CN113654253B - 一种地热井双层套管换热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地热换热技术领域，且公开了一种地热井双层套管换热装置，包括外套管、内套管，所述外套管的内部固定套设有内套管，所述外套管的内部固定安装有导流环，所述内套管的外侧固定安装有锥形盘。本发明通过内外套管之间设置锥形盘转筒将水流下方的水蒸气引导到内套管中，来减轻水流向下流动时的水蒸气阻力，利用锥形盘的形状以及外部的绞龙导流片引导水流，为水流旋流形成之前增加初始速度，加快水流转动速度，同时利用进风反向相反的内外扇叶，分别引导气流以及水流，使得中部的向上升的水流在内扇叶的作用下，通过进气孔排到内套管内部，来避免水流下方水蒸气增多聚集，减缓蒸汽阻力，减轻外套管水泵下泵阻力，提高水流换热效率。

Description

一种地热井双层套管换热装置

技术领域

本发明涉及地热换热技术领域，具体为一种地热井双层套管换热装置。

背景技术

为了将清洁环保的地热能源供给建筑采暖，现有中深层的采暖设备多是使用双层套管，用于换热的冷水从外套管以及内套管之间的间隙向下流动，然后经过高温的地下换热，变成带有一定热能的水，从内套管中向上流动，由于井深在500-4000米之间，因此用于换热的水介质在地下偏上区域时，是液体状态，当井深过深时，此时换热水介质会发生形态的变化，由液态变成气态，由于带有一定热量的水蒸气向上流动，此时水流向下流动，而水蒸气向上流动，水流与水蒸气之间形成冲击力，该冲击力会增加水泵的输水能耗，减缓向下流的水流速度，并且随着上方水流的增多，下方的水蒸气量增大，使得的气压增大，导致向上的蒸气阻力越来越大，增加了外套管水泵的向下泵水阻力，上方水流无法下流会减缓水流的换热效率。

发明内容

针对背景技术中提出的现有中深层地热换热套管在使用过程中存在的不足，本发明提供了一种地热井双层套管换热装置，具备减小蒸气阻力/减小外套管水泵泵水阻力、提高换热效率的优点，解决了上述背景技术中提出的关于水介质气化导致水流下流阻力增大带来的换热效率降低以及泵水阻力增大的问题。

本发明提供如下技术方案：一种地热井双层套管换热装置，包括外套管、内套管，所述外套管的内部固定套设有内套管，所述外套管的内部固定安装有导流环，所述内套管的外侧固定安装有锥形盘，所述锥形盘的上端与导流环的底端在同一水平线，所述锥形盘的外侧固定安装有绞龙导流片，所述锥形盘的内部中空，且锥形盘的上端半径小于下端，所述内套管位于锥形盘的内部开设有进气孔，所述锥形盘的底端活动安装有转筒，所述转筒的外侧安装有外扇叶，所述转筒的外部安装有内扇叶，所述外扇叶、内扇叶均为轴流式叶轮，所述外扇叶的进风面朝向靠近锥形盘所在方向，所述内扇叶的进风面朝向远离锥形盘的方向，所述转筒的底部固定安装有连接卡环，所述连接卡环与内套管之间滑动安装，所述外套管的内部设有螺纹槽，所述螺纹槽的位置位于锥形盘的下方。

优选的，所述转筒为上下端开口且内部中的圆柱体，所述转筒包括筒壁，所述筒壁的顶部固定连接有远离筒壁圆心的外环，所述外环位于锥形盘的底部侧壁中，所述外环的上下侧壁中安装有滚珠，所述外环与锥形盘的侧壁之间存有间隙，所述锥形盘上开设有圆环形的槽道用于滚珠的滑动。

优选的，所述连接卡环括连接杆，所述连接杆的一端与转筒的内部侧壁之间固定安装，所述连接杆的另一端与卡位环的外侧壁固定安装，所述卡位环的上下侧壁安装有限位卡环，所述限位卡环与卡位环的外侧壁为流线型，减小水流流动的阻力，便于水流平缓流过。

优选的，所述限位卡环的形状侧剖图与树叶相同，所述限位卡环的两侧均为流线型，所述限位卡环的两侧凸峰与轴心线之间的距离分别为R1、R2，所述R1的长度大于R2的长度，所述R1所在的一侧背离转筒的周向旋转的顺时针方向，所述R2所在的一侧朝向转筒的周向旋转的逆时针反向。

优选的，所述锥形盘、螺纹槽的对水流的引导方向为顺时针方向。

本发明具备以下有益效果：

1、本发明通过内外套管之间设置锥形盘以及转筒来将水流下方的水蒸气引导到内套管之中，来减轻水流向下流动时的水蒸气阻力，利用锥形盘的形状以及外部的绞龙导流片引导水流，为水流旋流形成之前增加初始速度，加快水流转动速度，同时利用进风反向相反的内外扇叶，分别引导气流以及水流，使得中部的向上升的水流在内扇叶的作用下，通过进气孔排到内套管内部，来避免水流下方水蒸气增多聚集，减缓蒸汽阻力，减轻外套管水泵下泵阻力，提高水流换热效率。

2、本发明通过连接卡环来减轻锥形盘底部的承载力，避免转筒长期转动对锥形盘造成压力，导致锥形盘底部变形，同时对连接杆的形状进行设计，使得连接杆背对顺时针方向的凸峰高度小于正对顺时针方向的凸峰高度，根据伯努利原理，连接杆靠近顺时针方向压强小于背离顺时针方向压强，连接杆上由于朝向顺时针方向的压力，能够加快转筒的旋转，使得内扇叶转动速度加快，提高了水蒸气向内套管排出的速度，提高排气效率。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明转筒俯视结构示意图；

图3为本发明图1中A处结构示意图；

图4为本发明连接卡环横剖结构示意图；

图5为本发明连接杆侧剖结构示意图。

图中：1、外套管；2、内套管；3、导流环；4、锥形盘；5、绞龙导流片；6、进气孔；7、转筒；71、筒壁；72、滚珠；8、外扇叶；9、内扇叶；10、连接卡环；101、连接杆；102、限位卡环；11、螺纹槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，一种地热井双层套管换热装置，包括外套管1、内套管2，外套管1的内部固定套设有内套管2，外套管1的内部固定安装有导流环3，内套管2的外侧固定安装有锥形盘4，锥形盘4的上端与导流环3的底端在同一水平线，锥形盘4的外侧固定安装有绞龙导流片5，锥形盘4的内部中空，且锥形盘4的上端半径小于下端，锥形盘4的上端内侧设置有螺纹，在内套管2对应位置设有相匹配的螺纹，螺纹的方向在设置时顺时针为拧紧方向，安装时直接旋转锥形盘4，将锥形盘4固定在内套管2的外侧壁，锥形盘4的存在主要为了增加水流旋转的初始速度，加快水流的旋转速度，内套管2位于锥形盘4的内部开设有进气孔6，锥形盘4的底端活动安装有转筒7，转筒7为上下端开口且内部中的圆柱体，转筒7包括筒壁71，筒壁71的顶部固定连接有远离筒壁71圆心的外环，外环位于锥形盘4的底部侧壁中，外环的上下侧壁中安装有滚珠72，外环与锥形盘4的侧壁之间存有间隙，锥形盘4上开设有圆环形的槽道用于滚珠72的滑动，筒壁71能够在锥形盘4的侧壁中沿着筒壁71的轴心线周向转动，且滚珠72的存在既能卡住筒壁71，避免筒壁71脱落，同时减小筒壁71与锥形盘4的接触面积，避免筒壁71与锥形盘4之间摩擦力影响筒壁71的转动，转筒7的外侧安装有外扇叶8，转筒7的外部安装有内扇叶9，外扇叶8、内扇叶9均为轴流式叶轮，外扇叶8的进风面朝向靠近锥形盘4所在方向，内扇叶9的进风面朝向远离锥形盘4的方向，轴流式叶轮的风向与着转筒7的轴心线平行，因此外扇叶8的处的流体方向是从靠近锥形盘4处到远离锥形盘4处，而内扇叶9处流体方向与外扇叶8相反，会从转筒7的底部向锥形盘4的内部流动，转筒7的底部固定安装有连接卡环10，连接卡环10与内套管2之间滑动安装，连接卡环10括连接杆101，连接杆101的一端与转筒7的内部侧壁之间固定安装，连接杆101的另一端与卡位环的外侧壁固定安装，卡位环的上下侧壁安装有限位卡环102，限位卡环102与卡位环的外侧壁为流线型，减小水流流动的阻力，便于水流平缓流过，限位卡环102的内壁设有螺纹，安装时，转筒7内部的限位卡环102为固定套件，与锥形盘4、转筒7一起套在内套管2的外侧，再从外部套另一侧限位卡环102，固定连接卡环10的底部，从底部承托住转筒7，以此来减轻锥形盘4的底部承重，限位卡环102的形状侧剖图与树叶相同，限位卡环102的两侧均为流线型，限位卡环102的两侧凸峰与轴心线之间的距离分别为R1、R2，R1的长度大于R2的长度，R1所在的一侧背离转筒7的周向旋转的顺时针方向，R2所在的一侧朝向转筒7的周向旋转的逆时针反向，根据伯努利远离，流速越大，压强越小，由于R1所在一侧的凸起程度小于R2所在一侧，因此当水流从限位卡环102的底部流向上端时，此时R2侧的流速大于R1侧的流速，因此R1侧的压强大于R2侧的压强，存在有一个压力从R1到R2侧，推动限位卡环102的旋转，加速转筒7的转动，以此来促进内扇叶9的转动，提高内扇叶9的转动速度，外套管1的内部设有螺纹槽11，螺纹槽11的存在会导致水流形成旋流，旋流会加快水流与外套管1的侧壁的接触，同时螺纹槽11会使得水流与外套管1的接触面积增加，由于外套管1与外部高温土层接触，旋流的存在会增加水流与高温土层的换热，螺纹槽11的位置位于锥形盘4的下方，锥形盘4、螺纹槽11的对水流的引导方向为顺时针方向，因此，当外套管1与内套管2中间的水介质在导流环3的引导作用下向锥形盘4上流动时，在锥形盘4上绞龙导流片5的引导作用下在锥形盘4的外侧旋转，当水流远离锥形盘4的底端，由于液体具有惯性，在惯性作用下，旋转的离心力使得水流带有一定速度流动到螺纹槽11所在区域，在螺纹槽11的引导作用下，使得水流旋转，在设置时，可将外扇叶8的半径大于锥形盘4的底部半径，便于螺纹槽11处的旋转水流接触外扇叶8，水流旋转撞击外扇叶8，使得转筒7旋转，外扇叶8的旋转会加速外侧水流向下流动，而内扇叶9的进风方向会使得转筒7内部形成负压区，使得转筒7下方的水蒸气向转筒7内部流动，且由于水流旋转，会使得空气往内套管2的中心轴方向流动，所以外套管1中的水蒸气会往中部集中，热空气上升，在内扇叶9的风力作用下，会加快水蒸气上升，转筒7内部的水蒸气上升至锥形盘4中，由于内套管2内部有向上流动的水蒸气，因此会吸取锥形盘4中的蒸气，减小锥形盘4中的空气压力，将水流下方的水蒸气排到内套管2中，以此来减轻蒸气阻力，减少水泵泵水阻力，提高水流换热效率。

本发明的使用方法如下：

在内套管2的外侧固定套接锥形盘4、转筒7、连接卡环10，在连接卡环10的底部固定安装限位卡环102，锥形盘4与内套管2之间通过螺纹固定，在安装时可以安装多个锥形盘4、转筒7、连接卡环10，主要安装在地下3000米之后，水温在90至110摄氏度之间，水介质以蒸气与热水状态存在，外套管1中的水流在导流环3引导下向锥形盘4上流动，然后在绞龙导流片5引导到作用下，顺时针旋转，惯性作用下，被甩到螺纹槽11处，在螺纹槽11的引流作用下，在外套管1与内套管2的间隙形成旋流，旋转的水流击打外扇叶8，使得转筒7顺时针旋转，然后带动内扇叶9转动，外扇叶8的进风方向会引导水流向下流动，而内扇叶9的进风方向会引导中部的水蒸气向上流动，使得水蒸气被转筒7、锥形盘4、进气孔6引导到内套管2的内部，来减小水流下方蒸气阻力，同时用于支撑转筒7的连接卡环10，由于形状的设计，气流从转筒7的底部进入内部时，流经限位卡环102时，会产生一个顺时针的气压力，会加速转筒7的转动，加快水蒸气进入到转筒7内部，加快排出水蒸气。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种地热井双层套管换热装置，包括外套管（1）、内套管（2），其特征在于：所述外套管（1）的内部固定套设有内套管（2），所述外套管（1）的内部固定安装有导流环（3），所述内套管（2）的外侧固定安装有锥形盘（4），所述锥形盘（4）的上端与导流环（3）的底端在同一水平线，所述锥形盘（4）的外侧固定安装有绞龙导流片（5），所述锥形盘（4）的内部中空，且锥形盘（4）的上端半径小于下端，所述内套管（2）位于锥形盘（4）的内部开设有进气孔（6），所述锥形盘（4）的底端活动安装有转筒（7），所述转筒（7）的外侧安装有外扇叶（8），所述转筒（7）的外部安装有内扇叶（9），所述外扇叶（8）、内扇叶（9）均为轴流式叶轮，所述外扇叶（8）的进风面朝向靠近锥形盘（4）所在方向，所述内扇叶（9）的进风面朝向远离锥形盘（4）的方向，所述转筒（7）的底部固定安装有连接卡环（10），所述连接卡环（10）与内套管（2）之间滑动安装，所述外套管（1）的内部设有螺纹槽（11），所述螺纹槽（11）的位置位于锥形盘（4）的下方；

所述转筒（7）为上下端开口且内部中的圆柱体，所述转筒（7）包括筒壁（71），所述筒壁（71）的顶部固定连接有远离筒壁（71）圆心的外环，所述外环位于锥形盘（4）的底部侧壁中，所述外环的上下侧壁中安装有滚珠（72），所述外环与锥形盘（4）的侧壁之间存有间隙，所述锥形盘（4）上开设有圆环形的槽道用于滚珠（72）的滑动；

所述连接卡环（10）包括连接杆（101），所述连接杆（101）的一端与转筒（7）的内部侧壁之间固定安装，所述连接杆（101）的另一端与卡位环的外侧壁固定安装，所述卡位环的上下侧壁安装有限位卡环（102），所述限位卡环（102）与卡位环的外侧壁为流线型，减小水流流动的阻力，便于水流平缓流过；

所述限位卡环（102）的形状侧剖图与树叶相同，所述限位卡环（102）的两侧均为流线型，所述限位卡环（102）的两侧凸峰与轴心线之间的距离分别为R1、R2，所述R1的长度大于R2的长度，所述R1所在的一侧背离转筒（7）的周向旋转的顺时针方向，所述R2所在的一侧朝向转筒（7）的周向旋转的逆时针反向。

2.根据权利要求1所述的一种地热井双层套管换热装置，其特征在于：所述锥形盘（4）、螺纹槽（11）的对水流的引导方向为顺时针方向。