CN113847755B - 一种利用地热井实现高效蒸发的热泵系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用地热井实现高效蒸发的热泵系统及方法，涉及地热能开发领域，包括阶梯式地下蒸发器、压缩机、冷凝器、蓄液罐和节流阀。地下蒸发器包括内管和外管，其内管被设计成多区段结构，每个区段都由气体导流管道、折流板和渗流孔组成，在该结构的作用下，流入地下蒸发器中液体工质都紧贴外管内壁向下流动，并从地下岩体中吸热气化，并变为气态工质向上流动至地面。与现有技术相比，本发明所设计的地下蒸发器，不会产生气液卷携及积液效应，可以利用地热井实现液态工质的高效蒸发，无需通过水泵循环进行供热，这不但简化了热泵系统的所需的地面设备，还能够显著提高热泵系统的运行效率，进而提升了地源热泵系统的总体经济性。

Description

一种利用地热井实现高效蒸发的热泵系统及方法

技术领域

本发明涉及地热能开发领域，具体涉及一种利用地热井实现高效蒸发的热泵系统及方法。

背景技术

随着化石燃料储量的减少，及其开发利用带来的环境问题日益严重，可再生且无污染的新能源备受人们关注。与其他可再生能源相比，地热能具有稳定可靠，不受天气、季节、气候和昼夜变化等因素影响的特点，更加适合作为供暖及电力系统的基础能源。目前地热资源开发利用不仅包括供暖、种植等直接利用，还能够实现地热制冷、中高温地热资源发电。

在我国北方地区存在大量的供暖需求。而现阶段，我国北方地区主要采用的是以燃煤为主的传统集中供暖方式，随着供暖需求的增加，以及对燃煤供暖的限制日趋严格，这种供暖方式已经逐渐地无法满足目前的供暖需求。

热泵是迫使热量由低品位热源流向高品位热源的装置。它可以把就是说热泵可以把不能直接利用的低品位热能如空气、土壤、水、太阳能、工业废热等转换为可以利用的高位能，从而达到节能减排的目的。目前，热泵在暖通空调工程中得到了广泛的应用，这是一项很有潜力的节能技术。

而地源热泵系统利用电能将低品位的地热资源用于供暖，是一种高效、环保的新型空调系统。一般来说，该系统需要在地下铺设地埋管，并让水在管内循环，吸收浅层的低品位地热资源，用于给热泵系统的冷端供热。由于冬天浅层地热温度要明显高于室外空气温度，因此地缘热泵系统能够获得明显高于常规热泵系统的供暖效率，从而达到节约电能消耗的目的。

但是由于地源热泵的长期运行会导致土壤温度逐渐下降，进而导致热泵机组效率降低、制热能力不足等问题。为了降低土壤温度的下降速度，需要铺设大面积的换热管道，进而增加初投资成本，降低了系统的经济性，在一定程度上制约了该技术的广泛推广。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种一种利用地热井实现高效蒸发的热泵系统及方法，能够在不增加管道换热面积的基础上，大幅提升热泵系统的供暖效率。

为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：

一种利用地热井实现高效蒸发的热泵系统，包括通过管道依次连通的地下蒸发器、蓄液罐、冷凝器和压缩机，所述蓄液罐上设有排气/注液阀，其中，所述地下蒸发器至少部分布置于地面以下且所述地下蒸发器布置包括内管和外管，所述内管包括沿轴向布置的多个分隔区段，所述分隔区段包括气体导流管道和折流板，所述气体导流管道位于所述外管的轴心附近且所述气体导流管道的轴心与所述外管的轴心重合或平行，所述折流板高的一端与所述气体导流管道的外壁面连接，低的一端与所述外管的内壁面连接，以形成具有倾斜内槽面的储液槽，该储液槽上设有若干渗流孔，所述气体导流管道与相邻分隔区段的气体导流管道之间存在一定的间隙，用以形成气体槽道，所述压缩机的上游管道连接至所述气体导流管道，所述蓄液罐的下游管道连接至储液槽。

如上所述的利用地热井实现高效蒸发的热泵系统，进一步地，所述蓄液罐上设有排气/ 注液阀，所述排气/注液阀用于排出蓄液罐中的不凝性气体，以及往蓄液罐中灌注流体工质。

如上所述的利用地热井实现高效蒸发的热泵系统，进一步地，所述地下蒸发器的底部内设有液位传感器，所述液位传感器用于检测所述地下蒸发器内的积液深度。

如上所述的利用地热井实现高效蒸发的热泵系统，进一步地，所述冷凝器的下游管道设有节流阀，所述节流阀用于调节液态工质的回流量。

如上所述的利用地热井实现高效蒸发的热泵系统，进一步地，所述蒸发器布置于地面以下的目标岩体中，所述目标岩体包括土壤、高渗透性含水岩体、干热岩、以及通过水力激发手段建造的人工裂隙岩体。

如上所述的利用地热井实现高效蒸发的热泵系统，进一步地，循环于热泵系统的流体工质包括蒸馏水、氨、二氧化碳、及有机工质。

如上所述的利用地热井实现高效蒸发的热泵系统，进一步地，位于顶部的分隔区段的气体导流管道的管长大于其余任意位置的分隔区段。

一种利用地热井的高效蒸发方法，用于所述的热泵系统，该方法包括：

流体工质从蓄液罐中流入到地下蒸发器最顶部的分隔区段，并在管内结构的作用下，紧贴外管的内壁向下流动；每个分隔区段的液态工质会透过外管从目标岩体中吸热气化，变为气态工质之后再通过气体槽道进入气体导流管道，并流入到压缩机中加压升温，在流入到冷凝器中放热冷凝，最后回流到蓄液罐中。

如上所述的蒸发方法，进一步地，流体工质从蓄液罐中流入到地下蒸发器之前，还包括：

经地质勘查确定合适的设井位置，并由地面向目标岩体钻井；

根据井下测温数据和系统设计采热率，并估计工质流量，通过计算或实验确定渗流孔的数目和大小，以及各个区段的高度，用以确保流体工质能够紧贴外管内壁流动；

按照所选参数，在折流板上加工渗流孔，并将折流板的顶部与气体导流管进行焊接；之后再将折流板的底部焊接在外管的内侧壁面上；

在外管的底部盲板上固定压力传感器；

进行套管下井作业，将加工之后的外管放置与钻井内，在外管和钻井井孔间灌注泥浆，用于固井和填充外管与岩体之间的间隙；

通过排气/注液阀对系统抽真空，然后关闭节流阀，往蓄液罐中注入足量的流体工质；

逐渐开启节流阀，使系统开始运行，当液位传感器达到目标液位时，适当增加节流阀开度，反之则适当减小节流阀开度。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

1)本发明采用一个竖直的地热井代替了传统地源热泵的地埋管，用于吸收地热能，从而大幅节约了占地面积，并且能够利用温度更高的地热资源，从而提升了热泵效率；

2)本发明将热泵的蒸发器布置于地热井中，可以与地下岩体直接进行换热，不需要使用循环水作为传热载体，无需设置水循环系统和地面蒸发器，不仅节约了维持水循环所消耗的电能，还大幅简化了热泵系统的地面设备；并且由于传热方式的简化，使得该系统能够在相同的地热条件和蒸发温度下，获得更高的传热量，从而提升热泵系统整体的运行效率。

3)本发明所设计的地下蒸发器的内部结构，能够实现气液工质流动分离，避免了气液卷携情况的发生；并且该结构还能使液体工质始终紧贴于外管内壁流动，大幅提升了地下蒸发器的换热效率。

4)本发明设计包含工质回流量控制阀，并在热管底部布置有液位检测装置。实际应用中，可以根据液位检测装置来调节工质回流量。该设计更具实用性，可以确保地下蒸发器内部没有积液和干烧现象的产生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种利用地热井实现高效蒸发的热泵系统实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例中气体导流管道、折流板和渗流孔的连接示意图，其中，图2a为内管的侧视图，图2b为内管的俯视图。

附图标记说明：1、地下蒸发器；2、内管；3、外管；4、压缩机；5、冷凝器；6、排气/注液阀；7、储液罐；8、节流阀；9、浅层岩体/土壤；10、目标岩体；11、气体槽道；12、气体导流管道；13、折流板；14、渗流孔；15、液位传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参见图1至图2，图1为本发明一种利用地热井实现高效蒸发的热泵系统实施例的结构示意图，图2为本发明实施例中气体导流管道12、折流板13和渗流孔14的连接示意图，其中，图1中的内管出于方便辨认的原因，内管及折流板均省略了上下端封闭的实线，实际剖切图应与图2(a)一致。

一种利用地热井实现高效蒸发的热泵系统，包括通过管道依次连通的地下蒸发器1、蓄液罐、冷凝器5和压缩机4，地下蒸发器1至少部分布置于地面以下，本实施例中，地下蒸发器1与地下井的外形相匹配，为长圆柱体，蓄液罐、冷凝器5和压缩机4都设置于地面以上。地下蒸发器1布置包括内管2和外管3，内管2包括沿轴向布置的多个分隔区段，每个分隔区段都由气体导流管道12、折流板13和渗流孔14组成，气体导流管道12位于外管3 的轴心附近且气体导流管道12的轴心与外管3的轴心重合或平行，折流板13为圆台斜面状，高的一端与气体导流管道12的外壁面连接，低的一端与外管3的内壁面连接，以形成具有倾斜内槽面的储液槽，该储液槽上设有若干渗流孔14，渗流孔14优选位于折流板13的底部边缘处，气体导流管道12与相邻分隔区段的气体导流管道12之间存在一定的间隙，用以形成气体槽道11,液态工质在区段中吸热汽化之后，通过气体槽道11进入到气体导流管道12内部，然后向上流动至位于地面的压缩机4中。储液箱中的液态工质经节流阀8降压之后，注入到地下蒸发器1的外管3与内管2的间隙中，并始终紧贴外管3壁面向下流动，流动过程中液态工质会透过外管3的管壁从地下环境中吸收热量，然后汽化为气态工质进入内管2并流入压缩机4，经压缩机4加压升温之后，进入冷凝器5释放热量用于供暖，之后冷凝为液态工质流入到储液箱中。另外，液体工质从地下蒸发器1的顶部被注入到气体导流管道12与外管 3之间的间隙中向下流动，并在折流板13的作用下向外管3内壁处聚集，然后经由折流板13 底部边缘处的渗流孔14流沿着外管3内壁流向向下一区段，从而使外管3内壁始终处于湿润状态。

地面上，地下蒸发器1顶部蒸汽出口与压缩机4相连；冷凝器5与供暖系统进行换热，冷凝器5的冷凝液出口与蓄液罐相连，蓄液罐中的液态工质通过节流阀8降压之后注入到地下蒸发器1顶部内管2与外管3的环形间隙即多个沿轴心方向布置的储液槽中，并重新蒸发为气态进行循环，具体地，液体工质在内管2与外管3配合形成的储液槽中下降流动，并在倾斜内槽面的作用下流向折流板13底部与外管3接触的区域此处处设有若干渗流孔14，然后从渗流孔14中沿着外管3的壁面向下流入下一个区段。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，地下蒸发器1的底部内设有液位传感器15，液位传感器15用于检测所述地下蒸发器1内的积液深度。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，冷凝器5的下游管道设有节流阀8，节流阀8用于调节液态工质的回流量,系统运行时可以通过调节节流阀8的开度使地下蒸发器1底部的液位维持在一定范围内，通过这种方法可以避免运行过程中地下蒸发器1内部出现干枯或者积液现象。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，蒸发器布置于地面以下的目标岩体10中，述目标岩体10包括土壤、高渗透性含水岩体、干热岩、以及通过水力激发手段建造的人工裂隙岩体。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，循环于热泵系统的流体工质土壤、高渗透性含水岩体、干热岩、以及通过水力激发等手段建造的人工裂隙岩体。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，对于最顶部的分隔区段，可以适当增加气体导流管的高度，从而避免流体工质与温度较低的浅层岩体/土壤9接触。

本实施例的实施方法是：

1)经地质勘查确定合适的设井位置，并由地面向目标岩体10钻井；

2)根据井下测温数据和系统设计采热率，并估计工质流量，通过计算或实验确定渗流孔 14的数目和大小，以及各个区段的高度，用以确保流体工质能够紧贴外管内壁流动；

3)按照步骤2中所选参数，在折流板13上加工渗流孔14，并将折流板13的顶部与气体导流管12进行焊接；之后再将折流板13的底部焊接在外管3的内侧壁面上；

4)在外管3的底部盲板上固定压力传感器15；

5)进行套管下井作业，将加工之后的外管3放置与钻井内，在外管3和钻井井孔间灌注泥浆，用于固井和填充外管3与岩体之间的间隙；

6)通过排气/注液阀6对系统抽真空，然后关闭节流阀8，往蓄液罐6中注入足量的流体工质；

7)逐渐开启节流阀8，使系统开始运行。当液位传感器15达到目标液位时，适当增加节流阀8开度，反之则适当减小节流阀8开度；

8)运行过程中，流体工质从蓄液罐7中通过节流阀8流入到地下蒸发器1最顶部分隔区段，并在管内结构的作用下，紧贴外管3的内壁向下流动；每个分隔区段的液态工质会透过外管3从目标岩体10中吸热气化，变为气态工质之后再通过气体槽道11进入气体导流管道 12，并流入到压缩机4中加压升温，在流入到冷凝器5中放热冷凝，最后回流到蓄液罐7中；

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种利用地热井实现高效蒸发的热泵系统，包括通过管道依次连通的地下蒸发器、蓄液罐、冷凝器和压缩机，其特征在于，所述地下蒸发器至少部分布置于地面以下且所述地下蒸发器布置包括内管和外管，所述内管包括沿轴向布置的多个分隔区段，所述分隔区段包括气体导流管道和折流板，所述气体导流管道位于所述外管的轴心附近且所述气体导流管道的轴心与所述外管的轴心重合或平行，所述折流板高的一端与所述气体导流管道的外壁面连接，低的一端与所述外管的内壁面连接，以形成具有倾斜内槽面的储液槽，该储液槽上设有若干渗流孔，所述气体导流管道与相邻分隔区段的气体导流管道之间存在一定的间隙，用以形成气体槽道，所述压缩机的上游管道连接至所述气体导流管道，所述蓄液罐的下游管道连接至储液槽；循环于热泵系统的流体工质包括蒸馏水、氨、二氧化碳、及有机工质；位于顶部的分隔区段的气体导流管道的管长大于其余任意位置的分隔区段。

2.根据权利要求1所述的利用地热井实现高效蒸发的热泵系统，其特征在于，所述蓄液罐上设有排气/注液阀，所述排气/注液阀用于排出蓄液罐中的不凝性气体，以及往蓄液罐中灌注流体工质。

3.根据权利要求1所述的利用地热井实现高效蒸发的热泵系统，其特征在于，所述地下蒸发器的底部内设有液位传感器，所述液位传感器用于检测所述地下蒸发器内的积液深度。

4.根据权利要求1所述的利用地热井实现高效蒸发的热泵系统，其特征在于，所述冷凝器的下游管道设有节流阀，所述节流阀用于调节液态工质的回流量。

5.根据权利要求1所述的利用地热井实现高效蒸发的热泵系统，其特征在于，所述蒸发器布置于地面以下的目标岩体中，所述目标岩体包括土壤、高渗透性含水岩体、干热岩、以及通过水力激发手段建造的人工裂隙岩体。

6.一种利用地热井的高效蒸发方法，其特征在于，用于如权利要求1至5任一所述的热泵系统，所述方法包括：

流体工质从蓄液罐中流入到地下蒸发器最顶部的分隔区段，并在管内结构的作用下，紧贴外管的内壁向下流动；每个分隔区段的液态工质会透过外管从目标岩体中吸热气化，变为气态工质之后再通过气体槽道进入气体导流管道，并流入到压缩机中加压升温，在流入到冷凝器中放热冷凝，最后回流到蓄液罐中。

7.根据权利要求6所述的蒸发方法，其特征在于，流体工质从蓄液罐中流入到地下蒸发器之前，还包括：

经地质勘查确定合适的设井位置，并由地面向目标岩体钻井；

根据井下测温数据和系统设计采热率，并估计工质流量，通过计算或实验确定渗流孔的数目和大小，以及各个区段的高度，用以确保流体工质能够紧贴外管内壁流动；

按照所选参数，在折流板上加工渗流孔，并将折流板的顶部与气体导流管进行焊接；之后再将折流板的底部焊接在外管的内侧壁面上；

在外管的底部盲板上固定压力传感器；

进行套管下井作业，将加工之后的外管放置与钻井内，在外管和钻井井孔间灌注泥浆，用于固井和填充外管与岩体之间的间隙；

通过排气/注液阀对系统抽真空，然后关闭节流阀，往蓄液罐中注入足量的流体工质；

逐渐开启节流阀，使系统开始运行，当液位传感器达到目标液位时，适当增加节流阀开度，反之则适当减小节流阀开度。

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