CN115060014A - 一种深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统 - Google Patents

一种深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统 Download PDF

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张鹏举
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Abstract

本发明公开了一种深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统,属于地热开采技术领域。该深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统包括:多个环路热管均埋设在采空区内,各环路热管的管壁内均设有用于填充相变材料的密闭空腔,且环路热管内填充有用于流通的自润湿流体;分水器上设有进水端口和多个出水端口,多个出水端口均通过一个液相管路连通环路热管的一端。本发明的深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统能够有效地将深部矿床开采时面临高地热诱发的深井热害问题有效缓解,井下工人作业的过程中只需要通入自然风即可,不必通入冷风,并且将地热导出地面被人们有效利用,不仅绿色环保,而且节约能源,值得大力推广。

Description

一种深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统
技术领域
本发明涉及地热开采技术领域,具体涉及一种深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统。
背景技术
矿物资源是重要的自然资源,它是社会生产发展的重要物质基础,现代社会人们的生产和生活都离不开矿产资源;根据《矿产资源法实施细则》第2条规定,所谓矿产资源是指由地质作用形成的,具有利用价值的,呈固态、液态、气态的自然资源;
随着浅部矿产资源的逐渐减少和枯竭,以及工业化、城市化的快速发展,深部开采成为必然趋势。然而深部矿井开采具有“三高”环境特征—即:高井深、高应力和高地温,带来了众多科学技术难题,严重影响矿山生产安全、效率、成本,甚至关系到资源利用的可行性,已成为制约深部矿产资源可持续开发利用与矿业健康发展的重要因素。
高地温是导致深部矿床开采出现热害的罪魁祸首,却也为地热资源的开发提供了有利条件。因此,将深部采矿与地热开发相结合,开展矿产资源-清洁地热资源的绿色协同开发与利用,对于实现深部矿山的绿色可持续发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的问题,提供一种深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统。
本发明提供了一种深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统,包括:多个环路热管、分水器、换热器,多个环路热管均埋设在采空区内,各环路热管的管壁内均设有用于填充相变材料的密闭空腔,且环路热管内填充有用于流通的自润湿流体;分水器上设有进水端口和多个出水端口,多个出水端口均通过一个液相管路连通环路热管的一端;换热器出水端连通分水器的进水端,换热器的进水端通过汽相干管连通多个环路热管的另一端。
较佳地,所述各环路热管的内壁均设有吸液芯,吸液芯的端部固定连接环路热管内壁的靠近液相管路的端部,吸液芯内部设有蒸发室,吸液芯与环路热管的内壁之间的空隙构成用于蒸汽流动的蒸汽槽道。
较佳地,所述吸液芯的固定端与对应的环路热管端部之间形成补偿室,补偿室内设有汽液单向阀。
较佳地,所述汽液单向阀为柱体,柱体的外壁固定连接环路热管的内壁,柱体的内部设有多组互相平行的特斯拉阀,特斯拉阀的入口端靠近液相管路。
较佳地,所述换热器和分水器之间的管路上依次设有第一阀体、过滤器、抽真空阀、注液端口。
较佳地,所述汽相干管上套设有用于防止热量损失的真空套管。
较佳地,所述分水器的进水端口和多个出水端口均设有第二阀体。
较佳地,所述换热器的进水端设有截止阀。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明的深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统能够有效地将深部矿床开采时面临高地热诱发的深井热害问题有效缓解,井下工人作业的过程中只需要通入自然风即可,不必通入冷风,并且将地热导出地面被人们有效利用,不仅绿色环保,而且节约能源,值得大力推广;并且在汽液单向阀的作用下,实现自润湿流体高效的单向循环,自润湿流体循环流动所需的动力靠地热热源驱动,无额外附加动力,实现对采空区充填体内热能进行提取和利用。
附图说明
图1为本发明的管路连接示意图;
图2为本发明的环路热管剖视图;
图3为本发明的汽液单向阀剖视图。
附图标记说明:
1.换热器,2.第一阀体,3.过滤器,5.分水器,6.第二阀体,14-3.补偿室, 14-4.蒸发室,14-5.吸液芯,14-6.蒸汽槽道,14-9.汽液单向阀,15.相变材料, 16.填充体,17.环路热管,18.采空区,19.抽真空阀,20.注液端口,21.液相管路,25.汽相干管,26.真空套管,27.截止阀。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述,但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。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的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。
本发明提供的一种深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统,如图 1-2-3包括:多个环路热管17、分水器5和换热器1,多个环路热管17均通过充填体16埋设在采空区18内,各环路热管17的管壁内均设有用于填充相变材料15的密闭空腔,且环路热管17内填充有用于流通的自润湿流体;分水器 5上设有进水端口和多个出水端口,多个出水端口均通过一个液相管路21连通环路热管17的一端;换热器1出水端连通分水器5的进水端,换热器1的进水端通过汽相干管25连通多个环路热管17的另一端。
相变材料15为添加石墨纳米片与泡沫碳的复合相变材料,填充体16可选用混凝土、石块和尾砂中的一种或多种,采空区18的热量通过充填体16传递给多个环路热管17,环路热管17的外壁将热量传递给相变材料15,在相变材料15达到熔点前,热量以显热的形式进行热量的存储,在相变材料达到熔点时,相变材料开始融化,热量以潜热的形式存储在相变材料15中,相变材料完全融化时,相变材料再次以显热的形式蓄积热量,相变材料以热传导和对流换热的方式将热量传递给环路热管17的内壁,高温的环路热管17的内壁将自润湿流体(如醇水溶液:自湿润流体作为一种新型工质,因具有自发润湿高温烧干区域的特性,能有效延缓烧干现象),加热,并在整个系统内循环,当高温的自润湿流体流动到换热器1后,热量得到有效利用,并成为低温的自润湿流体,低温的自润湿流体经过分水器5后进入多个环路热管17实现循环,本深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统能够有效地将深部矿床开采时面临高地热诱发的深井热害问题有效缓解,井下工人作业的过程中只需要通入自然风即可,不必通入冷风,并且将地热导出地面被人们有效利用,不仅绿色环保,而且节约能源,值得大力推广。
相变材料15吸收热量使得环路热管17的内壁温度升高,高温的环路热管 17的内壁将自润湿流体(如醇水溶液:自湿润流体作为一种新型工质,因具有自发润湿高温烧干区域的特性,能有效延缓烧干现象)加热,并在整个系统内循环,当高温的自润湿流体流动到换热器1后,热量得到有效利用,并成为低温的自润湿流体,低温的自润湿流体经过分水器5后进入多个环路热管17实现循环,本深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统能够有效地将深部矿床开采时面临高地热诱发的深井热害问题有效缓解,井下工人作业的过程中只需要通入自然风即可,不必通入冷风,并且并将地热导出地面被人们有效利用,不仅绿色环保,而且节约能源,值得大力推广。
优选地,如图2所述各环路热管17的内壁均设有吸液芯14-5,吸液芯14-5 的端部固定连接环路热管17内壁的靠近液相管路21的端部,吸液芯14-5内部设有蒸发室14-4,吸液芯14-5与环路热管17的内壁之间的空隙构成用于蒸汽流动的蒸汽槽道14-6。
环路热管17的蒸发室14-4在受热后,蒸发室14-4内的自润湿流体吸收热量发生气-液相变,汽化的自润湿流体穿过吸液芯14-5,通过蒸汽槽道14-6汇集到汽相干管25,并进入换热器1实现换热,换热后汽化的自润湿流体液化,然后通过分水器5进入多个环路热管17实现循环,自润湿流体循环流动所需的动力靠地热热源驱动,无额外附加动力,实现对采空区充填体内热能的提取。
优选地,如图2所述吸液芯14-5的固定端与对应的环路热管17端部之间形成补偿室14-3,补偿室14-3内设有汽液单向阀14-9。
为了使得自润湿流体在系统内的循环方向统一,防止循环方向变化设置有汽液单向阀14-9。
优选地,如图3所述汽液单向阀14-9为柱体,柱体的外壁固定连接环路热管17的内壁,柱体的内部设有多组互相平行的特斯拉阀,特斯拉阀的入口端靠近液相管路21。
优选地,如图1所述换热器1和分水器5之间的管路上依次设有第一阀体 2、过滤器3、抽真空阀19、注液端口20。
过滤器3用于过滤自润湿流体循环过程中的杂质,抽真空阀19能够对循环管路内抽取一定真空度,降低蒸汽压力,利于自润湿流体蒸发,注液端口20 能够对循环管路内自润湿流体进行灌注和后期补液,保证自润湿流体稳定在工作液位。
优选地,所述汽相干管25上套设有用于防止热量损失的真空套管26。
优选地,所述分水器5的进水端口和多个出水端口均设有第二阀体6。
优选地,所述换热器1的进水端设有截止阀27。
本发明的深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统的工作原理如下:
相变材料15吸收热量使得环路热管17的内壁温度升高,高温的环路热管 17的内壁将自润湿流体(如醇水溶液:自湿润流体作为一种新型工质,因具有自发润湿高温烧干区域的特性,能有效延缓烧干现象)加热,并在整个系统内循环;
环路热管17的蒸发室14-4在受热后,蒸发室14-4内的自润湿流体吸收热量发生气-液相变,汽化的自润湿流体穿过吸液芯14-5,通过蒸汽槽道14-6汇集到汽相干管25,并进入换热器1实现换热,换热后汽化的自润湿流体液化,然后通过分水器5进入多个环路热管17实现循环,其中在汽液单向阀14-9的作用下实现单向循环,自润湿流体循环流动所需的动力靠地热热源驱动,无额外附加动力,实现对采空区充填体内热能进行提取和利用。
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 (8)

1.一种深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统,其特征在于,包括:
多个环路热管(17),均埋设在采空区(18)内,各环路热管(17)的管壁内均设有用于填充相变材料(15)的密闭空腔,且环路热管(17)内填充有用于流通的自润湿流体;
分水器(5),上设有进水端口和多个出水端口,多个出水端口均通过一个液相管路(21)连通环路热管(17)的一端;
换热器(1),出水端连通分水器(5)的进水端,换热器(1)的进水端通过汽相干管(25)连通多个环路热管(17)的另一端。
2.如权利要求1所述的深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统,其特征在于,所述各环路热管(17)的内壁均设有吸液芯(14-5),吸液芯(14-5)的端部固定连接环路热管(17)内壁的靠近液相管路(21)的端部,吸液芯(14-5)内部设有蒸发室(14-4),吸液芯(14-5)与环路热管(17)的内壁之间的空隙构成用于蒸汽流动的蒸汽槽道(14-6)。
3.如权利要求2所述的深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统,其特征在于,所述吸液芯(14-5)的固定端与对应的环路热管(17)端部之间形成补偿室(14-3),补偿室(14-3)内设有汽液单向阀(14-9)。
4.如权利要求3所述的深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统,其特征在于,所述汽液单向阀(14-9)为柱体,柱体的外壁固定连接环路热管(17)的内壁,柱体的内部设有多组互相平行的特斯拉阀,特斯拉阀的入口端靠近液相管路(21)。
5.如权利要求1所述的深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统,其特征在于,所述换热器(1)和分水器(5)之间的管路上依次设有第一阀体(2)、过滤器(3)、抽真空阀(19)、注液端口(20)。
6.如权利要求1所述的深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统,其特征在于,所述汽相干管(25)上套设有用于防止热量损失的真空套管(26)。
7.如权利要求1所述的深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统,其特征在于,所述分水器(5)的进水端口和多个出水端口均设有第二阀体(6)。
8.如权利要求1所述的深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统,其特征在于,所述换热器(1)的进水端设有截止阀(27)。
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