CN113310230A - 一种带有锥形汇水沉头的多管深井换热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及深井换热技术领域，公开了一种带有锥形汇水沉头的多管深井换热装置，包括护壁套管，所述护壁套管设在深井内，所述护壁套管的上端口设有井口密封装置，所述井口密封装置的端面设有多层环状布置的通孔，所述通孔内设有水管，所述水管的下端设有汇水沉头，所述汇水沉头包括锥形薄壁罩体、盖板，所述锥形薄壁罩体的开口处设有盖板，且盖板的端面设有与水管连接的安装孔，位于内圈的所述水管连接有用于冷水介质注入的冷集分水器，位于外圈的所述水管连接有用于热水介质排出的热集分水器，本申请利用取热不取水的深井换热技术开采干热岩中的热量，实现了地热清洁利用，成本低，强度高，施工难度小，换热效率高，应用前景十分可观。
Description
技术领域
本发明涉及深井换热技术领域，特别涉及一种带有锥形汇水沉头的多管深井换热装置。
背景技术
随着人类对可再生能源需求的增加，地热能的规模化开发利用势在必行，而深层地热能储量丰富，具有极大的开采利用空间，深层地热资源分为水热型地热能和干热岩型地热能，水热型地热能通过直接开采地热水方式实现地热能的利用，然而近年来国家对地下水资源的保护愈加重视，水热型地热资源的开采受到制约，即便在允许开采地下水的情况下，也会由于地下资源的不确定性，迫使实际工程中不得不将水热型地热资源开采技术转化为深井换热技术，另一方面，深井换热技术的发展可对废弃的石油钻井、矿井等井中的热量加以利用，具有明显的节资环保效益。
但是现有的深井换热器的外管均为圆形，使得换热器与地热水之间的热传递时间较短，从而导致换热效果不佳，换热效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有锥形汇水沉头的多管深井换热装置，采用多管和流速差设计，管壁总面积增加，管间间隙有能保证井水的流动性，成本低，施工难度小，换热效率高，有效的解决了上述背景技术中提出的问题。
本发明采用的技术方案如下：一种带有锥形汇水沉头的多管深井换热装置，包括护壁套管，所述护壁套管设在深井内，且护壁套管的滤孔位于地热水流动带上，所述护壁套管的上端口设有井口密封装置，所述井口密封装置的端面设有多层环状布置的通孔，所述通孔的内圈与外圈的排布数量不同或所述通孔的内圈与外圈的直径不同，产生的流速差确保充分换热，所述通孔内设有水管，所述水管的下端设有汇水沉头，所述汇水沉头包括锥形薄壁罩体、盖板，所述锥形薄壁罩体的开口处设有盖板，且盖板的端面设有与通孔一一对应的安装孔，且安装孔与水管连接，位于内圈的所述水管连接有用于冷水介质注入的冷集分水器，位于外圈的所述水管连接有用于热水介质排出的热集分水器。
在具体设置上述井口密封装置时，考虑到地热水可能无法到达井口密封装置位置，进而使得井口密封装置两侧产生压力差，导致井口密封装置变形，所述井口密封装置的直径小于护壁套管的直径，且井口密封装置可以在护壁套管内滑动以适应地热水位高度的变化。
在具体设置上述井口密封装置时，考虑到井口密封装置与水管的密封性问题，所述井口密封装置与水管之间设有耐高温硅胶密封圈。
在具体设置上述汇水沉头时，考虑到地热水的成分不同，为了避免腐蚀以及对地热水形成污染，所述汇水沉头的材质为不锈钢、钛合金中的一种。
在具体设置上述水管时，考虑到水管的座入深度较深，同时考虑到地热水的成分不同，为了避免腐蚀以及对地热水形成污染，所述水管的材质为不锈钢、钛合金中的一种，所述水管为分段焊接组成，所述水管的管壁厚度由上到下逐渐变厚。
在具体设置上述水管时，考虑到水管的座入深度较深，同时考虑到地热水的成分不同，为了避免腐蚀以及对地热水形成污染，所述水管的材质为PERT材料，所述水管为分段通过活节热熔对接组成，所述水管的管壁厚度由上到下逐渐变厚。
在具体设置上述水管时，考虑到同等面积上水管布置的数量多少问题，所述通孔为圆角矩形孔，且通孔的长轴朝向井口密封装置的圆心，所述水管为扁管，且扁管与圆角矩形孔适配，随着水管数量的增加，水流量进一步增大，再次提升了换热效率，并且这样形式的水管之间间隙水阻小，地热水通过性更好。
在具体设置上述冷集分水器与热集分水器时，采用刚性连接的方式，所述冷集分水器包括圆柱注水箱、冷管、第一支管、第一管接头，所述圆柱注水箱为空腔结构，所述圆柱注水箱的侧壁设有冷水介质注入的冷管，所述圆柱注水箱的端面设有与内圈水管数量对应的第一支管，所述第一支管通过第一管接头与位于内圈的水管连接，所述热集分水器包括圆环注水箱、热管、第二支管、第二管接头，所述圆环注水箱为空腔结构，所述圆环注水箱的侧壁设有热水介质排出的热管，所述圆环注水箱的端面设有与外圈水管数量对应的第二支管，所述第二支管通过第二管接头与位于外圈的水管连接。
在具体设置上述冷集分水器与热集分水器时，采用柔性连接的方式，所述冷集分水器与热集分水器均通过软管与水管连接。
本发明的有益效果在于：
1.本申请通过设置水管与汇水沉头，较冷的水介质从冷集分水器进入水管内，经汇水沉头后从热集分水器排出，供回过程中均与地热水介质发生热交换，从而实现取热不取水的目的，其中水管由于采用多管和流速差设计，管壁总面积增加，增加了换热面积，提升换热效率，管间间隙有能保证地热水的流动性，有利于低温回补，其中汇水沉头实现进回水联通，并固定水管，减少下管阻力，降低施工难度。
2.本申请汇水沉头、水管的材质为不锈钢、钛合金，根据地热水的成分不同进行调整，避免腐蚀，以及对井水形成污染；水管的另一种材质为PERT材料，具有耐高温耐老化，相较于不锈钢和钛合金更好施工，成本更低。
3.本申请水管采用分段式焊接，且管壁厚度由上到下逐渐变厚，结构强度高，且进一步节省了材料成本，并且水管优选的结构为扁管，在同等面积上相较于圆管，扁管的布置数量更多，随着水管数量的增加，水流量进一步增大，再次提升了换热效率，并且这样形式的水管之间间隙水阻小，地热水通过性更好。
4.本申请通过设置冷集分水器与热集分水器，可以将水管内的冷水介质汇集后分流入水管内，可以将水管内完成换热的热水介质汇集后排出，每一路水量均衡，降低了管材采购成本，而且极大的降低了施工时间，提高了效率；本申请设计合理，结构简单，安全可靠，成本低，强度高，施工难度小，换热效率高，应用前景十分可观。
附图说明
图1为本发明的主视剖面结构示意图。
图2为两种结构的井口密封装置俯视结构示意图。
图3为汇水沉头的立体结构示意图。
图4为刚性连接结构的冷集分水器与热集分水器立体结构示意图。
图5为柔性连接结构的冷集分水器与热集分水器立体结构示意图。
图中：护壁套管1、井口密封装置2、通孔2.1、水管3、汇水沉头4、锥形薄壁罩体4.1、盖板4.2、安装孔4.3、冷集分水器5、圆柱注水箱5.1、冷管5.2、第一支管5.3、第一管接头5.4、热集分水器6、圆环注水箱6.1、热管6.2、第二支管6.3、第二管接头6.4、耐高温硅胶密封圈7、软管8。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍，以下所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种带有锥形汇水沉头的多管深井换热装置，包括护壁套管1，所述护壁套管1设在深井内，且护壁套管1的滤孔位于地热水流动带上，保证地热水流动的时候可以滤净后进入护壁套管1内，用于供热，所述护壁套管1的上端口安装有井口密封装置2，防止地热水喷涌出，并且用于安装水管3，所述井口密封装置2的端面加工有多层环状布置的通孔2.1，所述通孔2.1的内圈与外圈的排布数量不同且所述通孔2.1的内圈与外圈的直径不同，产生的流速差确保充分换热，所述通孔2.1内间隙配合有相适配的水管3，且水管3的下端口位于地热水流动带上，靠近热源保证更好的进行换热，由于采用多管和流速差设计，管壁总面积增加，增加了换热面积，提升换热效率，管间间隙有能保证地热水的流动性，有利于低温回补，所述水管3的下端安装有汇水沉头4，所述汇水沉头4包括锥形薄壁罩体4.1、盖板4.2，所述锥形薄壁罩体4.1的开口处焊接有盖板4.2，且盖板4.2的端面加工有与通孔2.1一一对应的安装孔4.3，且安装孔4.3与水管3连接，实现进回水联通，并固定水管3，减少下管阻力，降低施工难度，位于内圈的所述水管3连接有用于冷水介质注入的冷集分水器5，所述冷集分水器5包括圆柱注水箱5.1、冷管5.2、第一支管5.3、第一管接头5.4，所述圆柱注水箱5.1为空腔结构，所述圆柱注水箱5.1的侧壁焊接有冷水介质注入的冷管5.2，所述圆柱注水箱5.1的端面焊接有与内圈水管3数量对应的第一支管5.3，所述第一支管5.3通过第一管接头5.4与位于内圈的水管3连接，可以将水管3内的冷水介质汇集后分流入水管3内，位于外圈的所述水管3连接有用于热水介质排出的热集分水器6，所述热集分水器6包括圆环注水箱6.1、热管6.2、第二支管6.3、第二管接头6.4，所述圆环注水箱6.1为空腔结构，所述圆环注水箱6.1的侧壁焊接有热水介质排出的热管6.2，所述圆环注水箱6.1的端面焊接有与外圈水管3数量对应的第二支管6.3，所述第二支管6.3通过第二管接头6.4与位于外圈的水管3连接，可以将水管3内完成换热的热水介质汇集后排出，每一路水量均衡，降低了管材采购成本，而且极大的降低了施工时间，提高了效率。
在具体设置上述井口密封装置2时，考虑到地热水可能无法到达井口密封装置2位置，进而使得井口密封装置2两侧产生压力差，导致井口密封装置2变形，所述井口密封装置2的直径小于护壁套管1的直径，且井口密封装置2可以在护壁套管1内滑动以适应地热水位高度的变化，避免井口密封装置2两侧产生压力差，保证了密封性。
在具体设置上述井口密封装置2时，考虑到井口密封装置2与水管3的密封性问题，所述井口密封装置2与水管3之间填充有耐高温硅胶密封圈7，提高密封性能，可拆卸式安装便于后期的维修更换，不会发生局部破损整体更换的问题。
在具体设置上述汇水沉头4时，考虑到地热水的成分不同，为了避免腐蚀以及对地热水形成污染，所述汇水沉头4的材质为不锈钢，根据地热水的成分不同进行调整，避免腐蚀，以及对井水形成污染。
在具体设置上述水管3时，考虑到水管3的座入深度较深，同时考虑到地热水的成分不同，为了避免腐蚀以及对地热水形成污染，所述水管3的材质为不锈钢，根据地热水的成分不同进行调整，避免腐蚀，以及对井水形成污染，所述水管3为分段焊接组成，且焊口接缝高度相同，便于施工下管，所述水管3的管壁厚度由上到下逐渐变厚，结构强度高，且进一步节省了材料成本。
在具体设置上述水管3时，考虑到水管3的座入深度较深，同时考虑到地热水的成分不同，为了避免腐蚀以及对地热水形成污染，所述水管3的材质为PERT材料，所述水管3为分段通过活节热熔对接组成，所述水管3的管壁厚度由上到下逐渐变厚，具有耐高温耐老化，相较于不锈钢和钛合金更好施工，成本更低。
在具体设置上述水管3时，考虑到同等面积上水管3布置的数量多少问题，所述通孔2.1为圆角矩形孔，且通孔2.1的长轴朝向井口密封装置2的圆心，所述水管3为扁管，且扁管与圆角矩形孔适配，在同等面积上相较于圆管，扁管的布置数量更多，随着水管3数量的增加，水流量进一步增大，再次提升了换热效率，并且这样形式的水管3之间间隙水阻小，地热水通过性更好。
在具体设置上述冷集分水器5与热集分水器6时，另一种实施形式为，所述冷集分水器5与热集分水器6均通过软管8与水管3连接，采用现有分水器结构，制造成本低，安装位置多样，实用性强。
应用场景及工作原理：场景一替代之前的抽水取热，所以深井是现成的，深井的护壁套管1也是现成的，操作人员开始下水管3，完成一段水管3的下管后，开始对接焊下一段水管3，在下管的同时进行无损探伤，直至完成所有水管3的安装，在水管3与井口密封装置2的通孔2.1之间填充耐高温硅胶密封圈7，根据地热水水位调节井口密封装置2的位置，可以采用刚性连接冷集分水器5与热集分水器6，或者采用柔性连接冷集分水器5与热集分水器6，具体的换热过程从冷集分水器5注入冷水介质，在冷集分水器5的均分作用下，冷水介质经位于外圈的水管3进入汇水沉头4内，然后经位于内圈的水管3排入热集分水器6内，在热集分水器6的汇集作用下，排出热水介质，在冷水介质供回过程中均与地热水介质发生热交换，从而实现取热不取水的目的；场景二新开深井，在保证垂直度的前提下座入护壁套管11，然后开始水管3的下管，取热过程与上述场景一相同；本申请设计合理，结构简单，安全可靠，成本低，强度高，施工难度小，换热效率高，应用前景十分可观。
尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行和修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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 (10)
1.一种带有锥形汇水沉头的多管深井换热装置，包括护壁套管，所述护壁套管设在深井内，且护壁套管的滤孔位于地热水流动带上，其特征在于：所述护壁套管的上端口设有井口密封装置，所述井口密封装置的端面设有多层环状布置的通孔，所述通孔内设有水管，所述水管的下端设有汇水沉头，所述汇水沉头包括锥形薄壁罩体、盖板，所述锥形薄壁罩体的开口处设有盖板，且盖板的端面设有与通孔一一对应的安装孔，且安装孔与水管连接，位于内圈的所述水管连接有用于冷水介质注入的冷集分水器，位于外圈的所述水管连接有用于热水介质排出的热集分水器。
2.根据权利要求1所述的一种带有锥形汇水沉头的多管深井换热装置，其特征在于：所述通孔的内圈与外圈的排布数量不同或所述通孔的内圈与外圈的直径不同，产生的流速差确保充分换热。
3.根据权利要求1所述的一种带有锥形汇水沉头的多管深井换热装置，其特征在于：所述井口密封装置的直径小于护壁套管的直径，且井口密封装置可以在护壁套管内滑动以适应地热水位高度的变化。
4.根据权利要求1所述的一种带有锥形汇水沉头的多管深井换热装置，其特征在于：所述井口密封装置与水管之间设有耐高温硅胶密封圈。
5.根据权利要求1所述的一种带有锥形汇水沉头的多管深井换热装置，其特征在于：所述汇水沉头的材质为不锈钢、钛合金中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种带有锥形汇水沉头的多管深井换热装置，其特征在于：所述水管的材质为不锈钢、钛合金中的一种，所述水管为分段焊接组成，所述水管的管壁厚度由上到下逐渐变厚。
7.根据权利要求1所述的一种带有锥形汇水沉头的多管深井换热装置，其特征在于：所述水管的材质为PERT材料，所述水管为分段通过活节热熔对接组成，所述水管的管壁厚度由上到下逐渐变厚。
8.根据权利要求1所述的一种带有锥形汇水沉头的多管深井换热装置，其特征在于：所述通孔为圆角矩形孔，且通孔的长轴朝向井口密封装置的圆心，所述水管为扁管，且扁管与圆角矩形孔适配。
9.根据权利要求1所述的一种带有锥形汇水沉头的多管深井换热装置，其特征在于：所述冷集分水器包括圆柱注水箱、冷管、第一支管、第一管接头，所述圆柱注水箱为空腔结构，所述圆柱注水箱的侧壁设有冷水介质注入的冷管，所述圆柱注水箱的端面设有与内圈水管数量对应的第一支管，所述第一支管通过第一管接头与位于内圈的水管连接，所述热集分水器包括圆环注水箱、热管、第二支管、第二管接头，所述圆环注水箱为空腔结构，所述圆环注水箱的侧壁设有热水介质排出的热管，所述圆环注水箱的端面设有与外圈水管数量对应的第二支管，所述第二支管通过第二管接头与位于外圈的水管连接。
10.根据权利要求1所述的一种带有锥形汇水沉头的多管深井换热装置，其特征在于：所述冷集分水器与热集分水器均通过软管与水管连接。
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2021
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