CN112555108B - 一种高效清洁利用地热热能的简捷取热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效清洁利用地热热能的简捷取热方法，解决了现有地热取热中存在的设备庞大，施工成本高昂，容易发生污染地下水的问题。采用取热不取水的总思路，摒弃抽取地下热水的传统方式，将超临界CO2与热水换热的换热器，设置在地下热水井中，将地下热水的热能在地下直接换热到超临界CO2工质中，通过超临界CO2循环泵，将获能的超临界CO2工质泵到地面进行发电或换热，再将做功后的超临界CO2回送到地下换热器中，进行再次获取热能，如此循环往复，实现地下热能的高效利用，在整个过程中，地下热水不需抽取到地面，并与换热介质隔绝，实现了清洁利用，保护了地表结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种地热能利用系统，特别涉及一种可高效率清洁利用地热能的简单块捷的取热系统及取热方法。
背景技术
超临界CO2循环系统（Supercritical Carbon Dioxide Cycle）是一种利用超临界CO2作为工质的发电系统，该系统采用超临界压力状态的CO2作为循环工质，在换热器中吸收热量，然后转换成高温热能的超临界CO2，进入涡轮机膨胀做功，从而带动发电机进行发电，完成做功的超临界CO2，通过冷却器和循环泵重新再回到换热器中吸收热量，之后再进入涡轮机膨胀做功，如此循环，完成发电任务；超临界CO2循环系统中的换热器，一般选择地热换热器，当地热换热器所提供的换热温度达到摄氏100度以上时，才适合超临界CO2循环系统完成发电任务，当地热水温度较低时，需要对一次换热后的超临界CO2进行二次换热，使超临界CO2达到发电要求。
CO2常温常压下为气态，在常温一定压力下可凝结成液体，压力撤销后，迅速蒸发（升华），带走大量的热量；当CO2的温度和压力均超过临界值时，被称为超临界CO2，CO2在超临界条件下放热存在一个相当大的温度滑移，有利于将热水加热到一个更高的温度，超临界CO2与热水换热的换热器正在被推广应用。
地热热能是一种清洁可再生能源，在绿色低碳城市化建设中，越来越被广泛地开发利用，例如：利用地热能进行发电，以及利用地热能进行采暖；地热能一般以地下热水的形式存在，通常采用抽取地下热水到地面的方式，进行地热的利用，为了使地表结构不被破坏，一般将热能利用后的地下水再回灌到地下，为了使回灌水不影响抽取热水的热能利用，一般在地面需要打两口彼此独立的井，一眼井用于抽取地下热水，另一眼井用于利用热能后水的回灌，这种地热能的利用方法存在以下缺陷：（1）将地下水抽取到地面的热能利用方式存在配备抽取和回灌设备，施工成本高，设备体积庞大，在抽取过程中地下热水的热能损失比较大；（2）在抽取和回灌过程中容易造成地下水被污染，抽取的水量大于回灌的水量，存在地面结构被破坏的隐患。
发明内容
本发明提供了一种高效清洁利用地热热能的简捷取热方法，解决了现有地热取热中存在的设备庞大，施工成本高昂，容易发生污染地下水的技术问题。
本发明是通过以下技术方案解决以上技术问题的：
本发明的总体构思是：采用取热不取水的总思路，摒弃抽取地下热水的传统方式，将超临界CO2与热水换热的换热器，设置在地下热水井中，将地下热水的热能在地下直接换热到超临界CO2工质中，通过超临界CO2循环泵，将获能的超临界CO2工质泵到地面进行发电或换热，再将做功后的超临界CO2回送到地下换热器中，进行再次获取热能，如此循环往复，实现地下热能的高效利用，在整个过程中，地下热水不需抽取到地面，并与换热介质隔绝，实现了清洁利用，保护了地表结构。
一种高效清洁利用地热热能的简捷取热系统，包括地下热水水井、超临界CO2工质储液罐、超临界CO2循环泵、超临界CO2发电机组和超临界CO2与地上水换热的换热器，在地下热水水井中，设置有超临界CO2与地下热水换热的换热器，超临界CO2与地下热水换热的换热器设置在地下热水中，在超临界CO2与地下热水换热的换热器下方的地下热水中，设置有热水搅动电机，在热水搅动电机上连接有热水搅动叶轮；超临界CO2工质储液罐的超临界CO2工质输出口，通过储液罐输出管道，与超临界CO2循环泵的超临界CO2工质输入口连接在一起，超临界CO2循环泵的超临界CO2工质输出口，通过工质下降管道，与超临界CO2与地下热水换热的换热器上的超临界CO2输入口连接在一起，超临界CO2与地下热水换热的换热器上的超临界CO2输出口，通过工质上升管道，与第一个三通的第一管口连接在一起，第一个三通的第二管口，通过超临界CO2发电输入管道，与超临界CO2发电机组连接在一起，在超临界CO2发电机组的做功后超临界CO2输出端口上，连接有做功后超临界CO2输出管道，做功后超临界CO2输出管道的另一端与第二个三通的第一管口连接在一起，第二个三通的第二管口通过管道与超临界CO2工质储液罐的输入端口连接在一起，在第一个三通的第三管口上连接有超临界CO2换热输入管道，超临界CO2换热输入管道的另一端，与超临界CO2与地上水换热的换热器的超临界CO2换热输入端连接在一起，在超临界CO2与地上水换热的换热器的超临界CO2换热后输出端上，连接有超临界CO2换热后输出管道，超临界CO2换热后输出管道的另一端与第二个三通的第三管口连接在一起，在超临界CO2换热输入管道上，设置有第一电控阀，在超临界CO2发电输入管道上，设置有第二电控阀。
超临界CO2与地下热水换热的换热器是由分液箱、集液箱和水平传导超临界CO2工质内螺纹管组成的，在分液箱与集液箱之间，等间隔地连通有水平传导超临界CO2工质内螺纹管，在分液箱的顶端设置有超临界CO2工质入口，超临界CO2工质入口与工质下降管道的下端口连接在一起，在集液箱的顶端设置有超临界CO2工质出口，超临界CO2工质出口与工质上升管道的下端口连接在一起。
在工质下降管道的上端口上设置有导流环，在导流环上设置有十字形隔断，十字形隔断将导流环外圈分割成四个扇形窗口；在工质下降管道的内侧壁上设置有螺旋形下降凹槽通道。
一种高效清洁利用地热热能的简捷取热方法，包括以下步骤：
第一步、分别制作密闭的分液箱和集液箱，在分液箱与集液箱之间，等间隔地设置水平传导超临界CO2工质内螺纹管，使分液箱、集液箱和水平传导超临界CO2工质内螺纹管连接后组成密闭的地下热水换热的换热器，在分液箱的超临界CO2工质入口上，连接工质下降管道，在集液箱的超临界CO2工质出口上，连接工质上升管道；
第二步、设置地下热水水井，在热水搅动电机的输出轴上，连接热水搅动叶轮，将热水搅动电机和热水搅动叶轮放置到地下热水水井的地下热水中；
第三步、将第一步组装好的超临界CO2与地下热水换热的换热器放入到地下热水水井的地下热水中；
第四步、将超临界CO2工质储液罐的超临界CO2工质输出口，通过超临界CO2循环泵，与工质下降管道的上端口连接在一起，在工质上升管道的上端口与超临界CO2工质储液罐的超临界CO2工质输入口之间，并联超临界CO2与地上水换热的换热器和超临界CO2发电机组；
第五步、同时启动超临界CO2循环泵和热水搅动电机，超临界CO2工质储液罐中的超临界CO2工质，经工质下降管道进入到分液箱中，再经过水平传导超临界CO2工质内螺纹管进入到集液箱中，水平传导超临界CO2工质内螺纹管中传导的超临界CO2工质与地下热水水井的地下热水进行换热，获得热能的超临界CO2工质通过工质上升管道上升到地面后，或通过超临界CO2发电机组发电，或通过超临界CO2与地上水换热的换热器对地上水进行加热，再进入到超临界CO2工质储液罐中，进入到超临界CO2工质储液罐中的超临界CO2工质，会再次经过超临界CO2循环泵，进入到工质下降管道中；如此循环，实现了地下热水水井中的地下热水的热能的高效清洁利用。
在工质下降管道的上端口上，设置有导流环，在导流环上设置有十字形隔断，十字形隔断与导流环外圈组成了四个扇形窗口；在工质下降管道的内侧壁上设置有螺旋形下降凹槽通道，螺旋形下降凹槽通道是沿顺时针方向设置的，其螺旋方向与沿工质下降管道下降的超临界CO2工质的螺旋下降方向相反，以克服下降中的超临界CO2工质在工质下降管道中出现空心现象。
本发明在无需抽取地下热水的前提下，实现了地热资源的高效清洁循环利用；还可根据地热资源的温度，灵活分配地面对外供热和对外发电的比例。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的超临界CO2与地下热水换热的换热器3的结构示意图；
图3是本发明的工质下降管道10的结构示意图；
图4是本发明的工质下降管道10上端口上的导流环26的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明：
一种高效清洁利用地热热能的简捷取热系统，包括地下热水水井1、超临界CO2工质储液罐7、超临界CO2循环泵6、超临界CO2发电机组9和超临界CO2与地上水换热的换热器8，在地下热水水井1中，设置有超临界CO2与地下热水换热的换热器3，超临界CO2与地下热水换热的换热器3设置在地下热水2中，在超临界CO2与地下热水换热的换热器3下方的地下热水2中，设置有热水搅动电机4，在热水搅动电机4上连接有热水搅动叶轮5；超临界CO2工质储液罐7的超临界CO2工质输出口，通过储液罐输出管道，与超临界CO2循环泵6的超临界CO2工质输入口连接在一起，超临界CO2循环泵6的超临界CO2工质输出口，通过工质下降管道10，与超临界CO2与地下热水换热的换热器3上的超临界CO2输入口连接在一起，超临界CO2与地下热水换热的换热器3上的超临界CO2输出口，通过工质上升管道11，与第一个三通12的第一管口连接在一起，第一个三通12的第二管口，通过超临界CO2发电输入管道16，与超临界CO2发电机组9连接在一起，在超临界CO2发电机组9的做功后超临界CO2输出端口上，连接有做功后超临界CO2输出管道17，做功后超临界CO2输出管道17的另一端与第二个三通13的第一管口连接在一起，第二个三通13的第二管口通过管道与超临界CO2工质储液罐7的输入端口连接在一起，在第一个三通12的第三管口上连接有超临界CO2换热输入管道18，超临界CO2换热输入管道18的另一端，与超临界CO2与地上水换热的换热器8的超临界CO2换热输入端连接在一起，在超临界CO2与地上水换热的换热器8的超临界CO2换热后输出端上，连接有超临界CO2换热后输出管道19，超临界CO2换热后输出管道19的另一端与第二个三通13的第三管口连接在一起，在超临界CO2换热输入管道18上，设置有第一电控阀14，在超临界CO2发电输入管道16上，设置有第二电控阀15；若地下热水2的温度高于摄氏100度时，可关闭第一电控阀14，使获能的超临界CO2工质驱动超临界CO2发电机组9发电；若地下热水2的温度低于摄氏100度时，可关闭第二电控阀15，使获能的超临界CO2工质通过超临界CO2与地上水换热的换热器8对地上水进行加热，换能后的超临界CO2工质温度下降，依次通过超临界CO2工质储液罐7、超临界CO2循环泵6和工质下降管道10，再次进入到超临界CO2与地下热水换热的换热器3中进行吸热，超临界CO2工质在密闭的循环回路中，是由超临界CO2循环泵6驱动，完成整个循环的，水平传导超临界CO2工质波纹管22外的地下热水2与水平传导超临界CO2工质波纹管22换能后，温度降低后，被热水搅动叶轮5与井中远处的热水形成互换，使水平传导超临界CO2工质波纹管22外井水的温度足够高，保证了与水平传导超临界CO2工质波纹管22中的超临界CO2工质获得热能；本发明的超临界CO2工质在地面及井下组成的密闭的循环通道中循环做功，地下热水水井1中的地下热水2，在井中实现自身的流动，通过超临界CO2与地下热水换热的换热器3，源源不断地将地下热水中的热能便捷地取热到地面，真正实现了取热而不取水的效果，彻底消除了地下水免遭污染的隐患，整个设备简捷，高效。
超临界CO2与地下热水换热的换热器3是由分液箱20、集液箱21和水平传导超临界CO2工质内螺纹管22组成的，在分液箱20与集液箱21之间，等间隔地连通有水平传导超临界CO2工质内螺纹管22，水平传导超临界CO2工质内螺纹管22在竖直方向上交叉布置，在分液箱20的顶端设置有超临界CO2工质入口23，超临界CO2工质入口23与工质下降管道10的下端口连接在一起，在集液箱21的顶端设置有超临界CO2工质出口24，超临界CO2工质出口24与工质上升管道11的下端口连接在一起；广义上讲，可以认为本发明的超临界CO2与地下热水换热的换热器3是由分液箱20、集液箱21、水平传导超临界CO2工质内螺纹管22和地下热水水井1组成，换热的两介质：超临界CO2工质和地下热水2，各自在自己的循环回路中，实现循环换能。
在工质下降管道10的上端口上设置有导流环26，在导流环26上设置有十字形隔断27，十字形隔断27将导流环外圈分割成四个扇形窗口28；在工质下降管道10的内侧壁上设置有螺旋形下降凹槽通道25；由于超临界CO2工质在工质下降管道10垂直下降过程中，很容易沿逆时针方向形成旋涡，造成下降工质的空心现象，十字形隔断27和螺旋形下降凹槽通道25的设置是为了给垂直下降的超临界CO2工质制造扰动，使其不产生空心现象，保证超临界CO2工质在循环通道中密实，实现可靠地换能和做功。
一种高效清洁利用地热热能的简捷取热方法，包括以下步骤：
第一步、分别制作密闭的分液箱20和集液箱21，在分液箱20与集液箱21之间，等间隔地设置水平传导超临界CO2工质内螺纹管22，使分液箱20、集液箱21和水平传导超临界CO2工质内螺纹管22连接后组成密闭的地下热水换热的换热器3，在分液箱20的超临界CO2工质入口23上，连接工质下降管道10，在集液箱21的超临界CO2工质出口24上，连接工质上升管道11；
第二步、设置地下热水水井1，在热水搅动电机4的输出轴上，连接热水搅动叶轮5，将热水搅动电机4和热水搅动叶轮5放置到地下热水水井1的地下热水2中；
第三步、将第一步组装好的超临界CO2与地下热水换热的换热器3放入到地下热水水井1的地下热水2中；
第四步、将超临界CO2工质储液罐7的超临界CO2工质输出口，通过超临界CO2循环泵6，与工质下降管道10的上端口连接在一起，在工质上升管道11的上端口与超临界CO2工质储液罐7的超临界CO2工质输入口之间，并联超临界CO2与地上水换热的换热器8和超临界CO2发电机组9；
第五步、同时启动超临界CO2循环泵6和热水搅动电机4，超临界CO2工质储液罐7中的超临界CO2工质，经工质下降管道10进入到分液箱20中，再经过水平传导超临界CO2工质内螺纹管22进入到集液箱21中，水平传导超临界CO2工质内螺纹管22中传导的超临界CO2工质与地下热水水井1的地下热水2进行换热，获得热能的超临界CO2工质通过工质上升管道11上升到地面后，或通过超临界CO2发电机组9发电，或通过超临界CO2与地上水换热的换热器8对地上水进行加热，再进入到超临界CO2工质储液罐7中，进入到超临界CO2工质储液罐7中的超临界CO2工质，会再次经过超临界CO2循环泵6，进入到工质下降管道10中；如此循环，实现了地下热水水井1中的地下热水2的热能的高效清洁利用。
在工质下降管道10的上端口上，设置有导流环26，在导流环26上设置有十字形隔断27，十字形隔断27与导流环外圈组成了四个扇形窗口28；在工质下降管道10的内侧壁上设置有螺旋形下降凹槽通道25，螺旋形下降凹槽通道25是沿顺时针方向设置的，其螺旋方向与沿工质下降管道10下降的超临界CO2工质的螺旋下降方向相反，以克服下降中的超临界CO2工质在工质下降管道10中出现空心现象。
Claims (2)
1.一种高效清洁利用地热热能的简捷取热方法，包括以下步骤：
第一步、分别制作密闭的分液箱（20）和集液箱（21），在分液箱（20）与集液箱（21）之间，等间隔地设置水平传导超临界CO2工质内螺纹管（22），使分液箱（20）、集液箱（21）和水平传导超临界CO2工质内螺纹管（22）连接后组成密闭的地下热水换热的换热器（3），在分液箱（20）的超临界CO2工质入口（23）上，连接工质下降管道（10），在集液箱（21）的超临界CO2工质出口（24）上，连接工质上升管道（11）；
第二步、设置地下热水水井（1），在热水搅动电机（4）的输出轴上，连接热水搅动叶轮（5），将热水搅动电机（4）和热水搅动叶轮（5）放置到地下热水水井（1）的地下热水（2）中；
第三步、将第一步组装好的超临界CO2与地下热水换热的换热器（3）放入到地下热水水井（1）的地下热水（2）中；
第四步、将超临界CO2工质储液罐（7）的超临界CO2工质输出口，通过超临界CO2循环泵（6），与工质下降管道（10）的上端口连接在一起，在工质上升管道（11）的上端口与超临界CO2工质储液罐（7）的超临界CO2工质输入口之间，并联超临界CO2与地上水换热的换热器（8）和超临界CO2发电机组（9）；
第五步、同时启动超临界CO2循环泵（6）和热水搅动电机（4），超临界CO2工质储液罐（7）中的超临界CO2工质，经工质下降管道（10）进入到分液箱（20）中，再经过水平传导超临界CO2工质内螺纹管（22）进入到集液箱（21）中，水平传导超临界CO2工质内螺纹管（22）中传导的超临界CO2工质与地下热水水井（1）的地下热水（2）进行换热，获得热能的超临界CO2工质通过工质上升管道（11）上升到地面后，或通过超临界CO2发电机组（9）发电，或通过超临界CO2与地上水换热的换热器（8）对地上水进行加热，再进入到超临界CO2工质储液罐（7）中，进入到超临界CO2工质储液罐（7）中的超临界CO2工质，会再次经过超临界CO2循环泵（6），进入到工质下降管道（10）中；如此循环，实现了地下热水水井（1）中的地下热水（2）的热能的高效清洁利用。
2.根据权利要求1所述的一种高效清洁利用地热热能的简捷取热方法，其特征在于，在工质下降管道（10）的上端口上，设置有导流环（26），在导流环（26）上设置有十字形隔断（27），十字形隔断（27）与导流环外圈组成了四个扇形窗口（28）；在工质下降管道（10）的内侧壁上设置有螺旋形下降凹槽通道（25），螺旋形下降凹槽通道（25）是沿顺时针方向设置的，其螺旋方向与沿工质下降管道（10）下降的超临界CO2工质的螺旋下降方向相反，以克服下降中的超临界CO2工质在工质下降管道（10）中出现空心现象。
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