CN201066219Y - 井下换热器热泵系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带有强化模式的井下换热器与热泵机组相结合的供热系统。井下换热器热泵系统，包括地面和井下两部分。地面是普通热泵系统，井下系统由成井花管、成井套管、井下换热器和流增速管组成。成井花管与成井套管对接构成井下换热器的护套并位于地下管井内。在井下换热器与成井花管之间设有对流增速管。井下换热器与对流增速管通过管卡或固定悬臂连接。成井花管是设有开孔的花管或裸管。井下的换热管束采用U形管或套管。本实用新型通过设置增速管，井下换热器与含水层内热水之间的传热系数可以提高1倍以上。同时可降低井下换热器进水温度，提高循环水与地下水的温差，与未利用热泵相比本实用新型所提取的热量可以提高1－2倍。

Description

井下换热器热泵系统

技术领域

本实用新型属于热泵技术，具体涉及一种带有地热井下热交换器的热泵系统。

背景技术

地热井下换热器与地源埋管换热器有所不同，其本质区别在于：井下换热器是需要换热的流体与井内底部地热水层内流体以自然对流的方式进行换热，而地埋管换热器(有时也称为地源埋管换热器)主要依靠埋入地下的管路与周围土壤以导热的方式进行换热。虽然井的深度相差不多，但地热井下换热器其单井取热量在百千瓦的数量级，最高提取热量可以达到1000kW以上，而地源埋管换热器只有几千瓦的数量级，一般仅有2-5kW。从供热负荷角度讲，一套地热井下换热器提取的热量可高出地埋管换热器两个数量级。当然，采用哪种换热器要根据当地条件而定。有条件的地方采用地热井下换热器系统要远比地埋管换热器系统经济。地热井下换热器也具有不抽取地下水、无地热水排放、无污染环境、可以保护地下水资源等优点。由于地热井下换热器依赖自然对流方式传热，其传热机理要比地埋管换热器的导热问题复杂，因此，本实用新型提出了一种强化自然对流传热的方式，并结合热泵系统的节能技术，达到强化井下换热器自然对流的目的。

国外大多数地热井下换热器，均在较高温度的浅层地热热储条件下运行，在我国具有这样地热热储条件的地方不多。实验和理论结果表明，流经井下换热器的入口温度越低，净热输出越大。因此，为了突破受温度资源条件的限制，实现我国更多的地区可以应用地热井下换热器，提出将具有强化传热模式的井下换热器与热泵相结合。这样不仅可放宽地热热储资源条件的限制，还可进一步降低井下换热器的入口温度，提高井下换热器在水层内的吸热量。

发明内容：

本实用新型的目的是提供一种带有强化模式的井下换热器与热泵机组相结合的供热设备系统，通过在浅层地热水层或在给定的地下水层内设有对流增速管，提高强化井下换热器的换热效率。

本实用新型的技术方案如图1、2所示。井下换热器热泵系统，包括井下换热系统和地面热泵系统两部分。地面部分包括：蒸发器1、压缩机2、冷凝器3、和膨胀阀4、井下换热器补水管5、井下换热器溢流管6、循环水补水阀7-1、循环水溢水阀7-2，循环水泵前阀7-3、循环水泵后阀7-4、循环水进水阀7-5，高位水箱8和循环水泵9。从热泵系统的组成与连接方面讲，本发明与普通热泵系统连接方式相同，即由蒸发器1、压缩机2、冷凝器3和膨胀阀4串接构成地面热泵系统。本发明的井下换热系统由成井花管10、成井套管11、井下换热器12和流增速管13组成。成井花管10与成井套管11对接构成井下换热器12的护套并位于地下。在井下换热器12与成井花管10之间设有对流增速管13，井下换热器12与对流增速管13通过管卡或固定悬臂连接。成井花管10是设有开孔的花管或裸管。井下换热器12的换热管束采用U形管形式或采用套管形式。井下换热器12的出水端接于循环水补水阀7-2与循环水泵前阀7-3之间。井下换热器12的出水端通过循环水进水阀7-5与蒸发器1的循环水出水侧串接。循环水泵前阀7-3、循环水泵9、循环水泵后阀7-4与蒸发器1的循环水进水侧串接。与热用户相联的供水管14和回水管15分别接于冷凝器3的循环水侧。对流增速管13置于地下岩层的含水层内，对流增速管13置于地下岩层的含水层内，平行于井下换热器12的进出水管，对流增速管的形式为上下开口。安装方式根据井下换热器12进出水管的相对位置可以分为三种：a.对流增速管13位于井下换热器12进、出水管的侧面(如图2)；b.对流增速管13套装井下换热器12的进出水管(如图3)；c.对流增速管13套装井下换热器12进、出水管中的一根(如图4)。井下换热器热泵系统整体由两个水循环系统和一个工质循环系统组成。即井下换热器12与蒸发器1水侧构成一个水循环系统；冷凝器3水侧与热用户系统构成一个水循环系统。蒸发器1与冷凝器3的工质侧构成工质循环系统。流入井下换热器的循环水在地热水层或地下水层被加热，送到地面为蒸发器提供热源，这将提高了蒸发器的入口温度，使其热泵循环热效率得到提高。由于流增速管13的设置，有效强化了井下换热器换热管束与管井内地热水的自然对流传热。并通过与地面热泵机组相结合，可以进一步降低井下换热器的入口水温，通过增加地热水和循环水的自然对流换热温差，从而提高井下换热器从浅层地热水层或地下水层内吸收的热量。

该系统不仅适合有浅层地热资源的北方地区供热，同时，由于结合地面热泵系统，对有渗透性较好的浅层地下水源地区也适用。

附图说明

图1为本实用新型的系统组成原理图。

图2为井下换热器安装于对流增速管进、出水管侧面的示意图。

图3为井下换热器套装井下换热器的进出水管的示意图。

图4为井下换热器套装井下换热器进、出水管中一根的示意图。

图5为与热泵结合形式下井下换热器所提取的热量与进水温度的关系曲线。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本实用新型作进一步的说明。某地热水井深102m，成井后花管内径302mm，含水层厚度约30m，井底最高温度为79℃。井下换热器采用“U”形管布置，换热器水管内径50mm，进/出水管长78m，增速管内径150mm，长15m。本实施例对流增速管的布置方式采用图2所列形式。运行时开启循环水溢水阀7-2，循环水泵前阀7-3，循环水泵后阀7-4和循环水进水阀7-5。然后开启循环水补水阀7-1，通过井下换热器补水管5给井下换热器12充水，待水从溢流管6流出时，关闭溢水阀7-2与补水阀7-1。在确定冷凝器侧与热用户相联的供水管14与回水管15有循环水流动后，开启井下换热器的循环水泵9。然后再开启热泵机组。此时，通过循环水进水阀7-5流入井下换热器的温度开始逐渐降低，而通过循环水泵前阀7-3，循环水泵9，循环水泵后阀7-4的水温度开始增高，但随流出蒸发器循环水温度的不断降低，通过循环水泵后阀7-4返回蒸发器的温升幅度开始下降，并趋于稳定。本实施例中，井下换热器进水温度最低温度29℃，流量11.3m³/h，井下换热器出水温度61.8℃，从井下换热器提取热量431kW。在未结合热泵条件下，井下换热器进水温度45℃，流量13m³/h，井下换热器出水温度58℃，从井下换热器提取热量196kW。在未结合热泵之前，井下换热器的最多提取热量为200kW，供约3900m²的建筑物冬季采暖热量，在与热泵系统结合使用后，最多提取热量可达到430kW，与未利用热泵相比供热负荷提高了1倍以上。

本实用新型的有益效果是，通过设置自然对流增速管，可强化井下换热器与含水层内的热水之间的传热，提高井下换热器的吸热量，以及热泵的运行效率，从而达到节能的目的，与无对流增速管情况相比，传热系数可以提高1倍以上。图5所示的是与热泵结合形式下井下换热器所提取的热量与进水温度的关系曲线。因此热泵与井下换热器相结合，可降低井下换热器进水温度，提高井下换热器内部循环水与地下含水层孔隙内水的温度差，有效地增强了传热。提取的热量可以提高1-2倍。同时，该技术放宽了地热含水层内热储温度的设计要求，地热含水层内部温度可以拓展到50℃以下。

Claims (4)

1.井下换热器热泵系统，包括井下换热系统和地面热泵系统两部分，地面部分包括：蒸发器(1)、压缩机(2)、冷凝器(3)、和膨胀阀(4)、井下换热器补水管(5)、井下换热器溢流管(6)、循环水补水阀(7-1)、循环水溢水阀(7-2)、循环水泵前阀(7-3)、循环水泵后阀(7-4)、循环水进水阀(7-5)，高位水箱(8)和循环水泵(9)，由蒸发器(1)、压缩机(2)、冷凝器(3)和膨胀阀(4)串接构成地面热泵系统，其特征是井下换热系统由成井花管(10)、成井套管(11)、井下换热器(12)和流增速管(13)组成，成井花管(10)与成井套管(11)对接构成井下换热器(12)的护套并位于地下管井内，在井下换热器(12)与成井花管(10)之间设有对流增速管(13)，井下换热器(12)与对流增速管(13)通过管卡或固定悬臂连接，井下换热器(12)的出水端接于循环水补水阀(7-2)与循环水泵前阀(7-3)之间，井下换热器(12)的出水端通过循环水进水阀(7-5)与蒸发器(1)的循环水出水侧串接，循环水泵前阀(7-3)、循环水泵(9)、循环水泵后阀(7-4)与蒸发器(1)的循环水进水侧串接，与热用户相联的供水管(14)和回水管(15)分别接于冷凝器(3)的循环水侧。

2.按照权利要求1所述的井下换热器热泵系统，其特征是所述的对流增速管(13)置于地下岩层的含水层内，平行于所述井下换热器(12)的进出水管，对流增速管上下开口，安装方式根据井下换热器(12)进出水管的相对位置可以分为三种：a.对流增速管(13)位于井下换热器(12)进、出水管的侧面；b.对流增速管(13)套装井下换热器(12)的进出水管；c.对流增速管(13)套装井下换热器(12)进、出水管中的一根。

3.按照权利要求1所述的井下换热器热泵系统，其特征是所述成井花管(10)是设有开孔的花管或裸管。

4.按照权利要求1所述的井下换热器热泵系统，其特征是所述井下换热器(12)的换热管束采用U形管形式，或采用套管形式。

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