CN111678267A - 超长重力环形热管地热提取装置及方法 - Google Patents

超长重力环形热管地热提取装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超长重力环形热管地热提取装置及方法，该装置包括热管主体和辅助设备，其中热管主体包括：第一冷凝段（7）、小管径回流绝热段（4）、蒸发段（1）、绝热段（3）和第二冷凝段（11）；辅助设备包括：铁丝网芯（2）、第一套管（5）、第二套管（6）、抽真空阀（9）和工质加注计量器（8）。本发明将无吸液芯的环形热管应用于常规超长重力热管结构中，并采用单侧吸、放热的工作方式，具有管内大蒸汽流量的气液态工质同向循环传输的特点，不存在常规超长重力热管气液工质逆向流动的热质交换，从而提高了冷凝端蒸汽温度和热流量以及完全消除了携带极限，在深层地热能高效开发方面具有显著的优势。

Description

超长重力环形热管地热提取装置及方法
技术领域
本发明涉及深层地热供应技术领域，尤其涉及一种超长重力环形热管地热提取装置及方法。
技术背景
现如今，提取2～4km的干热岩的热能的先进设备是超长重力热管，其提取地热技术在理论上优于地源热泵技术，但是在实际提取地热装置的运行过程中，出现了许多问题，装置的冷凝端蒸汽温度和热流量差强人意，并没有达到预期目标，并有数据显示超长重力热管在初始阶段蒸汽到达冷凝端的温度为80℃左右，而稳定之后却才约为40℃。冷凝端蒸汽温度低的根本原因是常规超长重力热管气态和液态工质传输的过程中存在气液工质逆向流动的热质交换。初始阶段由于热管壁面还没有冷凝液，所以饱和蒸汽到达冷凝端的温度较高，而稳定后，蒸汽上升时会与壁面冷凝液发生剧烈的热质交换，从而使蒸汽相变的热量同冷凝液流回热源端，故冷凝端蒸汽温度不高；冷凝端热流量小是蒸汽流量小所致，而蒸汽流量过小是由于回流的冷凝液带走相变热量的同时也会消耗部分上升蒸汽的质量。并且蒸汽速度过大时，剧烈的热质交换也会导致携带极限。那么在挖掘技术不断发展，能够实现的打井深度不断变深的今天，其缺点将不断被放大，从而限制了常规超长重力热管的应用推广。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种新型超长重力环形热管地热提取装置。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种超长重力环形热管地热提取装置，其特征在于：包括热管主体和辅助设备；其中热管主体从第一端至第二端依次分为第一冷凝段、小管径回流绝热段、蒸发段、绝热段和第二冷凝段；热管主体的第一端经过透明观察管与换热器出口相连，热管主体的第二端与换热器入口相连；上述蒸发段、绝热段和第二冷凝段管径一样，小管径回流绝热段和第一冷凝段管径一样，蒸发段管径是小管径回流绝热段管径的1～20倍；其中小管径回流绝热段管径太大会增加热管成本，太小会导致工质的流动堵塞，其管径确定方式为：通过建立任意管径大小的回流管路模型，通过fluent数值仿真，设置流量入口边界和压力出口边界算出相同入口流量下不同管径回流液流动所需的压差，然后换算成管两侧的液面高度差，由实际管长限制算出临界管径D，引入安全系数K，其中K>1，则得出小管径回流绝热段的最佳管径为K×D；而蒸发段管径则由两者管径倍数范围得出；其中辅助设备包括铁丝网芯、第一套管、第二套管、抽真空阀和工质加注计量器；所述铁丝网芯焊接在蒸发段的内壁，所述第一套管套在绝热段外，第二套管套在小管径回流绝热段外；上述第一套管和第二套管两端密封，第一套管和第二套管与热管主体间隙抽成真空，并在间隙的内面和外面镀一层反辐射的材料；上述抽真空阀和工质加注计量器依次安装于为第一冷凝段。
所述单侧吸放热的整体结构特点体现在，同心外套管所保温的位置上，所述环形热管主体底部和顶部的分别采用左侧底管(即蒸发段)吸热，右侧顶部管(即换热器)放热。这样可以弥补无毛细吸液芯作用时所缺少的气液工质同向循环传输的动力。
超长重力环形热管地热提取装置的方法，其特征在于包括以下过程：将超长重力环形热管地热提取装置安装于地热井井眼中,通过介质加注计量器向热管充入一定量的液态工质,密封好介质加注计量器，开启抽真空阀和换热器，当处在地热井底部的热量施加到热管底部时，热量只能通过蒸发段管壁传递到热管内被待蒸发液吸收，液态工质气化后通过绝热段、第二冷凝段达到换热器，并在换热器里相变放热，而放出的热量可以用于加热液体产生暖水，相变后的工质依次沿着透明观察管、小管径回流绝热段的管壁回流到液池中，开始下一个循环。
作为本发明一种新型超长重力环形热管地热提取装置进一步的优化方案，所述换热器还可以进行气气换热，冷气流入换热器吸收蒸汽相变的热量，产生暖气用于生产生活供暖，例如大棚或房间供暖。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明公开了一种新型超长重力环形热管地热提取装置，创新性的提出无吸液芯的超长重力环形热管，采用单侧吸、放热和小管径绝热回流的工作方式，具有大蒸汽流量的管内气、液态工质同向循环传输的特点，不存在气液工质逆向流动的热质交换，能有效的提高冷凝端温度、增加传热量以及完全解决了携带极限问题，而适当的蒸发段管径是小管径回流绝热段管径关系能将具有高冷凝端温度、高传热量和无携带极限问题的本发明热管建立在低投入成本上来，并且在fluent仿真分析过程中得出，本发明较常规超长重力热管而言还具有小干涸极限的优势，最低液高可以从85m降至10m左右，待蒸发液的过冷度从73％降低至零，换而言之，过热度显著增加，进而增加热管的蒸汽流量。综上可获得三个层面的效益：技术层面上通过采用小管径回流绝热管和去掉吸液芯，降低了热管的制造成本和制造难度，拓宽了应用范围；经济层面上，本新型热管的蒸汽温度速度都远高于常规热管，其蒸汽可在换热器里加热气体或水用于供暖气或暖水，甚至可以用高速蒸汽带动叶轮机进行发电，提高经济效益的目的；社会层面上，地热能属于绿色可再生能源，可以给用户提供舒适性高、可靠性好且高效节能的能源，是减小环境污染和国家能源消耗的一个新生力量，具有广泛的市场前景。
附图说明
图1为本发明的一种超长重力环形热管地热提取装置的整体结构图。
图中：1-蒸发段、2-铁丝网芯、3-绝热段、4-小管径回流绝热段、5-第一套管、6-第二套管、7-第一冷凝段、8-工质加注计量器、9-抽真空阀、10-透明观察管、11-第二冷凝段、12-换热器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。
请参阅图1，一种超长重力环形热管地热提取装置，该装置包括热管主体和辅助设备，其无环形热管的吸液芯结构，并具有单侧吸放热的整体结构特点；其中热管主体从第一端至第二端依次分为第一冷凝段7、小管径回流绝热段4、蒸发段1、绝热段3和第二冷凝段11；热管主体的第一端经过透明观察管10与换热器12出口相连，热管主体的第二端与换热器12入口相连；蒸发段1、绝热段3和第二冷凝段11管径一样，小管径回流绝热段4和第一冷凝段7管径一样，蒸发段1管径是小管径回流绝热段4管径的1～20倍，以降低热管成本，其流动增加的阻力可用两侧的液面差来弥补。其中辅助设备包括铁丝网芯2、第一套管5、第二套管6、抽真空阀9和工质加注计量器8；所述铁丝网芯2焊接在蒸发段1的内壁，使蒸发段增加了气化核心的数量，强化了沸腾换热，所述第一套管套5在绝热段外，并使得绝热段3与蒸发段1管径一样，这样起到保温又减少流动损失，第二套管套6在小管径回流绝热段外，防止地热井的热量进入小管径回流绝热段4使回流液蒸发，破坏气液工质的同向循环传输；上述第一套管5和第二套管6两端密封，第一套管5和第二套管6与热管主体间隙抽成真空，并在间隙的内面和外面各镀一层反辐射的材料；上述抽真空阀9和工质加注计量器8依次安装于为第一冷凝段
小管径回流绝热段4具体管径确定方案为：
其中小管径回流绝热段4管径太大会增加热管成本，太小会导致工质的流动堵塞，其管径确定方式为：通过建立任意管径大小的回流管路模型，通过fluent数值仿真，设置流量入口边界和压力出口边界算出相同入口流量下不同管径回流液流动所需的压差，然后换算成管两侧的液面高度差，由实际管长限制算出临界管径D，引入安全系数K，其中K>1，则得出小管径回流绝热段4的最佳管径为K×D；而蒸发段1管径则由两者管径倍数范围得出。
本发明的工作原理是：
所述一种新型超长重力环形热管地热提取装置的工作原理为无吸液芯的环形热管的工作原理，采用单侧吸放热的结构设置来弥补无毛细吸液芯提供的动力，使得热管内具有气液工质同向循环传输的特点，具体过程为：将超长重力环形热管地热提取装置安装于地热井井眼中,通过介质加注计量器8向热管充入一定量的液态工质,密封好介质加注计量器8，开启抽真空阀9和换热器12，当处在地热井底部的热量施加到热管底部时，热量只能通过蒸发段1管壁传递到热管内被待蒸发液吸收，液态工质气化后通过绝热段3、第二冷凝段11达到换热器12，并在换热器12里相变放热，而放出的热量可以用于加热液体产生暖水，相变后的工质依次沿着透明观察管10、小管径回流绝热段4的管壁回流到液池中，开始下一个循环。
功能：能高效的开采深层地热能，为用户提供暖水或供暖气。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种超长重力环形热管地热提取装置，其特征在于：
包括热管主体和辅助设备；
其中热管主体从第一端至第二端依次分为第一冷凝段(7)、小管径回流绝热段(4)、蒸发段(1)、绝热段(3)和第二冷凝段(11)；热管主体的第一端经过透明观察管(10)与换热器(12)出口相连，热管主体的第二端与换热器(10)入口相连；
上述蒸发段(1)、绝热段(3)和第二冷凝段(11)管径一样，小管径回流绝热段(4)和第一冷凝段(7)管径一样，蒸发段(1)管径是小管径回流绝热段(4)管径的1～20倍；
其中小管径回流绝热段(4)管径太大会增加热管成本，太小会导致工质的流动堵塞，其管径确定方式为：通过建立任意管径大小的回流管路模型，通过fluent数值仿真，设置流量入口边界和压力出口边界算出相同入口流量下不同管径回流液流动所需的压差，然后换算成管两侧的液面高度差，由实际管长限制算出临界管径D，引入安全系数K，其中K>1，则得出小管径回流绝热段(4)的最佳管径为K×D；而蒸发段(1)管径则由两者管径倍数范围得出；
其中辅助设备包括铁丝网芯(2)、第一套管(5)、第二套管(6)、抽真空阀(9)和工质加注计量器(8)；所述铁丝网芯(2)焊接在蒸发段(1)的内壁，所述第一套管(5)套在绝热段(3)外，第二套管(6)套在小管径回流绝热段(4)外；上述第一套管(5)和第二套管(6)两端密封，第一套管(5)和第二套管(6)与热管主体间隙抽成真空，并在间隙的内面和外面镀一层反辐射的材料；
上述抽真空阀(9)和工质加注计量器(8)依次安装于为第一冷凝段(7)。
2.根据权利要求1所述的超长重力环形热管地热提取装置的方法，其特征在于包括以下过程：
将超长重力环形热管地热提取装置安装于地热井井眼中,通过介质加注计量器(8)向热管充入一定量的液态工质,密封好介质加注计量器(8)，开启抽真空阀(9)和换热器(12)，当处在地热井底部的热量施加到热管底部时，热量只能通过蒸发段(1)管壁传递到热管内被待蒸发液吸收，液态工质气化后通过绝热段(3)、第二冷凝段(11)达到换热器(12)，并在换热器(12)里相变放热，而放出的热量可以用于加热气体或液体，相变后的工质依次沿着透明观察管(10)、小管径回流绝热段(4)的管壁回流到液池中，开始下一个循环。
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