система для извлечения гидротермальной энергии из глубоководных океанических источников и для извлечения ресурсов со дна океана

Формула изобретения

1. Система для извлечения ресурса, содержащегося в гидротермальном флюиде, из гидротермального канала, содержащая отбирающие средства для отбора гидротермального флюида, полученного из гидротермального канала, или ресурса, содержащегося в указанном флюиде, полученном из гидротермального канала, извлекающую установку, расположенную на поверхности океана или над ней, для извлечения гидротермального флюида или содержащегося в нем ресурса, средства доставки для доставки гидротермального флюида или содержащегося в нем ресурса из указанного канала в извлекающую установку, расположенную на поверхности океана или над ней, с обеспечением защиты флюида или содержащегося в нем ресурса от воздействия внешних условий океана без существенного ухудшения качества гидротермального флюида или содержащегося в нем ресурса, средства преобразования, по меньшей мере, части ресурса, содержащегося в гидротермальном флюиде, во вторичную форму энергии и средства передачи вторичной формы энергии на поверхность земли.

2. Система по п.1, содержащая трубопровод, проходящий между гидротермальным каналом и извлекающей установкой, для доставки гидротермального флюида или содержащегося в нем ресурса непосредственно из гидротермального канала в извлекающую установку.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что ее конструкция обеспечивает доставку гидротермального флюида в извлекающую установку, по меньшей мере, по указанному трубопроводу.

4. Система по п.2, отличающаяся тем, что она содержит отбирающие средства для отбора ресурса, содержащегося в гидротермальном флюиде, и доставки этого ресурса в извлекающую установку.

5. Система по п.2, отличающаяся тем, что она содержит воронку соответствующего размера, пригодную для размещения над гидротермальным каналом или внутри него, с целью забора гидротермального флюида и доставки его в указанный трубопровод, при этом система действует как трубка Вентури для увеличения расхода флюида.

6. Система по п.5, отличающаяся тем, что указанным ресурсом, содержащимся в гидротермальном флюиде, является тепловая энергия, при этом указанная система содержит средства теплоизоляции, окружающие трубопровод для защиты тепловой энергии, содержащейся в гидротермальном флюиде.

7. Система для доставки гидротермального флюида, извлеченного из океанического гидротермального канала, для извлечения из него гидротермальной энергии над дном океана, содержащая: отбирающие средства, расположенные в непосредственной близости от дна океана для отбора, по меньшей мере, гидротермальной энергии, содержащейся во флюиде, полученном из океанического гидротермального канала, извлекающую установку для извлечения гидротермальной энергии, расположенную на поверхности океана или над поверхностью океана, трубопровод, функционально соединенный с указанными отбирающими средствами для доставки гидротермальной энергии в указанную извлекающую установку, расположенную над поверхностью океана, и возвращающее устройство для возврата отработанного флюида на дно океана после извлечения из флюида тепловой энергии.

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что в ней указанные отбирающие средства содержат воронку соответствующего размера и формы, пригодную для размещения над частью гидротермального канала с целью забора значительного объема гидротермального флюида из указанного гидротермального канала, при этом система действует как трубка Вентури для увеличения потока флюида в трубопроводе.

9. Система по п.8, отличающаяся тем, что указанная воронка присоединена к нижнему концу указанного трубопровода.

10. Система по п.7, отличающаяся тем, что она содержит несколько гидротермальных отбирающих средств, каждое из которых функционально присоединено к указанному трубопроводу для доставки гидротермальной энергии из нескольких гидротермальных каналов в указанную извлекающую установку.

11. Система по п.7, отличающаяся тем, что она содержит указанные отбирающие средства, выполненные с возможностью забора гидротермального флюида из гидротермального канала и доставки указанного флюида в извлекающую установку по трубопроводу.

12. Система по п.7, отличающаяся тем, что указанная система содержит теплообменник, расположенный в непосредственной близости к гидротермальному каналу, для нагрева сетевой воды, которая поднимается по указанному трубопроводу, при этом сетевая вода после извлечения из нее тепловой энергии рециркулирует для повторного нагрева.

13. Система по п.7, отличающаяся тем, что она содержит каркасную конструкцию, выполненную с возможностью ее установки на дне океана в непосредственной близости к гидротермальному каналу, причем указанные отбирающие средства и указанный трубопровод установлены на указанной несущей каркасной конструкции.

14. Система по п.7, отличающаяся тем, что указанный трубопровод содержит несколько аксиально соединенных трубных секций, имеющих размеры, подходящие для перемещения гидротермального флюида.

15. Система по п.14, отличающаяся тем, что она содержит плавучую манжету, прикрепленную к любой паре трубных секций в месте их соединения или в других местах указанных трубных секций для обеспечения плавучести любой пары трубных секций.

16. Система для доставки ресурса, содержащегося в гидротермальном флюиде, из океанического гидротермального канала для извлечения ресурса, содержащегося в гидротермальном флюиде, над дном океана, содержащая: отбирающие средства, расположенные в непосредственной близости ко дну океана, для отбора гидротермального флюида, полученного из океанического гидротермального канала или ресурса, содержащегося в указанном флюиде, полученном из океанического канала, извлекающую установку для извлечения ресурса, расположенную на поверхности океана или над ней, для извлечения ресурса, содержащегося в гидротермальном флюиде, трубопровод, функционально соединенный с указанной извлекающей установкой для доставки гидротермального флюида вместе с ресурсом в указанную извлекающую установку, расположенную над поверхностью океана, и возвращающее устройство для возврата отработанного флюида на дно океана после извлечения ресурса из указанного флюида.

17. Система по п.16, отличающаяся тем, что она содержит несколько гидротермальных отбирающих средств, каждое из которых функционально соединено с указанным трубопроводом для доставки гидротермального флюида, содержащего ресурс, из гидротермальных каналов в указанную извлекающую установку.

18. Система по п.16, отличающаяся тем, что указанные отбирающие средства выполнены с возможностью забора из гидротермального канала гидротермального флюида, содержащего ресурс, в непосредственной близости к указанному каналу, и с возможностью доставки указанного ресурса в указанную извлекающую установку по трубопроводу.

19. Система по п.16, отличающаяся тем, что она содержит каркасную конструкцию, выполненную с возможностью ее установки на дне океана в непосредственной близости к гидротермальному каналу, а указанные отбирающие средства и указанный трубопровод установлены на указанной несущей каркасной конструкции.

20. Система по п.19, отличающаяся тем, что указанный трубопровод содержит несколько трубных секций, соединенных любым практическим способом и имеющих размеры, подходящие для перемещения гидротермального флюида или содержащегося в нем ресурса.

21. Способ извлечения ресурса, содержащегося в гидротермальном флюиде из гидротермального канала, включающий отбор гидротермального флюида, полученного из гидротермального канала, или ресурса, содержащегося в указанном гидротермальном флюиде, полученном из гидротермального канала, доставку гидротермального флюида или содержащегося в нем ресурса из гидротермального канала в извлекающую установку, расположенную на поверхности океана или над ней, защиту указанного гидротермального флюида или содержащегося в нем ресурса от воздействия внешних океанических условий без существенного ухудшения качества гидротермального флюида или содержащегося в нем ресурса в процессе доставки, извлечение ресурса, содержащегося в гидротермальном флюиде на поверхности океана или над ней, в извлекающей установке, так что остается отработанный гидротермальный флюид, и возврат отработанного гидротермального флюида на дно океана, которое является местом его происхождения.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что он включает доставку гидротермального флюида или содержащегося в нем ресурса непосредственно из гидротермального канала в указанную извлекающую установку по трубопроводу, проходящему между каналом и извлекающей установкой.

23. Способ по п.21, отличающийся тем, что доставку гидротермального флюида в извлекающую установку по указанному трубопроводу осуществляют перед извлечением содержащегося в нем ресурса.

24. Способ по п.21, отличающийся тем, что он включает доставку ресурса в виде гидротермальной энергии в извлекающую установку.

25. Способ по п.23, отличающийся тем, что он включает размещение воронки над гидротермальным каналом или внутри него, извлечение и доставку содержащегося в нем флюида в трубопровод, проходящий до поверхности океана.

26. Система для извлечения тепла из гидротермального флюида, исходящего из гидротермального канала, и для вырабатывания из этого тепла электроэнергии, содержащая средства доставки гидротермального флюида, исходящего из гидротермального канала, в извлекающую установку, электростанцию, выполненную с возможностью использования тепла, полученного из гидротермального флюида, для выполнения полезной работы, например, для вырабатывания электроэнергии, так что остается отработанный гидротермальный флюид, насосную установку для доставки холодной воды, извлеченной со дна океана, на электростанцию с целью увеличения разницы температур, и средства передачи выработанной энергии на поверхность земли.

27. Система для доставки гидротермальной энергии, полученной из гидротермального флюида, по п.26, отличающаяся тем, что энергию, содержащуюся в гидротермальном флюиде, используют для приведения в действие опреснительной установки, с использованием которой производят опресненную воду.

28. Система для доставки гидротермальной энергии, полученной из гидротермального флюида, по п.26, отличающаяся тем, что она содержит насосную установку для возврата отработанного гидротермального флюида на дно океана.

29. Система для извлечения ресурса, содержащегося в гидротермальном флюиде, по п.26, отличающаяся тем, что она содержит средства доставки гидротермального флюида из гидротермального канала на электростанцию.

30. Система для извлечения ресурса, содержащегося в гидротермальном флюиде, по п.26, отличающаяся тем, что она содержит механизм теплообмена для доставки в электростанцию только используемого тепла, а не гидротермального флюида.

31. Способ вырабатывания электроэнергии из тепла, извлеченного из океанического гидротермального канала, включающий отбор тепла из гидротермального канала, доставку тепла из гидротермального канала в извлекающую установку, расположенную на поверхности или над поверхностью океана, поддержание требуемой температуры во время доставки тепла из гидротермального канала в извлекающую установку, расположенную на поверхности или над поверхностью океана, вырабатывание электроэнергии в указанной извлекающей установке посредством тепла, и передачу электроэнергии на поверхность земли.

32. Способ по п.31, включающий отбор гидротермального флюида из океанического гидротермального канала; поддержание температуры гидротермального флюида выше требуемой температуры во время доставки; использование гидротермального флюида для вырабатывания электроэнергии и возврат отработанного гидротермального флюида на дно океана.

33. Способ по п.32, включающий извлечение ресурса, содержащегося в гидротермальном флюиде, в извлекающей установке.

34. Способ по п.31, включающий использование тепла для опреснения океанической воды.

35. Способ по п.31, в котором отбор тепла включает циркулирование флюида по трубопроводу, проходящему между каналом и извлекающей установкой.

36. Система по п.1, в которой ресурс, содержащийся в гидротермальном флюиде, содержит тепловую энергию, средства преобразования преобразуют, по меньшей мере, часть тепловой энергии гидротермального флюида в электроэнергию, и средства передачи передают электроэнергию на поверхность земли.

37. Система по п.16, которая дополнительно содержит средства преобразования, по меньшей мере, части ресурса, содержащегося в гидротермальном флюиде во вторичную форму энергии, средства передачи вторичной формы энергии на поверхность земли, причем ресурс, содержащийся в гидротермальном флюиде, представляет собой тепловую энергию, средства преобразования преобразуют, по меньшей мере, часть тепловой энергии гидротермального флюида в электроэнергию, а средства передачи передают электроэнергию на поверхность земли.

Описание изобретения к патенту

1. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к системе, обеспечивающей извлечение перегретых флюидов из глубоководных океанических гидротермальных каналов, а также использование таких флюидов в качестве источника тепловой энергии. Конфигурация системы позволяет направлять на поверхность поток перегретого глубоководного океанического гидротермального флюида посредством надежного механизма с целью его использования любым другим механизмом, требующим применения тепла, например, при вырабатывании электроэнергии или при опреснении воды. Кроме того, указанная система обеспечивает надежный механизм извлечения со дна океана таких ресурсов, как металлы и минералы, причем это можно осуществлять без ее модификации одновременно с извлечением тепловой энергии или отдельно от него.

2. УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Глобальный спрос на энергию и пресную воду постоянно растет, в связи с чем становится все труднее находить новые источники энергии и пресной воды и осуществлять их поставку потребителям. Проблемы глобального потепления, и избыточной эмиссии парниковых газов, а также высокая стоимость добычи органического топлива делают поиск возобновляемых источников чистой энергии весьма важным. В настоящем описании впервые представлен способ максимального использования этого неисчерпаемого природного источника энергии.

Разработка месторождений на поверхности Земли является трудной и дорогостоящей, а из-за политической нестабильности доступ к необходимым ресурсам в некоторых регионах земного шара является ограниченным. Вплоть до недавнего времени добыча на океаническом дне больших объемов полезных ископаемых оставалась лишь мечтой. В настоящем описании впервые представлена система, обеспечивающая практическое средство для извлечения этих ресурсов.

Тепло является основным видом энергии. Тепло, получаемое от сгорания нефти или угля, или выделяемое в результате ядерной реакции, или исходящее из магмы Земли, - это то, что в конечном итоге сопровождает процесс выработки электроэнергии почти всех типов, процесс опреснения воды и прочие технологические процессы.

На дне морей и океанов в различных точках земного шара ученые обнаружили гидротермальные каналы. Под действием глубоководного давления в трещины океанического дна нагнетается океаническая вода, которая в конце концов достигает ядра Земли. Эта вода, перегретая магмой до температуры свыше 400°С (750°F), в результате прохождения по земным глубинам обогащается редкими элементами. Непрерывный поток такой перегретой воды через гидротермальные каналы выходит обратно в океан со скоростью от 1 до 5 м/с (3,6-18 км/ч, или 2,25-11 миль в час). Подсчитано, что энергия, высвобождающаяся только из известных гидротермальных каналов, составляет 17000000 мегаватт в год, что приблизительно равно потреблению электричества всем человечеством в течение года. Следует также заметить, что гидротермальные каналы могут находиться на площади в десятки тысяч никогда прежде не исследованных квадратных миль океанического дна.

В нижеследующем описании применен термин «флюид», так как вода, выходящая через гидротермальные каналы обратно в океан, хотя и состоит главным образом из морской воды, все же значительно отличается от окружающей морской воды по химическому составу по причине подвергания воздействию магмы.

В настоящее время известно несколько изобретений, относящихся к извлечению геотермальной энергии, однако ни одно из них не было заявлено на извлечение гидротермальной энергии. Ни одно из известных изобретений не относится ни к использованию природной перегретой морской воды или другого флюида из гидротермальных каналов, находящихся под океаническим дном, ни к доставке такого океанического флюида на поверхность в перегретом состоянии с целью получения преимущественной разницы температур для извлечения энергии.

Кроме того, прежде не подавалось заявок на патентование системы для извлечения с океанического дна минералов, металлов или химических веществ. На существующем уровне техники не выявлено патентов, противопоставленных настоящему изобретению. Ниже приведены ссылки на следующие патенты:

1. В одном из изобретений (патент США № 5,515,679) предложено устройство и способы доставки на поверхность Земли термальной энергии, обнаруженной в подземной нагретой скальной породе. Однако структура скальных пород коренным образом отличается от структуры океанического дна. Благодаря теплопроводности теплота передается рабочему флюиду через стенки неизолированной трубы, по всей длине находящейся в прямом контакте с породой. Однако в настоящем изобретении в качестве источника тепла использован природный океанический флюид из гидротермальных каналов,причем тепло вводится в систему только на дне океана. Кроме того, в настоящем изобретении приведено описание устройства для извлечения минеральных ресурсов со дна океана, причем это можно осуществлять без модификации системы.

2. В другом предшествующем изобретении (патент США № 4,054,176) предложены системы для преобразования в электричество геотермальной энергии, полученной из теплового потока, проходящего через материю твердых пород. Система, описанная в указанном патенте, получает тепло способом, очень похожим на способ, описанный в патенте США № 5,515,679. Однако в настоящем изобретении тепло вводится в систему только в ее нижней части. Кроме того, патент США № 4,054,176 ограничен лишь преобразованием такой тепловой энергии в электричество. Однако в настоящем изобретении энергия, полученная из гидротермальных каналов, может использоваться для вырабатывания электроэнергии или для опреснения воды, или для любого другого производства, требующего применения тепловой энергии; кроме того, данное изобретение обеспечивает возможность извлечения минеральных ресурсов со дна океана без модификации системы.

3. В другом изобретении (патент США № 7,124,584) предложена система для извлечения энергии из геотермального теплового источника. Указанным изобретением предложено устройство для нагнетания флюида в подземную формацию, а также механизм, сконфигурированный для извлечения закачанного флюида из указанной формации после того, как он будет им нагрет. Однако в настоящем изобретении не предлагается использование подобной системы нагнетания и извлечения; кроме того, в настоящем изобретении описаны не подземные образования. Кроме того, в настоящем изобретении предложено применение системы для добычи ресурсов с дна океана без ее модификации.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Глобальный спрос на энергию и пресную воду стремительно растет, что оказывает громадное давление на поставщиков и заставляет их находиться в постоянном поиске с целью предложения потребителям соответствующих поставок. В соответствии с одним из вариантов реализации перегретый океанический флюид из гидротермальных каналов поступает с океанического дна на поверхность с использованием механизма, содержащего цилиндрические трубы и воронку. Перегретый гидротермальный флюид, имеющий меньшую плотность, транспортируется на поверхность благодаря скорости потока, давлению мгновенного испарения, конвекции, теплопроводности, через изолированную трубную систему и воронку, это вызывает эффект трубки Вентури и увеличивает скорость прохождения флюида через трубу. В дальнейшем добытый гидротермальный флюид используется в качестве источника тепла для вырабатывания электроэнергии, опреснения воды или для любого другого производства, требующего применения тепловой энергии. Кроме того, флюид может одновременно или отдельно поступать в оборудование для извлечения таких ценных ресурсов, как минералы, металлы и химические вещества.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Дальнейшие особенности настоящего изобретения станут очевидными из описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг.1 показан предпочтительный вариант реализации устройства для забора океанического флюида из отдельного большого гидротермального канала;

на фиг.2 показан вариант реализации модифицированного устройства для забора флюида из гидротермальных каналов на участке, расположенном в ограниченном географическом регионе и содержащем несколько относительно небольших гидротермальных каналов;

на фиг.3 показана замкнутая система с возможностью применения теплообменников, расположенных над гидротермальными каналами, при этом указанные теплообменники содержат изолированную трубу для транспортировки чистого флюида, жидкости или газа на поверхность, после чего по изолированной возвратной трубе флюид поступает обратно в теплообменник для повторного нагрева;

на фиг.4 представлена схема технологического процесса использования гидротермального флюида в качестве источника для вырабатывания электроэнергии, опреснения воды или для любого другого производства, требующего применения тепловой энергии, а также схема технологического процесса извлечения ресурсов;

на фиг.5 показан один из вариантов реализации гибкого соединения труб.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА РЕАЛИЗАЦИИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже следует подробное описание предпочтительного варианта реализации настоящего изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи. Однако настоящее изобретение может быть реализовано во многих различных, но родственных формах; не следует считать, что оно ограничено лишь вариантами реализации, приведенными в настоящем описании. Эти варианты скорее способствуют более полному и детальному раскрытию изобретения. Кроме того, указанные варианты реализации способствуют четкому пониманию специалистом предмета изобретения при этом на всех чертежах одинаковые или похожие элементы обозначены одинаковыми номерами.

В нормальных условиях флюид, перегретый магмой, извергается в океан, при этом его тепловая энергия быстро рассеивается в холодной океанической воде 2°С (35°F) и уносится океаническими течениями. Из-за чрезвычайно высокого содержания во флюиде минеральных веществ эти минеральные вещества выделяются из флюида и осаждаются на дне океана вокруг отверстия гидротермального канала. Согласно настоящему изобретению перегретый флюид, насыщенный минералами, улавливают в отбирающих средствах для транспортировки его на поверхность до того, как он охладится под воздействием окружающей среды или вступит в реакцию с ней. Гидротермальный флюид поднимается со дна океана на поверхность океана по большой трубе, изготовленной с усиленной теплоизоляцией, благодаря скорости потока, конвекции, теплопроводности и давлению мгновенного испарения, порождаемому тем, что давление окружающей среды уменьшается по мере того, как поднимается нагретая вода, а также благодаря более низкой плотности и значительному объему тепловой энергии, содержащейся во флюиде. Кроме того, можно использовать насосы на поверхности для увеличения скорости потока гидротермального флюида к поверхности способом, совместимым с работой трубы с тепловым дифференциальным усилением, описание которой приведено ниже.

Гидротермальные каналы (15) расположены на глубине приблизительно 2300 м (7500 футов); их можно обнаружить в любом месте вдоль срединно-океанических хребтов, протянувшихся на 72000 км (45000 миль).

С целью изучения и освоения этого природного явления с морского судна опускают конструкцию (10), имеющую конический каркас и содержащую большую воронку (12), соединенную с секциями (13) изолированной трубы над каналом (15), находящимся на дне океана. Воронка (12) изготовлена из тяжелого материала с усиленной теплоизоляцией и диаметром выходной части до трех футов и более, в зависимости от размера канала (15) и расхода флюида, при этом раструб воронки (12) имеет значительную ширину.

Предпочтительно раструб воронки (12) должен быть заключен внутри конической конструкции (10) или другой аналогичной конструкции (не показана), который удерживал бы воронку (12) и прикрепленные к ней трубные секции, в надежной позиции над гидротермальным каналом. Воронка (12) служит вспомогательным приспособлением для забора перегретого флюида (11); кроме того, она действует как трубка Вентури для увеличения скорости потока флюида внутри секции (13) трубы. Увеличение скорости многократно увеличивает объем тепловой энергии, выходящей на поверхность.

Сначала над гидротермальным каналом посредством конической конструкции (10) устанавливают воронку (12) и первоначальные секции (13) трубы, затем секции (13) полой цилиндрической трубы, изготовленные из того же тяжелого материала с усиленной теплоизоляцией, одну за другой опускают на вершину конструкции (10) и на первоначальные секции (13) и таким образом собирают вертикальную трубу, выходящую на поверхность. Каждую последующую секцию (13) трубы прикрепляют к предыдущей секции (13) посредством конического V-образного гравитационного уплотнения, или посредством фланцево-болтового соединения, или посредством любой комбинации нескольких традиционных способов механического крепления. На фиг.5 в качестве примера показан один из вариантов реализации. Для соединения можно использовать задвижки или другие механизмы пружинного типа, а также сварку, при этом оптимальное механическое соединение сегментов следует определять на основании практического применения. Каждую трубную секцию (13) необходимо снабдить приспособлением для поддержания ее на плаву, например, прикрепляемой плавучей манжетой (17), которая должна быть в надутом состоянии для обеспечения более 95% плавучести. Это минимизирует суммарный вес опорной конической конструкции (10) на дне океана, а также обеспечивает вертикальную устойчивость, поскольку при любом наклоне труба будет стремиться к самокоррекции. Кроме того, с целью стабилизации вертикальной трубной колонны (13) можно использовать крепление тросами (не показано) через определенные промежутки.

Трубные секции (13) соединяют непрерывной цепью, до тех пор, пока не будет собрана длинная труба с усиленной теплоизоляцией, протяженностью от дна (18) океана до поверхности (16) океана. Поскольку давление флюида внутри трубы (13) в ее нижней части равно наружному давлению, то не нужно производить специальных расчетов для сборки трубы (13), способной выдерживать экстремальное глубоководное океаническое давление. Внутри трубы давление может быть более высоким, чем давление, оказываемое океаном, по мере приближения флюида к поверхности. Как показано на фиг.4, путем стыковки трубных секций (13) может быть сформирована труба с усиленной теплоизоляцией, способная транспортировать перегретый флюид (11) на поверхность (16) океана, после чего тепловую энергию, содержащуюся во флюиде, можно использовать для привода паровых турбин или другого оборудования, предназначенного для вырабатывания (110) электроэнергии, опреснения (150) воды или для любого другого производства, требующего применения тепловой энергии; кроме того, флюид может одновременно или отдельно поступать в оборудование (152) для извлечения ресурсов для извлечения из него ценных минералов, металлов и химических веществ, как показано на фиг.4. В нижней части трубы может быть установлен клапан с электрическим или механическим приводом (не показан) для прерывания потока флюида при проведении монтажных или регламентных работ.

Благодаря усиленной теплоизоляции секций (13) трубы флюид (11) остается изолированным и от океанских течений, и от холодной воды. Благодаря тому, что нет потерь тепла, флюид (11) остается горячим. Состыкованные секции (13) трубы достигают поверхности (16) океана, при этом вся система становится концептуально похожей на гигантскую кастрюлю с хорошей теплоизоляцией, в нижней части которой находится источник тепла, поддерживающий всю колонну флюида в подогретом состоянии. Таким образом перегретый флюид (11) поступает по трубе на поверхность (16) океана с незначительными потерями тепла по сравнению с первоначальной температурой флюида в нижней части трубы. Единственными потерями будут потери тепла, просочившегося сквозь изоляцию. Очевидно, что некоторое количество тепла прибавит трение флюида (11) внутри трубы (13).

Когда перегретый флюид (11), поднимающийся по трубе, достигнет поверхности (16) океана, можно применять любой практический способ для использования содержащегося в нем тепла. Если на месте выхода флюида на поверхность вырабатывается электроэнергия, то ее необходимо доставлять на сушу с использованием подводных кабелей или других средств. Предполагается последовательное и параллельное соединение последовательных термально-энергетических систем до тех пор, пока все тепло, содержащееся во флюиде и подлежащее извлечению, не будет преобразовано в полезную работу. Затем оставшийся флюид (11) возвращают в глубину океана на место его происхождения с помощью неизолированной возвратной трубы (26).

На фиг.3 показан альтернативный способ доставки перегретого рабочего флюида (39) на поверхность (16) океана, когда используется замкнутая система, наполненная чистым флюидом, жидкостью или газом (39), при этом нижняя часть теплообменника (38) установлена над выходом гидротермального канала и подвержена нагреву непосредственно от него. Чистый рабочий флюид, нагреваемый внутри теплообменника (38), так же защищен посредством изолированной трубы (13), которая доставляет перегретый флюид на поверхность для преобразования содержащейся в нем тепловой энергии, после чего флюид отправляется обратно, приводимый в движение естественной конвекцией иили возвратными насосами (40), по возвратной трубе (44), изолированной для сохранения тепла, оставшегося в рабочем флюиде, и для повторного нагрева флюида внутри теплообменника до еще более высоких температур.

Кроме того, трубу (19) с тепловым дифференциальным усилением можно использовать как в открытой, так и в замкнутой системе для увеличения разницы температур и для увеличения тем самым количества энергии, поступающей на поверхность океана. При этом система не содержит ничего, кроме изолированной трубы, открытой с обоих концов, протянутой вверх со дна (18) океана и на несколько футов выступающей над поверхностью (16), чтобы вода на поверхности не смешивалась с водой, содержащейся внутри трубы.

Через открытую верхнюю часть внутрь трубы помещают насос (32) для холодной воды, указанный насос используют для холодной части любой системы, предназначенной для извлечения тепловой энергии. По мере того, как воду откачивают из трубы, трубу вновь наполняет атмосферное давление; это происходит в единственной точке, открытой со стороны океана, в нижней части, где температура воды составляет приблизительно 2°С (35°F). В течение короткого времени единственной водой внутри трубы с усиленной теплоизоляцией будет вода, поступающая в трубу в нижней части. Использование такой очень холодной воды вместо атмосферного воздуха или воды с поверхности для холодной части любой системы для извлечения энергии значительно увеличивает количество тепловой энергии за счет увеличения полной разницы температур по сравнению с окружающей температурой на 15°С и более.

В предпочтительном варианте реализации, показанном на фиг.4, платформу (24), аналогичную нефтяной платформе, располагают там, где труба (13) достигает поверхности (16); на ней устанавливают оборудование (110, 150) для извлечения энергии и/или оборудование (152) для извлечения ресурсов. С целью удержания платформы в положении над трубой (13) можно использовать платформы с растянутыми опорами или полупогружные платформы как со статическим, так и с динамическим позиционированием, а также некоторые другие технологии. Кроме того, вместо платформ можно использовать суда.

Гидротермальные каналы (15) имеют различные конфигурации, поэтому для забора гидротермального флюида (11) используют различные варианты реализации.

Некоторые гидротермальные каналы (15), расположенные вдоль подводного горного хребта Хуан-де-Фука примерно в 200 милях от побережья штата Орегон, имеют диаметр 30 м (100 футов) и более. Предпочтительный вариант реализации для подобных случаев, когда гидротермальные каналы очень большие, показан на фиг.1.

Вначале необходимо составить подробную топографическую карту дна (18) океана, окружающего гидротермальный канал (15). На фиг.1 и 2 показан профиль, встраиваемый в нижнюю часть кольца (33). Кольцо (33) должно быть достаточно большим для того, чтобы полностью окружать гидротермальный канал (15), после установки кольца (33) на его позицию оно должно обеспечивать жесткую и ровную поверхность, на которой будут производить монтаж, независимо от неровностей дна (18) океана, находящегося под кольцом. Сквозь нижнее кольцо (33) в коренной породе можно просверлить отверстия под анкерные опоры (не показаны), если потребуется закрепить коническую конструкцию (10) на дне (18) океана.

Внутри кольца (33) прикреплены спицеобразные перекладины (41), напоминающие спицы колеса, расположенные радиально между внутренним периметром кольца (33) и наружным периметром трубы (13). Таким образом обеспечивают опору и центрирование нижней секции (13) трубы, внутри отверстия гидротермального канала, если оно слишком большое. Указанные горизонтальные перекладины (41) поддерживают вес не всей смонтированной колонны трубы, а только вес трубной секции (13), к которой они прикреплены. Указанную первую (нижнюю) секцию (13) трубы устанавливают таким образом, чтобы она как можно глубже входила в центр гидротермального канала (15) с целью извлечения флюида (11) при как можно более высокой температуре. При таких условиях воронка (12) в нижней части действует как трубка Вентури и увеличивает скорость флюида внутри трубы (13) подобно тому, как насадка садового шланга увеличивает скорость потока выходящей воды. Эта увеличенная скорость способствует увеличению количества энергии, поступающей на поверхность (16).

Несколько расположенных под углом опор (54) скрепляют самое большое кольцо (33) с несколькими концентрическими кольцами (50, 51 и 52) меньшего диаметра и поддерживают каждое из них на более высокой отметке над дном (18) океана.

Расстояние по вертикали между указанными кольцами равно высоте одной секции (13) трубы.

Напоминающие спицы колеса перекладины (41) со спицеобразной конфигурацией внутри указанного кольца обеспечивают опору и центрирование второй секции (13) трубы, которую затем прикрепляют к нижней секции (13) трубы. Этот процесс осуществляют посредством добавления других концентрических колец (51 и 52) меньшего диаметра, прикрепляемых с помощью опор (54) ко второму кольцу большего диаметра, при этом каждое кольцо меньшего диаметра располагают на более высокой отметке по сравнению с предыдущим. Каждое кольцо снабжено собственными спицеобразными перекладинами (41), которые лучами расходятся из центра. Указанные перекладины поддерживают вес только одной трубной секции (13), к которой они прикреплены. Можно использовать несколько прогрессивно уменьшающихся концентрических колец для увеличения высоты конической конструкции (10) по мере добавления колец.

В конце концов будет достигнут желаемый диаметр наименьшего кольца (72), когда его внутренний диаметр будет равен наружному диаметру трубы (13); именно этот сегмент на вершине (72) конуса примет на себя вес колонны трубы, находящейся выше. Затем нагрузка будет смещаться на кольцо с наименьшим диаметром и, посредством опор (54), скрепляющих все кольца конической конструкции, на расположенное под ним кольцо большего диаметра, и так далее до тех пор, пока нагрузка не распределится равномерно и не сместится на кольцо (33) с наибольшим диаметром, расположенное в нижней части, а также на дно (18) океана под ней.

Всю коническую конструкцию (10) с трубными секциями (13) в центре и воронкой (12) можно собирать (хотя это не обязательно) на борту судна или на наземном объекте, а затем в собранном виде спускать ее на позицию на дне океана, с первой несущей секцией (13) трубы, после чего производить сборку последующих секций.

В другом варианте реализации, показанном на фиг.2, большая коническая конструкция (10), описание которой представлено выше, может быть модифицирована для использования на участках, содержащих много небольших гидротермальных каналов (15), расположенных в ограниченном географическом районе. Возможен забор большого объема флюида (11) из нескольких гидротермальных каналов (15) для доставки его на поверхность посредством объединения выходных отверстий множества небольших гидротермальных каналов (15) и забора из них флюида, а также посредством врезки изолированных труб (99) меньшего диаметра в одну большую изолированную трубу (13) на вершине (72) конической конструкции (10). Кроме того, для придания конструкции дополнительной устойчивости сквозь нижнее кольцо (33) в океаническом дне можно просверлить отверстия под анкерные опоры (не показаны).

Кроме того, настоящее изобретение в неизмененном виде обеспечивает надежный механизм доставки насыщенного ресурсами флюида (11) на поверхность. Такая система для извлечения ресурсов показана на фиг.4.

Наиболее горячие гидротермальные каналы, или так называемые «черные курильщики», в большом количестве содержат многие ценные металлы, минеральные и химические вещества, в том числе железо, золото, серебро, медь, цинк, кадмий, марганец и серу, а также значительные объемы газа метана, смешанного с флюидом. Кроме того, указанные гидротермальные каналы в избытке содержат галогениды, сульфаты, хроматы, молибдаты и вольфраматы. Флюид (11) поднимается по трубе (13); вместе с флюидом на поверхность поднимаются содержащиеся в нем минералы и металлы. Флюид поступает в оборудование (152) для извлечения ресурсов, или его заливают в емкости и на судах транспортируют для переработки на суше. Избыток горячего флюида, а также нежелательные минеральные вещества и продукты, оставшиеся после процесса извлечения тепловой энергии или ресурсов, возвращают обратно на дно океана по аналогичной, но неизолированной возвратной трубе (26), которая расположена не над гидротермальным каналом. Можно использовать любое оборудование для извлечения ресурсов в зависимости от конкретного извлекаемого или другого вещества. При необходимости можно осуществлять извлечение ресурсов независимо от извлечения тепловой энергии.

На фиг.3 показана замкнутая система для извлечения гидротермальной энергии. В данном случае платформу (24) можно также использовать способом, показанным на фиг.4. Гидротермальная электростанция (110), как показано на фиг.3, работает вместе с опреснительной установкой (150) для опреснения воды. При извлечении ресурсов сам гидротермальный флюид не поднимается по трубе на поверхность. Тепловая энергия передается рабочему флюиду посредством теплообменника, а затем этот подогретый флюид используют для вырабатывания электроэнергии, опреснения воды или для любого другого производства, требующего применения тепловой энергии, прежде чем он будет возвращен на дно океана для повторного нагрева.

На фиг.5А и 5В показано гибкое соединение труб, которое может быть использовано в настоящем изобретении. На фиг.5А показана пара секций (200) и (202) трубы, при этом верхний конец секции (202) соединен с нижним концом секции (200). Нижний конец секции (200) может иметь выступающий наружу фланец (204); аналогичным образом верхний конец секции трубы может иметь выступающий наружу фланец (206). Между указанными секциями трубы вставлен пружинный механизм (208), обеспечивающий возможность гибкого соединения, для перемещения двух секций трубы относительно друг друга в случае подвергания воздействию океанических течений. Такое гибкое соединение безопасно внутренней части трубы и для ее содержимого.

Итак, выше приведено сопровождаемое чертежами описание уникальной новой системы для извлечения гидротермальной энергии и глубоководных океанических ресурсов. Указанная система, преимущества использования которой являются очевидными, позволяет достигать сразу нескольких целей. Следует понимать, что после рассмотрения специалистом указанного описания и указанных сопроводительных чертежей для него станут очевидными другие изменения, модификации и варианты реализации настоящего изобретения. Таким образом, все подобные изменения, модификации и варианты реализации, а также другие области применения, не имеющие расхождений с сущностью настоящего изобретения, следует считать защищенными настоящим изобретением.