CN109861587A - 一种煤田火区胶囊式热能提取装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤田火区胶囊式热能提取装置和方法，属于热电转换设备技术领域，解决了现有技术中火区热能利用率低、热电转换效率较低、工程量大、难以回收重复利用等问题。本发明装置包括温差发电装置、传热装置和冷却装置；温差发电装置组成空心柱状结构，冷端(81)在柱状结构内侧，热端(82)在柱状结构外侧；传热装置用于提高热端(82)的温度，传热装置包括高导热胶囊(11)和中温热管(9)；冷却装置用于降低冷端(81)的温度，冷却装置包括高导热胶囊式热管(5)和散热翅片(2)。本发明装置及方法适用于煤田火灾区的热能提取。

Description

一种煤田火区胶囊式热能提取装置和方法

技术领域

本发明属于热电转换设备技术领域，特别涉及一种煤田火区胶囊式热能提取装置和方法。

背景技术

煤田火灾是世界采煤国家所共同面临的灾害之一。煤田火区不仅烧毁大量煤炭资源和呆滞大量煤炭资源不能开采，而且还产生了大量CO、 CO₂、SO₂等有毒有害气体和汞、硒等污染土壤和水资源的有害化学物质，对西部脆弱生态环境造成严重的破坏。

煤田火区燃烧体积大、温度高，火区中蕴藏着巨大的热量。据统计，全世界每年约有10亿吨煤炭被地下煤火烧毁，产生约1000GW的能量，相当于全球500个核电站所产能量总和的2.5倍，超过水利发电所产能量近100GW。若将煤田火区的热提取和治理相结合，即通过对火区热量的提取与利用来达到火区“绿色”治理的目的，可实现火灾治理、能源利用以及环境保护有机统一。

为提取煤田火区热能并将其转换为电能加以利用，公开号为 CN106026778A的专利文件公开了一种煤田火区热能可持续利用与煤火治理系统及方法，包括：在煤田火区埋设水平钢管并通以热载体将火区热能提取至地面，然后再通过温差发电单元转换热载体所含热能。该系统和方法是先将火区热量提取到火区外，然后再对提取的热量进行热电转换。无法实现直接在火区内部将火区的热量进行热电转换，由于该系统中火区热能到达温差发电单元进行发电需经过煤岩与钢管的传热、钢管管壁与热载体的导热、热载体的对流换热、热载体与温差发电单元的传热等过程，所涉及的传热过程繁多，大大增加了热量损失，尤其是热载体与钢管管壁的导热以及热载体在管路的流动换热过程将导致所提取热能较大程度上的散失和损耗，导致火区热能利用率低。同时水平钻孔需完成钻导向孔-扩孔-拖拉铺设管材等过程，且施工过程均在高温地层中进行，难度大，工程量大，而且管路难以回收重复利用，使用成本高，对煤田火区热能发电适用性较低。

当前在煤田火区的治理过程中已经形成了一整套广泛实用的治理体系，即采用竖直钻孔开展注浆、注水等灭火工作，若利用火区现有的灭火钻孔并在其中进行直接热电转换可极大地降低成本、减小热损失量，提高火区热能的发电效率，但采用竖直钻孔发电面临以下难题：1、煤田火区多处于偏远的野外地区，供水供电困难，传统发电技术利用大量水在钻孔内循环采热并将含热水体运输至地表，再通过地表设置的热电转换站发电，该发电模式将面临水资源短缺和设备电力供应难的问题；2、灭火钻孔内空间小，发电装置需满足小空间高效发电的需求，当前尚未有相关的装置和方法可实现在灭火钻孔空间内高效率直接发电。3、传统的热电转换效率较低，无法最大限度进行火区热能的利用以及火区的灭火工作。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种煤田火区胶囊式热能提取装置和方法，用以解决现有技术中火区热能利用率低、热电转换效率较低、工程量大、难以回收重复利用等问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种煤田火区胶囊式热能提取装置，包括温差发电装置、传热装置和冷却装置；

温差发电装置包括冷端和热端，温差发电装置组成空心柱状结构，冷端在柱状结构内侧，热端在柱状结构外侧，所述柱状结构为四棱柱；

传热装置用于提高温差发电装置热端的温度，传热装置包括高导热胶囊和中温热管，高导热胶囊用于填充温差发电装置与煤田火区高温区之间的间隙，高导热胶囊内壁与温差发电装置热端贴合，将煤田火区高温区的热能传导至温差发电装置热端；中温热管设置于高导热胶囊中，下端超出高导热胶囊下端，中温热管用于吸收灭火钻孔下端热空气中的热量；

冷却装置用于降低温差发电装置冷端的温度，冷却装置包括高导热胶囊式热管和散热翅片，高导热胶囊式热管设置于空心柱状结构的腔体内，并与腔体内壁贴合，高导热胶囊式热管内存储有冷媒工质。

进一步的，散热翅片采用绕片式排布并倾斜向上设置，散热翅片与水平面呈25°-35°夹角。

进一步的，冷却装置还包括高导热组件，高导热胶囊式热管底部封闭，高导热胶囊式热管上端与高导热组件下端连接，散热翅片沿圆周方向设置在高导热组件上。

进一步的，冷媒工质为甲醇，在高导热胶囊式热管内的充液率为 35～45％。

进一步的，中温热管中存储有热媒工质，热媒工质为硅油，中温热管中硅油的充液率为25～40％。

进一步的，还包括储能电池，温差发电装置内阻与储能电池内阻相等。

进一步的，高导热圆柱壳体的直径为100～150mm，中温热管的直径为4～8mm。

进一步的，温差发电装置为一体结构或由多个温差发电单元构成。

进一步的，温差发电单元不少于四个。

进一步的，还包括耐高温热电偶，耐高温热电偶附在高导热胶囊式的内壁上。

一种煤田火区胶囊式热能提取装置的热能提取方法，包括以下步骤：

步骤1、将上述热能提取装置竖直放入灭火钻孔中，使高导热胶囊式热管的上端和高导热胶囊的上端均与灭火钻孔表面持平；

步骤2、高导热胶囊外壁与灭火钻孔孔壁的高温岩石贴合，将高温岩石的热能传递至温差发电装置热端，中温热管下端与灭火钻孔内的热空气接触，将热空气的热能传递至温差发电装置装置热端；高导热胶囊式热管内的冷媒工质吸收温差发电装置装置冷端的热能，降低冷端温度，冷媒工质受热蒸发将热量传至地表；散热翅片将蒸汽降温并冷凝为液态冷媒工质，流回高导热胶囊式热管内；温差发电装置装置通过热端和冷端的温差持续发电；

步骤3、当耐高温热电偶显示温度小于40℃时取出该发电装置，在煤田火灾区其他高温区域重复以上步骤。

与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：

1)本发明装置采用高导热胶囊式热管和高导热胶囊，两者可分别根据温差发电装置构成的空心柱形状及灭火钻孔形状进行形变，使高导热胶囊式热管与温差发电装置内壁紧密贴合，提高对冷端的冷却效率；高导热胶囊与灭火钻孔的高温岩壁紧密贴合，提高对煤田火灾热能的利用效率；传统的热能提取装置采用刚性管很难与温差发电装置及灭火钻孔紧密贴合，仅有少量点接触，传热效率很差。

2)本发明装置的中温热管下端超出高导热胶囊，对钻孔内的热空气进行利用，提高对煤田火灾热能的利用效率，同事降低火灾温度，治理火区；传统的热能提取装置均未对热空气中的能量进行利用。

3)本发明装置采用温差发电装置，实现了煤田火区钻孔内的直接发电，通过保持温差发电装置冷、热端的较大温差实现了高效发电；采用倾斜向上设置的散热翅片对冷媒工质进行冷却，避免了水冷对水的依赖；本发明装置结构简单，成本较低，使用维护方便，移动安装灵活，运行安全可靠，避免了建设供水系统或架设供电电路的难题，大大简化了煤田火区的传热过程，有效提高了热能利用率，同时又效降低了火区温度，达到治理火区的目的，具有良好的普适性。

4)采用本发明热能提取装置进行热能提取的方法，在火区热量提取殆尽时取出该装置并重复使用，大幅降低成本，安全环保，具有广泛的实用性；对煤田火区以及钻孔空气中的热能能进行较大程度的利用，提高发电与提热效率，较传统的热能提取装置输出效率至少提高了50％。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及权利要求书中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

图1本发明实施例的整体结构示意图；

图2本发明实施例的A-A视图。

附图标记：

1-冷却装置散热段；2-散热翅片；3-储能电池；4-冷媒工质；5-高导热胶囊式热管；6-煤田火区高温区；7-冷却装置制冷段；8-温差发电单元； 81-冷端；82-热端；9-中温热管；10-灭火钻孔；11-高导热胶囊；12-高导热圆柱壳体；13-热媒工质。

具体实施方式

以下结合具体实施例对一种煤田火区胶囊式热能提取装置和方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。

本发明公开了一种煤田火区胶囊式热能提取装置，如图1和图2所示，包括温差发电单元8、传热装置和冷却装置；温差发电单元8呈矩形板状，包括冷端81和热端82，温差发电单元8组成空心柱状结构，示例性的，如正棱柱结构，冷端81在柱状结构内侧，热端82在柱状结构外侧；传热装置用于提高温差发电单元8热端82的温度，将煤田灭火钻孔 10内高温岩石及高温气体的热量传递至温差发电单元8热端82，传热装置包括高导热胶囊和中温热管9，高导热胶囊11内填充有高导热液体，高导热胶囊11用于填充温差发电单元8与煤田火区高温区6之间的间隙，高导热胶囊外外壁与灭火钻孔的内壁紧密贴合，高导热胶囊11内壁与温差发电单元8热端82贴合，将煤田火区高温区6的热能传导至温差发电单元8热端82；中温热管9设置于高导热胶囊中，下端超出高导热胶囊 11下端，中温热管9用于吸收钻孔下端热空气中的热量；冷却装置用于降低温差发电单元8冷端81的温度，冷却装置包括高导热胶囊式热管5 和散热翅片2，高导热胶囊式热管5设置于空心柱状结构的腔体内且截面为中空的矩形，保证其与腔体内壁紧密贴合，高导热胶囊式热管5内存储有冷媒工质4。

本发明装置采用温差发电单元8，实现了煤田火区钻孔内的直接发电，通过保持温差发电单元8冷、热端82的较大温差实现了高效发电，避免了建设供水系统或架设供电电路的难题，大大简化了煤田火区的传热过程。传热装置采用的高导热胶囊11外侧与灭火钻孔10的高温岩壁紧密贴合，内侧与温差发电单元8贴合，中温热管9下端超出高导热胶囊，温差发电单元8与高导热胶囊11及中温热管9相接触的端部为热端 82，煤田火区的热量通过中温热管9和高导热胶囊11高效传导至温差发电单元8的热端82，传热距离短且热阻小，且能充分利用钻孔空气中的热能，从而使温差发电单元8的冷、热端82维持较大温差，实现较高的发电效率。高导热胶囊式热管5可以与温差发电单元8冷端81紧密贴合，提高对冷端81的冷却效率；采用散热翅片2对冷媒工质4进行冷却，避免了水冷对水的依赖。本发明装置结构简单，成本较低，使用维护方便，移动安装灵活，运行安全可靠，有效提高了热能利用率，同时又效降低了火区温度，达到治理火区的目的，具有良好的普适性。

中温热管9中存储有热媒工质13，热媒工质13为硅油，中温热管9 中硅油的充液率为25～40％。硅油充液率太低会导致对灭火钻孔10中热空气的热量带出太少，降低利用率；充液率太高则会导致热媒工质13自身温度提升很慢，无法将热能传导至温差发电单元8。优选的硅油的充液率为30～35％。

温差发电单元8呈矩形板状，包括冷端81和热端82，为了提高温差发电单元8冷、热端82温差，需将温差发电单元8组成空心柱状结构，避免冷却装置与传热装置直接接触，温差发电单元8不少于四个。

冷却装置还包括高导热圆柱壳体12，高导热胶囊式热管5底部封闭，高导热胶囊式热管5上端与高导热圆柱壳体12下端连接，散热翅片2沿圆周方向设置在高导热圆柱壳体12上。高导热圆柱壳体12与散热翅片2 组成冷却装置散热段1，高导热胶囊式热管5内的冷媒工质4吸收温差发电单元8冷端81的热量后蒸发进入高导热胶囊式热管5上面的高导热圆柱壳体12内，将热量传导至高导热圆柱壳体12及其连接的散热翅片2 上，散热翅片2对冷媒工质4进行散热。散热翅片2增加了散热面积，加快散热使蒸汽迅速冷凝而重回冷却装置制冷段7，通过冷媒工质4的循环可将胶囊式高导热真空管周边区域的热量持续传至地表，从而使与高导热胶囊式热管5相接触的温差发电单元8的冷端81维持在较低的温度。

本实施例中散热翅片2为薄铝板，相较于中空并与高导热圆柱壳体 12连通的散热翅片散热效果更好。中空的散热翅片由于缝隙较小，冷媒工质蒸气进入冷凝后很难回流，冷媒工质堵塞中空结构，反而降低散热效果。

为了获得高导热性能，示例性的，高导热圆柱壳体12、中温热管9 和散热翅片2均由铜铝合金制成。高导热胶囊11、高导热胶囊式热管5 的胶囊外壁均采用高导热石墨柔性材料。

为了提高散热翅片2的散热效率，散热翅片2采用绕片式排布，并倾斜向上设置，所述散热翅片与水平面呈25°-35夹角，优选的与水平面呈30°夹角，这种散热翅片2的排布效果相较于将散热翅片水平放置的散热效果提高至少30％。

示例性的，为了进一步提高散热效果，可设置二级热管，即在散热翅片2上设置散热管，在散热管内存储冷媒工质，散热管采用铜铝合金，并抽真空，使散热管内冷媒工质沸点降低，提高散热效果。。

本发明装置还包括储能电池3，温差发电单元8与储能电池3通过导线连接，导线为柔性耐高温防火电缆，温差发电单元8的整体内阻与储能电池3内阻相等，此时本发明装置的输出效率最高。温差发电单元8 的整体内阻可通过调节温差发电单元8的串并联进行调节。

冷媒工质4为甲醇，在高导热胶囊式热管5内的充液率为35～45％。甲醇太少能带走的热量少，降低对冷端81的冷却效果，甲醇太多传热效率也会降低。当甲醇充液率为37.5％时冷却效果最优。甲醇沸点低、受热易蒸发可高效携带热能。

高导热圆柱壳体12的直径为100～150mm，中温热管9的直径为 4～8mm。

为了确定本发明装置的取出时间，避免灭火钻个孔内温度较低时热电转换效率太低，在高导热胶囊11的内壁上附着耐高温热电偶，实时监控灭火钻孔10内的温度，当温度低于一定值时取出上述热能提取装置，更换灭火钻孔10。

本发明煤田火区胶囊式热能提取装置的具体实施方式如下：

步骤1、将上述热能提取装置竖直放入灭火钻孔10中，使高导热胶囊式热管5的上端和高导热胶囊11的上端均与灭火钻孔10表面持平；

步骤2、高导热胶囊11外壁与灭火钻孔10孔壁的高温岩石贴合，将高温岩石的热能传递至温差发电单元8热端82，中温热管9下端与灭火钻孔10内的热空气接触，将热空气的热能传递至温差发电单元8热端82，提高热端82温度；高导热胶囊式热管5内的冷媒工质4吸收温差发电单元8冷端81的热能，降低冷端81温度，冷媒工质4受热蒸发将热量传至地表，散热翅片2将蒸汽降温并冷凝为液态冷媒工质4，流回高导热胶囊式热管5内；温差发电单元8通过热端82和冷端81的温差持续发电；

步骤3、当耐高温热电偶显示温度小于40℃时取出该发电装置，在煤田火灾区其他高温区域重复以上步骤。

采用本发明热能提取装置进行热能提取的方法，在火区热量提取殆尽时取出该装置并重复使用，大幅降低成本，安全环保，具有广泛的实用性；对煤田火区以及钻孔空气中的热能能进行较大程度的利用，提高发电与提热效率，较传统的热能提取装置输出效率至少提高了50％。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种煤田火区胶囊式热能提取装置，其特征在于，包括温差发电装置、传热装置和冷却装置；

所述温差发电装置包括冷端(81)和热端(82)，所述温差发电装置为空心柱状结构，所述冷端(81)在柱状结构内侧，所述热端(82)在柱状结构外侧，所述柱状结构为四棱柱；

所述传热装置用于提高所述热端(82)的温度，传热装置包括高导热胶囊(11)和中温热管(9)，所述高导热胶囊(11)用于填充所述温差发电装置与煤田火区高温区(6)之间的间隙，所述高导热胶囊(11)内壁与所述热端(82)贴合，将煤田火区高温区(6)的热能传导至热端(82)；所述中温热管(9)设置于高导热胶囊(11)中，下端超出高导热胶囊(11)下端，中温热管(9)用于吸收灭火钻孔(10)下端热空气中的热量；

所述冷却装置用于降低所述冷端(81)的温度，冷却装置包括高导热胶囊式热管(5)和散热翅片(2)，所述高导热胶囊式热管(5)设置于所述空心柱状结构的腔体内，并与所述腔体内壁贴合，所述高导热胶囊式热管(5)内存储有冷媒工质(4)。

2.根据权利要求1所述的煤田火区胶囊式热能提取装置，其特征在于，所述散热翅片(2)采用绕片式排布并倾斜向上设置，所述散热翅片(2)与水平面呈25°-35°夹角。

3.根据权利要求1或2所述的煤田火区胶囊式热能提取装置，其特征在于，所述冷却装置还包括高导热组件，所述高导热胶囊式热管(5)底部封闭，高导热胶囊式热管(5)上端与高导热组件下端连接，所述散热翅片(2)沿圆周方向设置在高导热组件上。

4.根据权利要求1或2所述的煤田火区胶囊式热能提取装置，其特征在于，所述冷媒工质(4)为甲醇，在所述高导热胶囊式热管(5)内的充液率为35～45％。

5.根据权利要求1所述的煤田火区胶囊式热能提取装置，其特征在于，所述中温热管(9)中存储有热媒工质(13)，所述热媒工质(13)为硅油，所述中温热管(9)中硅油的充液率为25～40％。

6.根据权利要求1所述的煤田火区胶囊式热能提取装置，其特征在于，还包括储能电池(3)，所述温差发电装置的整体内阻与所述储能电池(3)内阻相等。

7.根据权利要求4所述的煤田火区胶囊式热能提取装置，其特征在于，所述高导热圆柱壳体的直径为100～150mm，所述中温热管(9)的直径为4～8mm。

8.根据权利要求1所述的煤田火区胶囊式热能提取装置，其特征在于，所述温差发电装置为一体结构或由多个温差发电单元(8)构成。

9.根据权利要求1所述的煤田火区胶囊式热能提取装置，其特征在于，还包括耐高温热电偶，所述耐高温热电偶附在所述高导热胶囊(11)的内壁上。

10.根据权利要求1-9所述的煤田火区胶囊式热能提取装置的热能提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将上述热能提取装置竖直放入灭火钻孔(10)中，使高导热胶囊式热管(5)的上端和高导热胶囊(11)的上端均与灭火钻孔(10)表面持平；

步骤2、高导热胶囊(11)外壁与灭火钻孔(10)孔壁的高温岩石贴合，将煤田火区高温区(6)的热能传递至热端(82)，中温热管(9)下端与灭火钻孔(10)内的热空气接触，将热空气的热能传递至热端(82)；高导热胶囊式热管(5)内的冷媒工质(4)吸收冷端(81)的热能，降低冷端(81)温度，冷媒工质(4)受热蒸发将热量传至地表；散热翅片(2)将蒸汽降温并冷凝为液态冷媒工质(4)，流回高导热胶囊式热管(5)内；温差发电装置通过热端(82)和冷端(81)的温差持续发电；

步骤3、当耐高温热电偶显示温度小于40℃时取出该发电装置，在煤田火灾区其他高温区域重复以上步骤。