CZ36220U1

CZ36220U1 - Cryogenic geothermal engine

Info

Publication number: CZ36220U1
Application number: CZ202239855U
Authority: CZ
Inventors: Jiří MÁLEK; Málek Jiří RNDr., Ph.D.
Original assignee: Málek Jiří RNDr., Ph.D.
Priority date: 2022-05-03
Filing date: 2022-05-03
Publication date: 2022-07-19

Description

Kryogenní geotermální motorCryogenic geothermal engine

Oblast technikyField of technology

Předložené technické řešení se týká energetiky, konkrétně zařízení pro přeměnu geotermální energie na energii mechanickou. Výhodně se týká zařízení, které je užitečné pro výrobu elektřiny s využitím geotermální energie, která je obsažena v horninách v zemské kůře. Dosud se této energie využívalo zvláště u tepelných čerpadel nebo u pokusných elektráren typu HDR („hot dry rock“). Technické řešení se také zabývá využitím energie obsažené v důlních vodách v zatopených starých dolech.The presented technical solution relates to energy, specifically a device for converting geothermal energy into mechanical energy. Preferably, it refers to a device that is useful for generating electricity using geothermal energy that is contained in rocks in the earth's crust. So far, this energy has been used mainly in heat pumps or experimental power plants of the HDR type ("hot dry rock"). The technical solution also deals with the use of energy contained in mine waters in flooded old mines.

Dosavadní stav technikyCurrent state of the art

Ve světě se běžně využívá elektráren a tepláren založených na těžbě horké páry v geotermálních oblastech. V některých zemích dosahuje podíl elektřiny a tepla produkovaných geotermálními zdroji desítek procent, například na Islandu to je kolem 30% elektřiny a 90% tepla. Elektrárny typu HDR, které využívají tepelnou energii ze suchých hornin, však zůstávají spíše v ověřovacím režimu (například v Japonsku a ve Francii). Dosavadní experimenty s HDR využívaly vrty do hloubky 2200maž5100m. Běžně používaná tepelná čerpadla typu země/vzduch nebo země/voda, které také využívají geotermální energii, se používají k vytápění budov a ohřevu vody. Obvyklá hloubka vrtu je u těchto tepelných čerpadel do 300 m. Problémem při větším využití tepla ze suchých hornin je, že jejich teplota v prvních kilometrech je pouze mírně vyšší než teplota povrchu. Teplotní gradient je průměrně 3 K na 100 m hloubky, což nedostačuje k efektivní výrobě elektřiny. Hloubení hlubokých vrtů, které by dosáhly do oblasti vysokých teplot, je mimo geotermální oblasti velmi nákladné. Patent CZ 308559 B6 popsal způsob hloubení hlubokých studní, který lze označit za metodu horkého vrtání, založenou na tavení hornin a jejich rekrystalizaci. Aplikace tohoto způsobu by mohla znamenat značné zlevnění vytváření velmi hlubokých vrtů do hloubky 5 až 20 km. Jiný způsob vrtání byl popsán v patentu US 11028648 Bl. Tento způsob je založen na využití zdroje milimetrových vln (gyrotronu) a měl by umožnit provedení vrtů až do hloubky 35 km. Společnost Quaise, Inc. (startup Massachusettského technologického institutu, MIT, Cambridge, USA) plánuje pomocí této technologie realizovat vrty pro využití geotermální energie do hloubky 20 km (informace přístupné na stránkách https: //www. engine .xyz/founders/quaise/. https://newatlas.com/energy/quaise-deep-geothermalmillimeter-wave-drill/). Další zdroj: Zábranová E., Matýska R., Málek J. (2022): Analytical approach to estimates of heat extraction from deep coaxial boreholes in general layered models. Submitted to Energy (Elsevier).In the world, power plants and thermal plants based on the extraction of hot steam in geothermal areas are commonly used. In some countries, the share of electricity and heat produced by geothermal sources reaches tens of percent, for example in Iceland it is around 30% of electricity and 90% of heat. However, HDR-type power plants, which use thermal energy from dry rocks, remain more in the verification mode (for example, in Japan and France). Previous experiments with HDR used wells to a depth of 2200 to 5100m. Commonly used ground/air or ground/water heat pumps, which also use geothermal energy, are used to heat buildings and heat water. The usual borehole depth for these heat pumps is up to 300 m. The problem with greater use of heat from dry rocks is that their temperature in the first kilometers is only slightly higher than the surface temperature. The temperature gradient is on average 3 K per 100 m depth, which is insufficient for efficient electricity generation. Drilling deep wells that would reach high temperature areas is very expensive outside of geothermal areas. Patent CZ 308559 B6 described a method of digging deep wells, which can be described as a hot drilling method, based on melting rocks and their recrystallization. The application of this method could significantly reduce the cost of creating very deep wells to a depth of 5 to 20 km. Another method of drilling was described in US patent 11028648 Bl. This method is based on the use of a source of millimeter waves (gyrotron) and should enable drilling up to a depth of 35 km. Quaise, Inc. (startup of the Massachusetts Institute of Technology, MIT, Cambridge, USA) plans to use this technology to realize wells for the use of geothermal energy to a depth of 20 km (information accessible at https: //www. engine .xyz/founders/quaise/. https:// newatlas.com/energy/quaise-deep-geothermalmillimeter-wave-drill/). Additional source: Zábranová E., Matýska R., Málek J. (2022): Analytical approach to estimates of heat extraction from deep coaxial boreholes in general layered models. Submitted to Energy (Elsevier).

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Předložené technické řešení se týká zařízení pro vysoce efektivní využití geotermální energie. Zařízení je označeno jako motor, protože jde o zařízení, které přeměňuje primárně geotermální energii na energii mechanickou (pohyb turbíny), která je ve výhodném provedení využita k pohonu alternátoru pro výrobu elektrické energie. Předložené technické řešení řeší nedostatečnou účinnost geotermálních zdrojů energie, zejména elektráren, tím, že využívá velmi nízkých teplot média pro přenos energie. Tím se zvyšuje množství tepla přenášeného z horniny do média, neboť se zvýší rozdíl mezi teplotou hornin a média. Výhodné řešení je takové, kdy maximální teplota média se blíží teplotě hornin v blízkosti povrchu (přibližně 280 K) a minimální teplota je mezi teplotou tání a varu použitého přenosového média. Jako nejvhodnější média se jeví dusík (trojný bod 63,15 K; 12,5 kPa) a zvláště argon (trojný bod 83,81 K; 69,0 kPa). Kromě fýzikálních vlastností (kterým vyhovují i další plyny) je u těchto dvou plynů důležitá jejich nízká reaktivita (zvláště u argonu) a nízká cena (zvláště u dusíku). Nízká reaktivita je výhodná kvůli tomu, aby nedocházeloThe presented technical solution concerns a device for highly efficient use of geothermal energy. The device is labeled as an engine because it is a device that converts primarily geothermal energy into mechanical energy (turbine movement), which is preferably used to drive an alternator to produce electricity. The presented technical solution solves the insufficient efficiency of geothermal energy sources, especially power plants, by using very low temperatures of the medium for energy transmission. This increases the amount of heat transferred from the rock to the medium, as the difference between the temperature of the rocks and the medium increases. The preferred solution is one where the maximum temperature of the medium is close to the temperature of the rocks near the surface (approximately 280 K) and the minimum temperature is between the melting and boiling point of the used transfer medium. Nitrogen (triple point 63.15 K; 12.5 kPa) and especially argon (triple point 83.81 K; 69.0 kPa) appear to be the most suitable media. In addition to the physical properties (which are also suitable for other gases), their low reactivity (especially for argon) and low price (especially for nitrogen) are important for these two gases. The low reactivity is advantageous to avoid running out

- 1 CZ 36220 UI k chemickým reakcím (korozi) mezi médiem a ostatními částmi motoru jako je turbína, nebo pažení vrtu.- 1 CZ 36220 UI to chemical reactions (corrosion) between the medium and other parts of the engine such as the turbine or well casing.

Množství tepla za jednotku času, které se přenese z hominy do média, se zvyšuje s velikostí teplotního rozdílu mezi horninou a médiem a velikostí styčné plochy. Přenášené teplo je však zároveň limitováno tepelnou vodivostí hornin, která je velmi malá. Pokud chceme udržet ustálený výkon geotermálního motoru, můžeme odebírat jen tolik energie, kolik se stihne doplnit z okolí. Z hlubšího vrtu je možno čerpat podstatně více energie než z mělkého. Značné zvýšení množství tepla přiváděného k vrtu je možno dosáhnout, pokud v okolních horninách existuje cirkulace vody, a tedy teplo se šíří konvekcí. Tento mechanismus je velmi výrazný v zatopených starých dolech, kde je možno využít důlních vod. Výhodné řešení je proto takové, kdy vrt pronikne na jeho dolním konci do zatopeného důlního díla nebo pokud je zařízení podle tohoto technického řešení umístěno ve staré důlní jámě (viz příklad 3).The amount of heat per unit time that is transferred from the rock to the medium increases with the size of the temperature difference between the rock and the medium and the size of the interface. However, the transferred heat is also limited by the thermal conductivity of the rocks, which is very small. If we want to maintain a constant performance of the geothermal engine, we can only take as much energy as can be replenished from the surroundings. It is possible to draw significantly more energy from a deeper well than from a shallow one. A significant increase in the amount of heat supplied to the borehole can be achieved if there is circulation of water in the surrounding rocks, and therefore the heat spreads by convection. This mechanism is very prominent in flooded old mines, where mine water can be used. Therefore, the preferred solution is when the borehole penetrates at its lower end into a flooded mine or if the device according to this technical solution is located in an old mine pit (see example 3).

Základem geotermálního motoru podle předloženého technického řešení je zemní vrt, který obsahuje náplň pracovního média (pracovního plynu), které ve vrtu cirkuluje a mění své skupenství plynné/kapalné. Ve výhodném provedení je vrt doplněn hlubokým prohloubením vrtu (dále „prohloubení“). V jiném výhodném provedení může toto prohloubení chybět. Vrt sahá od povrchu do hloubky 100 až 500 m aje vystrojen speciální pažnicí z ocele nebo z jiného kovu. V ose vrtu je tepelně izolovaný kanál z keramického materiálu, kterým proudí dolů kapalina o nízké teplotě, tj. zkapalněný pracovní plyn, výhodně kapalný argon nebo dusík. Uvnitř vrtu, dutinou mezi pažnicí a kanálem, proudí nahoru pracovní plyn. Na pažnicí mohou být rovnoběžně s osou vrtu namontovány perforované destičky z tepelně vodivého kovu (například z hliníku) spojené s pažnicí, které zvyšují plochu, na které dochází k přenosu tepla z okolních hornin. Na dně vrtu je varná nádoba z nerezové oceli se zesílenými stěnami, ve které dochází k přeměně z kapalné do plynné fáze. Dno varné nádoby (tj. dno vrtu) může být ploché, popřípadě ve tvaru polokoule nebo kuželu (zvětšení plochy přenosu tepla). Tvar kuželu je výhodný zejména v případě prohloubení vrtu. Při stoupání se plyn ohřívá o stěny vrtu a o příčné destičky tak, že u horního vyústění vrtu dosáhne přibližně teploty okolní hominy T2 (tj, přibližně 280 K). Tomu je přizpůsobeno množství plynu v uzavřeném systému a rozmístění hliníkových destiček, které jsou umístěny rovnoběžně s osou vrtu s delší stranou ve vertikálním směru.The basis of the geothermal engine according to the presented technical solution is an underground well, which contains a filling of the working medium (working gas), which circulates in the well and changes its gaseous/liquid state. In an advantageous embodiment, the well is supplemented by a deep deepening of the well (hereinafter "deepening"). In another advantageous embodiment, this recess may be absent. The well extends from the surface to a depth of 100 to 500 m and is equipped with a special casing made of steel or other metal. In the axis of the well, there is a thermally insulated channel made of ceramic material, through which a low-temperature liquid, i.e. liquefied working gas, preferably liquid argon or nitrogen, flows down. Inside the well, through the cavity between the casing and the channel, the working gas flows upwards. Perforated plates of thermally conductive metal (for example, aluminum) connected to the casing can be mounted on the casing parallel to the axis of the borehole, which increase the area on which heat is transferred from the surrounding rocks. At the bottom of the borehole is a stainless steel boiling vessel with reinforced walls, in which the transformation from liquid to gas phase takes place. The bottom of the cooking vessel (i.e. the bottom of the well) can be flat, possibly in the shape of a hemisphere or a cone (increasing the heat transfer surface). The shape of the cone is especially advantageous in the case of deepening the well. During ascent, the gas heats up against the walls of the borehole and against the transverse plates so that at the upper mouth of the borehole it reaches approximately the temperature of the surrounding hominin T2 (ie, approximately 280 K). This is adapted to the amount of gas in the closed system and the distribution of aluminum plates, which are placed parallel to the axis of the well with the longer side in the vertical direction.

Prohloubení vrtu slouží ke zvýšení výkonu motoru tím, že přenáší teplo z větších hloubek (viz příklad 1). Motor podle tohoto technického řešení může pracovat jen se samotným vrtem, ovšem s menším výkonem (viz příklad 2). Při využití cirkulace vody v okolním prostředí například v zatopených starých dolech není prohloubení nutné (viz příklad 3). Prohloubení vrtu významně prodražuje výstavbu motoru. Je proto třeba optimalizovat jeho hloubku, aby bylo dosaženo dostatečného výkonu při malých nákladech. Prohloubení vrtu obsahuje jako pracovní médium vodu, která v prohloubení cirkuluje a mění skupenství voda/pára. Prohloubení je (obdobně jako vrt) vystrojeno pažnicí, v ose prohloubení je tepelně izolovaný kanál z keramických materiálů, který je určen pro sestup vody ke dnu prohloubení. Uvnitř prohloubení, dutinou mezi pažnicí a kanálem, proudí nahoru vodní pára. Pažnice je do hloubky přibližně 4 km vyrobena z tepelného izolantu (například keramiky), od 4 km níže je pažnice ocelová a dole je vrt uzavřen ocelovým dnem. V hloubce přibližně 4 km, kde začíná ocelová pažnice, je teplota hornin přibližně 390 K, a tedy umožňuje pohyb vodní páry bez její kondenzace. Nad 4 km je pára tepelně izolovaná od okolních hornin, proto se pohybuje vzhůru rovněž bez kondenzace, ovšem mírně se snižuje teplota. V hloubce přibližně 100 až 500 m narazí stoupající vodní pára o teplotě 380 K na dno varné nádoby, které má teplotu přibližně 275 K, a na něm kondenzuje. Přitom předá dnu varné nádoby teplo, které vzniká jednak kondenzací páry, jednak snížením teploty vody po kondenzaci na 280 K. Toto teplo se dále předává médiu - zkapalněnému plynu (argon nebo dusík) ve varné nádobě. Kondenzovaná voda stéká středním kanálem až na dno prohloubení, a přitom se mírně ohřívá na teplotu 300 K. Na dně prohloubení je teplo přenášeno ocelovou pažnicí na vodu, která se vaří. Vzniklá páraje hnána vzhůru tlakem, který způsobuje vodní sloupec ve středním kanálu. Voda v prohloubení tak slouží k přenosu tepla z hlubších partií Země, není však přímo využívána k výrobě mechanické energie.Deepening the bore serves to increase engine performance by transferring heat from greater depths (see example 1). The engine according to this technical solution can work only with the well itself, but with less power (see example 2). When using water circulation in the surrounding environment, for example in flooded old mines, deepening is not necessary (see example 3). Deepening the bore significantly increases the cost of engine construction. It is therefore necessary to optimize its depth in order to achieve sufficient performance at low costs. The deepening of the borehole contains water as the working medium, which circulates in the deepening and changes the state of water/steam. The depression is (similarly to a well) equipped with a casing, in the axis of the depression there is a thermally insulated channel made of ceramic materials, which is intended for the descent of water to the bottom of the depression. Inside the depression, the cavity between the casing and the channel, water vapor flows upwards. The casing is made of a thermal insulator (for example, ceramic) to a depth of approximately 4 km, from 4 km below the casing is steel, and below the well is closed with a steel bottom. At a depth of about 4 km, where the steel casing begins, the temperature of the rocks is about 390 K, and thus allows the movement of water vapor without its condensation. Above 4 km, the steam is thermally isolated from the surrounding rocks, therefore it also moves upwards without condensation, but the temperature decreases slightly. At a depth of approximately 100 to 500 m, the rising water vapor at a temperature of 380 K hits the bottom of the boiling vessel, which is at a temperature of approximately 275 K, and condenses on it. At the same time, it transfers heat to the bottom of the cooking vessel, which is created both by steam condensation and by lowering the temperature of the water after condensation to 280 K. This heat is further transferred to the medium - liquefied gas (argon or nitrogen) in the cooking vessel. Condensed water flows down the central channel to the bottom of the depression, and in the process it is slightly heated to a temperature of 300 K. At the bottom of the depression, the heat is transferred by a steel sleeve to the water, which is boiled. The resulting eddies are driven upward by the pressure that causes the water column in the middle channel. The water in the deepening thus serves to transfer heat from the deeper parts of the Earth, but is not directly used for the production of mechanical energy.

-2CZ 36220 UI-2CZ 36220 UI

Pro správnou funkci motoru jsou důležité přechody mezi plynnou a kapalnou fází ve vrtu. Tlak v médiu nesmí překročit tlak kritického bodu (pro dusík 3,40 MPa, pro argon 4,86 MPa), nad kterým se látka nachází ve stavu superkritické kapaliny a nedochází k fázovým přechodům. Tím je dána maximální výška kapalinového sloupce ve středním kanálu vrtu. Plyn (argon, dusík) ve vrtu má tlak pi = pg h, kde p je hustota kapaliny (pro argon p = 1784 kg/m³, pro dusík p = 810 kg/m³), g = 9,81 m/s² je tíhové zrychlení a h je rozdíl sloupce kapaliny ve vrtu (tj. varné nádobě) ave středním kanálku.Transitions between the gas and liquid phases in the well are important for proper engine operation. The pressure in the medium must not exceed the pressure of the critical point (for nitrogen 3.40 MPa, for argon 4.86 MPa), above which the substance is in the state of a supercritical liquid and no phase transitions occur. This gives the maximum height of the liquid column in the middle channel of the borehole. The gas (argon, nitrogen) in the well has a pressure pi = pg h, where p is the density of the liquid (for argon p = 1784 kg/m ³ , for nitrogen p = 810 kg/m ³ ), g = 9.81 m/s ² is the gravitational acceleration and ah is the difference of the liquid column in the well (i.e. the boiling vessel) and in the middle channel.

Geotermální motor dále obsahuje turbínu, výhodně umístěnou pod zemí v blízkosti povrchu u ústí vrtu, popřípadě na povrchu. Turbínou je plynová turbína. Plynovou turbínou se ve stavu techniky často rozumí spalovací turbína, kde pracovní látkou jsou plynné spaliny. Avšak plynová turbína pro geotermální motor podle technického řešení je plynová turbína, kteráje variantou parní turbíny, ve které je pracovní látkou místo přehřáté páry pracovní plyn (argon, dusík) proudící v důsledku tlaku ve vrtu. Odborník je schopen na základě stavu techniky zkonstruovat vhodnou plynovou turbínu uzpůsobenou pro využití v geotermálním motoru podle technického řešení. Při průtoku pracovního plynu turbínou dochází k přeměně vnitřní, případně kinetické energie plynu na práci konanou rotorem turbíny. Po průchodu turbínou je plyn kondenzován v kondenzátoru (chladiči) a vrací se odtokovým kanálem do zásobníku zkapalněného plynu a pak do vrtu. Zásobník zkapalněného plynu je uzpůsoben také pro případné doplňování pracovního plynu z vnějšího zdroje. Turbína je funkčně spojena s ústím vrtu pro průtok pracovního plynu z vrtu do turbíny a se zásobníkem zkapalněného pracovního plynu pro shromažďování zkapalněného pracovního plynu zkondenzovaného v turbíně a/nebo po průchodu turbínou, přičemž zásobník je funkčně spojen s kanálem pro navracení zkapalněného plynu do vrtu. Funkčním spojením se rozumí spojení pomocí vhodných potrubí a ventilů, které umožňuje pohyb plynu nebo kapaliny mezi vrtem a turbínou a také umožňuje tento pohyb regulovat.The geothermal engine also includes a turbine, preferably located underground near the surface at the wellhead, or on the surface. The turbine is a gas turbine. In the state of the art, a gas turbine is often understood as a combustion turbine, where the working substance is gaseous flue gas. However, the gas turbine for the geothermal engine according to the technical solution is a gas turbine, which is a variant of the steam turbine, in which the working substance instead of superheated steam is the working gas (argon, nitrogen) flowing due to the pressure in the well. Based on the state of the art, the expert is able to construct a suitable gas turbine adapted for use in a geothermal engine according to the technical solution. When the working gas flows through the turbine, the internal or kinetic energy of the gas is converted into work done by the turbine rotor. After passing through the turbine, the gas is condensed in the condenser (cooler) and returns through the outflow channel to the liquefied gas reservoir and then to the well. The liquefied gas tank is also adapted for the eventual replenishment of working gas from an external source. The turbine is operatively connected to a wellhead for flow of working gas from the well to the turbine and to a liquefied working gas reservoir for collecting liquefied working gas condensed in the turbine and/or after passing through the turbine, the reservoir being operably connected to a conduit for returning the liquefied gas to the well. A functional connection means a connection by means of suitable pipes and valves that allows the movement of gas or liquid between the well and the turbine and also allows this movement to be regulated.

Ve výhodném provedení geotermálního motoru podle technického řešení je turbína konstruována jako přetlaková plynná turbína, kteráje originálním řešením. Turbína je výhodně umístěna pod zemským povrchem přímo v ústí vrtu nebo v přídavné vodorovné štole navazující kolmo na vrt, má buďto svislou nebo horizontální osu otáčení. Turbína využívá tlaku plynu ve vrtu k přeměně na mechanickou práci a dále může být případně využita k výrobě elektřiny. Při průchodu plynu turbínou dochází k poklesu tlaku a ochlazení plynu až zkapalní. Jako hlavní komponenty obsahuje turbína alespoň jednu expanzní komoru, tj. skříň s vnitřním prostorem ve tvaru válce, kde kruhové dno, víko a válcová stěna (plášť) tvoří expanzní komoru, ve které je umístěna středová hřídel, na které je koaxiálně usazena a pevně uchycena pracovní hřídel s pístem, přičemž osa rotace hřídele je shodná s osou válcovité expanzní komory. Turbína výhodně obsahuje několik expanzních komor, j ak bude vysvětleno dále. Pracovní hřídel j e buď plná nebo odlehčená pomocí otvorů. Plná pracovní hřídel má větší hmotnost, a tedy také vetší setrvačnost, což je u některých aplikací důležité. Naproti tomu odlehčená pracovní hřídel klade menší tlak v ložiscích, což prodlužuj e j ej ich životnost. Píst, který má obdélníkový průřez a speciální tvar (viz níže), je pevně spojen s pracovní hřídelí (píst lze připodobnit lopatce, hřídel s pístem se podobá „oběžnému kolu s jednou lopatkou“, pracovní hřídel s pístem se podobá vačce s palcem). Vnitřní stěna válcovitého pláště expanzní komory a vnější plocha pracovní hřídele vymezují pracovní prostor expanzní komory, který je pístem rozdělen na prostor před pístem a prostor za pístem. Mezi pístem a pláštěm expanzní komory je těsnění z pružného materiálu například z technické pryže. Dále turbína obsahuje vstupní otvor pro přivádění plynu, který je oddělen od přívodního potrubí vstupním ventilem, a dále obsahuje záklopku zasahující do expanzní komory, přičemž čep záklopky (kolem kterého se záklopka otáčí) je pevně spojen s expanzní komorou, a elektromagnet pro ovládání záklopky. Dále je součástí turbíny odtokový otvor, který ústí do odtokového kanálu. Tento odtokový kanál a zásobník kapaliny (zkapalněného plynu) musí být dokonale tepelně izolovány pro udržení kapalného stavu. Toho se dosáhne jejich umístěním do Dewarovy nádoby.In an advantageous embodiment of the geothermal engine according to the technical solution, the turbine is constructed as an overpressure gas turbine, which is an original solution. The turbine is preferably located under the earth's surface directly at the wellhead or in an additional horizontal tunnel connected perpendicular to the well, it has either a vertical or horizontal axis of rotation. The turbine uses gas pressure in the borehole to convert it into mechanical work and can also be used to generate electricity. As the gas passes through the turbine, the pressure drops and the gas cools down to liquefaction. As the main components, the turbine contains at least one expansion chamber, i.e. a box with an inner space in the shape of a cylinder, where a circular bottom, a lid and a cylindrical wall (shell) form an expansion chamber, in which the central shaft is located, on which it is coaxially seated and firmly fixed a working shaft with a piston, while the axis of rotation of the shaft coincides with the axis of the cylindrical expansion chamber. The turbine preferably contains several expansion chambers, as will be explained below. The working shaft is either solid or lightened with holes. A solid working shaft has more weight and therefore more inertia, which is important in some applications. In contrast, a light working shaft puts less pressure on the bearings, which extends their service life. The piston, which has a rectangular cross-section and a special shape (see below), is firmly connected to the working shaft (the piston can be likened to a vane, the shaft with the piston resembles a "one-blade impeller", the working shaft with the piston resembles a cam with a thumb). The inner wall of the cylindrical shell of the expansion chamber and the outer surface of the working shaft define the working space of the expansion chamber, which is divided by the piston into a space in front of the piston and a space behind the piston. Between the piston and the casing of the expansion chamber, there is a seal made of flexible material, such as technical rubber. Furthermore, the turbine contains an inlet opening for the supply of gas, which is separated from the inlet pipe by an inlet valve, and further contains a valve extending into the expansion chamber, while the valve pin (around which the valve rotates) is firmly connected to the expansion chamber, and an electromagnet for controlling the valve. Furthermore, part of the turbine is a drain hole that opens into the drain channel. This drain channel and the liquid (liquefied gas) reservoir must be perfectly thermally insulated to maintain the liquid state. This is achieved by placing them in a Dewar vessel.

Činnost turbíny sestává ze dvou fází. První fáze začíná v čase ti, kdy je píst a záklopka těsně u sebe, objem mezi nimi je velmi malý. V čase ti se otevře vstupní ventil a do expanzní komory začne podThe operation of the turbine consists of two phases. The first phase begins at time ti, when the piston and valve are close together, the volume between them is very small. In time, the inlet valve will open and flow into the expansion chamber will begin

-3 CZ 36220 UI tlakem proudit plyn. Píst se pohybuje a roztáčí hřídel. Tento děj je přibližně isobarický a isotermický, objem plynuje doplňován varem na dně vrtu. V čase U je vstupní ventil uzavřen a nastává druhá fáze. Objem mezi pístem a záklopkou se dále zvětšuje, tlak mezi nimi klesá a teplota klesá, až dojde ke kondenzaci plynu na kapalinu. Zároveň je kapalina na druhé straně pístu vytlačována výstupním otvorem do odtokového kanálu. Ve druhé fázi je děj přibližně adiabatický. Tato fáze pokračuje, až píst narazí zezadu do záklopky. Píst přejde přes záklopku (která se opět uzavře) a tím se z prostoru za pístem stane prostor před pístem. Tím končí druhá fáze, je otevřen vstupní ventil a začíná opět fáze 1. Výše popsaná turbína s jednou expanzní komorou představuje jeden stupeň (jednotku) vícestupňové (vícejednotkové) turbíny, jak bude vysvětleno dále.-3 CZ 36220 UI pressure to flow gas. The piston moves and rotates the shaft. This process is approximately isobaric and isothermal, the flow volume is supplemented by boiling at the bottom of the well. At time U, the inlet valve is closed and the second phase occurs. The volume between the piston and the valve continues to increase, the pressure between them decreases and the temperature decreases until the gas condenses into a liquid. At the same time, the liquid on the other side of the piston is forced out through the outlet hole into the drain channel. In the second phase, the process is approximately adiabatic. This phase continues until the piston hits the back of the valve. The piston passes through the valve (which closes again) and thus the space behind the piston becomes the space in front of the piston. This ends the second stage, the inlet valve is opened and stage 1 begins again. The single expansion chamber turbine described above represents one stage (unit) of a multi-stage (multi-unit) turbine, as will be explained below.

Přechod pístu přes záklopku je důležitým prvkem celého procesu. Musí při něm zůstat stále oddělen prostor před pístem a za pístem. Toho je dosaženo jednak speciálním válcovitým tvarem přední i zadní části pístu, jednak elektromagnetem, který ovládá záklopku a konečně vhodným načasováním otevření vstupního ventilu. Záklopka je udržována ve své poloze „zavřeno“ jednak přetlakem před a za záklopkou, jednak elektromagnetem. Když narazí píst zezadu do záklopky, je tlak v expanzní komoře před záklopkou minimální a zároveň je v tom okamžiku vypnut elektromagnet. Píst se pohybuje setrvačností hřídele a sklopí záklopku. Jakmile píst přejde přes záklopku, je elektromagnet opět zapnut a zároveň je otevřen vstupní ventil. To způsobí pohyb záklopky po zadní straně pístu, přitom zůstává prostor před a za pístem oddělen. Zapínání a vypínání elektromagnetu je ovládáno polohou pístu, která je detekována například pomocí laserové závory.The passage of the piston through the valve is an important element of the whole process. The space in front of the piston and behind the piston must always be separated. This is achieved on the one hand by the special cylindrical shape of the front and rear parts of the piston, on the other hand by the electromagnet that controls the valve and finally by appropriate timing of the opening of the inlet valve. The valve is kept in its "closed" position, both by excess pressure in front of and behind the valve, and by an electromagnet. When the piston hits the valve from behind, the pressure in the expansion chamber in front of the valve is at a minimum and at the same time the solenoid is turned off. The piston moves by the inertia of the shaft and lowers the valve. As soon as the piston passes through the valve, the electromagnet is switched on again and at the same time the inlet valve is opened. This causes the valve to move along the back of the piston, while keeping the space in front of and behind the piston separate. The switching on and off of the electromagnet is controlled by the position of the piston, which is detected, for example, by means of a laser barrier.

Turbína obsahuj e také řídicí j ednotku, která j e uzpůsobena k tomu, že detekuj e pohyb pístu a pohyb záklopky, popřípadě tlakové poměry v expanzní komoře, a řídí pohyb záklopky aktivací/deaktivací elektromagnetu a otevírání/uzavírání vstupního ventilu a také měří tlak a teplotu ve vrtu.The turbine also contains a control unit which is adapted to detect the movement of the piston and the movement of the valve, or the pressure conditions in the expansion chamber, and controls the movement of the valve by activating/deactivating the solenoid and opening/closing the inlet valve, and also measures the pressure and temperature in the well.

Největší výkon mechanické práce se získává v první fázi mezi časy ti a U, kdy je největší tlak. Dobu první fáze je proto výhodné zvolit co nej delší zároveň však musí být druhá fáze dostatečně dlouhá, aby došlo ke kondenzaci plynu na kapalinu. Výpočet délky jednotlivých fází závisí na teplotě plynu ve vrtu T2 a na druhu použitého plynu (na jeho teplotě varu, Poissonově konstantě a měrném teplu varu). Například pro Argon s teplotou 280 K (teplota varu 87,13 K, Poissonova konstanta 1,67 a měrné varné teplo 6,274 kJ/mol) vychází, že ve druhé fázi se objem pod pístem musí zvětšit alespoň osmkrát, aby všechen plyn zkondenzoval. V případě dusíku s teplotou 280 K (teplota varu 77,35 K, Poissonova konstanta 1,40 a měrné varné teplo 2,79 kJ/mol) je třeba, aby se ve druhé fázi objem zvětšil dvanáctkrát, aby došlo k úplné kondenzaci. Vzhledem k tomu, že síla působící na píst se během druhé fáze mění, byl by pohyb hřídele nerovnoměrný. Proto je výhodně turbína uspořádána jako vícestupňová (vícejednotková), kde ke stejné středové hřídeli je připojeno několik expanzních komor, kde válcovité expanzní komory jsou uspořádány tak, že k sobě přiléhají, vytvářejí válcovitý soubor („svazek“). Takže k jedné středové hřídeli je pevně připojeno několik pracovních hřídelí s pístem, přičemž polohy hřídelí, respektive pístů, jsou vůči sobě fázově posunuty (o příslušný úhel, např. 2π/8 nebo 2π/12) vzhledem ke středové hřídeli, a tedy ose rotace. Jestliže je expanzních komor mnoho, je pohyb středové hřídele rovnoměrný, avšak rostou poněkud náklady na zařízení. Počet komor volíme podle účelu, ke kterému stroj používáme. Pro výrobu elektrické energie potřebuj eme rovnoměrné otáčení, a proto j e výhodné volit tolik komor, aby vždy alespoň jedna z nich byla v první fázi. Tedy pro Argon s teplotou 280 K je výhodné zapojit 8 expanzních komor na stejnou hřídel a pro dusík 12. Spolu se setrvačností rotoru alternátoru, připojeného na středovou hřídel, zajišťuje toto uspořádání přibližně rovnoměrný pohyb. Otáčky středové hřídele jsou závislé jednak na zatížení hřídele (síle, kterou musí při otáčení překonávat) jednak na tlaku ve vrtu (který je dán rozdílem hladin ve středním kanálku a v samotném vrtu). Regulací množství kapaliny, vpouštěné ze zásobníku do středního kanálku je možno tento tlak regulovat a dosáhnout tak konstantních otáček, které jsou důležité pro výrobu elektrické energie.The greatest output of mechanical work is obtained in the first stage between times ti and U, when the pressure is greatest. The duration of the first phase is therefore advantageous to choose as long as possible, but at the same time the second phase must be long enough for the gas to condense into a liquid. The calculation of the length of the individual phases depends on the temperature of the gas in the well T2 and on the type of gas used (on its boiling temperature, Poisson's constant and specific heat of boiling). For example, for Argon at a temperature of 280 K (boiling point 87.13 K, Poisson's constant 1.67 and specific boiling heat 6.274 kJ/mol) it follows that in the second stage the volume under the piston must increase at least eight times to condense all the gas. In the case of nitrogen at 280 K (boiling point 77.35 K, Poisson's constant 1.40, and specific heat of boiling 2.79 kJ/mol), the volume needs to increase twelvefold in the second stage to fully condense. Since the force on the piston varies during the second phase, the movement of the shaft would be uneven. Therefore, the turbine is advantageously arranged as a multi-stage (multi-unit) one, where several expansion chambers are connected to the same central shaft, where the cylindrical expansion chambers are arranged so that they adjoin each other, forming a cylindrical assembly ("bundle"). So, several working shafts with a piston are firmly connected to one central shaft, while the positions of the shafts, respectively the pistons, are phase-shifted relative to each other (by an appropriate angle, e.g. 2π/8 or 2π/12) relative to the central shaft, and thus to the axis of rotation . If there are many expansion chambers, the movement of the central shaft is uniform, but the cost of the equipment increases somewhat. We choose the number of chambers according to the purpose for which we use the machine. For the production of electricity, we need uniform rotation, which is why it is advantageous to choose so many chambers that at least one of them is always in the first phase. Thus, for Argon with a temperature of 280 K, it is advantageous to connect 8 expansion chambers to the same shaft and 12 for nitrogen. Together with the inertia of the alternator rotor, connected to the central shaft, this arrangement ensures approximately uniform movement. The speed of the central shaft depends both on the load on the shaft (the force it must overcome during rotation) and on the pressure in the well (which is determined by the difference in levels in the central channel and in the well itself). By regulating the amount of liquid injected from the reservoir into the central channel, it is possible to regulate this pressure and thus achieve constant revolutions, which are important for the production of electricity.

Odborníci najdou na základě předloženého popisu snadno i modifikovaná řešení, jak využít tlaku ve vrtu k přeměně na mechanickou energii, popřípadě k výrobě elektřiny při současné kondenzaciBased on the presented description, experts can easily find modified solutions to use the pressure in the well to convert it into mechanical energy, or to produce electricity with simultaneous condensation

-4CZ 36220 UI plynu, řešení popsané výše představuje výhodnou variantu. Například, v některých případech může být výhodné oddělit turbínu a zkapalnění plynu. Pak by z turbíny vystupoval plyn o teplotě blízké bodu varu a bylo by možné prodloužit fázi jedna a zkrátit fázi dvě. Tím by se zvýšil výkon turbíny a dosáhlo by se rovnoměrného pohybu i při menším počtu jednotek. Zkapalnění by pak probíhalo v samostatném zkapalňovači, který může fungovat na různých principech. Přitom by však bylo třeba dodávat zvnějšku energii, takže účinnost elektrárny by nakonec byla nižší než ve výše popsaném výhodném provedení.-4CZ 36220 UI of gas, the solution described above is an advantageous option. For example, in some cases it may be advantageous to separate the turbine and gas liquefaction. Then the gas would exit the turbine at a temperature close to the boiling point and it would be possible to lengthen stage one and shorten stage two. This would increase the power of the turbine and achieve uniform motion even with fewer units. Liquefaction would then take place in a separate liquefier, which can work on different principles. In doing so, however, it would be necessary to supply energy from the outside, so that the efficiency of the power plant would ultimately be lower than in the advantageous embodiment described above.

Při výše popsaném procesu dochází k přeměně vnitřní energie plynu na mechanickou práci a současně se uvolňuje teplo. Teoretická maximální účinnost přeměny geotermální energie na mechanickou práci je podle Camotovy věty (Τ2-Τι)/Τ2. V případě argonu je to 70 % (Ti = 85 K, T2 = 280 K), v případě dusíku je to 77 % (Ti = 65 K, T2= 280 K). Praktická účinnost je nižší, protože dochází ke ztrátám v důsledku tření. Zbytek vnitřní energie se uvolní ve formě tepla, které je třeba ze systému odvést. Ktomu se využívá chladicí zařízení standardní, odborníkovi známé konstrukce, které udržuje vnější plášť turbíny na stálé teplotě. Pokud zvolíme tuto teplotu vhodně, je možno používat chladicí kapalinu nebo plyn zároveň k vytápění budov.In the process described above, the internal energy of the gas is converted into mechanical work and heat is released at the same time. The theoretical maximum efficiency of converting geothermal energy into mechanical work is according to Camot's theorem (Τ2-Τι)/Τ2. In the case of argon it is 70% (Ti = 85 K, T2 = 280 K), in the case of nitrogen it is 77% (Ti = 65 K, T2 = 280 K). Practical efficiency is lower because of frictional losses. The rest of the internal energy is released in the form of heat, which must be removed from the system. Who uses a cooling device of a standard design, known to the expert, which keeps the outer casing of the turbine at a constant temperature. If we choose this temperature appropriately, it is possible to use cooling liquid or gas at the same time to heat buildings.

Turbínu je možno použít přímo k mechanickému pohonu strojů. V tom případě je účinnost přeměny geotermální energie na mechanickou práci nej vyšší, odpadají ztráty při výrobě elektrické energie a jej i zpětné přeměně na práci a rovněž odpadají náklady na výrobu elektrické části. Vzhledem k tomu, že potřebný vrt je možno provést prakticky kdekoliv, je toto řešení značně efektivní. Je vhodné například pro aplikace jako pohon dopravníkového pásu, lanovky, mlýnu, pily, kompresorů atd. (viz příklad 2). Obvyklejší je však použití turbíny jako generátoru elektrické energie (viz příklady 1 a 3), kdy je turbína spojena s alternátorem pro výrobu elektrické energie, stejně, jako je tomu u běžných elektráren na fosilní paliva. Je samozřejmě možno použít i kombinaci obou režimů.The turbine can be used directly to mechanically drive machines. In that case, the efficiency of converting geothermal energy into mechanical work is the highest, losses during the production of electrical energy and its reverse conversion into work are eliminated, and the costs of producing the electrical part are also eliminated. Given that the necessary drilling can be done practically anywhere, this solution is quite effective. It is suitable, for example, for applications such as driving a conveyor belt, cable car, mill, saw, compressors, etc. (see example 2). More common, however, is the use of a turbine as an electrical power generator (see examples 1 and 3), where the turbine is connected to an alternator to produce electrical power, just as in conventional fossil fuel power plants. Of course, it is also possible to use a combination of both modes.

Kryogenní geotermální motor podle předloženého technického řešení může pracovat jen v podmínkách narůstající teploty směrem do hloubky, jinak by podle druhého termodynamického zákona nebyla možná přeměna vnitřní tepelné energie hornin na mechanickou práci. Zařízení však může pracovat i v podmínkách nízkého teplotního gradientu, který jev zemské kůře průměrně 3 K na 100 m. Konstantní výkon motoru je dlouhodobě možno udržet jen v případě, že se doplňuje teplo z hlubších vrstev Země. Krátkodobě je však možno výkon motoru zvýšit na úkor toho, že teplota okolních hornin v dolní části vrtu klesá (viz příklad 2). Pak je ovšem třeba opět teplotu dorovnat při menším výkonu motoru. Výkon motoru je možno regulovat například množstvím kapalného média, které je vpouštěno řídícím ventilem do kanálu po zkapalnění, případně motor zcela zastavit tím, že přestaneme vpouštět plyn do turbíny. Nabízí se tak možnost velmi pružně reagovat na momentální spotřebu mechanické energie nebo elektrické energie v síti a kompenzovat tak výkyvy, které vznikají například při provozu solárních a větrných elektráren.The cryogenic geothermal engine according to the presented technical solution can only work in conditions of increasing temperature towards depth, otherwise, according to the second law of thermodynamics, it would not be possible to convert the internal thermal energy of rocks into mechanical work. However, the device can also work in conditions of a low temperature gradient, which is an average of 3 K per 100 m in the earth's crust. Constant engine power can only be maintained in the long term if heat is replenished from the deeper layers of the earth. In the short term, however, it is possible to increase the engine power at the expense of the fact that the temperature of the surrounding rocks in the lower part of the well decreases (see example 2). Then, however, it is necessary to adjust the temperature again at lower engine power. The power of the engine can be regulated, for example, by the amount of liquid medium that is admitted through the control valve into the channel after liquefaction, or the engine can be stopped completely by stopping the injection of gas into the turbine. This offers the possibility to respond very flexibly to the current consumption of mechanical energy or electrical energy in the network and thus compensate for fluctuations that arise, for example, during the operation of solar and wind power plants.

Připomeňme, že teplo vzniká v zemské kůře rozpadem radioaktivních prvků a je doplňováno tepelným tokem ze zemského pláště, takže představuje prakticky nevyčerpatelný zdroj energie. Předložené technické řešení čerpá teplo z hloubky a přeměňuje je na mechanickou práci a popřípadě dále na elektrickou energii.Let us recall that heat is generated in the earth's crust by the decay of radioactive elements and is supplemented by heat flow from the earth's mantle, so it represents a practically inexhaustible source of energy. The presented technical solution draws heat from the depths and transforms it into mechanical work and possibly further into electrical energy.

Předmětem předloženého technického řešení je kryogenní termální motor, jak je zde popsán a jak je definován v připojených nárocích.The subject of the presented technical solution is a cryogenic thermal engine, as described here and as defined in the appended claims.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Obr. 1. A) Schéma vrtu a jeho prohloubení. B) Rozmístění destiček ve vrtu pro lepší přenos tepla.Giant. 1. A) Scheme of the well and its deepening. B) Placement of plates in the borehole for better heat transfer.

Obr. 2. Schéma přetlakové turbíny se zkapalňováním pracovního plynu.Giant. 2. Schematic of an overpressure turbine with working gas liquefaction.

-5CZ 36220 UI-5CZ 36220 UI

Obr. 3. Přechod pístu přes záklopku. Obrázek ukazuje postupně „zastavené“ časové snímky. Směr rotace hřídele s pístem je znázorněna šipkou A. Záklopka je uzavřena, píst je těsně za ní, zkapalněný plyn je odváděn kanálkem. B. Záklopka se začíná sklápět. C. Záklopka je téměř sklopena. D. Záklopka je plně sklopena a umožňuje průchod pístu, všechen zkapalněný plyn je již odveden. E. Záklopka se uzavírá, a přitom se pohybuje po zadní straně pístu, pod píst je přiváděn stlačený plyn z vrtu.Giant. 3. Passage of the piston through the valve. The image shows sequentially "stopped" time frames. The direction of rotation of the shaft with the piston is shown by arrow A. The valve is closed, the piston is just behind it, the liquefied gas is discharged through a channel. B. Flap begins to fold. C. The flap is almost down. D. The valve is fully lowered and allows the piston to pass, all the liquefied gas has already been removed. E. The valve closes, while moving along the back of the piston, compressed gas from the well is fed under the piston.

Obr. 4. Detail pracovní hřídele ve vícejednotkové turbíně, kde ke stejné středové hřídeli je připojeno několik expanzních komor tak, že vytvářejí válcovitý soubor („svazek“). K jedné středové hřídeli je pevně připojeno několik pracovních hřídelí s pístem, přičemž polohy hřídelí, respektive pístů, jsou vůči sobě fázově posunuty vzhledem ke středové hřídeli, a tedy ose rotace. Plášť turbíny a mezistěny mezi expanzními komorami nejsou znázorněny.Giant. 4. Detail of the working shaft in a multi-unit turbine, where several expansion chambers are connected to the same central shaft to form a cylindrical assembly ("bundle"). Several working shafts with a piston are firmly connected to one central shaft, while the positions of the shafts, respectively the pistons, are phase-shifted with respect to the central shaft and thus the axis of rotation. The turbine casing and partitions between the expansion chambers are not shown.

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of implementing a technical solution

Příklad 1Example 1

Kryogenní geotermální motorCryogenic geothermal engine

Kryogenní geotermální motor ve výhodném provedení podle předloženého technického řešení je schematicky znázorněn na obr. 1A. Obsahuje zemní vrt 1 a prohloubení 1,1 vrtu 1, a dále obsahuje turbínu 10. Vrt 1 sahá od povrchu do hloubky 300 maje vystrojen ocelovou pažnicí 2, s vnitřním průměrem 200 mm a tloušťkou stěny 5 mm. V ose vrtu 1 je tepelně izolovaný kanál 3 z keramického materiálu (materiálu používaného pro topná tělesa) s vnitřním průměrem 30 mm a tloušťkou stěny 15 mm, kterým proudí dolů zkapalněný pracovní plyn (dále také jen „kapalina“), kterým je v tomto provedení dusík. Kapalina je do kanálu 3 přiváděna ze zásobníku 13 (viz obr. 2), její množství je regulováno ventilem 15 (podrobněji viz dále). Kolem kanálu 3 (uvnitř pažnice 2) je tak vytvořena dutina 4, kterou proudí nahoru pracovní plyn. V dutině 4 jsou rovnoběžně s osou vrtu namontovány perforované destičky 5 z hliníku o délce 50 cm o tloušťce 3 mm, které rozdělují dutinu 4 na 8 stejných segmentů (na příčném řezu tvoří „paprsky“, viz schéma na obr. 1B) pevně spojené s pažnicí 2, které zvyšují plochu, na které dochází k přenosu tepla z okolních hornin. Destičky 5 na sebe ve svislém směru navazují, takže tvoří souvislé pásy, jednotlivé segmenty ale nejsou od sebe izolovány vzhledem k perforaci destiček 5. Na dně vrtu 1 je varná nádoba 6, ve které dochází k přeměně média z kapalné do plynné fáze. Stěnu (obvod) varné nádoby 6 tvoří zesílená stěna 2,1 pažnice 2. Kanál 3 zasahuje dolním koncem do prostoru varné nádoby 6 až ke dnu 6,1, přičemž mezi dolním ústím kanálu 3 a dnem 6,1 je ponechána mezera dostatečná pro průtok kapaliny do varné nádoby 6. Varná nádoba 6 má v tomto provedení kuželovité dno 6,1 a obsahuje dále kuželovitý usměrňovač 6,2 proudění umístěný pod ústím kanálu 3. Usměrňovač 6,2 slouží k usměrnění a rovnoměrnému rozvedení kapaliny sestupující středním kanálem 3 do varné nádoby 6 a zabraňuje tomu, aby se plyn nedostával do středního kanálu. Ve varné nádobě se kapalina přeměňuje na plyn, při stoupání dutinou 4 se plyn ohřívá o stěny vrtu 1, resp. pažnicí 2 a o příčné destičky 5 tak, že u horního vyústění vrtu 1 dosáhne přibližně teploty okolní horniny T2 (tj. přibližně 280 K).A cryogenic geothermal engine in an advantageous embodiment according to the presented technical solution is shown schematically in Fig. 1A. It includes a ground well 1 and a deepening 1.1 of the well 1, and further includes a turbine 10. The well 1 extends from the surface to a depth of 300 is equipped with a steel casing 2, with an inner diameter of 200 mm and a wall thickness of 5 mm. In the axis of the well 1, there is a thermally insulated channel 3 made of ceramic material (material used for heating elements) with an inner diameter of 30 mm and a wall thickness of 15 mm, through which the liquefied working gas (hereinafter also referred to as "liquid") flows down, which in this embodiment is nitrogen. Liquid is supplied to channel 3 from reservoir 13 (see Fig. 2), its quantity is regulated by valve 15 (see below for more details). A cavity 4 is thus created around the channel 3 (inside the casing 2), through which the working gas flows upwards. Perforated plates 5 made of aluminum 50 cm long and 3 mm thick are mounted in the cavity 4 parallel to the axis of the borehole, which divide the cavity 4 into 8 equal segments (they form "rays" in the cross section, see the diagram in Fig. 1B) firmly connected to casing 2, which increase the area on which heat is transferred from the surrounding rocks. The plates 5 connect to each other in the vertical direction, so they form continuous strips, but the individual segments are not isolated from each other due to the perforation of the plates 5. At the bottom of the well 1 is a boiling vessel 6, in which the medium is converted from the liquid to the gas phase. The wall (circumference) of the cooking vessel 6 is formed by the reinforced wall 2.1 of the casing 2. The channel 3 extends with its lower end into the space of the cooking vessel 6 up to the bottom 6.1, while a gap sufficient for the flow is left between the lower mouth of the channel 3 and the bottom 6.1 liquid into the cooking vessel 6. In this embodiment, the cooking vessel 6 has a conical bottom 6.1 and also contains a conical flow deflector 6.2 located below the mouth of the channel 3. The deflector 6.2 serves to direct and evenly distribute the liquid descending through the central channel 3 into the boiling container 6 and prevents gas from entering the central channel. In the boiling vessel, the liquid is transformed into gas, as it rises through the cavity 4, the gas is heated by the walls of the well 1, or by the casing 2 and by the transverse plates 5 so that at the upper outlet of the borehole 1 it reaches approximately the temperature of the surrounding rock T2 (i.e. approximately 280 K).

Prohloubení 1,1 vrtu 1 slouží ke zvýšení výkonu motoru tím, že přenáší teplo z větších hloubek. V prohloubení 1,1 cirkuluje voda/pára. Prohloubení 1,1 je vystrojeno pažnicí, sestávající ze dvou částí 7,1 a 7,2, v ose prohloubení 1,1 je kanál 8 pro sestup vody z keramického materiálu (izolační materiál pro topná tělesa) s průměrem 30 mm a tloušťkou stěny 15 mm, který zajišťuje tepelnou izolaci vnitřku kanálu 8 od zbytku prohloubení 1,1. Horní ústí kanálu 8 je upraveno na trychtýřovité rozšíření 8,1 pro účinný záchyt kondenzované vody. Dno 6,1 varné nádoby 6 společně s trychtýřovitým rozšířením 8,1 kanálu 8 vytváří kondenzátor vodní páry. Prostor mezi vnitřním povrchem pažnice a vnějším povrchem kanálu 8 vymezuje dutinu 9 pro proudění páry směrem vzhůru. Horní část 7,1 pažnice prohloubení 1,1 zasahující do hloubky 4 km, je vyrobena z tepelného izolantu (keramického materiálu pro topná tělesa), od 4 km níže je dolní část 7,2The deepening of 1.1 borehole 1 serves to increase engine performance by transferring heat from greater depths. Water/steam circulates in recess 1.1. The recess 1.1 is equipped with a casing consisting of two parts 7.1 and 7.2, in the axis of the recess 1.1 there is a channel 8 for the descent of water made of ceramic material (insulating material for heating elements) with a diameter of 30 mm and a wall thickness of 15 mm, which ensures thermal insulation of the inside of the channel 8 from the rest of the recess 1.1. The upper mouth of the channel 8 is adapted to a funnel-shaped extension 8.1 for effective capture of condensed water. The bottom 6.1 of the cooking vessel 6 together with the funnel-shaped extension 8.1 of the channel 8 forms a water vapor condenser. The space between the inner surface of the casing and the outer surface of the channel 8 defines a cavity 9 for the upward flow of steam. The upper part of the 7.1 casing of the deepening 1.1 extending to a depth of 4 km is made of thermal insulator (ceramic material for heating elements), from 4 km below the lower part is 7.2

-6CZ 36220 UI pažnice prohloubení ocelová, s průměrem 200 mm a tloušťkou stěny 10 mm. Dolní ústí kanálu 8 zasahuje ke dnu prohloubení 1,1. ale nedotýká se ho a ponechává dostatečný prostor pro průtok vody. Na dně prohloubení 1,1 je pod ústím kanálu 8 usazen kuželovitý usměrňovač 7,3 proudění. V hloubce 4 km, kde začíná ocelová část 7,2 pažnice, je teplota hornin přibližně 390 K, a tedy umožňuje pohyb vodní páry bez její kondenzace. Nad 4 km je pára tepelně izolovaná od okolních hornin, proto se pohybuje vzhůru rovněž bez kondenzace, ovšem mírně se snižuje teplota. V hloubce 300 m narazí vodní pára o teplotě 380 K na dno varné nádoby 6, které má teplotu přibližně 275 K, a na něm kondenzuje. Přitom předá dnu varné nádoby 6 teplo, které vzniká jednak kondenzací páry, jednak snížením teploty vody po kondenzaci na 280 K. Toto teplo se dále předává kapalině (zkapalněnému dusíku) ve varné nádobě 6. Kondenzovaná voda stéká středním kanálem 8 až na dno prohloubení 1,1 a přitom se mírně ohřívá na teplotu 300 K. U dna je teplo přenášeno ocelovou částí 7,2 pažnice na vodu, která se vaří a vzniká pára, která stoupá vzhůru dutinou 9. Pára je hnána vzhůru tlakem, který způsobuje vodní sloupec ve středním kanálu 8. Voda v prohloubení 1.1 tak slouží k přenosu tepla z hlubších partií Země, není však přímo využívána k pohybu turbíny 10.-6CZ 36220 UI hollow steel casing, with a diameter of 200 mm and a wall thickness of 10 mm. The lower mouth of channel 8 extends to the bottom of depression 1.1. but does not touch it and leaves enough space for the water to flow. At the bottom of the recess 1.1, a conical flow deflector 7.3 is installed below the mouth of the channel 8. At a depth of 4 km, where the steel part of the 7.2 casing begins, the temperature of the rocks is approximately 390 K, and thus allows the movement of water vapor without its condensation. Above 4 km, the steam is thermally isolated from the surrounding rocks, therefore it also moves upwards without condensation, but the temperature decreases slightly. At a depth of 300 m, water vapor with a temperature of 380 K hits the bottom of the boiling vessel 6, which has a temperature of approximately 275 K, and condenses on it. At the same time, it transfers to the bottom of the cooking vessel 6 the heat that is produced both by the condensation of steam and by lowering the temperature of the water after condensation to 280 K. This heat is further transferred to the liquid (liquefied nitrogen) in the cooking vessel 6. The condensed water flows through the central channel 8 to the bottom of the depression 1 ,1 and at the same time it is slightly heated to a temperature of 300 K. At the bottom, the heat is transferred by the steel part 7,2 of the casing to the water, which boils and steam is produced, which rises up through the cavity 9. The steam is driven up by the pressure that causes the water column in the middle channel 8. The water in the recess 1.1 thus serves to transfer heat from the deeper parts of the Earth, but is not directly used to move the turbine 10.

Pro správnou fúnkci motoru jsou důležité přechody mezi plynnou a kapalnou fází ve vrtu 1. Tlak v médiu nesmí překročit tlak kritického bodu (pro dusík 3,40 MPa), nad kterým se látka nachází ve stavu superkritické kapaliny a nedochází k fázovým přechodům. Tím je dána maximální výška 427 m pro dusík kapalinového sloupce ve středním kanálu 3 vrtu 1. Dusík ve vrtu 1 má tlak pi = pgh, kde p je hustota kapaliny (pro dusík p = 810 kg/m³), g = 9,81 m/s² je tíhové zrychlení a h je rozdíl sloupce kapaliny v dutině 4 vrtu 1 a ve středním kanálu 3.Transitions between the gas and liquid phases in well 1 are important for the proper functioning of the engine. The pressure in the medium must not exceed the pressure of the critical point (3.40 MPa for nitrogen), above which the substance is in a supercritical liquid state and no phase transitions occur. This gives a maximum height of 427 m for nitrogen in the liquid column in the middle channel 3 of well 1. Nitrogen in well 1 has a pressure pi = pgh, where p is the liquid density (for nitrogen p = 810 kg/m ³ ), g = 9.81 m/s ² is the gravitational acceleration and ah is the difference of the liquid column in the cavity 4 of the well 1 and in the middle channel 3.

Kryogenní geotermální motor v tomto provedení dále obsahuje turbínu 10 umístěnou u ústí vrtu 1. Turbína 10 v tomto provedení má vodorovnou osou otáčení a využívá tlaku plynu ve vrtu 1 k přeměně na mechanickou práci, která může být dále užita k výrobě elektřiny. Při průchodu plynu turbínou 10 dochází k poklesu tlaku a ochlazení plynu až pod bod varu, takže zkapalní. Turbína JO je konstruována jako přetlaková plynová turbína. Její schéma (příčný řez) je na obr. 2. Turbína 10 obsahuje několik válcovitých expanzních komor C (viz dále), přičemž dále bude konstrukce a činnost vysvětlena nejdříve pro jednu expanzní komoru C. Expanzní komorou C prochází středová hřídel A, na které je souose upevněna pracovní hřídel H s pístem P. Píst P je pevně spojen s hřídelí H. Dno, víko a vnitřní válcová stěna expanzní komory C a vnější plocha pracovní hřídele H vymezují pracovní prostor expanzní komory, který je pístem P rozdělen na prostor SI před pístem a prostor S2 za pístem. Turbína 10 dále obsahuje záklopku Z a elektromagnet M pro ovládání záklopky Z. Jak píst P, tak záklopkaThe cryogenic geothermal engine in this embodiment further includes a turbine 10 located at the mouth of the well 1. The turbine 10 in this embodiment has a horizontal axis of rotation and uses gas pressure in the well 1 to convert it into mechanical work, which can be further used to generate electricity. When the gas passes through the turbine 10, the pressure drops and the gas cools below the boiling point, so it liquefies. The JO turbine is designed as an overpressure gas turbine. Its diagram (cross-section) is shown in Fig. 2. The turbine 10 contains several cylindrical expansion chambers C (see below), while the construction and operation will be explained first for one expansion chamber C. The central shaft A passes through the expansion chamber C, on which the working shaft H is fixed coaxially with the piston P. The piston P is firmly connected to the shaft H. The bottom, lid and inner cylindrical wall of the expansion chamber C and the outer surface of the working shaft H define the working space of the expansion chamber, which is divided by the piston P into the space SI in front of the piston and space S2 behind the piston. The turbine 10 also contains a valve Z and an electromagnet M for controlling the valve Z. Both the piston P and the valve

Z jsou vůči vnitřnímu prostoru expanzní komory C utěsněny pomocí těsnění z technické pryže. Přívod pracovního plynu do expanzní komory C je zajištěn vstupním otvorem I, který je spojen s přívodní trubicí 11, na jejímž ústí do komory C je umístěn regulační ventil V. Zkondenzovaná kapalina je z expanzní komory C odváděna odtokovým otvorem O do odtokové trubice 12 a do zásobníku 13 zkapalněného plynu, odkud se trubicí 14 opatřenou ventilem 15 vrací do kanálu 3 a tedy do vrtu 1. Zásobník 13 je konstruován jako Dewarova nádoba, takže je tepelně izolován. Cep B, kolem které se otáčí záklopka Z, je pevně spojen s expanzní komorou C.Z are sealed against the inner space of the expansion chamber C by means of a gasket made of technical rubber. The supply of the working gas to the expansion chamber C is ensured by the inlet opening I, which is connected to the supply tube 11, at the mouth of which the control valve V is placed into the chamber C. The condensed liquid is drained from the expansion chamber C through the drain hole O to the drain tube 12 and to reservoir 13 of liquefied gas, from where it returns through a tube 14 equipped with a valve 15 to the channel 3 and thus to the well 1. The reservoir 13 is constructed as a Dewar container, so it is thermally insulated. The pin B, around which the valve Z rotates, is firmly connected to the expansion chamber C.

Činnost turbíny 10 sestává ze dvou fází. První fáze začíná v čase ti, kdy je píst P a záklopka Z těsně u sebe (píst P je před vstupním otvorem I, ve směru pohybu hřídele H, který je v tomto případě znázorněn ve směru pohybu hodinových ručiček), objem mezi nimi je velmi malý. V čase ti se otevře ventil V a do prostoru S2 expanzní komory C začne přívodní trubicí 11 pod tlakem proudit plyn. Píst P se pohybuje a roztáčí hřídel H. Tento děj je přibližně isobarický a isotermický, objem plynuje doplňován varem kapaliny na dně vrtu. V čase C je ventil V uzavřen a nastává druhá fáze. Prostor S2, tj. objem mezi pístem P a záklopkou Z se dále zvětšuje, tlak mezi nimi klesá a teplota klesá, až dojde ke kondenzaci plynu na kapalinu. Zároveň je vytlačována kapalina na druhé straně pístu P, z prostoru S1, do odtokového otvoru O a trubice 12. Ve druhé fázi je děj přibližně adiabatický. Tato fáze pokračuje, až píst P narazí zezadu do záklopky Z. Píst P přejde přes záklopkuThe operation of the turbine 10 consists of two phases. The first phase begins at time ti, when piston P and valve Z are close together (piston P is in front of inlet I, in the direction of movement of shaft H, which in this case is shown clockwise), the volume between them is very small. At time ti, the valve V opens and gas begins to flow under pressure through the supply tube 11 into the space S2 of the expansion chamber C. The piston P moves and rotates the shaft H. This action is approximately isobaric and isothermal, the volume flowing is replenished by the boiling of the liquid at the bottom of the well. At time C, valve V is closed and the second phase occurs. The space S2, i.e. the volume between the piston P and the valve Z continues to increase, the pressure between them decreases and the temperature decreases until the gas condenses into a liquid. At the same time, the liquid on the other side of the piston P, from the space S1, is pushed into the drain hole O and the tube 12. In the second phase, the process is approximately adiabatic. This phase continues until the piston P hits the back of the valve Z. The piston P passes over the valve

-7 CZ 36220 UI-7 CZ 36220 UI

Z (která se opět uzavře) a tím se z prostoru S2 za pístem stane prostor S1 před pístem. Tím končí druhá fáze, je otevřen ventil V a začíná opět fáze 1.Z (which closes again) and thus the space S2 behind the piston becomes the space S1 in front of the piston. This ends the second phase, valve V is opened and phase 1 begins again.

Přechod pístu P přes záklopku Z je důležitým prvkem celého procesu (viz obr. 3). Musí při něm zůstat stále oddělen prostor S1 před pístem a prostor S2 za pístem. Toho je dosaženo jednak speciálním válcovitým tvarem zadní části pístu P, jednak činností elektromagnetu M, který udržuje záklopku Z zavřenou, pokud je aktivní, a konečně správným načasováním otevření ventilu V. Záklopka Z je udržována ve své poloze „zavřeno“ jednak přetlakem před a za záklopkou Z, jednak elektromagnetem M. Když narazí píst P zezadu do záklopky Z, je tlak v expanzní komoře C před záklopkou Z minimální a zároveň je v tom okamžiku vypnut elektromagnet M. Píst P se pohybuje setrvačností hřídele H a sklopí záklopku Z. Jakmile píst P přejde přes záklopku Z, je elektromagnet M opět zapnut a zároveň je otevřen ventil V. To způsobí pohyb záklopky Z po zadní straně pístu P, přitom zůstává prostor S2 před a prostor S1 za pístem oddělen. Zapínání a vypínání elektromagnetu M je ovládáno polohou pístu P, která je detekována pomocí laserové závory.The passage of the piston P through the valve Z is an important element of the whole process (see Fig. 3). Space S1 in front of the piston and space S2 behind the piston must always be separated. This is achieved by the special cylindrical shape of the rear part of the piston P, by the action of the electromagnet M, which keeps the valve Z closed when it is active, and finally by the correct timing of the opening of the valve V. The valve Z is kept in its "closed" position by the positive pressure before and after valve Z, on the one hand by the electromagnet M. When the piston P hits the valve Z from behind, the pressure in the expansion chamber C in front of the valve Z is minimal and at the same time the electromagnet M is switched off at that moment. The piston P moves by the inertia of the shaft H and lowers the valve Z. Once the piston P passes over the valve Z, the electromagnet M is switched on again and at the same time the valve V is opened. This causes the movement of the valve Z on the back side of the piston P, while the space S2 in front of and the space S1 behind the piston remains separated. The switching on and off of the electromagnet M is controlled by the position of the piston P, which is detected by means of a laser barrier.

Vzhledem k tomu, že síla působící na píst P se během druhé fáze mění, byl by pohyb hřídele H nerovnoměrný. Proto je ke stejné středové hřídeli A připojeno 12 expanzních komor C, ve kterých jsou pracovní hřídele H, resp. písty P vůči sobě fázově posunuty (viz obr. 4). Válcovité expanzní komory C jsou uspořádány tak, že k sobě přiléhají svými podstavami a vytvářejí tak svazek komor, kde jsou písty P v jednotlivých komorách C při svém otáčení fázově posunuty o úhel 2π/12. Jestliže je expanzních komor C více (například 12, jak uvedeno výše), je pohyb středové hřídele A rovnoměrný. Setrvačnost hřídele H a případně připojeného rotoru elektrického generátoru přispívá také k rovnoměrnému pohybu. Otáčky hřídele H jsou závislé jednak na zatížení hřídele H (síle, kterou musí při otáčení překonávat) jednak na tlaku plynu ve vrtu 1 (který je dán rozdílem hladin ve středním kanálu 3 ave vrtu 1). Regulací množství kapaliny, vpouštěné ze zásobníku 13 do středního kanálu 3 je možno tento tlak regulovat a dosáhnout tak konstantních otáček, které jsou důležité pro výrobu elektrické energie.Since the force acting on the piston P varies during the second phase, the motion of the shaft H would be uneven. Therefore, 12 expansion chambers C are connected to the same central shaft A, in which the working shafts H or pistons P are phase-shifted relative to each other (see Fig. 4). The cylindrical expansion chambers C are arranged in such a way that they adjoin each other with their bases and thus create a bundle of chambers, where the pistons P in the individual chambers C are phase-shifted by an angle of 2π/12 during their rotation. If there are more expansion chambers C (for example 12 as mentioned above), the movement of the central shaft A is uniform. The inertia of the H shaft and possibly the attached rotor of the electric generator also contributes to uniform movement. The speed of shaft H is dependent on the load on shaft H (the force it must overcome during rotation) and on the gas pressure in well 1 (which is determined by the difference in levels in the middle channel 3 and in well 1). By regulating the amount of liquid injected from the reservoir 13 into the central channel 3, it is possible to regulate this pressure and thus achieve constant revolutions, which are important for the production of electricity.

Turbína 10 je umístěna pod zemí a je tepelně izolována od vnějšího prostředí. Skříň turbíny je udržována na stálé teplotě (chlazena) pomocí standardního chladicího zařízení 16, výhodně s oběhem chladicího média, odborníkovi známé konstrukce. Od zemského povrchu a okolní horniny je turbína tepelně izolovaná izolačním pláštěm 17.The turbine 10 is located underground and is thermally insulated from the external environment. The turbine housing is maintained at a constant temperature (cooled) by means of a standard cooling device 16, preferably with circulating cooling medium, of a design known to a person skilled in the art. The turbine is thermally insulated from the earth's surface and the surrounding rock by an insulating jacket 17.

Příklad 2Example 2

Geotermální elektrárna pro tyto parametry: médium argon, hloubka vrtu 20 kmGeothermal power plant for these parameters: argon medium, borehole depth 20 km

Tato elektrárna využívá motor popsaný v příkladu 1, který představuje zdroj mechanické energie s mechanickým výkonem 6,62 MW, elektrický výkon závisí na účinnosti přeměny mechanické energie na elektrickou. Vybudování vrtu do hloubky 20 km by bylo velmi nákladné a dosud nebylo nikde na světě realizováno. Ekonomicky bude dávat smysl, až se podaří zlevnit provádění hlubokých vrtů, například metodou podle patentu CZ 308559 B6.This power plant uses the engine described in Example 1, which represents a source of mechanical energy with a mechanical power of 6.62 MW, the electrical power depends on the efficiency of the conversion of mechanical energy to electricity. Building a borehole to a depth of 20 km would be very expensive and has not yet been implemented anywhere in the world. Economically, it will make sense when it is possible to make deep wells cheaper, for example by the method according to patent CZ 308559 B6.

Vrt 1 sahá od povrchu do hloubky h = 270 m, prohloubení 1,1 do 20 km. Ve vrtu 1 sloupec zkapalněného argonu ve středním kanálu 3 o hustotě kapaliny p = 1784 kg/m³ vytváří tlak maximálně pi = 4,73 MPa, který je nižší než kritický tlak argonu. Teplota plynu u povrchu T2 = 280 K. Turbína 10 je konstruovaná s 8 expanzními komorami C rovnoměrně fázově posunutými o úhel 2π/8. Objem pracovního prostoru v každé komoře je 400 dm³. V první fázi je do expanzní komory přiveden plyn o objemu Vi = 50 dm³, tlaku pi = 4,73 MPa a teplotě 280 K. V této první fázi je vykonána práce Wi = piVi = 237 kJ. Ve druhé fázi se objem zvětší 8x (na 400 dm³), teplota klesne pod bod varu argonu, přičemž dojde ke kondenzaci a tlak klesne k hodnotě blízké nule. Vykonaná práce W2 je během adiabatického rozpínání J_o p(V)dV = 625 kJ. Ve všech komorách C se tak při jedné otáčce vykoná práce 6,62 MJ. Turbína 10 je udržována na otáčkách 1 ot/s, tj. mechanický výkon turbíny je 6,62 MW. Pro účely výroby elektrické energie je na turbínuWell 1 extends from the surface to a depth of h = 270 m, deepening 1.1 to 20 km. In well 1, a column of liquefied argon in the middle channel 3 with a liquid density of p = 1784 kg/m ³ produces a maximum pressure of pi = 4.73 MPa, which is lower than the critical pressure of argon. The gas temperature at the surface T2 = 280 K. The turbine 10 is constructed with 8 expansion chambers C equally phase-shifted by an angle of 2π/8. The volume of the working space in each chamber is 400 dm ³ . In the first phase, gas with volume Vi = 50 dm ³ , pressure pi = 4.73 MPa and temperature 280 K is introduced into the expansion chamber. In this first phase, work Wi = piVi = 237 kJ is done. In the second phase, the volume increases 8x (to 400 dm ³ ), the temperature drops below the boiling point of argon, condensation occurs and the pressure drops to a value close to zero. The work done W2 during the adiabatic expansion of J _is p(V)dV = 625 kJ. In all chambers C, 6.62 MJ of work is done at one revolution. The turbine 10 is maintained at a speed of 1 rpm, i.e. the mechanical power of the turbine is 6.62 MW. For the purpose of generating electricity, it is on a turbine

-8CZ 36220 UI napojen alternátor standardního provedení. Alternátor může produkovat při běžné účinnosti 70 % 4,63 MW elektrické energie.-8CZ 36220 UI connected alternator of standard design. The alternator can produce 4.63 MW of electricity at a normal efficiency of 70%.

Tepelná energie je dodávána z prohloubení 1,1, kde probíhá cirkulace vody/vodní páry. Mezi prohloubením 1,1 a samotným vrtem 1 se přenáší tepelný výkon 10 MW. Ktomu je třeba, aby došlo za 1 s k ochlazení 3,1 kg vodní páry z 550 K na 373 K, její kondenzaci a poklesu teploty na 320 K. Tepelná energie přechází do vodní páry v hloubkách 10 až 20 km, kde teplota přesahuje 570 K, takže pára se ohřívá na tuto teplotu. Od 10 km výše je prohloubení 1,1 tepelně izolováno keramickým pažením 7,1. aby se teplota páry uchovala. Vlivem tepelných ztrát klesne její teplota o 20 K na výše zmíněných 550 K. Při tomto výkonu motoru se teplo v okolí prohloubení 1,1 stihne doplňovat tepelným tokem z hlubších partií Země, jak je ukázáno v publikaci Zábranová et al., 2022.Thermal energy is supplied from recess 1.1, where water/steam circulation takes place. A heat output of 10 MW is transferred between the deepening 1.1 and the well 1 itself. Who needs 3.1 kg of water vapor to cool from 550 K to 373 K, condense it and drop its temperature to 320 K in 1 s. Thermal energy passes into water vapor at depths of 10 to 20 km, where the temperature exceeds 570 K , so the steam is heated to this temperature. From 10 km above, depression 1.1 is thermally insulated by a ceramic sleeve 7.1. to maintain the temperature of the steam. Due to heat losses, its temperature will drop by 20 K to the above-mentioned 550 K. At this engine power, the heat in the vicinity of the 1.1 depression will manage to be replenished by the heat flow from the deeper parts of the Earth, as shown in the publication Zábranová et al., 2022.

Příklad 3Example 3

Geotermální mechanický pohon pro tyto parametry: médium dusík, hloubka vrtu 400 mGeothermal mechanical drive for the following parameters: medium nitrogen, borehole depth 400 m

Motor podle technického řešení v tomto případě představuje malý zdroj mechanické energie o špičkovém výkonu 25 kW, který se uplatní především v místech, kam je obtížné zavést elektrické vedení, a potřebujeme provozovat mechanické stroje.According to the technical solution, the motor in this case represents a small source of mechanical energy with a peak power of 25 kW, which is mainly used in places where it is difficult to install electric lines and we need to operate mechanical machines.

Vrt 1 sahá od povrchu do hloubky h = 400 m, prohloubení 1,1 není vybudováno. Sloupec zkapalněného dusíku ve středním kanálu 3 o hustotě kapaliny p = 810 kg/m³ vytváří tlak maximálně pi = 3,24 MPa, který je nižší než kritický tlak dusíku. Teplota plynu u povrchu Ti = 280 K. Turbína 10 je konstruovaná s 12 expanzními komorami C rovnoměrně fázově posunutými. Objem v každé komoře je 1,2 dm³. V první fázi je do expanzní komory C přiveden plyn a objemu U = 0,1 dm³ tlaku pi = 3,24 MPa a teplotě 280 K. V této první fázi je vykonána práce Wi = piVi = 0,32 kJ. Ve druhé fázi se objem zvětší 12x (na 1,2 dm³), teplota klesne pod bod varu, přičemž dojde ke kondenzaci a tlak klesne k hodnotě blízké nule. Vykonaná práce W2 je během adiabatického rozpínání f p(V)dV = 1,78 kJ. Ve všech komorách C se tak při jedné otáčce vykoná práce 25,2 kJ. Turbína 10 je udržována na otáčkách 1 ot/s, tj. mechanický výkon turbíny je 2,52 kW.Well 1 extends from the surface to a depth of h = 400 m, deepening 1.1 is not constructed. A column of liquefied nitrogen in the central channel 3 with a liquid density of p = 810 kg/m ³ creates a maximum pressure of pi = 3.24 MPa, which is lower than the critical pressure of nitrogen. The gas temperature at the surface Ti = 280 K. The turbine 10 is constructed with 12 expansion chambers C equally phase-shifted. The volume in each chamber is 1.2 dm ³ . In the first phase, a gas with a volume U = 0.1 dm ³ of a pressure pi = 3.24 MPa and a temperature of 280 K is introduced into the expansion chamber C. In this first phase, the work Wi = piVi = 0.32 kJ is done. In the second phase, the volume increases 12x (to 1.2 dm ³ ), the temperature drops below the boiling point, condensation occurs and the pressure drops to a value close to zero. The work done W2 during the adiabatic expansion is fp(V)dV = 1.78 kJ. Thus, 25.2 kJ of work is done in all chambers C at one revolution. The turbine 10 is maintained at a speed of 1 rpm, i.e. the mechanical power of the turbine is 2.52 kW.

Při tomto výkonu se nestačí doplňovat teplo do hornin kolem vrtu 1 pouhým vedením. Záleží na konkrétních geologických podmínkách, zda se uplatní též doplnění tepla pomocí konvekce vody. Pokud stroj není využíván nepřetržitě, doplní se teplo kolem vrtu v obdobích, kdy je stroj vypnutý. Příkladem použití může být pohon lanovky v místě, kde není elektřina. Zdroj energie se zapíná jen na dobu, kdy jede lanovka nahoru. Mechanická práce může být přitom využita přímo k pohonu lanovky bez její konverze na elektrickou energii a zpět.With this performance, it is not enough to add heat to the rocks around borehole 1 by conduction alone. It depends on the specific geological conditions, whether heat replenishment using water convection is also applied. If the machine is not in continuous use, the heat around the well will be replenished during periods when the machine is off. An example of use can be the drive of a cable car in a place where there is no electricity. The power source is only switched on when the cable car is going up. At the same time, mechanical work can be used directly to drive the cable car without its conversion to electrical energy and back.

Příklad 4Example 4

Geotermální elektrárna pro tyto parametry: médium dusík, hloubka zanoření 400 m, využití staré důlní jámy a zatopených dolůGeothermal power plant for the following parameters: medium nitrogen, immersion depth 400 m, use of old mine pit and flooded mines

Toto řešení přináší elektrárnu s ekonomicky výhodnou výrobou elektřiny, která využívá starou důlní jámu a důlní vody. Mechanický výkon je 252 kW, elektrický výkon závisí na účinnosti přeměny na elektrickou energii. Protože odpadají náklady na hloubení vrtu, představuje toto řešení velmi efektivní řešení pro staré důlní oblasti.This solution provides a power plant with economically advantageous electricity production that uses the old mine pit and mine water. The mechanical power is 252 kW, the electrical power depends on the efficiency of the conversion to electrical energy. Since the cost of drilling a borehole is eliminated, this solution is a very effective solution for old mining areas.

Není vytvořen zvláštní vrt 1, pažnice 2, v tomto případě ve formě trubice 2, je instalována ve staré důlní jámě, která nahrazuje vrt 1, a sahá od povrchu do hloubky h = 400 m. Předpokládejme, že od 300 m je trubice 2 ponořena do důlní vody o teplotě, která je o 10 K vyšší než teplota na povrchu, tedy teplota vody je 290 K, teplota na povrchu je 280 K. Spodních 100 m trubice 2 takA special well 1 is not created, casing 2, in this case in the form of tube 2, is installed in the old mine pit, which replaces well 1, and extends from the surface to a depth of h = 400 m. Assume that from 300 m tube 2 is submerged into mine water with a temperature that is 10 K higher than the surface temperature, i.e. the water temperature is 290 K, the surface temperature is 280 K. The lower 100 m of tube 2 so

-9CZ 36220 UI tvoří varnou nádobu 6, kde se vaří dusík a ohřívá se na teplotu 280 K. Sloupec kapalného dusíku ve středním kanálu 3 o hustotě kapaliny p = 810 kg/m³ vytváří tlakpi = 3,24 MPa (který je menší než kritický tlak). Turbína 10 je konstruovaná s 12 expanzními komorami C rovnoměrně fázově posunutými. Objem v každé komoře je 12 dm³. V první fázi je do expanzní komory přiveden plyn o objemu F) = 1 dm³ tlaku pi = 3,24 MPa a teplotě 280 K. V této první fázi je vykonána práce Wi = piVi = 3,24 kJ. Ve druhé fázi se objem zvětší 12x (na 1,2 dm³), teplota klesne pod bod varu, přičemž dojde ke kondenzaci a tlak klesne k hodnotě blízké nule. Vykonaná práce W2 je během adiabatického rozpínání J_o p(V)dV = 17,8 kJ. Ve všech komorách C se tak při jedné otáčce vykoná práce 252 kJ. Turbína 10 je udržována na otáčkách 1 ot/s, tj. mechanický výkon turbíny je 252 kW. Pro účely výroby elektrické energie je na turbínu 10 napojen alternátor standardního provedení. Pro obvyklou účinnost alternátoru 70 % je výkon 176 kW elektrické energie.-9CZ 36220 UI forms a boiling vessel 6 where nitrogen is boiled and heated to a temperature of 280 K. A column of liquid nitrogen in the central channel 3 with a liquid density p = 810 kg/m ³ creates a pressurepi = 3.24 MPa (which is less than critical pressure). The turbine 10 is constructed with 12 expansion chambers C equally phase-shifted. The volume in each chamber is 12 dm ³ . In the first phase, gas with volume F) = 1 dm ³ pressure pi = 3.24 MPa and temperature 280 K is introduced into the expansion chamber. In this first phase, work Wi = piVi = 3.24 kJ is done. In the second phase, the volume increases 12x (to 1.2 dm ³ ), the temperature drops below the boiling point, condensation occurs and the pressure drops to a value close to zero. The work W2 done during the adiabatic expansion is J _by p(V)dV = 17.8 kJ. Thus, 252 kJ of work is done in all chambers C at one revolution. The turbine 10 is maintained at a speed of 1 rpm, i.e. the mechanical power of the turbine is 252 kW. For the purpose of producing electricity, a standard design alternator is connected to the turbine 10. For a typical alternator efficiency of 70%, the output is 176 kW of electrical energy.

Voda v okolí ponořené varné nádoby 6 se ochlazuje o několik stupňů. Pokud je teplota této ochlazené vody vyšší než 277 K má studenější voda vyšší hustotu než teplejší a klesá tedy dolů do větších hloubek v dole. Na její místo teče teplejší voda. Tím vzniká cirkulace vody. Voda se ohřívá o horninu v rozsáhlém podzemí tvořeném důlními chodbami, proto její teplota zůstává stabilní 290 K. Tato elektrárna tedy využívá tepla z velkého objemu horniny, který je dán rozsahem zatopených dolů. Proto není nutný přívod tepla z větších hloubek jako v příkladu 1.The water around the submerged cooking vessel 6 cools down by several degrees. If the temperature of this cooled water is higher than 277 K, the colder water has a higher density than the warmer water and therefore sinks down to greater depths in the mine. Warmer water flows in its place. This creates water circulation. The water is heated by the rock in the vast underground formed by the mine corridors, therefore its temperature remains stable at 290 K. This power plant therefore uses heat from the large volume of rock, which is given by the extent of the flooded mines. Therefore, it is not necessary to supply heat from greater depths as in example 1.

Claims

PROTECTION CLAIMS

1. A cryogenic geothermal engine, characterized in that it contains an earth well (1), a gas turbine (10), a working gas and a reservoir (13) of liquefied working gas, where the well (1) is equipped with a casing (2), the axis of the well ( 1) passes through the channel (3) for the descent of the liquefied working gas, the space between the inner surface of the casing (2) and the outer surface of the channel (3) defines a cavity (4) for the upward flow of the working gas, while the casing (2) is made of thermally conductive of material and the channel (3) is made of heat-insulating material, a cooking vessel (6) is placed at the bottom of the well (1) for converting the liquefied working gas into gas, while the channel (3) extends with its lower end into the space of the cooking vessel (6) , the turbine (10) is a gas turbine, driven by a working gas flow, is operatively connected to the wellhead (1) for the flow of working gas from the well (1) to the turbine (10) and to the liquefied working gas reservoir (13) for collecting the liquefied working gas of gas condensed in the turbine (10) and/or p about passing through the turbine (10), while the reservoir (13) is functionally connected to the channel (3) for returning the liquefied gas to the well (1).

2. Cryogenic geothermal engine according to claim 1, characterized in that the cooking vessel (6) contains a reinforced wall (2.1) of the casing (2) and a bottom (6.1) on which a conical flow deflector (6.2) located below the mouth of the channel ( 3).

3. A cryogenic geothermal engine according to claim 1 or 2, characterized in that it contains perforated plates (5) for increasing the efficiency of heat transfer between the rock and the working gas, where the plates (5) are fixed to the casing (2) and are radially arranged in cavity (4), so they divide the cavity (4) into segments, which form a single common space from the point of view of the working gas flow due to the perforations of the plates (5).

4. A cryogenic geothermal engine according to any one of the preceding claims, characterized in that the turbine (10) is located under the earth's surface directly at the mouth of the well (1) or in an additional horizontal tunnel connected perpendicularly to the well (1), has either a vertical or horizontal axis of rotation, is thermally isolated from its surroundings by an insulating jacket (17) and is cooled by a cooling device (16).

5. A cryogenic geothermal engine according to any one of the preceding claims, characterized in that it further comprises a recess (1.1) which is continuously connected to the well (1), where the recess (1.1) is equipped with a casing and is filled with water/water vapor, the axis of the recess ( 1.1) passes through the channel (8) for the descent of water to the bottom of the recess (1.1), the space between the inner surface of the casing and the outer surface of the channel (8) defines a cavity (9) for the upward flow of water vapor, while the upper part (7.1) of the casing is made of heat insulator and the lower part (7.2) of the casing is made of a heat-conducting material, the upper mouth of the channel (8) contains a funnel-shaped extension (8.1) for effective capture of condensed water, and the bottom (6.1) of the cooking vessel (6) has a conical shape to increase the condensation surfaces and facilitating the flow of condensed water into the funnel-shaped extension (8.1) of the channel (8).

6. Cryogenic geothermal engine according to claim 5, characterized in that a conical flow deflector (7.3) located below the mouth of the channel (8) is attached to the bottom of the recess (1.1).

7. A cryogenic geothermal engine according to any one of the preceding claims, characterized in that the turbine (10) is an overpressure gas turbine that contains at least one cylindrical expansion chamber (C), inside which a movable central shaft (A) is installed, on which coaxially seated and firmly fixed working shaft (H) with the piston (P), where the piston (P) is firmly connected to the shaft (H), while the bottom and lid of the expansion chamber (C), the inner cylindrical wall of the expansion chamber (C) and the outer the surface of the working shaft (H) with the piston (P) define the working space of the expansion chamber (C), the valve (Z), where the pin (B) of the valve (Z) is firmly connected to the expansion chamber (C), while the valve (Z) is adapted for the temporary complete separation of the space (S1) in front of the piston and the space (S2) behind the piston, the movement of the flap (Z) is controlled by the movement of the piston (P) and the closed position of the flap (Z) is fixed by an electromagnet (M), and further contains in the casing expansion chambers (C) inlet opening (I) for the supply of working gas from the cavity (4) of the well (1) equipped with a valve (V), and an outlet hole (O) for draining the condensed liquefied gas into the reservoir (13).

- 11 CZ 36220 UI

8. Cryogenic geothermal engine according to claim 7, characterized in that the turbine (10) contains several, preferably 8 or 12, expansion chambers (C), where the chambers (C) are adjacent to each other and form a bundle of chambers (C), where the working the shafts (H) are coaxially fixed on the central shaft (A), while the positions of the pistons (P) are mutually phase-shifted.

5 9. Cryogenic geothermal engine according to claim 7, characterized in that the turbine (10) contains a control unit for detecting the movement of the piston (P), the movement of the valve (Z) and possibly the pressures in the expansion chamber (C) and for controlling and synchronizing the movement valves (Z), the activities of the electromagnet (M) and the closing/opening of the valve (V) of the working gas supply to the inlet opening (I) of the expansion chamber (C).

10. A cryogenic geothermal engine according to any one of the preceding claims, characterized in that the well (1) extends to a depth of at least 100 m, preferably 300 m, more preferably 500 m, and optionally the deepening (1.1) extends to a depth of at least 10 km, preferably 15 km, preferably 20 km.

4 drawings