CN112268474A - 一种地热能提取装置及提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地热能提取装置及提取方法。本发明装置的重力热管包括蒸发段、绝热段、冷凝段和回流段，蒸发段远离绝热段方向端封口，且蒸发段、绝热段、冷凝段、板式换热器、回流段、气液分隔器顺序首尾对接，气液分隔器套设在绝热段的一段管壁上，且气液分隔器以无缝焊接的方式固定在绝热段该段管壁上，气液分隔器内部与该段管壁之间形成独立空间，该空间的出液端为设置在该段管壁上的导流孔；热转移管包括进液段与出液段，进液段出液端与出液段进液端均分别与板式换热器内部导通。本发明方法通过该装置操作实现。本发明既环保又经济，不需要消耗泵功，同时热管的传热速度快、传热稳定，能提高热能开采效率。
Description
技术领域
本发明属于地热能开采领域，尤其涉及一种两相闭式热虹吸管式地热能提取装置及地热能提取方法。
背景技术
地热资源目前有浅层地源热能和地下深部地热能。浅层地源热能，即地源热泵(Ground Source HeatPump)，是指在地面以下几百至几千米深处的位置，一般温度不会超过25℃，该部分热能目前主要用于家用取暖；另一部分是地下深部地热能，该部分热能埋藏在距离地表3～10千米干热岩内，岩层温度150～650℃，层内几乎没有水或者蒸汽，存在于一定孔隙率以及较小的渗透率的岩石中。温度梯度大于50℃/km的地热资源被认为具有开发利用价值，目前该热能主要应用于取热发电。
据有关部门考察，地球内部目前储存的地热能总能量超过地球煤炭总资源的1.7亿倍。我国的干热岩总储量能达到千万亿吨标准煤。据统计2016年全国能源使用消耗表观为41.8亿吨标准煤，如果能够对少量的干热岩资源进行开发利用，代替一次性化石能源，能够大大地减缓能源压力，同时减少化石能源带来的环境污染，促进社会经济稳定持续发展。我国干热岩资源储量巨大，如果按照可利用资源量占总资源的储量计算，是传统水热地热资源的168倍。我国干热岩型地热系统分布广泛，类型多样，有隆起山地型，主要分布在西南地区的藏南、滇西等区；有沉积盆地型，主要分布在中东部的中新生代裂谷及断陷盆地中。
传统的干热岩热能开采系统，对地下深处的高温岩石进行人工压裂，使这些裂缝连接成系统性通道，形成人工热储。在该开采系统中，冷流体通过通道入口到裂缝与高温岩石进行热量交换，经过升温的流体通过出口将热量取出。地面设备将热量利用之后，高温流体重新变成低温流体进行取热的循环，从而实现深层地热能的开采和利用。这种热能开采的方式意味着需要大量的泵功将流体灌入和排出，同时由于裂缝的不规则性，热媒流体在地下循环过程中会存在大量流失的现象，水也会不可避免地和岩石接触发生一些非热反应，影响整个采热过程。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种两相闭式热虹吸管式地热能提取装置，旨在解决现有干热岩热能开采系统操作过程中热媒流体在地下循环过程中会存在大量流失以及采热效率低等问题。
本发明的再一目的在于提供上述两相闭式热虹吸管式地热能提取装置在对地热能进行提取的方法。
本发明是这样实现的，一种地热能提取装置，该装置包括重力热管、热转移管、板式换热器、气液分隔器；
所述重力热管包括蒸发段、绝热段、冷凝段和回流段，所述蒸发段远离绝热段方向端封口，且所述蒸发段、绝热段、冷凝段、板式换热器、回流段、气液分隔器顺序首尾对接，所述气液分隔器套设在绝热段的一段管壁上，且气液分隔器以无缝焊接的方式固定在绝热段该段管壁上，气液分隔器内部与该段管壁之间形成独立空间，该空间的出液端为设置在该段管壁上的导流孔；
所述热转移管包括进液段与出液段，所述进液段出液端与出液段进液端均分别与板式换热器内部导通。
优选地，该装置还包括导流筒，其中，所述回流段、导流筒、气液分隔器顺序首尾对接。
优选地，所述回流段且位于导流筒与换热器之间的管体上设有液体均布器。
优选地，所述回流段且位于液体均布器与换热器之间的管体上设有阀门、流量计。
本发明进一步公开了上述地热能提取装置对地热能进行提取的方法，该方法具体为：
(1)往地下干热岩热储区域注入充入CO2，CO2气体在该区域形成低黏度、高密度特性、高渗流能力的超临界形态CO2，通过该形态CO2与该干热岩热储区域进行对流形式的换热；
(2)将重力热管蒸发段插入到该地下干热岩热储区域，蒸发段内工作介质通过管壁吸收超临界形态CO2的热量并形成上升的气态工作介质，所述气态工作介质依次通过绝热段、冷凝段并与板式换热器完成热量释放形成冷液态工作介质，该冷液态工作介质依次通过回流段进入气液分隔器，通过气液分隔器完成气态工作介质和液态工作介质分开后，该冷液态工作介质进入所述独立空间并由所述导流孔沿管壁内侧流入蒸发段内；其中，在蒸发段内部，所述冷液态工作介质、气态工作介质形成密度差并驱动工作介质在重力热管内循环；
(3)板式换热器吸收的热量转移至热转移管，热转移管进液段进液端与出液段出液端插入到容器内盛放热交换介质的液面下完成热量转移。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过人工压裂将二氧化碳注入地下热储中，二氧化碳在高温高压下具有超临界性，超临界二氧化碳在热储中形成对流，不断将地热能传递给重力热管中的工作介质，热管中的工作介质受热蒸发，将热量传输至地面板式换热器，换热后的工作介质形成冷凝液回流至重力热管蒸发段内，在上升的气态工作介质和回流的冷凝液工作介质的交界处，气液分隔器可以使蒸汽和冷凝液通道分开，避免在气液交界处发生携带极限导致蒸发段干涸，提高采热效率；
(2)本发明的采热过程中，干热岩地热热储超临界二氧化碳可以地下封装二氧化碳，既环保又经济；
(3)本发明热管的工作原理则是通过密闭空间内的工作介质的蒸发和冷凝，吸收和释放汽化潜热来传递热量，不需要消耗泵功，同时热管的传热速度快、传热稳定，能提高热能开采效率。
附图说明
图1为本发明地热能提取装置的整体结构示意图；
图2为本发明装置中汽液分离器在重力热管上安装后的正视结构图；
图3为图2中A-A的剖视结构图；
图4是图2中B-B的剖视结构图；
图5为本发明装置中导流筒的结构示意图；
图6为本发明装置中冷凝液体均布器的结构示意图；
图7是图6中C-C的剖视结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1～7所示，图1为本发明地热能提取装置的整体结构示意图；图2为本发明装置中汽液分离器在重力热管上安装后的正视结构图；图3为图2中A-A的剖视结构图；图4是图2中B-B的剖视结构图；图5为本发明装置中导流筒的结构示意图；图6为本发明装置中冷凝液体均布器的结构示意图；图7是图6中C-C的剖视结构图。
本发明公开了一种两相闭式热虹吸管式地热能提取装置，该装置包括重力热管1、热转移管2、板式换热器3、气液分隔器4；所述重力热管1包括蒸发段1A、绝热段1B、冷凝段1C和回流段1D，所述蒸发段1A远离绝热段1B方向端封口，且所述蒸发段1A、绝热段1B、冷凝段1C、板式换热器3、回流段1D、气液分隔器4顺序首尾对接，所述气液分隔器4套设在绝热段1B的一段管壁上，且气液分隔器4以无缝焊接的方式固定在绝热段1B该段管壁上，气液分隔器4内部与该段管壁之间形成独立空间5，该空间的出液端为设置在该段管壁上的导流孔6；
所述热转移管2包括进液段2A与出液段2B，所述进液段2A出液端与出液段2B进液端均分别与板式换热器3内部导通。
在本发明实施例中，具体而言，气液分隔器4为筒状，该气液分隔器4套设在绝热段1B的一段管壁上，且气液分隔器4两端无缝焊接在绝热段1B管壁上，由此，气液分隔器4与该段管壁之间形成上述独立空间5，该独立空间5底部且位于该管壁上设有若干导流孔6，该导流孔6构成了气液分隔器4的出液端；其中，独立空间5的作用不仅起到缓冲和存储液态工作介质的作用，还能有效的将重力热管1中上升的气态工作介质通道和回流管中回流的冷液态工作介质通道分隔开来，以避免在汽液交界处发生携带极限导致蒸发段1A干涸的问题，并且气液分隔还用于将液态工作介质中的气态成份分隔出来以避免直接进入到绝热段1B和蒸发段1A内。此外，绝热段1B、冷凝段1C以及气液分隔器4所形成的结构关系的一个重要优势体现在，在独立空间5内往下流入蒸发段1A内的冷液态工作介质以及蒸发端内上升的热携带气态工作介质之间会形成一种密度差，在不借助外部泵驱动的情况下，该密度差能驱动工作介质在重力热管1内自行循环。
在进一步的实施过程中，为延长汽液分离器的使用寿命，具体的，该装置还包括导流筒7，其中，所述回流段1D、导流筒7、气液分隔器4顺序首尾对接。导流筒7能有效避免回流管独立段冷凝液对汽液分离器造成的直接冲刷。
在进一步的实施过程中，为利于回流的冷凝液的均匀分布，在本发明实施例中，具体的，所述回流段1D且位于导流筒7与换热器之间的管体上设有液体均布器8。本发明中的液体均布器8可以将回流的冷凝液以均布器的伞面分布，并从均布器的底部与回流管之间的环隙流出。
在进一步的实施过程中，为确保对管道内压力、流量的监控与控制，具体的，所述回流管的独立段且位于液体均布器8与换热器之间的管体上设有阀门9、流量计10。
此外，作为一种内循环的常规设置方式，本发明装置应当还包括用于盛放热交换介质的容器11，其中，热转移管2进液段2A进液端与出液段2B出液端均位于容器内热交换介质液面下。
在本发明装置的实际应用过程中，重力热管1的蒸发段1A长300米、绝热段1B长3700米；此外，不同于传统重力热管，本发明中重力热管1的冷凝段1C与蒸发段1A、绝热段1B不在同一根竖直管道上，其中，在板式换热器3位置处的重力热管1冷凝段1C、回流管均为水平设置管道。在本发明实施例中，重力热管1蒸发段1A底端封口，通过在该蒸发段1A内填充工作介质，将蒸发段1A、绝热段1B一体插入地面下，当蒸发段1A受热后，该工作介质形成气态，气态工作介质依次通过绝热段1B、冷凝段1C并进入板式换热器3完成热量释放，释放热量后的工作介质冷凝成液态，该液态工作介质由回流段1D进入气液分隔器4，液态工作介质通过气液分隔器4后进入到独立空间5内，在重力作用下，该独立空间5内的液态工作介质通过导流孔6进入绝热段1B并沿管壁回流到蒸发段1A内；与此同时，热转移管2内循环热交互介质，通过该热交互介质完成对板式换热器3所吸收热量的转移。
本发明进一步提供了上述地热能提取装置对地热能进行提取的方法，并用以进一步说明本发明地热能提取装置的实际应用操作过程，该方法具体为：
(1)往地下干热岩热储区域注入充入CO2，CO2气体在该区域形成低黏度、高密度特性、高渗流能力的超临界形态CO2，通过该形态CO2与该干热岩热储区域进行对流形式的换热；
(2)将重力热管1蒸发段1A插入到该地下干热岩热储区域，蒸发段1A内工作介质通过管壁吸收超临界形态CO2的热量并形成上升的气态工作介质，所述气态工作介质依次通过绝热段1B、冷凝段1C并与板式换热器3完成热量释放形成冷液态工作介质，该冷液态工作介质依次通过回流段1D进入气液分隔器4，通过气液分隔器4完成气态工作介质和液态工作介质分开后，该冷液态工作介质进入所述独立空间5并由所述导流孔6沿管壁内侧流入蒸发段1A内；其中，在蒸发段1A内部，所述冷液态工作介质、气态工作介质形成密度差并驱动工作介质在重力热管1内循环；
(3)板式换热器3吸收的热量转移至热转移管2，热转移管2进液段2A进液端与出液段2B出液端插入到容器内盛放热交换介质的液面下完成热量转移。
本发明通过人工压裂将二氧化碳注入地下热储中，二氧化碳在高温高压下具有超临界性，超临界二氧化碳在热储中形成对流，不断将地热能传递给重力热管1中的工作介质，热管中的工作介质受热蒸发，将热量传输至地面板式换热器3，换热后的工作介质形成冷凝液回流至重力热管1蒸发段1A内，在上升的气态工作介质和回流的冷凝液工作介质的交界处，气液分隔器4可以使蒸汽和冷凝液通道分开，避免在气液交界处发生携带极限导致蒸发段1A干涸，提高采热效率；此外，本发明的采热过程中，干热岩地热热储超临界二氧化碳可以地下封装二氧化碳，既环保又经济；最后，本发明热管的工作原理则是通过密闭空间内的工作介质的蒸发和冷凝，吸收和释放汽化潜热来传递热量，不需要消耗泵功，同时热管的传热速度快、传热稳定，能提高热能开采效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种地热能提取装置，其特征在于，该装置包括重力热管、热转移管、板式换热器、气液分隔器；
所述重力热管包括蒸发段、绝热段、冷凝段和回流段，所述蒸发段远离绝热段方向端封口，且所述蒸发段、绝热段、冷凝段、板式换热器、回流段、气液分隔器顺序首尾对接，所述气液分隔器套设在绝热段的一段管壁上，且气液分隔器以无缝焊接的方式固定在绝热段该段管壁上，气液分隔器内部与该段管壁之间形成独立空间，该空间的出液端为设置在该段管壁上的导流孔；
所述热转移管包括进液段与出液段，所述进液段出液端与出液段进液端均分别与板式换热器内部导通。
2.如权利要求1所述的地热能提取装置，其特征在于，该装置还包括导流筒，其中，所述回流段、导流筒、气液分隔器顺序首尾对接。
3.如权利要求2所述的地热能提取装置，其特征在于，所述回流段且位于导流筒与换热器之间的管体上设有液体均布器。
4.如权利要求3所述的地热能提取装置，其特征在于，所述回流段且位于液体均布器与换热器之间的管体上设有阀门、流量计。
5.权利要求1～4任一项地热能提取装置对地热能进行提取的方法，其特征在于，该方法具体为：
(1)往地下干热岩热储区域注入充入CO2，CO2气体在该区域形成低黏度、高密度特性、高渗流能力的超临界形态CO2，通过该形态CO2与该干热岩热储区域进行对流形式的换热；
(2)将重力热管蒸发段插入到该地下干热岩热储区域，蒸发段内工作介质通过管壁吸收超临界形态CO2的热量并形成上升的气态工作介质，所述气态工作介质依次通过绝热段、冷凝段并与板式换热器完成热量释放形成冷液态工作介质，该冷液态工作介质依次通过回流段进入气液分隔器，通过气液分隔器完成气态工作介质和液态工作介质分开后，该冷液态工作介质进入所述独立空间并由所述导流孔沿管壁内侧流入蒸发段内；其中，在蒸发段内部，所述冷液态工作介质、气态工作介质形成密度差并驱动工作介质在重力热管内循环；
(3)板式换热器吸收的热量转移至热转移管，热转移管进液段进液端与出液段出液端插入到容器内盛放热交换介质的液面下完成热量转移。
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