CN111964286A - 超长重力循环管地热供暖装置及方法 - Google Patents

超长重力循环管地热供暖装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种超长重力循环管地热供暖装置及方法，属于节能领域。该装置主要包括热泵升温供暖子系统和深层干热岩地热回收环形热管子系统两部分：其中热泵升温供暖子系统用于提升二次回水温度以满足用户端供暖需求；地热回收环形热管子系统的蒸发段（2）和绝热段（3）位于地表以下，冷凝器（6）位于地表以上；蒸发段（2）、绝热段（3）以及冷凝液下降管（23）均安装在同一钻井（1）内；由于不受超长路径气‑液逆流带来的传热传质阻力限制，相比于相同内径的超长重力热管，本发明提出的一种超长重力循环热管地热供暖装置及方法，冷凝段（6）的温度更高，供热功率更大，可以连续工作，特别适合冬季楼宇供暖，具有广泛的应用前景。

Description

超长重力循环管地热供暖装置及方法
技术领域
本发明涉及一种超长重力循环热管地热供暖装置及方法，属于节能环保领域。
技术背景
地热资源，作为一种可再生的清洁能源，其在地壳陆区干热岩资源量相当于4950万亿吨标准煤，是全球所有石油、天然气和煤炭蕴藏能量的近30倍。随着现代钻探技术的快速发展，开发地下1.5-2km温度大约在150℃-200℃热干岩地热，并用于冬季供暖，已经具备现实价值。
干热岩地热供暖技术的关键是对深层地下干热岩层地热的提取，目前主要采取超长重力热管技术。外径约为20cm的超长重力热管中，蒸发段液体吸收热干岩层高温热量后，蒸发并沿逆重力方向通过绝热段后送入位于地面的冷凝段，在冷凝段释放热量变为液体，然后沿着重力热管内壁面回流至冷凝段，该蒸发冷凝过程不断重复，可实现对干热岩层地热的回收利用。
普通的超长热管中向上流动的蒸汽和向下流动的液体逆向接触产生的携带极限，使得热管内冷凝段蒸汽流量不高，可利用的冷凝潜热功率较低。此外，超长重力热管气液逆流传热传质过程，明显降低了超长热管冷凝段温度，尽管干热岩层温度较高，超长重力热管到达冷凝段的蒸汽温度仅在40-50℃左右，很难直接用于供暖，需要借助热泵技术升温后才能用于供暖。
相比重力热管技术，采用循环热管技术，可以消除热管内的气液逆流以及因此带来的携带极限及冷凝段蒸发温度不高的不足。已有研究者提出将环形热管用于替代超长重力热管，然而其提出的管道在蒸发段的连接技术在实际操作中难以执行，液体下降管中存在气体窜流现象，热管内工质难以形成环形运行，实际操作中容易成为并行的独立重力热管。此外，超长管道的多个连接处存在少量不凝性气体的渗入，导致目前仍采用间歇式抽真空的运行方式。
发明内容
采用超长重力循环热管可以避免发生超长重力热管中汽-液两相的循环工质在热管内部逆向接触，能够最大程度上减少汽态工质热量的损失；
包括重力循环热管组件、热泵蒸发器、压缩机、热泵冷凝器、热力节流阀、真空泵、储罐；其中重力循环热管组件由粗管、细管和冷凝器组成，粗管下端和细管下端相向弯折后对接，粗管上端向细管一侧弯折，并从细管上方向下弯折后经过冷凝器与细管上端对接；其中粗管分成蒸发段和绝热段；
其中蒸发段位于地面以下，绝热段一部分位于地面以下，另一部分位于地面以上；其中细管即为冷凝液下降管，一部分位于地面以下，另一部分位于地面以上；粗管的绝热段和冷凝液下降管外部均布置有保温层；
冷凝器包括冷侧进口、冷侧出口、热侧进口、热侧出口；
热泵蒸发器包括冷侧进口、冷侧出口、热侧进口、热侧出口；
热泵冷凝器包括冷侧进口、冷侧出口、热侧进口、热侧出口；
蒸发段出口通过绝热段与位于冷凝器上方的热侧进口相连，冷凝段下方热侧出口分为两路：
一路通过侧管与位于冷凝器液位之上的真空泵相连，真空泵出口与环境相连；储罐与上述侧管相连；
第二路依次通过流量计、冷凝液下降管与位于地面以下以及干热岩层以下的蒸发段进口相连，以上构成环形热管工质的循环连接关系；
冷凝器冷侧出口与热泵蒸发器热侧进口相连，热泵蒸发器热侧出口与冷凝器冷侧进口相连；
热泵蒸发器冷侧出口通过压缩机与热泵冷凝器热侧进口相连，热泵冷凝器冷侧出口通过热力节流阀与热泵蒸发器冷侧进口相连；
用户端二次回水出口通过热泵冷凝器热侧后再送回用户端二次回水进口。
根据本发明所述的超长重力循环热管地热供暖装置的方法，其特征在于：
钻井布置在地面以下，部分蒸发段、部分冷凝下降管在钻井内部，蒸发段位于地下干热岩层；
储罐中的补充液在重力作用下通过侧管送入冷凝液下降管，进入到超长重力循环热管的蒸发段；
开启真空泵使管道内部处于真空状态，蒸发段中的冷凝液吸收热干岩的热量变为汽态水蒸汽，经过绝热段被送入冷凝器热侧，被冷侧的一次回水吸收热量再经过冷凝器继续释放热量液化为冷凝液，冷凝液经过冷凝液下降管最终流向蒸发段；
流量计检测到有流体经过时，打开压缩机。一次回水经过冷凝器吸收热侧汽态水蒸汽的热量流向热泵蒸发器，将热量释放给冷侧的制冷剂，吸收热量的制冷剂在压缩机中进一步加压温度进一步升高，气态的制冷剂在热泵冷凝器中将热量释放给二次回水并以此来供给用户端，降温后的二次回水继续吸收热泵冷凝器中热侧制冷剂的热量，冷凝后的制冷剂经过热力节流阀流向热泵蒸发器吸收热侧一次回水的热量。
利用本发明所述的一种超长重力循环热管地热供暖装置及方法，其特征在于钻井的直径在20-30cm，深度在1.5km-2km，钻井的直径越大越有利于蒸发段吸收更多的热量，但是过大的直径会增加钻井施工的费用以及钻头的断裂，选用20-30cm范围是最为合适，深度超过2km的干热岩会使得处于真空状态的冷凝液在蒸发段吸收热量汽化，但是深度过高一方面会带来施工费用的增加，另一方面由于钻井深度增加致使冷凝液饱和温度温度增加，蒸发段冷凝液有可能难以汽化。
利用本发明所述的一种超长重力循环热管地热供暖装置及方法，汽化后的汽态水蒸汽的密度变小，绝热段的内径约为冷凝下降管直径的8-10倍，其中冷凝下降管中不凝性气体由于管径小以及向下流动的冷凝液会使得原本向上浮动的气泡随之流向蒸发段，消除冷凝液下降管作为独立的重力热管工作发生携带极限的可能性。
利用本发明所述的一种超长重力循环热管地热供暖装置及方法，真空泵的布置高度高于冷凝器，可以将超长重力循环热管内部的空气全部抽取使得管道均处于真空状态，有利于蒸发段冷凝液汽化。
与超长重力热管地热提取相比，超长重力热管地热提取中由于汽态水蒸汽与冷凝液逆向接触甚至会产生携带极限，使得汽态水蒸汽在冷凝器中与一次回水换热时温度变低，采用超长重力循环热管使得换热量增加；与一般超长重力环形热管地热提取相比，由于真空泵与储罐的位置高于冷凝器，使得开启真空泵可以是热管内部所有的不凝性气体均被抽到空气中使得真空度更高，并且采用间歇式抽真空的方式热管内部不能时刻保持真空，这使得本发明所述的热管冷凝液相比于之前两种能够快速汽化，与一般超长重力环形热管地热提取相比冷凝液下降管内径较绝热段明显减小，由于管径变小的缘故使得气泡变小，向下流动的冷凝液压力增加使冷凝液中的气泡变小，两个因素综合使得原本存在于冷凝液下降管中上浮的气泡流向蒸发段，随后会被连续工作的真空泵抽到环境中，由于热管过长中间连接部分会有冷凝液或汽态水蒸汽的泄漏需要及时补充，本发明中的储罐位于冷凝液下降管的支路上有别于超长重力热管需要主管路能够随时添加补充液，上述的原因使得一种超长重力循环热管地热供暖装置能够提起更多的热量。
附图说明
图1是本发明提出的是用户端和钻井相聚较近的一种超长重力循环热管地热供暖装置及方法示意图；
图2是本发明提出的是用户端和钻井相聚较远的一种超长重力循环热管地热供暖装置及方法示意图；
图3是超长重力热管地热提取示意图；
图4是一般超长重力环形热管地热提取示意图；
图中标号名称：1-钻井、2-蒸发段、3-绝热段、4-汽态水蒸汽、5-地面、6-冷凝器、7-一次回水、8-热泵蒸发器、9-制冷剂、10-压缩机、11-热泵冷凝器、12-二次回水、13-用户端、14-热力节流阀、15-流量计、16-侧管、17-真空泵、18-不凝性气体、19-储罐、20-补充液、21-冷凝液，22-保温层，23-冷凝液下降管，24-干热岩层，25-抽真空阀，26-介质加注计量器。
具体实施方法
下面参考附图1、2说明该一种超长重力循环热管地热供暖装置及方法具体实施方法和工作过程：
若用户端13和钻井1距离较近可参考图1；若用户端13和钻井1距离较远可参考图2；
开启真空泵6使管道内部处于真空状态，蒸发段2中的冷凝液21吸收热干岩的热量变为汽态水蒸汽4，经过绝热段3被送入冷凝器6热侧，被冷侧的一次回水7吸收热量再经过冷凝器6继续释放热量液化为冷凝液21，冷凝液21经过冷凝液下降管20最终流向蒸发段2；
流量计15检测到有流体经过时，打开压缩机10。一次回水7经过冷凝器6吸收热侧汽态水蒸汽4的热量流向热泵蒸发器8，将热量释放给冷侧的制冷剂9，吸收热量的制冷剂9在压缩机10中进一步加压温度进一步升高，气态的制冷剂9在热泵冷凝器11中将热量释放给二次回水12并以此来供给用户端13，降温后的二次回水12继续吸收热泵冷凝器11中热侧制冷剂9的热量，冷凝后的制冷剂9经过热力节流阀14流向热泵蒸发器8吸收热侧一次回水7的热量。

Claims (4)

1.一种超长重力循环热管地热供暖装置，其特征在于：
包括重力循环热管组件、热泵蒸发器（8）、压缩机（10）、热泵冷凝器（11）、热力节流阀（14）、真空泵（17）、储罐（19）；
其中重力循环热管组件由粗管、细管和冷凝器（6）组成，粗管下端和细管下端相向弯折后对接，粗管上端向细管一侧弯折，并从细管上方向下弯折后经过冷凝器（6）与细管上端对接；其中粗管分成蒸发段（2）和绝热段（3）；其中蒸发段（2）位于地面（5）以下，绝热段（3）一部分位于地面以下，另一部分位于地面以上；其中细管即为冷凝液下降管（23），一部分位于地面以下，另一部分位于地面以上；粗管的绝热段（3）和冷凝液下降管（23）外部均布置有保温层（22）；
真空泵（17）布置在垂直高度高于冷凝器（6）液位的位置；
冷凝器（6）包括冷侧进口、冷侧出口、热侧进口、热侧出口；
热泵蒸发器（8）包括冷侧进口、冷侧出口、热侧进口、热侧出口；
热泵冷凝器（11）包括冷侧进口、冷侧出口、热侧进口、热侧出口；
粗管的蒸发段（2）出口通过绝热段（3）与位于冷凝器（6）上方的热侧进口相连，冷凝器（6）下方热侧出口分为两路：
第一路通过侧管（16）与真空泵（17）相连，真空泵（17）出口与环境相连；储罐（19）与上述侧管（16）相连；
第二路依次通过流量计（15）、冷凝液下降管（23）与蒸发段（2）进口相连，以上构成循环热管工质的循环连接关系；
冷凝器（6）冷侧出口与热泵蒸发器（8）热侧进口相连，热泵蒸发器（8）热侧出口与冷凝器（6）冷侧进口相连；
热泵蒸发器（8）冷侧出口通过压缩机（10）与热泵冷凝器（11）热侧进口相连，热泵冷凝器（11）热侧出口通过热力节流阀（14）与热泵蒸发器（8）冷侧进口相连；
用户端（13）二次回水（12）出口通过热泵冷凝器（11）热侧后再送回用户端（13）二次回水（12）进口。
2.根据权利1所述的超长重力循环热管地热供暖装置，其特征在于：上述粗管的绝热段（3）的直径为冷凝液下降管（23）直径的8-10倍。
3.根据权利1所述的超长重力循环热管地热供暖装置的方法，其特征在于：
钻井（1）布置在地面以下，部分蒸发段（2）、部分冷凝下降管（23）在钻井（1）内部，蒸发段（1）位于地下干热岩层；
储罐（19）中的补充液（20）在重力作用下通过侧管（16）送入冷凝液下降管（23），最终进入到重力循环热管组件的蒸发段（2）；
开启真空泵（17）使管道内部处于真空状态；
蒸发段（2）中的冷凝液（21）吸收周围干热岩的热量变为汽态水蒸汽（4），经过绝热段（3）被送入冷凝器（6）热侧，被冷侧的一次回水（7）吸收热量再经过冷凝器（6）继续释放热量液化为冷凝液（21），冷凝液（21）经过冷凝液下降管（23）最终流向蒸发段（2）；
流量计（15）检测到有流体经过时，打开压缩机（10）；一次回水（7）经过冷凝器（6）吸收热侧汽态水蒸汽（4）的热量流向热泵蒸发器（8），将热量释放给冷侧的制冷剂（9），吸收热量的制冷剂（9）在压缩机（10）中进一步加压温度进一步升高，气态的制冷剂（9）在热泵冷凝器（11）中将热量释放给二次回水（12）并以此来供给用户端（13），降温后的二次回水（12）继续吸收热泵冷凝器（11）中热侧制冷剂（9）的热量，冷凝后的制冷剂（9）经过热力节流阀（14）流向热泵蒸发器（8）吸收热侧一次回水（7）的热量。
4.根据权利3所述的超长重力循环热管地热供暖装置的方法，其特征在于：钻井（1）的直径在20-30cm，深度在1.5km-2km。
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