Zastosowanie otworowego współosiowego wymiennika ciepła do wykorzystania nieczynnych głębokich otworów wiertniczych

• Autorzy: Morita K.

Warianty tytułu

EN

One possible way to utilize abandoned deep wells: the application of the DCHE

• Konferencja: Energia geotermalna w kopalniach podziemnych (2 ; 21-23.11.2001 ; Ustroń ; Polska
• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Autor zaproponował otworowy współosiowy wymiennik ciepła - OWWC (Downhole Coaxial Heat Exchanger) jako narzędzie eksploatacji potencjalnych zasobów geotermalnych i przeprowadził związane z tym badania. Głównymi cechami OWWC są: zastosowanie wewnętrznej kolumny bardzo dobrze izolowanych rur, odwrócony (lewy) obieg (tzn. zatłaczanie zimnej wody w dół przestrzenią pierścieniową pomiędzy rurami okładzinowymi i rurą wewnętrzną, którą po ogrzaniu wypływa gorąca woda) i całkowicie zamknięty system. OWWC ma zastosowanie w bardzo różnorodnych warunkach geologicznych i temperaturach formacji (geologicznej). Może być wykorzystany do produkcji elektryczności, ogrzewania pomieszczeń i chłodzenia, dla krytych basenów kąpielowych i do topienia śniegu na drogach. Aby sprawdzić koncepcję OWWC autor przeprowadził w 1991 r. eksperyment w otworze HGP-A na Hawajach. Eksperyment ten pokazał, że można skonstruować wysoko wydajny OWWC oraz że dokładność programu numerycznej symulacji opracowanego przez autora i innych była bardzo wysoka. Być może jest możliwe przekształcenie istniejących w Polsce nieczynnych głębokich otworów wiertniczych w wymienniki ciepła, w celu ich wykorzystania do ogrzewania pomieszczeń lub rekreacji (baseny kąpielowe) itp. Autor przeprowadził wstępne badania dla OWWC o głębokości 3000 m. Symulacja numeryczna została przeprowadzona dla przypadku ciągłej pracy wymiennika. Największą moc cieplną netto 450 kW uzyskano w 180 dniu pracy w przypadku założenia temperatury zatłaczanej wody 5 °C i natężenia przepływu cieczy 600 I/min. W warunkach rzeczywistych, w większości przypadków OWWC pracowałby w sposób nieciągły. Moc cieplna netto i temperatury na wypływie wyższe od uzyskanych w symulacji powinny być osiągnięte w tych przypadkach. OWWC ma również zastosowanie dla płytkich i nisko-temperaturowych zasobów geotermalnych. Autor opracował system topienia śniegu Gaia, który wykorzystuje grunt jako źródło ciepła i ciało magazynujące ciepło. W tym systemie ciepło słoneczne absorbowane przez nawierzchnię drogową jest pozyskiwane i magazynowane przez grunt w okresie lata. Tak więc, zarówno geotermalne jak i słoneczne ciepło jest użyte do topienia śniegu w zimie. Otworowy wymiennik ciepła może być użytecznym narzędziem wykorzystania potencjalnych zasobów geotermalnych w Polsce.

EN

The author has proposed the Downhole Coaxial Heat Exchanger (DCHE) for exploitation of potential geothermal resources and has been carrying out related studies. The major features of the DCHE include the utilization of a highly insulated inner pipe, reverse circulation (i.e., cold water down the annulus and hot water up through the inner pipe) and a completely closed system. The DCHE is applicable to a wide variety of geological conditions and formation temperatures, and can be utilized for power generation, space heating and cooling, indoor swimming pools and for melting snow on roads. In 1991, the author carried out an experiment to prove the concept of the DCHE at the HGP-A well on the Island of Hawaii. Through this experiment, it was demonstrated that a highly efficient DCHE could be constructed and that the accuracy of the numerical simulation code developed by the author and others was very high. It may be possible to convert the many abandoned deep wells which exist in Poland into DCHEs to be used for space heating, swimming pools and so on. The author has carried out a preliminary study on a 3,OOOm deep DCHE. Numerical simulations have been carried out for the case of continuous operation of the DCHE. The greatest net thermal output at 180 days of elapsed time among the cases assumed in this study was about 450 kW at 5 oC of injection temperature and 600 I/min of flow rate. In actual operations, the DCHE would be operated intermittently in most cases. In such cases, greater net thermal output and higher outlet temperatures than obtained in this study should be attained. The DCHE is also applicable to shallow and low temperature geothermal resources. The author has developed the Gaia SnowMelting System, which utilizes the ground as a heat source and a heat storage body. In this system, solar heat absorbed in the pavement is recovered and stored in the ground over summertime. Hence, both geothermal heat and solar heat are used for melting snow in winter. The DCHE might be a useful tool for the utilization of potential geothermal resources in Poland.

Słowa kluczowe

PL

ogrzewanie pomieszczeń; topnienie śniegu; basen kąpielowy; wymiennik ciepła; energia geotermalna

EN

space heating; snow melting; swimming pool; heat exchanger; geothermal energy

• Wydawca: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN
• Czasopismo: Technika Poszukiwań Geologicznych
• Rocznik: 2001
• Tom: R. 40, nr 5
• Strony: 129--148
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Morita K.

• National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan,

Bibliografia

• 1. Bojarski, L., 1996. Programme Reconstruction of Abandoned Wells for Geothermal Use. Techn. Posz. (3-4), pp. 19-21.
• 2. Horai, K., 1991. Thermal Conductivity of Hawaiian Basalt: A New Interpretation of Robertson and Peck’s Data. J. of Geophys. Res., Vol.96, No.B3, pp. 4125-4132.
• 3. Kujawa, T. and Nowak, W., 2000. Shallow and Deep Vertical Geothermal Heat Exchangers as Low Temperature Sources for Heat Pumps. Proc. World Geothermal Congress 2000, pp. 3477-3482.
• 4. Kujawa, T. and Nowak, W., 2000. Thermal Calculations of Geothermal Heat Utilizing One-Well Systems with Both Injection and Production. Proc. World Geothermal Congress 2000, pp. 3483-3488.
• 5. Kujawa, T. and Szafik, W., 2000. Thermal Field in an Aquiferous Layer behind a Vertical Heat Exchanger. Proc. World Geothermal Congress 2000, pp. 3471-3476.
• 6. Morita, K., Yamaguchi, T., Karasawa, H. and Hayamizu, H., 1984. Development and Evaluation of Temperature Simulation Code for Geothermal Wells - Prediction of temperature behavior in and around geothermal wells (1 st Report). J. of the Mining and Metallurgical Institute of Japan, Vol.100, No.1161, pp. 1045-1051 (in Japanese).
• 7. Morita, K., Matsubayashi, O. and Kusunoki, K., 1985. Down-hole Coaxial Heat Exchanger Using Insulated Inner Pipe for Maximum Heat Extraction. Geothermal Resources Council Trans., Vol. 9, Part I, pp. 45-49.
• 8. Morita, K. and Matsubayashi, O., 1986. The effect of Major Design parameters on the Performance of a Down-hole Coaxial Heat Exchanger - Studies on the Down-hole Coaxial Heat Exchanger (1 st Report). J. of the Geothermal Research Society of Japan, Vol.8, No.3, pp. 301-322 (in Japanese).
• 9. Morita, K., 1989. Prototype Insulated Inner Pipe and Evaluation of its Insulation Performance - Development of insulated inner pipe for the Down hole Coaxial Heat Exchanger. Shigen, Vol.1, No.1, pp. 16-25 (in Japanese).
• 10. Morita, K., 1992. Second Test Production and Performance Evaluation - Development of insulated inner pipe for the Down hole Coaxial Heat Exchanger (4th Report). Shigen, Vol.4, No.1, pp. 2-12 (in Japanese).
• 11. Morita, K., Bollmeier, W. S. and Mizogami, H., 1992a. An Experiment to Prove the Concept of the Downhole Coaxial Heat Exchanger (DCHE) in Hawaii. Geothermal Resources Council Trans., Vol.16, 9-16.
• 12. Morita, K., Bollmeier, W. S. and Mizogami, H., 1992b. Analysis of the Result from the Downhole Coaxial Heat Exchanger (DCHE) Experiment in Hawaii. Geothermal Resources Council Trans., Vol.16, 17-24.
• 13. Morita, K., 1994. Research on a Novel Geothermal Energy Extraction Method - The Downhole Coaxial Heat Exchanger (DCHE) System. Report of the National Institute for Resources and Environment, No. 13, pp. 1-112 (in Japanese).
• 14. Morita, K. and Bollmeier, W. S., 1995. Measurement of the In Situ Thermal Conductivity of Formations in a Geothermal Field - Method and results of measurement. Proc. of the World Geothermal Conference 1995, Vol. 2, pp. 771-776.
• 15. Morita, K. and Tago, M., 1995. Development of the Down hole Coaxial Heat Exchanger System : Potential for Fully Utilizing Geothermal Resources. Geothermal Resources Council Bulletin, Vol. 24, No. 3, pp. 83-92.
• 16. Morita, K., 1997. Melting Snow with the Down hole Coaxial Heat Exchanger. Geothermal Resources Council Bulletin, Vol. 26, No. 3, pp. 83-85.
• 17. Morita, K. and Tago, M., 1997. Prediction of the Operational Performance of the Gaia Snow-melting System by Numerical Simulation. Shigen to Kankyo, Vol.6, No. 4, pp. 51-66 (in Japanese).
• 18. Morita, K. and Tago, M., 2000. Operational Characteristics of the Gaia Snow-Melting System in Ninohe, Iwate, Japan. Proc. World Geothermal Congress 2000, pp. 3511-3516.
• 19. Ostaficzuk, S., 2000. The Standard Synoptic Reports on Geothermal Potential. Proc. World Geothermal Congress 2000, pp. 669-674.