CN114508775A - 一种基于中深层地热能的钻孔供热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于中深层地热能的钻孔供热系统，包括换热器、循环泵、热泵、供热管路和水过滤装置，换热器包括外套管、换热管和内管总成，外套管设置于钻孔中，换热管和内管总成同轴设置在外套管内，换热管固定安装在外套管底部且贯穿外套管，外套管通过换热管与钻孔连通；换热管顶部安装有定位载座，定位载座上设有定位口；内管总成包括内套管、上层内管和下层内管。通过在外套管内额外设置换热管，可在不增加换热器整体长度的条件下，增加换热器整体的换热面积，增加换热量，提高液体换热介质的温度；水过滤装置可过滤供热管路中的杂质，避免供热管路堵塞；在进行杂质清理时，循环泵无需停止工作，可大大提高了地热的利用效率。

Description

一种基于中深层地热能的钻孔供热系统
技术领域
本发明涉及地热能应用技术领域，特别是一种基于中深层地热能的钻孔供热系统。
背景技术
中深层地热一般埋深2000米到4000米之间，中深层供热系统以提取中深层地热为主，地热具有清洁环保、稳定性好、可循环利用等特点，是一种现实并具竞争力的可再生能源。中国水热型地热资源总量折合标煤1.25万亿吨，年可采量折合标煤18.65亿吨。以中低温为主，高温为辅。
中深层地热能的钻孔供热系统具有热源温度更高且恒定，单个换热井换热面积大，运行成本低，节能环保性强等特点。但现有的供热系统仍存在以下问题：
1、现有中深层地热常采用同轴套管作为井下换热器，现有的同轴套管中，液体换热介质在向下流动过程中吸收外套管的热量，再由内套管中抽出，将所提取的热量传输至热泵设备机房，换热效率主要取决与液体换热介质与外套管的接触量，因此换热效率较难进一步提高；
2、由于井下换热器长度较长，导致安装不便，内管同轴度精度不高；
3、回水过程的散热损失严重，回水温度不高；
4、液体换热介质中泥沙杂质较多，易导致热泵设备损坏或管道堵塞。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于中深层地热能的钻孔供热系统。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于中深层地热能的钻孔供热系统，包括换热器、循环泵、热泵和供热管路，所述换热器包括外套管、换热管和内管总成，所述外套管设置于钻孔中，换热管和内管总成同轴设置在外套管内，换热管固定安装在外套管底部且贯穿外套管，外套管通过换热管与钻孔连通；
所述换热管顶部安装有定位载座，定位载座上设有定位口，换热管与定位口同轴设置；
所述内管总成包括同轴设置的内套管、上层内管和下层内管，内套管和上层内管均固定安装在下层内管上端，上层内管位于内套管内侧，上层内管和内套管间形成真空腔，下层内管同轴套设在换热管外围，下层内管内安装有用于密封定位口的密封定位组件；
所述供热管路依次与上层内管、循环泵、热泵和外套管连接。
作为本发明的优选方案，所述定位口呈倒圆台形。
作为本发明的优选方案，所述密封定位组件包括与定位口适配的圆台部，圆台部外围安装有用于密封定位口的密封圈。
作为本发明的优选方案，所述密封定位组件还包括位于圆台部下方的下层圆头部和位于圆台部上方的上层圆头部。
作为本发明的优选方案，所述下层内管内还固定有导流承托座，导流承托座顶部与定位载座底部固定连接，导流承托座上设有导流口，导流口呈圆台形，导流口顶部与定位口底部重合，导流口底部直径与下层内管内径相同。
作为本发明的优选方案，所述内套管与下层内管直径相同。
作为本发明的优选方案，所述密封定位组件通过至少两个支撑柱与下层内管顶端内壁固定连接。
作为本发明的优选方案，所述外套管底部固定有呈倒圆台形的沉头，沉头中部设有与换热管连通的贯通口。
作为本发明的优选方案，所述供热管路上且位于热泵和上层内管间还安装有水过滤装置，水过滤装置包括支架及安装在支架上的过滤筒体，过滤筒体上径向设有进水口和出水口，过滤筒体内安装有与其同轴设置的转轴，转轴上安装有多个呈圆周分布的滤网，滤网边缘处安装有与过滤筒体内壁滑动密封连接的密封条，滤网将过滤筒体内腔分隔为多个过滤室，过滤筒体底部设有排料口，排料口处安装有排料管，排料管上安装有上层阀门和下层阀门；还包括驱动机构，驱动机构与转轴传动连接，驱动机构驱动转轴旋转，使各过滤室逐一连通并包覆进水口和排料口。
作为本发明的优选方案，所述驱动机构包括电机座、步进电机和同步带传动组件，电机座安装在过滤筒体顶部，步进电机安装在电机座上，步进电机通过同步带传动组件与转轴传动连接。
与现有技术相比，本技术方案具有以下有益效果：
1、通过在外套管内额外设置换热管，可在不增加换热器整体长度的条件下，增加换热器整体的换热面积，增加换热量，提高液体换热介质的温度；
2、换热管上下两端呈敞开结构，可减少外套管打入中深地层过程中水及泥浆对外套管的阻力，便于将外套管打入中深地层；
3、水过滤装置可过滤供热管路中的杂质，去除水中的泥沙等杂质，避免由于水中杂质过多导致设备损坏，避免供热管路堵塞；在进行杂质清理时，循环泵无需停止工作，可大大提高了地热的利用效率；
4、设置定位口和密封定位组件，可便于将隔热内管安装在外套管中，同时提高隔热内管与外套管的同轴度高，提高换热器的使用寿命。
附图说明
图1为本发明提供的一实施例的结构示意图；
图2为图1中换热器的结构示意图；
图3为换热器的局部放大图；
图4为换热管的结构示意图；
图5为图3中沿A-A线的剖视图；
图6为水过滤装置的结构示意图；
图7为水过滤装置的正视图；
图中，1、换热器；11、外套管；12、换热管；13、内管总成；131、内套管；132、上层内管；133、下层内管；134、密封定位组件；134a、圆台部；134b、密封圈；134c、下层圆头部；134d、上层圆头部；135、支撑柱；14、定位载座；141、定位口；15、导流承托座；151、导流口；16、沉头；161、贯通口；2、循环泵；3、热泵；4、供热管路；5、水过滤装置；501、支架；502、过滤筒体；503、进水口；504、出水口；505、转轴；506、滤网；507、密封条；508、过滤室；509、排料口；510、排料管；511、上层阀门；512、下层阀门；513、电机座；514、步进电机；515、同步带传动组件。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
请参考图1至图7，在本发明的实施例提供了一种基于中深层地热能的钻孔供热系统，包括换热器1、循环泵2、热泵3和供热管路4，换热器1包括外套管11、换热管12和内管总成13，外套管11设置于钻孔中，换热管12和内管总成13同轴设置在外套管11内，换热管12固定安装在外套管11底部且贯穿外套管11，外套管11通过换热管12与钻孔连通；换热管12内壁可直接与钻孔内的地下热水接触进行换热，下层内管133中的液体换热介质再与换热管12外壁接触进行换热，从而在不增加换热器1整体长度的同时，增加换热器1整体的换热面积，增加换热量，提高液体换热介质的温度；
如图2-图4所示，换热管12顶部安装有定位载座14，如图4所示，定位载座14上设有定位口141，换热管12与定位口141同轴设置；如图2和图3所示，内管总成13包括同轴设置的内套管131、上层内管132和下层内管133，内套管131和上层内管132均固定安装在下层内管133上端，上层内管132位于内套管131内侧，上层内管132和内套管131间形成真空腔，下层内管133同轴套设在换热管12外围，下层内管133内安装有用于密封定位口141的密封定位组件134；外套管11选用镀锌钢管，导热效果好、强度高、耐腐蚀性能佳，便于使换热器1于中深地层内长期使用；换热管12上下两端呈敞开结构，可便于将外套管11打入中深地层，减少外套管11打入中深地层过程中水及泥浆对外套管11的阻力，后续再对外套管11进行洗井操作，利用洗井设备将外套管11内的水及泥沙等抽出即可；
定位载座14可承载密封定位组件134，并通过定位口141对密封定位组件134进行同轴定位，实现对密封定位组件134的安装定位，密封定位组件134密封定位口141后，可避免液体换热介质中混入钻孔中的泥沙；下层内管133和换热管12均位于换热器1的下部，所处位置的地热温度也是相对最高的，因此在此处设置换热管12，可使得换热管12温度相对最高，换热效率最大；液体换热介质与换热管12接触换热后，回流至上层内管132，上升过程中钻孔温度会逐渐降低，因此设置内套管131，利用真空腔进行隔热，减少热量散失。并且，下层内管133与换热管12围成的环形区域的截面不小于上层内管132的截面，使得上层内管132中的液体换热介质不会断流，保证正常循环供热。
供热管路4依次与上层内管132、循环泵2、热泵3和外套管11连接。在循环泵2的作用下，经过换热加热后的液体换热介质由上层内管132抽入供热管路4，经过热泵3换热后流入外套管11。
在本发明提供的实施例中，为提高内管总成13的同轴度，便于对对内管总成13进行定位，如图4所示，设置定位口141呈倒圆台形。
在本发明提供的实施例中，为与定位口141进行配合，如图3所示，设置密封定位组件134包括与定位口141适配的圆台部134a，圆台部134a外围安装有用于密封定位口141的密封圈134b。圆台部134a结构与定位口141适配，在定位口141的引导下，圆台部134a可便于卡入，在内管总成13自重及水压下，密封圈134b压紧定位口141，使得密封定位组件134密封定位口141。
在本发明提供的实施例中，如图3所示，密封定位组件134还包括位于圆台部134a下方的下层圆头部134c和位于圆台部134a上方的上层圆头部134d。设置下层圆头部134c，可便于内管总成13顺利下落安装，便于圆台部134a进入定位口141；设置上层圆头部134d可增加密封定位组件134的表面积，提高与液体换热介质的换热面积，增加换热量，提高液体换热介质的温度。
在本发明提供的实施例中，为提高定位载座14的支撑力，如图2-图4所示，在下层内管133内还固定有导流承托座15，导流承托座15顶部与定位载座14底部固定连接，导流承托座15上设有导流口151，导流口151呈圆台形，导流口151顶部与定位口141底部重合，导流口151底部直径与下层内管133内径相同。导流承托座15还起到导流作用，可避免外套管11下沉安装过程中，定位载座14底部阻挡泥沙，从而减少阻力。
在本发明提供的实施例中，为便于循环进出水，如图1和图2所示，设置内套管131与下层内管133直径相同。
在本发明提供的实施例中，密封定位组件134通过至少两个支撑柱135与下层内管133顶端内壁固定连接。本实施例中，如图2和3所示，密封定位组件134上设置两个支撑柱135，支撑柱135上端与下层内管133顶端内壁固定连接，支撑柱135下端与密封定位组件134上部固定连接。
在本发明提供的实施例中，如图1-图3所示，外套管11底部固定有呈倒圆台形的沉头16，沉头16中部设有与换热管12连通的贯通口161。设置呈倒圆台形的沉头16可使外套管11轻松打入预留锚孔内，设置贯通口161可使换热管12能够与钻孔中的热液体介质接触换热。
在本发明提供的实施例中，如图1所示，供热管路4上且位于热泵3和上层内管132间还安装有水过滤装置5，如图6和图7所示，水过滤装置5包括支架501及安装在支架501上的过滤筒体502，过滤筒体502上径向设有进水口503和出水口504，过滤筒体502内安装有与其同轴设置的转轴505，转轴505上安装有多个呈圆周分布的滤网506，在本实施例中，滤网506设置为八个，滤网506间夹角为45度，滤网506边缘处安装有与过滤筒体502内壁滑动密封连接的密封条507，滤网506将过滤筒体502内腔分隔为多个过滤室508，过滤筒体502底部设有排料口509，排料口509处安装有排料管510，排料管510上安装有上层阀门511和下层阀门512；还包括驱动机构，驱动机构与转轴505传动连接，驱动机构驱动转轴505旋转，使各过滤室508逐一连通并包覆进水口503和排料口509；具体的，驱动机构包括电机座513、步进电机514和同步带传动组件515，电机座513安装在过滤筒体502顶部，步进电机514安装在电机座513上，步进电机514通过同步带传动组件515与转轴505传动连接；在其他实施中，步进电机514也可通过链条传动组件与转轴505传动连接。
具体而言，水过滤装置5可过滤供热管路4中的杂质，避免堵塞，使循环水流动通畅；步进电机514每隔一段时间驱动转轴505顺时针旋转90度，使得靠近进水口503处的过滤室508转动至过滤筒体502处，转动过程中，过滤室508内滤出的杂质受自重下落至过滤筒体502；上层阀门511为敞开电磁阀，下层阀门512为常闭电磁阀，上层阀门511和下层阀门512配合，可便于排出杂质；具体的，上层阀门511通电后，可封闭排料口509，然后下层阀门512通电，使过滤筒体502敞开，过滤筒体502内积聚的杂质自动排出；下层阀门512断电后自动封闭过滤筒体502底部，上层阀门511断电后，排料口509开启，杂质可再次积聚在过滤筒体502中；在进行杂质清理时，循环泵2无需停止工作，可大大提高了地热的利用效率。循环泵2、热泵3、上层阀门511、下层阀门512、步进电机514均电连接同一控制系统。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
在本发明的描述中，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。
此外，术语“第一”、“第二”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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
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。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

Claims (10)

1.一种基于中深层地热能的钻孔供热系统，包括换热器、循环泵、热泵和供热管路，其特征在于，所述换热器包括外套管、换热管和内管总成，所述外套管设置于钻孔中，换热管和内管总成同轴设置在外套管内，换热管固定安装在外套管底部且贯穿外套管，外套管通过换热管与钻孔连通；
所述换热管顶部安装有定位载座，定位载座上设有定位口，换热管与定位口同轴设置；
所述内管总成包括同轴设置的内套管、上层内管和下层内管，内套管和上层内管均固定安装在下层内管上端，上层内管位于内套管内侧，上层内管和内套管间形成真空腔，下层内管同轴套设在换热管外围，下层内管内安装有用于密封定位口的密封定位组件；
所述供热管路依次与上层内管、循环泵、热泵和外套管连接。
2.根据权利要求1所述的基于中深层地热能的钻孔供热系统，其特征在于，所述定位口呈倒圆台形。
3.根据权利要求2所述的基于中深层地热能的钻孔供热系统，其特征在于，所述密封定位组件包括与定位口适配的圆台部，圆台部外围安装有用于密封定位口的密封圈。
4.根据权利要求3所述的基于中深层地热能的钻孔供热系统，其特征在于，所述密封定位组件还包括位于圆台部下方的下层圆头部和位于圆台部上方的上层圆头部。
5.根据权利要求2所述的基于中深层地热能的钻孔供热系统，其特征在于，所述下层内管内还固定有导流承托座，导流承托座顶部与定位载座底部固定连接，导流承托座上设有导流口，导流口呈圆台形，导流口顶部与定位口底部重合，导流口底部直径与下层内管内径相同。
6.根据权利要求1所述的基于中深层地热能的钻孔供热系统，其特征在于，所述内套管与下层内管直径相同。
7.根据权利要求1所述的基于中深层地热能的钻孔供热系统，其特征在于，所述密封定位组件通过至少两个支撑柱与下层内管顶端内壁固定连接。
8.根据权利要求1所述的基于中深层地热能的钻孔供热系统，其特征在于，所述外套管底部固定有呈倒圆台形的沉头，沉头中部设有与换热管连通的贯通口。
9.根据权利要求1所述的基于中深层地热能的钻孔供热系统，其特征在于，所述供热管路上且位于热泵和上层内管间还安装有水过滤装置，水过滤装置包括支架及安装在支架上的过滤筒体，过滤筒体上径向设有进水口和出水口，过滤筒体内安装有与其同轴设置的转轴，转轴上安装有多个呈圆周分布的滤网，滤网边缘处安装有与过滤筒体内壁滑动密封连接的密封条，滤网将过滤筒体内腔分隔为多个过滤室，过滤筒体底部设有排料口，排料口处安装有排料管，排料管上安装有上层阀门和下层阀门；还包括驱动机构，驱动机构与转轴传动连接，驱动机构驱动转轴旋转，使各过滤室逐一连通并包覆进水口和排料口。
10.根据权利要求9所述的基于中深层地热能的钻孔供热系统，其特征在于，所述驱动机构包括电机座、步进电机和同步带传动组件，电机座安装在过滤筒体顶部，步进电机安装在电机座上，步进电机通过同步带传动组件与转轴传动连接。
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