CN109556305A - 一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统及利用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统及利用方法，所述系统包括传热管井、传热管井集热段、地面热交换装置和闭合回路热媒管，地面热交换装置设置在地面，传热管井设置在地层中，其上端与地面热交换装置连接，其下端延伸至地热储层中，即为传热管井集热段，传热管井内设有至少一套所述闭合回路热媒管，地面热交换装置与传热管井中的热媒管回路形成闭合回路，闭合回路内注有热媒流体，通过动力泵带动热媒流体在闭合回路中循环，以将地热层中的地热能量传输到地面热交换装置中。本发明提供一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统及利用方法，具有高效，环保，应用范围广等优点。
Description
技术领域
本发明涉及地热利用领域。更具体地说，本发明涉及一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统及利用方法。
背景技术
地热资源是重要的可再生资源之一。从地热利用温度范围的不同，主要分为两种：一种为中低温地热，温度范围通常为150℃以下，中低温地热资源通常分布于浅层地下或地表。一种为高温地热，温度范围为150℃至380℃。高温地热资源通常分布于深层地下，如干热岩层，高温蒸汽等(其深度可达5000米到7000米，甚至更深)。中低温地热通过地源热泵将地热资源传导至地上，实现为建筑供暖，热水器供热。高温地热通过蒸汽涡轮实现发电。本发明地热利用系统适用于全域的中低温地热和高温地热利用。
常规地热利用系统中的传热介质通常为液体、蒸汽或者液体和蒸汽的混合体。高温液体，蒸汽通过管道将地热能从地下带到地上。其中的问题包括需要分别打一口地热提升水井和注入水井。建设和运营费用和要求高(高压注入)，还可能导致可能的地下水浪费和污染。另外，液体、蒸汽在管道中传输会有高摩阻、管道腐蚀、结垢等一系列问题。本发明利用封闭回路传热系统可实现地热能量的有效传输，且建设费用低，不污染环境。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统及利用方法，其核心部件分段式地分为部分热交换段和地热交换段以及全封闭式热媒流体传热管道设计，具有高效，环保，应用范围广等优点。
为了实现根据本发明的这些目的和优点，提供了一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统，包括传热管井、传热管井集热段、地面热交换装置和闭合回路热媒管，所述地面热交换装置设置在地面，所述传热管井设置在地层中，其上端与所述地面热交换装置连接，其下端连接有延伸端，所述延伸端延伸至地热储层中，即为所述传热管井集热段，所述地面热交换装置具有热媒流体进出的进液口和出液口，且连接所述进液口和出液口的管路上还设有动力泵，所述传热管井内设有至少一套所述闭合回路热媒管，所述闭合回路热媒管延伸至所述传热管井集热段中，且其进口、出口分别与所述地面热交换装置的出液口和进液口连通，以使所述地面热交换装置与所述闭合回路热媒管形成闭合回路，所述闭合回路内注有热媒流体，通过动力泵带动带动热媒流体在闭合回路中的循环，以将地热层中的地热能量传导到所述地面热交换装置中。
优选的是，所述的一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统中，还包括井壁套管，所述套管设置在所述传热管井和所述传热管井集热段中，所述闭合回路热媒管由进液管和出液管组成，所述出液管的上端开口和进液管的上端开口分别与所述地面热交换装置的进液口和出液口连接形成闭合回路，且所述出液管的下端开口和所述进液管的下端开口均延伸至所述传热管井集热段中并互相连通形成回路，所述进液管和出液管均设置在所述套管内，所述套管位于所述传热管井内的热媒传输部分为隔热段，其位于所述传热管井集热段内的部分为地热交换段。
优选的是，所述的一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统中，所述套管由金属或玻璃纤维复合材料制成。
优选的是，所述的一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统中，所述进液管和出液管位于所述隔热段内的部分上包裹覆盖有隔热层。
优选的是，所述的一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统中，所述套管的地热交换段内的部分的内壁和处于所述地热交换段的所述进液管和出液管之间填充有传热界面材料。
优选的是，所述的一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统中，所述闭合回路热媒管位于所述热交换段内的部分采用金属、合金、碳纳米管、石墨烯、金刚石、碳材料或硅材料制成。
优选的是，所述的一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统中，还包括至少一段斜井集热段或水平井集热段，所述斜井集热段或水平井集热段设置在地热储层中，其一端与所述传热管井连通。
本发明还提供一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用方法，采用上述的地热利用系统实现，包括以下步骤：所述传热管井集热段收集地热储层中的地热能量，并将位于所述传热管井集热段内的闭合回路热媒管内的热媒流体加热，所述闭合回路热媒管内的流体在所述闭合回路热媒管内循环，以将所述传热管井集热段内加热后的热媒流体移动到所述地面热交换装置中进行热交换，热交换后的热媒流体进入所述闭合回路热媒管中循环，从而通过所述闭合回路热媒管内的热媒流体的循环将传热管井集热段收集的地热能量传导到地面热交换装置，通过地面热交换装置将地热能量用于供热或热力发电。
本发明通过分段式传热管道及封闭于管道内的热媒流体实现地热传输，封闭回路避免由于介质交换带来的环境破坏与污染。由于本发明中不再需要将地面上的热媒流体打入到地下或者把底下的污染抽取到地面上来，其一是不会破坏地面或地下的环境，同时不使用介质泵，可以减少建设和营运的成本，同时也减少了噪音的产生。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明一实施例所述的高效地热利用系统的结构示意图；
图2为本发明一实施例所述的井壁套管及热媒管在隔热段的横截面示意图；
图3为本发明一实施例所述井壁套管及热媒管在地热交换段的横截面示意图；
图4为本发明另一实施例所述的高效地热利用系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明的实施例提供包括传热管井1、传热管井集热段2、地面热交换装置3和热媒管回路4，所述地面热交换装置3设置在地面，所述传热管井1设置在地层中，其上端与所述地面热交换装置3连接，其下端连接有延伸端，所述延伸端延伸至地热储层中，即为所述传热管井集热段2，所述地面热交换装置3具有热媒流体进出的进液口和出液口，且连接所述进液口和出液口的管路上还设有动力泵，所述传热管井1内设有至少一套所述热媒管回路4，所述热媒管回路4延伸至所述传热管井集热段2中，且其进口、出口分别与所述地面热交换装置3的出液口和进液口连通形成回路，以使所述地面热交换装置3与所述热媒管回路4形成闭合回路，所述闭合回路内注有热媒流体，通过动力泵带动带动热媒流体在闭合回路中的循环，以将地热层中的地热能量传导到所述地面热交换装置3中。
上述技术方案中，高效地热利用系统包括传热管井传输1、传热管井集热段2、地面热交换装置3和热媒管回路4，首先在地层中设置传热管井1，将传热管井集热段2作为所述传热管井1的延伸设置在地热储层中，对于中低温地热储层一般存在于浅层地下土层或水层，高温地热储层通常位于地下干热岩层或地下热蒸汽富集区，然后在传热管井1上端开口处设置地面热交换装置3，并在传热管井1和传热管井集热段2内设置热媒管回路4，热媒管回路4的进口和出口分别与地面热交换装置3的出液口和进液口连接，地面热交换装置3的进液口和出液口的管路上还设有动力泵，热媒管回路4和地面热交换装置3形成了闭合回路，再在闭合回路内注有热媒流体，通过动力泵，使得热媒管回路4内的热媒流体在热媒管回路4和地面热交换装置3之间循环，热媒流体在热媒管回路4中流动至传热管井集热段2时，通过集热段2收集地热储层中的地热能量，即在集热段2内热媒流体被加热，加热后的热媒流体被循环至地面热交换装置3中进行热交换后，再次回到热媒管回路4，从而通过热媒流体在热媒管回路4和地面热交换装置3之间的循环将传热管井地热层集热段2收集地热储层中的地热能量传导到地面热交换装置3中；地面热交换装置3可采用现有的热交换装置，将地热用于供暖或热力发电。
所述的一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统中，还包括井壁套管5，所述井壁套管5设置在所述传热管井1和所述传热管井集热段2中，所述热媒管回路4由进液管41和出液管42组成，所述出液管42的上端开口和进液管41的上端开口分别与所述地面热交换装置3的出液口和进液口连接形成闭合回路，且所述出液管42的下端开口和所述进液管41的下端开口均延伸至所述传热管井集热段2中并连通，所述进液管41和出液管42均设置在所述井壁套管5内，所述井壁套管5位于所述传热管井1内的部分为隔热段，其位于所述传热管井集热段2内的部分为地热交换段。
在另一种技术方案中，井壁套管5主要起对热媒管回路4的保护和支撑作用，井壁套管5用采用具有耐高温、耐腐蚀和隔热作用的复合材料制成，其一定程度上也可以增强隔热的效果；热媒管回路1和4也可以由多套进液管41和与其一一对应的多根出液管42组成。
所述的一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统中，所述井壁套管5由金属或玻璃纤维复合材料制成。
在另一种技术方案中，所述井壁套管5可采用具有外层保护和支撑作用的材料(例如钢管或玻璃纤维复合材料管等，井壁套管5可以根据需要为一层或多层)组合制而成。
如图2-图3所示，所述的一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统中，所述进液管41和出液管42位于所述隔热段内的部分包裹覆盖有隔热层6；所述井壁套管5处于所述地热交换段内部分的内壁和处于该地热交换段的所述进液管41和出液管42之间填充有传热界面材料7。
在另一种技术方案中，热媒管回路4有进液管41和出液管42组成，进液管41和出液管42位于隔热段内的部分上包裹覆盖有隔热层6，可以在隔热段内部分通过隔热层6的包裹覆盖加强对进液管41和出液管42内热媒流体的保温效果；同时，通过在井壁套管5处于地热交换段内部分的内壁和处于该地热交换段的进液管41和出液管42之间填充有传热界面材料7，传热界面材料7可以采用市售的热界面材料，通过其加强处于地热交换段的进液管41和出液管42和地热储层之间的热传导，加强处于所述地热交换段的进液管41和出液管42中热媒流体的加热作用，从而可以增强热媒管回路4的热交换效果，增加热媒管回路4加热能力。
所述的一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统中，所述热媒管回路4位于所述热交换段内的部分可采用金属、合金、碳纳米管、石墨烯、金刚石、碳材料或硅材料制成。
如图4所示，所述的一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统中，还包括至少一段斜井集热段或水平井集热段，所述斜井集热段或水平井集热段设置在地热储层中，其一端与所述传热管井1连通。
在另一种技术方案中，为了提高单一地面热交换装置3的效率，通过在地热储层中设置至少一段斜井集热段或水平井集热段，斜井集热段或水平井集热段可采用与传热管井集热段2相同的结构，并作为传热管井集热段2的补充，增强热媒管回路4的导热效果。
本发明还提供一种基于热媒管回路的高效地热利用方法，采用上述的地热利用系统的实现，包括以下步骤：所述传热管井集热段2收集地热储层中的地热能量，并将位于所述传热管井集热段2内的热媒管回路4内的热媒流体加热，所述热媒管回路4内的热媒流体在所述热媒管回路4内循环，以将所述传热管井集热段2内加热后的热媒流体输运到所述地面热交换装置3中进行热交换，热交换后较低温度的热媒流体进入所述热媒管回路4中循环，再回流到集热段加热，从而通过所述热媒管回路4内的热媒流体的连续循环将传热管井集热段2收集的地热能量持续传输到地面热交换装置3，通过地面热交换装置3将地热能量用于供热或热力发电。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。
Claims (8)
1.一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统，其特征在于，包括传热管井(1)、传热管井集热段(2)、地面热交换装置(3)和热媒管回路(4)，所述地面热交换装置(3)设置在地面，所述传热管井(1)设置在地层中，其上端与所述地面热交换装置(3)连接，其下端延伸至地热储层中，即为所述传热管井集热段(2)，所述地面热交换装置(3)具有热媒流体进出的进液口和出液口，且在连接所述进液口和出液口的管路上还设有动力泵，所述传热管井(1)内设有至少一套所述热媒管回路(4)，所述热媒管回路(4)延伸至所述传热管井集热段(2)中，且其进口、出口分别与所述地面热交换装置(3)的出液口和进液口连通，以使所述地面热交换装置(3)与所述热媒管回路(4)形成闭合回路，所述闭合回路内注有热媒流体，通过动力泵带动带动热媒流体在闭合回路中的循环，以将地热层中的地热能量传导到所述地面热交换装置(3)中。
2.如权利要求1所述的一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统，其特征在于，还包括井壁套管(5)，所述井壁套管(5)设置在所述传热管井(1)和所述传热管井集热段(2)中，所述热媒管回路(4)由进液管(41)和出液管(42)组成，所述出液管(42)的上端开口和进液管(41)的上端开口分别与所述地面热交换装置(3)的进液口和出液口连接形成闭合回路，且所述出液管(42)的下端开口和所述进液管(41)的下端开口均延伸至所述传热管井集热段(2)中并互相连通形成回路，所述进液管(41)和出液管(42)均设置在所述井壁套管(5)内，所述井壁套管(5)位于所述传热管井(1)内的部分为隔热段，其位于所述传热管井集热段(2)内的部分为地热交换段。
3.如权利要求2所述的一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统，其特征在于，所述井壁套管(5)由金属或玻璃纤维复合材料制成。
4.如权利要求2所述的一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统，其特征在于，所述进液管(41)和出液管(42)位于所述隔热段内的部分包裹覆盖有隔热层(6)。
5.如权利要求2所述的一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统，其特征在于，所述井壁套管(5)处于所述地热交换段部分的内壁和处于所述地热交换段的所述进液管(41)和出液管(42)之间填充有传热界面材料(7)。
6.如权利要求2所述的一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统，其特征在于，所述热媒管回路(4)位于所述地热交换段内的部分采用金属、合金、碳纳米管、石墨烯、金刚石、碳材料或硅材料制成。
7.如权利要求1-6任一项所述的一种基于闭合回路热媒管的高效地热利用系统，其特征在于，还包括至少一段斜井集热段或水平井集热段，所述斜井集热段或水平井集热段设置在地热储层中，其一端与所述传热管井(1)连通。
8.一种基于热媒管回路的高效地热利用方法，其特征在于，采用权利要求1-7中任一项所述的地热利用系统实现，包括以下步骤：所述传热管井集热段(2)收集地热储层中的地热能量，并将位于所述传热管井集热段(2)内的热媒管回路(4)内的热媒流体加热，所述热媒管回路(4)内的热媒流体在所述热媒管回路(4)内循环，以将所述传热管井集热段(2)内加热后的热媒流体移动到所述地面热交换装置(3)中进行热交换，热交换后的热媒流体进入所述热媒管回路(4)中循环，从而通过所述热媒管回路(4)内的热媒流体的循环将传热管井集热段(2)收集的地热能量传导到地面热交换装置(3)，通过地面热交换装置(3)将地热能量用于供热或热力发电。
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