CN113865128A - 一种增强型超长重力热管地热开发系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强型超长重力热管地热开发系统，涉及地热能开发领域，本系统通过将高热导率物质和相变材料形成的高热导率相变复合材料填入具有足够裂隙或者孔隙的地下岩体中，提高地下岩体的热导率，形成地下强化换热系统，地下强化换热系统能够快速的将离热管远处热量传递至热管蒸发段进行换热，增大了热管的采热范围，提高了采热率，同时利用相变材料在高温条件下相变为液体，能够完全与地下岩体及热管外壁进行接触，不存在接触热阻。其次，在热管绝热段采用热管内保温管、绝热段真空管、以及热管外保温物质进行保温处理，减少了热量的损失，提高了系统的热产出。
Description
技术领域
本发明涉及地热能开发领域，具体涉及一种增强型超长重力热管地热开发系统。
背景技术
地热能以其无污染、不受天气和气候影响等优点，已受到世界各国的广泛关注。而其中，深层地热以其储量巨大被认为是地热能的未来。目前深层地热开采系统主要有增强型地热系统和单井地下换热系统，增强型地热系统已提出近50年，但由于存在的主要问题：钻井成本高、压裂效果不稳定、循环工质损失、井内结垢等问题使得其一直未形成商业化运行；单井同轴地下换热系统仍处于发展阶段，目前已经经过试验的几个单井地下换热系统有：瑞典的韦吉斯、韦斯巴德以及德国的超级C项目，但是结果显示此种换热系统采热效果不佳，且此种地下换热系统在运行过程中需消耗额外泵功。
热管利用管内工质的相变，可以将热量迅速地从高温段传输到低温段。热管具有较高的传热率、优良的等温性等特征，是目前最有效的传热设备之一。专利ZL201710343194.9及ZL201910328413.5等公开了可进行深部地热开采的超长重力热管，突破了积液、气液卷携等瓶颈，但由于管外为低导热的地下岩体，管外岩体的低导热性较大程度限制了该热管采热系统性能。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种增强型超长重力热管地热开发系统，能够提高热管蒸发段区域岩石的热导率，提高热量的传递速率，增大热管的采热范围，从而提高热管的采热率，同时在热管绝热段采用保温措施减少热量的损失，进而提高系统整体的热产出。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种增强型超长重力热管地热开发系统，其用于具有近井裂隙的地热井，包括:
地热井地下强化换热单元，其用于向所述裂隙填入相变材料与高热导率物质制成的相变复合材料；
重力热管单元，其用于与所述地热井地下强化换热单元进行换热并通过内设的若干循环管道将换热获取的热量投入应用；以及，
保温单元，其用于保证所述系统内部的热量流失。
如上所述的增强型超长重力热管地热开发系统，进一步地，所述裂隙包括主干裂隙和次生裂隙。
如上所述的增强型超长重力热管地热开发系统，进一步地，所述重力热管单元包括重力热管、地面应用、储液池以及循环工质，所述重力热管、所述地面应用和所述储液池构成闭合的循环回路，所述重力热管至少部分深入地面以下并与所述地热井衔接，依靠裂隙中填充的所述相变复合材料形成良好热路径，将离重力热管远处热量快速传递到热管处进行换热，所述循环工质在所述重力热管的蒸发段吸收热量汽化，气体状态的循环工质通过重力热管的绝热段并经蒸汽调节阀进入所述地面应用，所述循环工质释放热量后液化进入所述储液池，液态的循环工质经分流阀及液体调节阀进入所述重力热管。
如上所述的增强型超长重力热管地热开发系统，进一步地，所述保温单元包括热管外保温、热管管体保温、热管内保温，其中，
所述热管外保温包括在所述重力热管的管外圆周区域回填热导率低于设定值的物质，或，在所述重力热管的管壁包裹热导率低于设定值的物质；
所述热管管体保温采用热导率低于设定值的管体；
所述热管管内保温采用热导率低于设定值的材料制成的保温管置于所述重力热管内。
如上所述的增强型超长重力热管地热开发系统，进一步地，所述相变复合材料包括有机相变材料、无机相变材料及共晶体相变材料。
如上所述的增强型超长重力热管地热开发系统，进一步地，所述高热导率物质包括石墨烯、碳纳米管、铜。
如上所述的增强型超长重力热管地热开发系统，进一步地，所述高热导率物质的形状包括颗粒状、粉末状。
如上所述的增强型超长重力热管地热开发系统，进一步地，所述地热井至少为一口。
如上所述的增强型超长重力热管地热开发系统，进一步地，与所述地热井对应的重力热管至少为一根。
如上所述的增强型超长重力热管地热开发系统，进一步地，所述重力热管采用等径或变径。
如上所述的增强型超长重力热管地热开发系统，进一步地，所述系统用于干热岩型地热资源开采，或，任意地层的地热资源开采。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
(1)本发明借助具有主干裂隙和次生裂隙的近井裂隙，形成树枝状或血管状路径，往近井裂隙中填入相变材料与高热导率物质制成的高热导率相变复合材料，能够有效提高岩石的热导率，增加超长重力热管的采热范围，提高岩体中热量的传递速率，有助于提高系统整体的采热率。
(2)借助相变材料在高温下相变为液态的特性，能够完全与岩体及热管外壁相接触，不存在接触热阻。
(3)利用绝热段的保温措施，能够最大程度地减少热量损失，从而增加了系统的热产出。
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为实施例中采用的增强型超长重力热管地热开发系统示意图；
图2为实施例中一侧近井裂隙的具体形状。
附图标记说明：1、近井裂隙；2、相变复合材料；3、地热井；4、循环工质；5、储液池；6、地面应用；7、分流阀；8、液体调节阀；9、气体调节阀；10、超长重力热管；11、真空管；12、热管内部保温管；13、热管外部保温。
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。
实施例：
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参见图1至图2，图1为实施例中采用的增强型超长重力热管地热开发系统示意图；图2为实施例中一侧近井裂隙的具体形状。本发明提供一种增强型超长重力热管地热开发系统，能够提高热管蒸发段区域岩石的热导率，提高热量的传递速率，增大热管的采热范围，从而提高热管的采热率，同时在热管绝热段采用保温措施减少热量的损失，进而提高系统整体的热产出。
一种增强型超长重力热管地热开发系统，其用于具有近井裂隙1的地热井3，系统包括:地热井3地下强化换热单元、重力热管单元和保温单元，其中，地热井3地下强化换热单元用于向所述裂隙填入相变材料与高热导率物质制成的相变复合材料2；重力热管单元用于与所述地热井地下强化换热单元进行换热并通过内设的若干循环管道将换热获取的热量投入应用；以及，保温单元用于保证所述系统内部的热量流失。在某些实施例中，所述裂隙包括主干裂隙和次生裂隙。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述重力热管单元包括重力热管、地面应用6、储液池5以及循环工质4，所述重力热管、所述地面应用6和所述储液池5构成闭合的循环回路，所述重力热管至少部分深入地面以下并与所述地热井3衔接，依靠裂隙中填充的所述相变复合材料2形成良好热路径，将离重力热管远处热量快速传递到热管处进行换热，所述循环工质4在所述重力热管的蒸发段吸收热量汽化，气体状态的循环工质4通过重力热管的绝热段并经蒸汽调节阀进入所述地面应用6，所述循环工质4释放热量后液化进入所述储液池5，液态的循环工质4经分流阀7及液体调节阀8进入所述重力热管。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述保温单元包括热管外保温、热管管体保温、热管内保温，其中，所述热管外保温包括在所述重力热管的管外圆周区域回填热导率低于设定值的物质，或，在所述重力热管的管壁包裹热导率低于设定值的物质，如保温棉等；所述热管管体保温采用热导率低于设定值的管体，如真空管11等；所述热管管内保温采用热导率低于设定值的材料制成的保温管置于所述重力热管内，如PPH管等。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述相变复合材料2包括有机相变材料、无机相变材料及共晶体相变材料。所述高热导率物质包括石墨烯、碳纳米管、铜。所述高热导率物质的形状包括颗粒状、粉末状。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述地热井3至少为一口。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，与所述地热井3对应的重力热管至少为一根。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述重力热管采用等径或变径。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述系统用于干热岩型地热资源开采，或，任意地层的地热资源开采。
如图1所示，一种增强型超长重力热管地热开发系统，用于开采地热资源。组成包括地热井地下强化换热单元、超长重力热管单元、保温单元、地面应用6；其中地热井地下强化换热单元包括近井裂隙1、高热导率相变复合材料2、地热井3，超长重力热管单元包括循环工质4、储液池5、地面应用6、分流阀7、液体调节阀8、气体调节阀9、热管10，保温单元包括热管绝热段真空管体11、热管内部保温管12、热管外保温物质13。依次将热管10的蒸发段，带有真空管11和内部保温管12的热管10的绝热段放入具有足够近井裂隙1且填充有高热导率相变材料2的地热井3中，依靠近井裂隙1中填充的高热导率相变材料2形成良好热路径，热量从远离热管位置快速传递到热管处进行热量交换；放好热管10后往热管绝热段外部区域添加保温物质；热管10依次连接蒸汽调节阀9、地面应用6、储液池5、分流阀7，液体调节阀8，并再次连接热管10形成封闭回路。
运行时，管内循环工质4在热管10的蒸发段获取热量后汽化上升，经过热管10的绝热段，通过蒸汽调节阀9进入地面应用6，放热液化后进入储液池5，液态的管内循环工质4经分流阀7和液体调节阀8进入热管10内部，回流至热管蒸发段的同时逐渐获取热量并再次汽化。
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 (10)
1.一种增强型超长重力热管地热开发系统，其特征在于，用于具有近井裂隙的地热井，包括:
地热井地下强化换热单元，其用于向所述裂隙填入相变材料与高热导率物质制成的相变复合材料；
重力热管单元，其用于与所述地热井地下强化换热单元进行换热并通过内设的若干循环管道将换热获取的热量投入应用；以及，
保温单元，其用于保证所述系统内部的热量流失。
2.根据权利要求1所述的增强型超长重力热管地热开发系统，其特征在于，所述裂隙包括主干裂隙和次生裂隙。
3.根据权利要求1所述的增强型超长重力热管地热开发系统，其特征在于，所述重力热管单元包括重力热管、地面应用、储液池以及循环工质，所述重力热管、所述地面应用和所述储液池构成闭合的循环回路，所述重力热管置于具有强化换热单元的地热井中，依靠裂隙中填充的所述相变复合材料形成良好热路径，将离重力热管远处热量快速传递到热管处进行换热，所述循环工质在所述重力热管的蒸发段吸收热量汽化，气体状态的循环工质通过重力热管的绝热段并经蒸汽调节阀进入所述地面应用，所述循环工质释放热量后液化进入所述储液池，液态的循环工质经分流阀及液体调节阀进入所述重力热管。
4.根据权利要求1所述的增强型超长重力热管地热开发系统，其特征在于，所述保温单元包括热管外保温、热管管体保温、热管内保温，其中，
所述热管外保温包括在所述重力热管的管外圆周区域回填热导率低于设定值的物质，或，在所述重力热管的管壁包裹热导率低于设定值的物质；
所述热管管体保温采用热导率低于设定值的管体；
所述热管管内保温采用热导率低于设定值的材料制成的保温管置于所述重力热管内。
5.根据权利要求1所述的增强型超长重力热管地热开发系统，其特征在于，所述相变复合材料包括有机相变材料、无机相变材料及共晶体相变材料；所述高热导率物质包括石墨烯、碳纳米管、铜。
6.根据权利要求1所述的增强型超长重力热管地热开发系统，其特征在于，所述高热导率物质的形状包括颗粒状、粉末状。
7.根据权利要求1所述的增强型超长重力热管地热开发系统，其特征在于，所述地热井至少为一口。
8.根据权利要求1所述的增强型超长重力热管地热开发系统，其特征在于，与所述地热井对应的重力热管至少为一根。
9.根据权利要求1所述的增强型超长重力热管地热开发系统，其特征在于，所述重力热管采用等径或变径。
10.根据权利要求1所述的增强型超长重力热管地热开发系统，其特征在于，所述系统用于干热岩型地热资源开采，或，任意地层的地热资源开采。
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