
Как указывалось, испытания лабораторных конструкций и первого крупного струйного насоса в полевых условиях на Камчатке не выявили при равных начальных параметрах отличия в показателях одинаковых по конструкции струйных насосов при различных их размерах и производительности. Отличия наблюдались лишь во влиянии самой конструкции, что было использова
но в других установках на возобновляемых источниках энергии со струйными насосами, и не подлежит рассмотрению в рамках этой статьи.
При конструировании струйных насосов (СН) большой производительности были использованы данные:
1. Результаты теоретических исследований, включая следующие уравнения и безразмерные параметры:
рвых и ркс — это давления на выходе диффузора и в камере смешения; w1 и w2 — скорости парожидкостной смеси и жидкости на входе в камеру смешения; G2 и G1 — соответствующие расходы; ρ2 — плотность жидкости; коэффициент сужения
здесь F2 и Fгд — площадь, занимаемая жидкостью на входе в камеру смешения, и площадь горловины диффузора.
В то же время
где kсм — коэффициент, учитывающий потери на смешение: он тем меньше, чем меньше u и w (w → 1). Эти основные безразмерные параметры использованы при расчёте и анализе результатов испытаний различных конструкций струйных насосов в различных условиях.
2. Метод расчёта струйных насосов основан не только на расчётах по одномерной теории их работы, но и на изучении процессов в элементах этих аппаратов. Условием, отличающим действие рассматриваемых в данной статье струйных насосов-инжекторов от других их применений, является низкое (близкое к атмосферному) давление, что вынуждает их быть одновременно вакуумными и нагнетательными насосами.
Метод расчёта и конструирования включает и все данные пункты:
1. Новые данные по характеристикам и геометрии двухфазных сопел — сопел Лаваля и сопел с центральным телом при истечении через них высоковлажной двухфазной смеси. Измерение реактивной тяги сопел позволило определить их эффективность и значения общей скорости, а также скоростей и плотностей фаз на выходе при различной геометрии сопел. В соответствии с полученными нами расчётными и экспериментальными данными, длина диффузорной части сопел оказалась значительной, тогда как угол её раствора — небольшим. Профиль этой части осесимметричного сопла Лаваля целесообразно выполнять по лемнискате. Показано, что при большом перепаде температур между потоками в сопле с центральным телом или при таких значительных размерах, как у конструкций для Камчатки, требуется выполнение теплоизоляции между жидкостным и двухфазным соплами.
2. Новые данные, полученные автором и необходимые для расчёта основного элемента струйных аппаратов-инжекторов — его камеры смешения. Теоретические и экспериментальные результаты изучения процессов распространения и распада жидкостных струй и факела их распыла в двухфазном потоке позволили определить оптимальную длину камеры смешения, которая близка к шести калибрам входного сечения этой камеры. Обнаружено, что при диаметрах жидкостного сопла dж в конструкции с центральным подводом (эквивалентного диаметра — в конструкции с многоструйным подводом) и горловины диффузора dгд, близких друг к другу по значениям, достигаются условия оптимальной работы инжектора, что связано с завершением процессов смешения потоков и образованием требуемой структуры потока на входе в горловину диффузора. Некоторый выигрыш в КПД камеры смешения, наблюдавшийся как в лабораторных, так и натурных испытаниях, даёт оптимальное и интенсивное сужение выходного конического участка камеры смешения в месте его перехода к цилиндрической части диффузора.
В результате обширных лабораторных и натурных исследований инжекторов, а также оптических и гидродинамических изучений скачка давления, в частности, предложено выполнять диффузор с цилиндрической и расширяющейся частями
3. В результате обширных лабораторных и натурных исследований инжекторов, а также оптических и гидродинамических изучений скачка давления, в частности, выполненных и другими исследователями, предложено выполнять диффузор с цилиндрической и расширяющейся частями, причём длину его горловины (участка постоянного сечения) целесообразно выбирать равной (3-5)dгд, а угол раствора его расширяющейся части принимать 12-14°. Оптимальным при этом оказывается протекание скачка давления в горловине диффузора. В качестве одного из методов запуска и регулирования работы струйного насоса предложены наборы сменных по размеру горловин в месте перехода от конфузорной камеры смешения к диффузору, на что уже указывалось выше.
4. Наряду с оптимальными геометрическими соотношениями струйных насосов получены новые данные по оптимальным режимным характеристикам. Для конструкций с многоструйным и центральным подводами обнаружено влияние отношения скоростей парожидкостной смеси и жидкости на входе в камеру смешения w на КПД инжекторов. Оптимумы при снижении w получены для них при w = 9 и w = 3.
Наибольшее значение внутреннего КПД составило около 11 %, что, по крайней мере, в 1,25 раз больше всех известных из литературы значений. О роли других безразмерных параметров (u, Y, kсм) можно судить по результатам, изложенным в многочисленных публикациях автора, а все работы [1-6], включая также одномерную теорию течения в камере смешения и диффузоре, а также изобретения и патенты по указанным и другим конструкциям инжекторов (16 патентов), и составляют в целом метод расчёта струйных насосов.
Рассмотренные выше установки позволяли подавать потребителю требуемый расход воды с температурой от 35 до 95 °C. Они использовали тепло, пар и рассол после бросовых скважин ГеоТЭС, защищая окружающую природную среду. Они могли также решать и другие задачи, в том числе реинжекцию рассола после сепараторов через скважины повторной закачки в пласт геотермального месторождения, тем самым продлевая срок функционирования месторождения, а также подачу рассола в систему для извлечения из него ценных элементов. Струйные насосы позволили понизить минерализацию рассолов в два-три раза благодаря закачке пресной воды из природных источников и её перемешиванию с рассолом, что доводило содержание солей в воде до допустимых по нормам значений при её подаче в системы теплоснабжения и обеспечения горячей водой.
Описанные установки, а также струйные и тепловые насосы могут успешно быть применены для целей, рассмотренных в данной статье, а также для иных целей и на других геотермальных месторождениях. В частности, автор разработал и испытал на геотермальном месторождении в Махачкале жидкостно-газовый инжектор, активной рабочей средой в котором является жидкость, находящаяся под высоким давлением. Такие аппараты требуют другого подхода и метода расчёта. Использован известный из литературы метод расчёта таких аппаратов в химической и нефтехимической технологиях. Образующийся в таком инжекторе дисперсный двухфазный поток аналогичен псевдоожиженному слою. Интенсивное взаимодействие между фазами позволяет использовать инжектор в качестве аэратора и абсорбера. В данном случае прибор был разработан для снижения содержания фенола в термальных водах.
Расчёт аэратора выполнен для давления воздуха 0,1 МПа, давления воды 0,3 МПа, температуры воздуха 10 °С и объёмного коэффициента инжекции, составляющего 1-5. Анализ образцов воды на содержание фенола до и после сепаратора показали значительное снижение этого содержания в результате интенсивного перемешивания и массообмена воды с воздухом. Очищенная вода по своим показателям подходит для бытового применения, а высокая температура после аэратора позволяет использовать её для теплоснабжения.
Из других применений струйных и тепловых насосов упомянем только те, которые рассматривались автором данной статьи. Это автономные космические и наземные установки различного назначения и установки на других источниках энергии — прежде всего, на солнечной; агрегаты для использования бросового тепла и подачи питательной воды на металлургических предприятиях, в котельных, ТЭС и т.д.; установки для реинжекции воды в пласт нефтяных месторождений для повышения дебита их скважин; устройства для медицинских и других целей, когда струйные аппараты выполняют роль регулятора постоянства температуры подаваемой воды путём регулирования давления в их камере смешения.
Анализ образцов воды на содержание фенола до и после сепаратора показали значительное снижение этого содержания в результате интенсивного перемешивания и массообмена воды с воздухом. Очищенная вода по своим показателям подходит для бытового применения, а высокая температура после аэратора позволяет использовать её для теплоснабжения
Отметим, что успеху данной проведённой работы со струйными и тепловыми насосами способствовало то, что анализ и экспериментальное изучение условий работы этих агрегатов в лабораторных условиях для указанных целей были проведены автором в лабораториях ЭНИНа в интервале изменения начальных параметров, включавших также их реальные значения на Паужетском геотермальном месторождении.
