CN109029033B - 井筒内低品位余热回收的串级式翅片重力热管装置 - Google Patents

井筒内低品位余热回收的串级式翅片重力热管装置 Download PDF

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Abstract

井筒内低品位余热回收的串级式翅片重力热管装置，涉及利用热管技术开采地热及余热利用技术领域。本发明为了提取废弃油井中的低品位余热。所述装置包括同轴设置并串接在一起的一组串级套筒和一组热管节，串级套筒和热管节相间分布或两个热管节之间设有多个串级套筒，且所述装置的上端部和底端部均为串级套筒；串级套筒用于吸收地层中的热量，并将热量依据热管传热原理向上传递给热管节，热管节同样依据热管传热原理将传递上来的热量继续向上传递给相间分布的串级套筒，通过这种一级一级向上的热量传递，最终将地层深处的热能提取到地面上来。本发明采用翅片热管来连接多级重力热管，大幅度的提高了整个串级式翅片重力热管的换热效率。

Description

井筒内低品位余热回收的串级式翅片重力热管装置
技术领域：
本发明涉及利用热管技术开采地热及余热利用技术领域，尤其涉及一种开采井筒内低品位余热用的重力热管装置。
背景技术
热管是一种通过工质相变循环流动实现高效传热的换热元件。工质在加热段吸热汽化，到放热段凝结放出热量，在毛细力或重力作用下回流到加热段重新吸热，这一过程循环往复，从而将热量从一端传递到另一端。热管因结构紧凑、传热特性优良，并且无需外界动力，而广泛应用于暖通建筑、石油化工、冶金机械、电子设备冷却、生产生活等各个领域。近些年来，随着节能环保意识的增强，热管技术在余热回收及新能源技术开发方面有着日益广阔的应用前景。重力热管由于其结构简单，不需要外加功来推动它的运行而倍受青睐。
现在化石能源的开采愈发困难，并且因为开采化石能源，带来了一系列的环境、人文等问题。这些都制约着我们工业化的继续发展，如果有一天化石能源真的枯竭，意味着我们这些年的工业化发展将一步回到工业革命之前。所以开发新型的能源，是迫在眉睫的需求。地热资源由于其巨大的储量，和不错的质量都是值得我们去开发的。但是由于高质量的地热能源一般都储藏在地下几千米处，一般的重力热管由于携带极限的约束，很难在这里大展身手。传统重力热管在这样的超长范围内存在以下不足，一是向下流动冷凝液膜因受到高速向上流动蒸汽剪切力的作用被阻止回流、而出现携带极限，限制了传热量。二是热管过长，冷凝液膜很难在管壁保持均匀状态，这就容易造成蒸发段部分液膜区域出现干涸现象而有些区域液膜过厚，影响传热效果。
由于以上原因，王晓东等人就提出了“多级分离式重力热管”的设计。这种设计就是将多个重力热管用热池连接，自下而上的热池中填充不同沸点的工质，通过下面的重力热管向上面的热池传递热量，热池再向它上面的重力热管传递热量的循环过程，将热量由地底携带到地面上来。张玉丰等人提出了“采油井井筒组合式重力热管”的设计(申请号201210511161.8)。这种设计就是将空心抽油杆的内腔设计为重力热管的封闭腔，从而利用重力热管良好的传热性能来提高井口液体温度。即使这些设计良好的解决了重力热管携带极限等问题，但它的热池部分传热效率很低，并且伴随着大量的热量损失，而且这些设计需要一定的启动时间，这些都制约着它们在工业方面的应用。
发明内容
本发明的内容是提供一种用于井筒内低品位余热回收的串级式翅片重力热管装置，以用于提取废弃油井中的低品位余热。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种井筒内低品位余热回收的串级式翅片重力热管装置，所述装置包括同轴设置并串接在一起的一组串级套筒和一组热管节，串级套筒和热管节相间分布或两个热管节之间设有多个串级套筒，且所述装置的上端部和底端部均为串级套筒；串级套筒用于吸收地层中的热量，并将热量依据热管传热原理向上传递给热管节，热管节同样依据热管传热原理将传递上来的热量继续向上传递给相间分布的串级套筒，通过这种一级一级向上的热量传递，最终将地层深处的热能提取到地面上来。
进一步地，每个热管节包括M个热管节套筒、M-1个接箍一、M个翅片热管以及至少两个固定环，M为大于或等于2的整数；
每个热管节套筒套装在一个翅片热管上组成一个传热单元；相邻传热单元之间通过接箍一串接在一起；
处于热管节两端部的传热单元热管节套筒和翅片热管之间设有固定环。
进一步地，所述串级套筒与热管节套筒的结构相同，串级套筒与相邻热管节的热管节套筒通过接箍二串接在一起。
进一步地，接箍一中部小孔壁上设有内螺纹以用于将相邻两个翅片热管连通并串接在一起，接箍一两端的大孔壁上设有内螺纹以用于将相邻两个热管节套筒串接在一起；接箍一的侧壁上还设有抽真空阀接口和填充工质阀接口。
进一步地，接箍二上设有内螺纹以用于将串级套筒与相邻热管节的热管节套筒串接在一起。
进一步地，接箍一以及接箍二上的内螺纹均为偏梯内螺纹，与接箍一以及接箍二配合的串级套筒、热管节套筒上对应设有偏梯外螺纹。
进一步地，在串级套筒和热管节套筒上分别设有扶正器。
进一步地，翅片热管的封闭端设计有环型翅片。
进一步地，所述环形翅片的翅片螺距12mm，翅片高度20mm，翅片宽度2mm，翅片倾伏角75°，翅片在热管上的轴向长度8m；翅片热管的有效换热面积是光管有效换热面积的2.1倍。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中，在用来连接重力热管的翅片热管的封闭端设计有环型翅片。环型翅片和处于重力热管中的不同工质接触，有效增大接触面积，提高换热效率。
2、现有的多级重力热管采用热池连接，热池部分由于和地层接触，连接重力热管的热池传热效率较低。满足刚度和强度的条件下，很难保证保温效果，导致多级重力热管在热池部分有较大热损失。本发明串接多个(两个或两个以上)热管节，同时热管节连接多个串级套筒，提高整个串级式翅片重力热管装置的换热效率。
附图说明
图1是本发明的总体示意图；
图2是本发明中热管节示意图；
图3是本发明中串级套筒、热管节套筒示意图；
图4是本发明中翅片热管示意图；
图5是本发明中接箍二示意图；
图6是本发明中接箍一示意图；
图7是本发明中固定环示意图；
图8是本发明中扶正器示意图；
图9是本发明中接箍一连接示意图；
图10是本发明中接箍二连接示意图；
图中：1地面，2串级套筒，3热管节，4多个串级套筒组合，5井底，6扶正器，7接箍二，8接箍一，9固定环，10接箍二，11串级套筒，12热管节套筒，13翅片热管，14翅片热管，15热管节套筒，16串级套筒，17环型翅片，18翅片热管外螺纹，19串级套筒或热管节套筒的外螺纹，20接箍二内螺纹，21接箍一内螺纹，22螺纹孔；A工质A，B工质B，C工质C。
具体实施方式
本实施方式的井筒内低品位余热回收的串级式翅片重力热管装置，由串级套筒和热管节相间分布组成。通过串级套筒和热管节套筒吸收地层中的热量，并将热量依据热管传热原理向上传递给热管节，热管节同样依据热管传热原理将传递上来的热量继续向上传递给相间分布的串级套筒，通过这种一级一级向上的热量传递，最终将地层深处的热能提取到地面上来，完成整个循环过程。只要地面上不间断的提取走传递上来的热量，这个过程就可以不间断的循环执行，完成整个循环。整个装置良好的解决了传统重力热管的携带极限问题，通过一级一级的向上传递热量，最终把地底的热能传递到地面。
上述方案中，热管节是设计的核心构件。其由热管节套筒、接箍二、翅片热管、接箍一、固定环构成。其中热管节套筒由石油行业中的套管改制而成，其主要起到吸收地层热能，并将吸收的热能传递给热管内部的工质，使得工质达到沸点，完成热管节传热的第一步。热管节套筒通过在它两端的偏梯外螺纹和接箍一上的偏梯内螺纹螺纹连接；串级套筒是通过它两端的偏梯外螺纹和接箍二上的偏梯内螺纹螺纹连接。翅片热管也为石油行业中的套管改制而成，其主要起到吸收热管节套筒通过热管传热原理向上传递来的热量，并将吸收的热量传递给翅片热管内的工质，使得工质达到它的沸点，完成热管节传热的第二步。翅片热管通过它两端的偏梯外螺纹和接箍一上的偏梯内螺纹螺纹连接。翅片热管在热管节套筒内部，它们之间由固定环来连接，固定环和翅片热管及热管节套筒之间采用焊接的连接形式，固定环的存在保证了翅片热管在热管节套筒中安装的稳定性，使得它们的密封都不易被破坏。在热管节之间用多个串级套筒组合构成吸热重力热管。整个结构都安装在原有废弃油井的套管中，在串级套筒和热管节之间都安装有扶正器，扶正器的存在使得整个串级式翅片重力热管装置稳定的安装在废弃井筒中，为整个装置的长效密封起到了非常重要的作用。
上述方案中，翅片热管的封闭端设计有环型翅片。环形翅片与热管焊接在一起。翅片螺距12mm，翅片高度20mm，翅片宽度2mm，翅片倾伏角75°，翅片在热管上的轴向长度8m，翅片热管的有效换热面积(光管换热面积与翅片换热面积之和)是光管有效换热面积的2.1倍；环型翅片增大了翅片热管在热管节套筒中和工质的接触面积，换热效率提高了1.7倍。
上述方案中，在接箍一上设计有四个螺纹孔，它们分别为两个抽真空阀接口和两个填充工质阀接口，抽真空阀接口和填充工质阀接口对称的分布在接箍一上。这四个阀门接口尺寸的设计遵循标准阀门设计准则。
上述方案中，整体热管结构是由多个热管节和多个串级套筒相间螺纹连接而成的，其中每一相间部分串级套筒数量N由具体的井底温度梯度数值来确定，井底的温度梯度具体数值由井温仪来测得。
上述方案中，串级式翅片重力热管装置和普通重力热管的的最大区别就是完全的消除了热管长径比对其携带极限的影响，通过适合地层温度的一级一级热管节和串级套筒的配合使用，可以多次的利用重力热管的工作原理，将串级式翅片重力热管装置设计到无限长。
上述方案中，串级式翅片重力热管装置的工作过程，下部串级套筒从地层中通过热传导获得热能，这部分热能使得下部串级套筒中的工质受热达到沸点，蒸发，热蒸汽在压差作用下向上运动。此时由于地温梯度性的降低和沐浴在中部热管节套筒中温度更低的翅片热管的综合作用，使得上升运动来的热蒸汽工质在中部热管节套筒中冷凝释放出冷凝潜热。冷凝潜热经过和翅片热管的传导换热，将热量传递给翅片热管中的工质。使得工质受热，达到沸点，蒸发，向上运动，到达上部的翅片热管。此时热蒸汽工质在上部翅片热管中，由于受到地温和中部热管节套筒温度的综合影响，冷凝，释放冷凝潜热。放出的热量和上部串级套筒传导换热，将热量传递给在上部串级套筒中的工质。在这部分热量和地温的共同作用下，上部串级套筒中的工质受热，达到沸点，蒸发，继续向上运动，直到到达下一个热管节，重复以上过程。此时就完成了一个热管节中的热量传递过程，通过一级一级热管节和串级套筒的配合使用，就构成了整个的串级式翅片重力热管装置。
上述方案中，只需要实地测量出地温梯度改变量，就可以相应的确定多个串级套筒组合的数量，这样就可以因地制宜的建造出适合当地地温梯度的最高效的串级式翅片重力热管装置。当然，在以上基础上再选择出合适的工质，就可以实现提取无限深处地热能的假设。
实施例：下面结合附图对本发明作进一步的说明：
结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示，这种串级式翅片重力热管装置，由串级套筒和热管节相间分布组成。通过串级套筒吸收地层中的热量，并将热量依据热管传热原理向上传递给热管节，热管节同样依据热管传热原理将传递上来的热量继续向上传递给相间分布的串级套筒，通过这种一级一级向上的热量传递，最终将地层深处的热能提取到地面上来，完成整个循环过程。只要地面上不间断的提取走传递上来的热量，这个过程就可以不间断的循环执行，完成整个循环。整个的热管结构良好的解决了重力热管的携带极限问题，通过一级一级的向上传递热量，最终把地底的热能传递到地面1。
本实施方式中，热管节是设计的核心构件。其由串级套筒(11、16)、热管节套筒(12、15)、接箍一(8)、翅片热管(13、14)、接箍二(7、10)、固定环(9)构成。其中串级套筒由石油行业中的套管改制而成，其主要起到吸收地层热能，并将吸收的热能传递给热管内部的工质A，使得工质A达到沸点，完成热管节传热的第一步。串级套筒通过在它两端的偏梯外螺纹(19)和接箍二的偏梯内螺纹(20)螺纹连接；热管节套筒是通过它两端的偏梯外螺纹(19)和接箍一(8)上的偏梯内螺纹(20)螺纹连接。翅片热管也为石油行业中的套管改制而成，其主要起到吸收热管节套筒通过热管传热原理向上传递来的热量，并将吸收的热量传递给翅片热管内的工质B，使得工质B达到它的沸点，完成热管节传热的第二步。翅片热管通过它两端的偏梯外螺纹(18)和接箍一上的偏梯内螺纹(21)螺纹连接。翅片热管在热管节套筒内部，它们之间由固定环(9)来连接，固定环和翅片热管及热管节套筒之间采用焊接的连接形式，固定环的存在保证了翅片热管在热管节套筒中安装的稳定性，使得它们的密封都不易被破坏。在热管节之间用多个小套管组合(4)构成吸热重力热管。整个装置都安装在原有废弃油井的套管中，在串级套筒、热管节套筒和废弃油井的套管之间都安装有扶正器(6)，扶正器的存在使得整个串级式翅片重力热管装置稳定的安装在废弃井筒中，为整个装置的长效密封起到了非常重要的作用。
本实施方式中，翅片热管的封闭端设计有环型翅片(17)，如图4。环型翅片增大了翅片热管在热管节套筒中和工质的接触面积，有效的提高了热管的换热效率。
本实施方式中，在接箍一(8)上设计有四个螺纹孔，它们分别为两个抽真空阀接口和两个填充工质阀接口，抽真空阀接口和填充工质阀接口对称的分布在接箍一上。这四个阀门接口尺寸的设计遵循标准阀门设计准则。
本实施方式中，整体热管装置是由多个热管节(3)和多个串级套筒组合(4)相间螺纹连接而成的，其中每一相间部分的串级套筒数量N由具体的井底温度梯度数值来确定，井底的温度梯度具体数值由井温仪来测得。
本实施方式中，串级式翅片重力热管装置的工作原理。串级式翅片重力热管装置的工作原理和普通重力热管的工作原理是近似的。在热管的蒸发段，管内的工作液体受热蒸发，并带走热量，该热量为工作液体的蒸发潜热，蒸汽从中心通道流向热管的冷凝段，凝结成液体，同时放出潜热，在重力的作用下，液体回流到蒸发段。这样，就完成了一个闭合循环，从而将大量的热量从蒸发段传到冷凝段。和传统重力热管的最大区别就是完全的消除了热管长径比对其携带极限的影响，通过适合地层温度的一级一级热管节和串级套筒的配合使用，可以多次的利用重力热管的工作原理，将串级式翅片重力热管装置设计到无限长。
在本实施方案中，串级式翅片重力热管装置的工作过程。串级式翅片重力热管装置的工作过程如图2所示，串级套筒(16)从地层中通过热传导获得热能，把这部分热量记为Q1，这部分热能使得串级套筒(16)中的工质A受热达到沸点，蒸发，热蒸汽在压差作用下向上运动，经过串级套筒(16)到达热管节套筒(15)。此时由于地温梯度性的降低和沐浴在热管节套筒(15)中和串级套筒(16)相比较温度更低的翅片热管(14)的综合作用，使得上升运动来的热蒸汽工质A在热管节套筒(15)中冷凝释放出冷凝潜热。把这部分热量记为Q2。热量Q2经过和翅片热管(14)的传导换热，将热量传递给翅片热管(14)中的工质B。使得工质B受热，达到沸点，蒸发，向上运动，到达翅片热管(13)。此时热蒸汽工质B在翅片热管(13)中，由于受到地温和热管节套筒(12)温度的综合影响，冷凝，释放冷凝潜热，把这部分热量记为Q3。放出的热量Q3和热管节套筒(12)传导换热，将热量Q3传递给在热管节套筒(12)中的工质C。在热量Q3和地温的共同作用下，工质C受热，达到沸点，蒸发，向上运动，直到到达下一个热管节，重复以上过程。此时就完成了一个热管节中的热量传递过程，通过一级一级热管节和串级套筒的配合使用，就构成了整个的串级式翅片重力热管装置。只需要实地测量出地温梯度改变量，就可以相应的确定多个串级套筒组合的数量，这样就可以因地制宜的建造出适合当地地温梯度的最高效的串级式翅片重力热管装置。当然，在以上基础上再选择出合适的工质，就可以实现提取无限深处地热能的假设。
在本实施方案中，采用了由翅片热管组合构成的串级重力热管来连接由多个串级套筒组合构成的吸热重力热管的装置，借助重力热管的高效传热性能和快速的启动时间，使得整个串级式翅片重力热管装置拥有了高效的传热性能和较小的启动时间。

Claims (1)

1.一种井筒内低品位余热回收的串级式翅片重力热管装置，其特征在于，所述装置包括同轴设置并串接在一起的一组串级套筒和一组热管节，串级套筒和热管节相间分布或两个热管节之间设有多个串级套筒，且所述装置的上端部和底端部均为串级套筒；串级套筒用于吸收地层中的热量，并将热量依据热管传热原理向上传递给热管节，热管节同样依据热管传热原理将传递上来的热量继续向上传递给相间分布的串级套筒，通过这种一级一级向上的热量传递，最终将地层深处的热能提取到地面上来；
每个热管节包括M个热管节套筒、M-1个接箍一、M个翅片热管以及至少两个固定环，M为大于或等于2的整数；每个热管节套筒套装在一个翅片热管上组成一个传热单元；相邻传热单元之间通过接箍一串接在一起；处于热管节两端部的传热单元热管节套筒和翅片热管之间设有固定环；
所述串级套筒与热管节套筒的结构相同，串级套筒与相邻热管节的热管节套筒通过接箍二串接在一起；
接箍一中部小孔壁上设有内螺纹以用于将相邻两个翅片热管连通并串接在一起，接箍一两端的大孔壁上设有内螺纹以用于将相邻两个热管节套筒串接在一起；接箍一的侧壁上还设有抽真空阀接口和填充工质阀接口；
接箍二上设有内螺纹以用于将串级套筒与相邻热管节的热管节套筒串接在一起；
接箍一以及接箍二上的内螺纹均为偏梯内螺纹，与接箍一以及接箍二配合的串级套筒、热管节套筒上对应设有偏梯外螺纹；
在串级套筒和热管节套筒上分别设有扶正器；
翅片热管的封闭端设计有环型翅片，所述环形翅片的翅片螺距12mm，翅片高度20mm，翅片宽度2mm，翅片倾伏角75°，翅片在热管上的轴向长度8m；翅片热管的有效换热面积是光管有效换热面积的2.1倍。
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