一种带自循环的热管式中深层地热开发装置

专利摘要:
本实用新型公开了一种带自循环的热管式中深层地热开发装置，包括冷凝换热器，还包括装有换热介质的地下热管，地下热管底端封闭，地下热管的顶端通过井口机构分别与地热进气口和地热出水口相连；井口机构包括连接主管，连接主管的顶端与地热进气口相连通，连接主管的底端与地下热管的顶端相连通；连接主管的侧壁上开设有抽气接口，抽气接口与真空抽气泵相连调控地下热管内的真空度；连接主管的侧壁上开设有回流接口，回流接口与地热出水口相连回流冷凝后的换热介质。本实用新型的装置的地下换热器取热过程，依靠热管中换热介质的相变，自动循环进行，无需设置循环泵，降低中深层地热利用系统运行功耗，进一步提升项目经济效益。
公开号:CN214333087U
申请号:CN202022978985.9U
申请日:2020-12-08
公开日:2021-10-01
发明作者:曹龙；种蕊；张秋姬；艾腾飞；周向民；任矿；张瑾；胡波
申请人:Xi'an Lianchuang Distributed Renewable Energy Research Institute Co ltd；
IPC主号:F24T10-40

专利说明:
[n0001] 本实用新型属于地热领域，涉及中深层地热，具体涉及一种带自循环的热管式中深层地热开发装置。
[n0002] 随着环境问题的日益突出，化石能源的替代问题越来越凸显出重要性，地热资源作为一种可再生资源，因其清洁可再生的特点，越来越受到社会的重视。我国地热资源丰富，尤其是中深层地热储量巨大，具有很大的利用价值。据测算，我国中深层地热资源储量，约为现存所有化石燃料能量的300倍左右，与太阳能、风能等其他几种新能源相比，其具有稳定性高、品质好、储藏量高、遍布区域广等优点。
[n0003] 虽然目前地热利用技术及项目快速发展，但是仍有很多亟需解决的问题，尤其是“取热不取水”的中深层地热利用技术，需要进一步的技术研发。
[n0004] “取热不取水”作为目前中深层地热能的利用的主要形式之一，地下换热器一般采用同心石油套管，传热工质通过外管进入地下，与高温岩体发生热交换，吸收地下岩体的热量，升温后再通过内管循环至地面换热器放出热量的一种利用方式。
[n0005] 现有技术的缺陷如下：
[n0006] 第一，内套管固管困难：同心套管外管与岩层之间采用混凝土等填料固定，但是内外管之间为介质通道，因此内管与外管之间较难固定。由于中深层地热井的换热管长度一般在2～3km，外套管中的循环介质如产生紊流现象，则内套管将产生较大的波动，影响介质循环及系统稳定运行。
[n0007] 第二，运行能耗有待进一步降低：地下换热过程是通过同心套管内部的换热介质循环来实现的，介质循环主要靠循环泵提供循环动力，循环泵的能耗是系统运行过程中能耗的一大方面。
[n0008] 第三，取换热能力较低：传统的套管形式由于结构形式缺陷，换热能力较差，内管的绝热性能很大程度上影响着出水的温度及取热量。虽有部分专利提出改进措施，但是结构复杂，在深井中实施的可行度较低。
[n0009] 针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于，提供一种带自循环的热管式中深层地热开发装置，解决现有技术中地下换热器换热效果差的技术问题。
[n0010] 为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案予以实现：
[n0011] 一种带自循环的热管式中深层地热开发装置，包括冷凝换热器，冷凝换热器包括壳体，壳体内设置有两端通过管板相连的换热管，换热管与壳体两端的用户进水口和用户出水口相连通形成冷凝换热器的管程；壳体内的一对管板之间的封闭腔体为换热腔，换热腔与设置在壳体底部的地热进气口和地热出水口相连通形成冷凝换热器的壳程；
[n0012] 还包括装有换热介质的地下热管，地下热管底端封闭，地下热管的顶端通过井口机构分别与地热进气口和地热出水口相连；
[n0013] 所述的井口机构包括连接主管，连接主管的顶端与地热进气口相连通，连接主管的底端与地下热管的顶端相连通；
[n0014] 所述的连接主管的侧壁上开设有抽气接口，抽气接口与真空抽气泵相连调控整个带自循环的热管式中深层地热开发装置内的真空度；
[n0015] 所述的连接主管的侧壁上开设有回流接口，回流接口与地热出水口相连回流冷凝后的换热介质。
[n0016] 本实用新型还具有如下技术特征：
[n0017] 所述的回流接口下方的连接主管内还设置有环形布水板，环形布水板的外壁上开设有多个布水孔，环形布水板的中间开设有导流口。
[n0018] 所述的连接主管的侧壁上还设置有换热介质补充接口，换热介质补充接口与带有节流阀的补液器相连。
[n0019] 所述的抽气接口与真空抽气泵之间还设置有截止阀。
[n0020] 所述的地热进气口的管径大于地热出水口的管径。
[n0021] 所述的换热腔内还设置有导流板。
[n0022] 所述的冷凝换热器的壳体通过支撑架支撑，壳体的底部倾斜设置，壳体底部的地热进气口所在的一端高于壳体的地热出水口所在的一端。
[n0023] 所述的换热腔上还设置有放空阀和压力表。
[n0024] 所述的地下热管安装在开设在从地面深入至热岩体中的地热井中，地下热管与地热井之间填充有固井回填层。
[n0025] 所述的地下热管的上部低温段的管壁上包覆有一层绝热层。
[n0026] 本实用新型与现有技术相比，具有如下技术效果：
[n0027] (Ⅰ)本实用新型的装置的地下换热器取热过程，依靠热管中换热介质的相变，自动循环进行，无需设置循环泵，降低中深层地热利用系统运行功耗，进一步提升项目经济效益；
[n0028] (Ⅱ)本实用新型的装置不仅可以利用介质中的显热，还可以利用介质相变过程中的潜热，同等规模的地热井，取热量大幅度提高；
[n0029] (Ⅲ)本实用新型的装置采用自循环热管换热结构，结构形式较其他中深层地下换热器简单，同时采用相变换热，取换热量大；
[n0030] (Ⅳ)本实用新型的装置的地热利用装置系统封闭运行，系统运行安全可靠。
[n0031] (Ⅴ)本实用新型的装置中设置井口机构，可以满足抽气、补水和回流的作用。
[n0032] (Ⅵ)本实用新型的装置的冷凝换热器通过支撑结构实现冷凝液的自流收集，同时通过导流板的作用，增加换热时间及换热距离，保证换热量。通过管网设置实现系统的自回流循环。
[n0033] 图1为带自循环的热管式中深层地热开发装置的整体结构示意图。
[n0034] 图2为井口机构的俯视结构示意图。
[n0035] 图中各个标号的含义为：1-冷凝换热器，2-地下热管，3-换热介质，4-井口机构，5-真空抽气泵，6-节流阀，7-补液器，8-截止阀，9-热岩体，10-地热井，11-固井回填层，12-绝热层；
[n0036] 101-壳体，102-管板，103-换热管，104-用户进水口，105-用户出水口， 106-换热腔，107-地热进气口，108-地热出水口，109-导流板，110-支撑架， 111-放空阀，112-压力表；
[n0037] 401-连接主管，402-抽气接口，403-回流接口，404-环形布水板，405-布水孔，406-导流口，407-换热介质补充接口。
[n0038] 以下结合实施例对本实用新型的具体内容作进一步详细解释说明。
[n0039] 本实用新型主要针对现有中深层地热利用技术中地下换热器换热效果差、结构复杂，尤其是套管式地下换热器中内管固管较难，热损大等实际问题，提供了一种带自循环的热管式中深层地热开发利用装置，该装置满足结构简单、施工方便、换热效率高等特点。
[n0040] 需要说明的是，本实用新型中的所有零部件，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的零部件。
[n0041] 以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。
[n0042] 实施例1：
[n0043] 本实施例给出一种带自循环的热管式中深层地热开发装置，如图1和图2 所示，包括冷凝换热器1，冷凝换热器1包括壳体101，壳体101内设置有两端通过管板102相连的换热管103，换热管103与壳体101两端的用户进水口 104和用户出水口105相连通形成冷凝换热器1的管程；壳体101内的一对管板102之间的封闭腔体为换热腔106，换热腔106与设置在壳体101底部的地热进气口107和地热出水口108相连通形成冷凝换热器1的壳程；
[n0044] 还包括装有换热介质3的地下热管2，地下热管2底端封闭，地下热管2 的顶端通过井口机构4分别与地热进气口107和地热出水口108相连；
[n0045] 井口机构4包括连接主管401，连接主管401的顶端与地热进气口107相连通，连接主管401的底端与地下热管2的顶端相连通；
[n0046] 连接主管401的侧壁上开设有抽气接口402，抽气接口402与真空抽气泵 5相连调控整个带自循环的热管式中深层地热开发装置内的真空度；
[n0047] 连接主管401的侧壁上开设有回流接口403，回流接口403与地热出水口 108相连回流冷凝后的换热介质3。
[n0048] 本实施例中，地下热管2由金属管道拼接而成。
[n0049] 本实施例中，换热介质3包括但不限于水、氨及各类有机工质。换热介质 3用于和热岩体9进行传热，提取热岩体9中的热量。
[n0050] 本实施例中，真空抽气泵5对系统进行抽气，保持系统内的负压状态。该状态下的压力不高于地热温度能够使换热介质3发生相变气化时对应的压力。
[n0051] 作为本实施例的一种优选方案，回流接口403下方的连接主管401内还设置有环形布水板404，环形布水板404的外壁上开设有多个布水孔405，环形布水板404的中间开设有导流口406。环形布水板404可以实现导流的作用，使冷凝回流液通过布水孔405沿地下热管2的管壁下降，同时气化蒸汽通过中间导流口406进入冷凝换热器8中，减少上行的高温气态介质和下行的低温冷凝液态介质之间的逆行扰动。
[n0052] 作为本实施例的一种优选方案，连接主管401的侧壁上还设置有换热介质补充接口407，换热介质补充接口407与带有节流阀6的补液器7相连。根据实际工况对换热介质进行补充。
[n0053] 作为本实施例的一种优选方案，抽气接口402与真空抽气泵5之间还设置有截止阀8。
[n0054] 作为本实施例的一种优选方案，地热进气口107的管径大于地热出水口 108的管径。便于气化的换热介质更顺畅地进入冷凝换热器1的换热腔106。
[n0055] 作为本实施例的一种优选方案，换热腔106内还设置有导流板109。导流板109的作用是使气态高温换热介质3在换热器中形成S形通道，延长换热长度，充分冷凝换热。
[n0056] 作为本实施例的一种优选方案，冷凝换热器1的壳体101通过支撑架110 支撑，壳体101的底部倾斜设置，壳体101底部的地热进气口107所在的一端高于壳体101的地热出水口108所在的一端。冷凝换热器1的底部设置有一定的坡度，冷凝为液态的换热介质3汇集到地热出水口108处，通过管路返回地下热管2中。
[n0057] 作为本实施例的一种优选方案，换热腔106上还设置有放空阀111和压力表112。
[n0058] 作为本实施例的一种优选方案，地下热管2安装在开设在从地面深入至热岩体9中的地热井10中。本实用新型的装置在使用前，首先实施钻井工作，从地面向地下热岩体9钻取地热井10，钻井深度根据地质勘查及实际热岩温度确定。地下热管2与地热井10之间填充有固井回填层11。固井回填层11 采用已知的固井回填材料制成，用于固定地下热管2。
[n0059] 作为本实施例的一种优选方案，地下热管2的上部低温段的管壁上包覆有一层绝热层12。绝热层12采用已知的绝热材料制成，用于减少高温热介质在上升过程中在低温岩层段的热量损失。
[n0060] 本实用新型的装置的工作过程如下所述：
[n0061] 设备安装完毕后，首先开启放空阀111及节流阀6，由补液器7通过换热介质补充接口407，为地下热管2中注入换热介质3，注入量由热岩温度、取热量、换热量等因素综合确定。达到设计注入量后，关闭放空阀111及节流阀 6。开启截止阀8及真空抽气泵5对装置内部进行抽气操作，装置内部的真空度由热岩体温度、介质相变属性等确定。达到设定状态后，关闭截止阀8使整个装置处于密闭状态。
[n0062] 换热介质3吸收来自热岩体9中的热量，相变气化，高温的热蒸汽自然上升至冷凝换热器1的换热腔106中，在导流板109的作用下，沿S形通路与换热管103中来自用户侧的低温介质发生热交换后，再次发生相变冷凝为液态，冷凝后的换热介质3由回流接口403通过重力自流到连接主管401中，经环形布水板404上的布水孔405沿地下热管2的管壁，通过重力自流下降，到达地下热管2下部，继续换热循环。

权利要求:
Claims (10)
[0001] 1.一种带自循环的热管式中深层地热开发装置，包括冷凝换热器(1)，冷凝换热器(1)包括壳体(101)，壳体(101)内设置有两端通过管板(102)相连的换热管(103)，换热管(103)与壳体(101)两端的用户进水口(104)和用户出水口(105)相连通形成冷凝换热器(1)的管程；其特征在于，壳体(101)内的一对管板(102)之间的封闭腔体为换热腔(106)，换热腔(106)与设置在壳体(101)底部的地热进气口(107)和地热出水口(108)相连通形成冷凝换热器(1)的壳程；
还包括装有换热介质(3)的地下热管(2)，地下热管(2)底端封闭，地下热管(2)的顶端通过井口机构(4)分别与地热进气口(107)和地热出水口(108)相连；
所述的井口机构(4)包括连接主管(401)，连接主管(401)的顶端与地热进气口(107)相连通，连接主管(401)的底端与地下热管(2)的顶端相连通；
所述的连接主管(401)的侧壁上开设有抽气接口(402)，抽气接口(402)与真空抽气泵(5)相连调控整个带自循环的热管式中深层地热开发装置内的真空度；
所述的连接主管(401)的侧壁上开设有回流接口(403)，回流接口(403)与地热出水口(108)相连回流冷凝后的换热介质(3)。
[0002] 2.如权利要求1所述的带自循环的热管式中深层地热开发装置，其特征在于，所述的回流接口(403)下方的连接主管(401)内还设置有环形布水板(404)，环形布水板(404)的外壁上开设有多个布水孔(405)，环形布水板(404)的中间开设有导流口(406)。
[0003] 3.如权利要求1所述的带自循环的热管式中深层地热开发装置，其特征在于，所述的连接主管(401)的侧壁上还设置有换热介质补充接口(407)，换热介质补充接口(407)与带有节流阀(6)的补液器(7)相连。
[0004] 4.如权利要求1所述的带自循环的热管式中深层地热开发装置，其特征在于，所述的抽气接口(402)与真空抽气泵(5)之间还设置有截止阀(8)。
[0005] 5.如权利要求1所述的带自循环的热管式中深层地热开发装置，其特征在于，所述的地热进气口(107)的管径大于地热出水口(108)的管径。
[0006] 6.如权利要求1所述的带自循环的热管式中深层地热开发装置，其特征在于，所述的换热腔(106)内还设置有导流板(109)。
[0007] 7.如权利要求1所述的带自循环的热管式中深层地热开发装置，其特征在于，所述的冷凝换热器(1)的壳体(101)通过支撑架(110)支撑，壳体(101)的底部倾斜设置，壳体(101)底部的地热进气口(107)所在的一端高于壳体(101)的地热出水口(108)所在的一端。
[0008] 8.如权利要求1所述的带自循环的热管式中深层地热开发装置，其特征在于，所述的换热腔(106)上还设置有放空阀(111)和压力表(112)。
[0009] 9.如权利要求1所述的带自循环的热管式中深层地热开发装置，其特征在于，所述的地下热管(2)安装在开设在从地面深入至热岩体(9)中的地热井(10)中，地下热管(2)与地热井(10)之间填充有固井回填层(11)。
[0010] 10.如权利要求9所述的带自循环的热管式中深层地热开发装置，其特征在于，所述的地下热管(2)的上部低温段的管壁上包覆有一层绝热层(12)。

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同族专利:

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公开号 | 公开日

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引用文献:

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

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法律状态:
2021-10-01| GR01| Patent grant|

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2021-10-01| GR01| Patent grant|

优先权:

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申请号 | 申请日 | 专利标题

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CN202022978985.9U|CN214333087U|2020-12-08|2020-12-08|一种带自循环的热管式中深层地热开发装置|CN202022978985.9U| CN214333087U|2020-12-08|2020-12-08|一种带自循环的热管式中深层地热开发装置|