闭环热管式强化换热系统

1.本发明属于地热工程领域，涉及地热能资源开发利用技术，尤其是一种闭环热管式强化换热系统。

背景技术：

[0002]“取热不取水”的地热利用模式是近几年水热型地热能资源利用的研究热点，现有技术中的“取热不取水”模式主要以传统闭式套管换热系统(cn113587465a)和开式套管换热系统(cn110131781a)为主，前者是以热传导为主的换热模式，井内流体通过井壁与地层进行换热，换热面积小，取热效率低，单井换热量无法满足规模化的供热需求；后者虽通过对流换热强化了换热过程，提升了取热效果，但存在回灌不完全的风险。此外，近两年出现的一种超长重力热管的地热开发模式(cn107144035b)虽不干扰地下水，但相同条件下，其取热功率与传统的闭式取热模式相差不大，且远低于开式取热模式。此外，此模式的初投资和运行费用都很高，不具备经济性。

技术实现要素：

[0003]
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种闭环热管式强化换热系统，创新闭环热管式井下换热器于本换热系统中，利用闭环热管实现地热水和地上循环水在井内的热交换，在换热过程中，完全没有地热水流出井口或地表，实现了真正意义上的“取热不取水”，有效提高系统的取热功率，且可大幅度减少深井泵的功耗，节约电能和运行成本。
[0004]
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
[0005]
一种闭环热管式强化换热系统，此系统包括地热井，该地热井穿过地下盖层达地下含水层，在所述的地热井内由上至下依次设置有循环水端、闭环热管换热器端及地热水端，循环水端的循环水通过闭环热管换热器端与地热水端的地热水实现热量交换后为地上用户端供热，地热水与循环水在闭环热管换热器端完成热量交换后从闭环热管换热器端流出，经地热井返回地下含水层，完全实现“取热不取水”的换热功能。
[0006]
具体的，所述的循环水端包括地上循环水进水管和地上循环水出水管，所述的地上循环水进水管同轴设置在地热井的井口端，在所述地上循环水进水管内同轴插装有所述的地上循环水出水管，所述的地上循环水进水管底部封闭，所述的地上循环水出水管为通管，所述的地上循环水进水管、地上循环水出水管与地上用户端连接，所述的闭环热管换热器端同轴套装在所述地上循环水出水管的外壁上，该闭环热管换热器端下部连接有地热水进水管，所述的地热水进水管底部插装深入地下含水层，地下含水层的地热水由该地热水进水管向上进入所述的闭环热管换热器内完成热交换后，从所述的闭环热管换热器上部两侧圆周管壁上的多个地热水出口端流出流经地热井壁返回至地下含水层。
[0007]
进一步，所述的闭环热管换热器端设置在静水位以下，所述的闭环热管换热器，包括换热器套管和内置相变工质的闭环热管，所述的换热器套管设置在所述循环水进水管的
外侧，若干个所述的内置相变工质的闭环热管间隔周向设置在所述地上循环水进水管上，若干个闭环热管组成闭环热管组每个闭环热管的一部分在地上循环水进水管与地上循环水出水管形成的循环水主流空间内，另一部分在换热器套管内壁与地上循环水进水管外壁形成的地热水主流空间内，所述换热器套管的下部与所述的地热水进水管相连接，在换热器套管的圆周上开设有若干个地热水回口，所述的换热器套管外壁、地热水进水管外壁与地热井井壁形成地热水回流空间。
[0008]
同时，在所述地上循环水出水管的内壁设置有保温层，目的是为了避免地上循环水热量的损失，在换热器套管上设置保温层，目的是为减少地热水在换热器套管内部的热量损失。
[0009]
而且，在所述地热水进水管上部，所述的闭环热管换热器地热水入口端设置有潜水泵，用于给地热水进入闭环热管提供动力，在所述地热水进水管下部与含水层接触端设置有封隔器，封隔器的作用是为了阻挡地热回水直接流入井底，防止形成“热短路”。
[0010]
上述地下结构完成地上循环水的换热后将输送到地上用户端为用户供热，地上用户端为现有技术，所述的地上用户端包括热用户端、热泵机组、除砂过滤器和循环水泵，所述的地上循环水出水管通过热泵机组与热用户端的入水端连接，热用户端的出水端通过热泵机组连接至地上循环水进水管，所述的除砂过滤器设置在地上循环水出水管和热泵机组之间，所述的循环水泵设置在热泵机组与地上循环水进水管之间。
[0011]
本发明的优点和积极效果是：
[0012]
1、本发明创新闭环热管换热器，改变传统井下换热器在管壁间的对流换热过程，借助闭环热管将地热水和地上循环水的换热由仅仅近壁面换热，改造成近壁面及嵌入壁面的闭式热管。增大换热面积的同时，通过热管内的工质相变传热及循环，实现冷热流体主流空间的热交换，有效强化了地上循环水和地热水之间的换热，进而提高了系统的取热功率；同时，通过相变传质完成热量运移，可大幅度提高换热量，进而提高取热功率。
[0013]
2、本发明申请中的闭环热管换热器将传统壁面换热转化为闭环热管换热后，有效增大了地热水和循环水在井下换热器中的换热面积，进而增大了换热量，提高了取热功率。
[0014]
3、本发明申请中的闭环热管换热器依靠高温地热水和低温地上循环水完成汽化和凝结过程，并依靠工质的重力在热管中循环往复进行热量的运移，不需要额外提供闭环热管中工质的循环动力，减少了地热取热系统的运行成本。
[0015]
4、本发明对比现有技术中相同地热井条件下，井下换热器安装在静水位以下的地热井一开位置，在取热过程中，传统方式需将地热水提升至地面，而本发明提出的闭环热管式换热系统只需将地热水提升至井下换热器中，大幅度减少了潜水泵的功耗，节约了电能，进而也减少了取热系统的运行成本。
[0016]
5、本发明申请中的闭环热管换热器，结构简单，在回水管上完成多个闭环热管的连接后即可与套管一起安装至地热井中，无需占用地面空间，同时不存在结垢和堵塞问题，无需对地热井结构进行特殊设计，也不需要改变已有地热井的结构。因此，既适用于新建地热井，也适用于现有地热井，适用范围非常广泛。
[0017]
6、本发明设计科学合理，利用井下闭环热管换热器实现地热水与地上循环水的井下热交换，在增大换热面积的同时，利用相变传质过程完成了热量的交换，有效增加地上循环水和地热水之间的换热量，进而提高了系统的取热功率；同时，在取热过程中，完全没有
地热水流出井口，实现了真正意义上的“取热不取水”，并且对于静水位较低的地热井，利用本发明的井下换热器可大幅度减少深井泵的功耗，节约电能和运行成本。
附图说明
[0018]
图1为本发明系统示意图(主视剖)；
[0019]
图2为图1中闭环热管换热器结构示意图。
具体实施方式
[0020]
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0021]
一种闭环热管式强化换热系统，如图1、图2所示，包括地热井7，该地热井穿过地下盖层13达地下含水层14，在所述的地热井内由上至下依次设置有循环水端、闭环热管换热器端及地热水端，循环水端的循环水通过闭环热管换热器端与地热水端的地热水实现热量交换后为地上的用户端供热，地热水与循环水在闭环热管换热器端完成热量交换后从闭环热管换热器端流出流经地热井壁返回地下含水层，完全实现“取热不取水”的换热功能。
[0022]
所述的循环水端包括地上循环水进水管6和地上循环水出水管5，所述的地上循环水进水管同轴设置在地热井的井口端，在所述地上循环水进水管内同轴插装有所述的地上循环水出水管，所述的地上循环水进水管底部封闭，所述的地上循环水出水管为通管，为了避免地上循环水热量的损失，在地上循环水出水管的内壁设置有保温层5-1，所述的地上循环水进水管、地上循环水出水管与地上的用户端连接，所述的闭环热管换热器端同轴套装在所述地上循环水出水管的外壁上，换热器套管上设置有保温层，该闭环热管换热器端下部连接有地热水进水管12，所述的地热水进水管底部插装深入地下含水层，地下含水层的地热水由该地热水进水管向上进入所述的闭环热管换热器内完成热交换后，从所述的闭环热管换热器上部两侧圆周管壁上的的多个地热水出口端流出，经地热井壁返回至地下含水层。
[0023]
所述的闭环热管换热器端设置在静水位8以下，如图2所示，所述的闭环热管换热器，包括换热器套管10和内置相变工质的闭环热管10-2，所述的换热器套管设置在所述循环水进水管的外侧，若干个所述的内置相变工质的闭环热管间隔设置在所述地上循环水进水管的两侧，若干个闭环热管组成闭环热管组，每个闭环热管的一部分在地上循环水进水管与地上循环水出水管形成的循环水主流空间内，另一部分在换热器套管内壁与地上循环水进水管外壁形成的地热水主流空间内。所述换热器套管的下部与所述的地热水进水管相连接，在所述的闭环热管换热器内，换热器套管内壁与所述的闭环热管组形成地热水主流空间，在换热器套管的圆周上开设有若干个地热水回口10-1，所述的换热器套管外壁、地热水进水管外壁与地热井井壁形成地热水回流空间。
[0024]
所述的闭环热管组是在地上循环水进水管的两侧壁上焊接或者用连接法兰安装两通的连接件，从而实现闭环热管的安装，使得闭环热管内的相变工质实现在闭环热管内的环形流通。需要注意的是，闭环热管也可以是三通设置以实现外部工质填充或抽真空的使用需要。
[0025]
所述闭环热管内部相变工质种类不固定，主要为一些环境友好工质，如水、乙醇
等；所述闭环热管内部相变工质的填充量不固定，具体占比可根据地热资源条件调节。
[0026]
在所述地热水进水管上部，所述的闭环热管换热器地热水入口端设置有潜水泵11，在所述地热水进水管下部与含水层接触端设置有封隔器15，封隔器的作用是为了阻挡地热回水直接流入井底，防止形成“热短路”。
[0027]
所述的地上的用户端为现有技术，包括热用户端1、热泵机组2、除砂过滤器3和循环水泵4，所述的地上循环水出水管通过热泵机组与热用户端的入水端连接，热用户端的出水端通过热泵机组连接至地上循环水进水管，所述的除砂过滤器设置在地上循环水出水管和热泵机组之间，所述的循环水泵设置在热泵机组与地上循环水进水管之间。
[0028]
本发明“取热不取水”换热系统的工作原理：
[0029]
在井下换热器主体中，高温地热水在潜水泵的作用下，经地热水出水管进入井下换热器主体内，流经换热器套管内壁与闭环热管组形成地热水主流空间，依次与闭环热管中的相变工质在高温地热水流动的主流空间进行换热，而闭环热管内部底端的液态工质在吸取高温地热水中的热量后发生汽化，汽化后的高温工质蒸汽充满闭环热管的上端，与放热后的低温循环水在低温循环水流动的主流空间进行热量交换，放热后的相变工质随即液化，流至闭环热管的底端，完成一次循环。在自身重力和高温地热水与低温循环水的温差影响下，相变工质在闭环热管中持续进行汽化和液化过程，即持续完成吸、放热循环过程。温差越大，循环速度越快，工质相变过程越剧烈，热量传递速率也越快，换热效率越高。
[0030]
同时，从地上的供热用户端流出的低温地上循环水通过地上循环水进水管进入闭环热管换热器，与高温地下水进行热交换，吸热后的高温地上循环水经地上循环水出水管流入地上的供热用户端，经除砂过滤器过滤后，进入热泵机组中进行放热，放热后的低温循环水由热泵机组流出，经过循环水泵加压后进入地上循环水进水管，流经闭环热管换热器内闭环热管组在循环水进水管内与地上循环水出水管形成循环水主流空间进行吸热，依次循环。
[0031]
同时，在井下换热器主体中放热后的低温地热水经地热水出水口进入换热器套管外壁、地热水进水管外壁与地热井井壁形成地热水回流空间，在潜水泵和封隔器的作用下，向下流动进入含水层，在含水层中充分吸热的高温地热水流经地热水进水管后再次进入井下换热器主体中进行放热，依次循环。
[0032]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例所公开的内容。

技术特征：

1.一种闭环热管式强化换热系统，此系统包括地热井，该地热井穿过地下盖层至地下含水层，其特征在于：在所述的地热井内由上至下依次设置有循环水端、闭环热管换热器端及地热水端，循环水端的循环水通过闭环热管换热器端与地热水端的地热水实现热量交换后为地上用户端供热，地热水与循环水在闭环热管换热器端完成热量交换后从闭环热管换热器端流出，经地热井返回地下含水层，完全实现“取热不取水”的换热功能。2.根据权利要求1所述的一种闭环热管式强化换热系统，其特征在于：所述的循环水端包括地上循环水进水管和地上循环水出水管，所述的地上循环水进水管同轴设置在地热井的井口端，在所述地上循环水进水管内同轴插装有所述的地上循环水出水管，所述的地上循环水进水管底部封闭，所述的地上循环水出水管为通管，所述的地上循环水进水管、地上循环水出水管与地上用户端连接，所述的闭环热管换热器端同轴套装在所述地上循环水出水管的外壁上，该闭环热管换热器端下部连接有地热水进水管，所述的地热水进水管底部插装深入地下含水层，地下含水层的地热水由地热水进水管向上进入所述的闭环热管换热器内，完成热交换后从所述的闭环热管换热器上部圆周管壁上的多个地热水出口端流出，经地热井壁返回至地下含水层。3.根据权利要求1或2所述的一种闭环热管式强化换热系统，其特征在于：所述的闭环热管换热器端设置在地热井静水位以下，所述的闭环热管换热器，包括换热器套管和内置相变工质的闭环热管，所述的换热器套管为保温管，设置在所述循环水进水管的外侧，若干个所述的内置相变工质的闭环热管间隔周向设置在所述的地上循环水进水管上，若干个闭环热管组成闭环热管组，每个闭环热管的一部分在地上循环水进水管与地上循环水出水管形成的循环水主流空间内，另一部分在换热器地热水上升套管内壁与地上循环水外侧进水管外壁形成的地热水主流空间内，所述换热器套管的下部与所述的地热水进水管相连接，在所述的闭环热管换热器内，换热器套管内壁与所述的地上循环水出水管外壁形成地热水主流空间，在换热器套管的圆周上开设有若干个地热水回口，所述的换热器套管外壁、地热水进水管外壁与地热井井壁形成地热水回流空间。4.根据权利要求2所述的一种闭环热管式强化换热系统，其特征在于：在所述地上循环水出水管的内壁设置有保温层，换热器套管设置有保温层。5.根据权利要求2所述的一种闭环热管式强化换热系统，其特征在于：在所述地热水进水管上部，所述的闭环热管换热器地热水入口端设置有潜水泵，在所述地热水进水管下部与含水层接触端设置有封隔器。6.根据权利要求1或2所述的一种闭环热管式强化换热系统，其特征在于：所述的地上用户端包括热用户端、热泵机组、除砂过滤器和循环水泵。7.根据权利要求6所述的一种闭环热管式强化换热系统，其特征在于：所述的地上循环水出水管通过热泵机组与热用户端的入水端连接，热用户端的出水端通过热泵机组连接至地上循环水进水管，所述的除砂过滤器设置在地上循环水出水管和热泵机组之间，所述的循环水泵设置在热泵机组与地上循环水进水管之间。

技术总结

本发明涉及一种闭环热管式强化换热系统，在地热井内由上至下依次设置有循环水端、闭环热管换热器端和地热水端。循环水端的循环水通过闭环热管换热器端与地热水端的地热水实现热量交换后，为地面用户端供热；地热水与循环水在闭环热管换热器端完成热量交换后从闭环热管换热器端流出，流经地热井壁返回地下含水层。本发明创新闭环热管换热器结构，改变了传统井下换热器在管壁间对流换热过程，通过闭环热管内的流体循环相变，在原来仅在近壁面换热的基础上，增加了通过闭环热管实现主流空间流体的换热，闭环热管内传热工质突破了循环水管管壁两侧的冷、热边界层，大幅度降低换热热阻，实现重力作用下的自然循环强化换热过程，可大幅度提高取热功率。幅度提高取热功率。幅度提高取热功率。