CN210564685U

CN210564685U - 一种地热阶梯举升装置

Info

Publication number: CN210564685U
Application number: CN201921828703.8U
Authority: CN
Inventors: 张国栋; 张润成; 巢昆; 张永涛
Original assignee: Qingdao University of Science and Technology
Current assignee: Qingdao University of Science and Technology
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2029-10-29

Abstract

本实用新型属于地热举升设备技术领域，涉及一种地热阶梯举升装置，主体结构包括主体结构包括井筒、超长重力热管、增强换热器、上封隔器、下封隔器、同心双管换热器、热力发电机组、上橡胶封隔器和下橡胶封隔器，蒸发段中的工质被加热至沸腾产生蒸汽，蒸汽在压差作用下快速向上移动，将热量迅速携带上来，当蒸汽达到冷凝段后发生凝结，产生的液体在重力的作用下回流至蒸发段，同时，动力泵将冷水注入环腔，被高导热流体初步加热的冷水到达增强换热器后通过水流圆孔返回，通过螺旋肋片的旋流作用充分、快速加热形成热水，热水依次经过内管、闪蒸器、螺旋膨胀机、集汽器和凝汽器后通过冷凝泵冷凝回流至水池；其结构简单，原理科学可靠。

Description

一种地热阶梯举升装置

技术领域：

本实用新型属于地热举升设备技术领域，具体涉及一种地热阶梯举升装置，基于超长重力热管，利用热超导技术和阶梯举升技术开发地热资源。

背景技术：

随着人类社会的发展，传统的化石能源，例如煤、石油、天然气等已经很难满足当前人类对于可持续性发展与资源供给相平衡的要求，所以在探索、寻求替代能源时，发现了诸如太阳能、风能和地热能这些本身能量体巨大但利用率极小的能源。其中，地热能是一种储量大、分布广、稳定性好和可循环利用的清洁能源，经开发利用，能够持续提供大量能源而不毁坏生态。地热能的用途比较广泛，主要用于发电、供暖、温室种植和温泉等。目前，地热开采仍处于探索阶段，在地热开采过程中地源热泵技术和同心双管换热器技术得到了大量应用：地源热泵是陆地浅层能源通过输入少量的高品位能源(如电能)实现由低品位热能向高品位热能转移的装置，通常地源热泵消耗1kWh的能量，可以得到4.4kWh以上的热量或冷量，地源热泵以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统，根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统，地源热泵技术在地表浅层地热(通常小于400m)的开发中发挥了重大作用。地源热泵技术存在两个关键性问题：地下水回灌和地下盘管，需要进一步完善和探讨；同心双管换热器技术在同一井内能够实现流体的内部闭式循环，开采深度可达3000m以上，且在运行过程中只取热、不采水，从根源上解决了环境污染和地面沉降问题，是一种可持续的地热开采方式。此外，热管技术充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，导热能力超过任何已知金属的导热能力，热管作为最有效的传热元件之一，能够迅速地将热能从一端高效地输送到另一端，近年来，热管技术在在余热回收方面取得了显著的成效。重力热管依靠热虹吸机理自行运行，不需要外加动力，与其他井下换热方式相比，重力热管的换热效率高，运行稳定，能够实现热能的远距离传输，且重力热管结构简单、取热不取水。利用重力热管提取地热必将成为一种有效利用地热资源的新途径，然而，高品质地热资源一般储存于数百甚至数千米的地表之下，尤其是干热岩，埋深一般超过3000m，而重力热管内部工质很难输运如此远的距离，从而限制了热管技术的应用。因此，研发设计一种能够实现高效开发地热层的地热阶梯举升装置，具有经济和社会效益。

发明内容：

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种地热阶梯举升装置，远距离、高效的开发地热。

为了实现上述目的，本实用新型涉及的地热阶梯举升装置的主体结构包括主体结构包括井筒、超长重力热管、增强换热器、上封隔器、下封隔器、同心双管换热器、热力发电机组、上橡胶封隔器和下橡胶封隔器；埋置在地面下的井筒的内部设置有超长重力热管，超长重力热管自上而下分为冷凝段、绝热段和蒸发段，冷凝段的外圆周套设有增强换热器，绝热段通过上封隔器和下封隔器锚定在井筒的内部，增强换热器的顶端与同心双管换热器的底端连接，同心双管换热器与设置在地面上的热力发电机组连接，同心双管换热器与井筒之间设置有上橡胶封隔器和下橡胶封隔器。

本实用新型涉及的井筒的主体结构包括生产套管、技术套管、表层套管和射孔；内空式结构的生产套管的顶端内凹处套设有环状结构的技术套管，技术套管的顶端内凹处套设有环状结构的表层套管，生产套管的底端开设有射孔。

本实用新型涉及的增强换热器的主体结构包括外筒体、内筒体、环形板、内隔板、螺旋肋片和水流圆孔；漏斗状结构的外筒体的内部设置有倒漏斗状结构的内筒体，外筒体的上部和下部呈圆柱形，中部呈倒圆台形，内筒体的上部呈圆柱形，下部呈圆台形，外筒体的倒圆台中间部位设置有环形板，内筒体的顶部设置有内隔板，圆柱部分内部设置有螺旋肋片，圆台部分开设有水流圆孔。

本实用新型涉及的同心双管换热器的主体结构包括外管、内管、环腔、输送管道、水池和动力泵；外管的内部套设有内管，外管与内管之间形成环腔，内管与热力发电机组连通，环腔通过输送管道与水池连通，输送管道上设置有动力泵。

本实用新型涉及的热力发电机组的主体结构包括保温管道、闪蒸器、螺旋膨胀机、集汽器、凝汽器和冷凝泵；保温管道的一端与同心双管换热器连接，另一端进入水池中，保温管道上沿水流方向依次设置有闪蒸器、螺旋膨胀机、集汽器、凝汽器和冷凝泵。

本实用新型与现有技术相比，蒸发段中的工质被加热至沸腾产生蒸汽，蒸汽在压差作用下快速向上移动，将热量迅速携带上来，当蒸汽达到冷凝段后发生凝结，产生的液体在重力的作用下回流至蒸发段，同时，动力泵将冷水注入环腔，被高导热流体初步加热的冷水到达增强换热器后通过水流圆孔返回，通过螺旋肋片的旋流作用充分、快速加热形成热水，热水依次经过内管、闪蒸器、螺旋膨胀机、集汽器和凝汽器后通过冷凝泵冷凝回流至水池；其结构简单，原理科学可靠，能够高效率的实现地热水的开采。

附图说明：

图1为本实用新型的主体结构原理示意图。

图2为本实用新型涉及的超长重力热管的主体结构原理示意图。

图3为本实用新型涉及的超长重力热管、增强换热器、同心双管换热器的连接关系示意图。

图4为本实用新型涉及的外筒体的主体结构原理示意图。

图5为本实用新型涉及的内筒体的主体结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施实例并结合附图对本实用新型做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的地热阶梯举升装置的主体结构包括井筒1、超长重力热管2、增强换热器3、上封隔器4、下封隔器5、同心双管换热器6、热力发电机组7、上橡胶封隔器8和下橡胶封隔器9；埋置在地面下的井筒1的内部设置有超长重力热管2，超长重力热管2自上而下分为冷凝段21、绝热段22和蒸发段23，冷凝段21的外圆周套设有增强换热器3，绝热段22通过上封隔器4和下封隔器5锚定在井筒1的内部，增强换热器3的顶端与同心双管换热器6的底端连接，同心双管换热器6与设置在地面上的热力发电机组7连接，同心双管换热器6与井筒1之间设置有上橡胶封隔器8和下橡胶封隔器9。

本实施例涉及的井筒1的主体结构包括生产套管10、技术套管11、表层套管12和射孔13；内空式结构的生产套管10的顶端内凹处套设有环状结构的技术套管11，技术套管11的顶端内凹处套设有环状结构的表层套管12，生产套管10的底端开设有射孔13；增强换热器3的主体结构包括外筒体30、内筒体31、环形板32、内隔板33、螺旋肋片34和水流圆孔35；漏斗状结构的外筒体30的内部设置有倒漏斗状结构的内筒体31，外筒体30的上部和下部呈圆柱形，中部呈倒圆台形，内筒体31的上部呈圆柱形，下部呈圆台形，外筒体30的倒圆台中间部位设置有环形板32，内筒体31的顶部设置有内隔板33，圆柱部分内部设置有螺旋肋片34，圆台部分开设有水流圆孔35；同心双管换热器6的主体结构包括外管60、内管61、环腔62、输送管道63、水池64和动力泵65；外管60的内部套设有内管61，外管60与内管61之间形成环腔62，内管61与热力发电机组7连通，环腔62通过输送管道63与水池64连通，输送管道63上设置有动力泵65；热力发电机组7的主体结构包括保温管道70、闪蒸器71、螺旋膨胀机72、集汽器73、凝汽器74和冷凝泵75；保温管道70的一端与同心双管换热器6连接，另一端进入水池64中，保温管道70上沿水流方向依次设置有闪蒸器71、螺旋膨胀机72、集汽器73、凝汽器74和冷凝泵75。

本实施例涉及的超长重力热管2的长度为2000m；上封隔器4和下封隔器5均为楔入式封隔器；上橡胶封隔器8和下橡胶封隔器9将生产套管10与外管60之间的环形空间密封；生产套管10、技术套管11和表层套管12的外径相等，生产套管10具有隔水作用，技术套管11用以封隔地层，表层套管12具有支撑作用；冷凝段21与蒸发段23的长度均为150m，内壁均涂抹铜质网状材料，通过扩大接触面积，提高工质在冷凝段21的放热效率和蒸发段23的吸热效率；绝热段22的长度为1700m，为双层壁中空结构，能够减小热量的耗散，保证传热效果；外筒体30分别与超长重力热管2和外管60螺纹式连接；内筒体31与内管61螺纹式连接后将冷凝段21包裹，强化热水在冷凝段21吸热；环形板32用于支撑和固定内筒体31；螺旋肋片34能够增加工质流程，增强换热效率；外管60的材质为高导热不锈钢；内管61为双层壁内真空式结构，能够避免热水的热量散失，提高换热效率，高效率的实现冷水下灌和热水回收；集汽器73用以收集乏气。

本实施例涉及的地热阶梯举升装置在全长为3000米的深井中开采地热时，在生产套管10、技术套管11和表层套管12与土体之间的空隙中填充水泥，形成用以固定井筒1和封隔土体的水泥环100，在生产套管10与外管60之间的环形空间内填充高导热流体200(机油或导热油)，射孔13将井筒1与地热水300连通，蒸发段23没入地热水300中被加热至工质沸腾产生蒸汽，蒸汽在压差作用下快速向上移动，将热量迅速携带上来，当蒸汽达到冷凝段21后发生凝结，产生的液体在重力的作用下回流至蒸发段23；动力泵65将冷水注入环腔62，高导热流体200对冷水进行加热，加热后的冷水到达增强换热器3后通过水流圆孔35返回，返回途中，通过螺旋肋片34的旋流作用充分、快速加热形成热水，热水进入内管61后通过保温管道70进入闪蒸器71扩容产生蒸汽，蒸汽对螺旋膨胀机72做功后进入集汽器73收集，收集的蒸汽进入凝汽器74后通过冷凝泵75冷凝，回流至水池64。

Claims

1.一种地热阶梯举升装置，其特征在于主体结构包括井筒、超长重力热管、增强换热器、上封隔器、下封隔器、同心双管换热器、热力发电机组、上橡胶封隔器和下橡胶封隔器；埋置在地面下的井筒的内部设置有超长重力热管，超长重力热管自上而下分为冷凝段、绝热段和蒸发段，冷凝段的外圆周套设有增强换热器，绝热段通过上封隔器和下封隔器锚定在井筒的内部，增强换热器的顶端与同心双管换热器的底端连接，同心双管换热器与设置在地面上的热力发电机组连接，同心双管换热器与井筒之间设置有上橡胶封隔器和下橡胶封隔器。

2.根据权利要求1所述的一种地热阶梯举升装置，其特征在于井筒的主体结构包括生产套管、技术套管、表层套管和射孔；内空式结构的生产套管的顶端内凹处套设有环状结构的技术套管，技术套管的顶端内凹处套设有环状结构的表层套管，生产套管的底端开设有射孔。

3.根据权利要求1所述的一种地热阶梯举升装置，其特征在于增强换热器的主体结构包括外筒体、内筒体、环形板、内隔板、螺旋肋片和水流圆孔；漏斗状结构的外筒体的内部设置有倒漏斗状结构的内筒体，外筒体的上部和下部呈圆柱形，中部呈倒圆台形，内筒体的上部呈圆柱形，下部呈圆台形，外筒体的倒圆台中间部位设置有环形板，内筒体的顶部设置有内隔板，圆柱部分内部设置有螺旋肋片，圆台部分开设有水流圆孔。

4.根据权利要求1所述的一种地热阶梯举升装置，其特征在于同心双管换热器的主体结构包括外管、内管、环腔、输送管道、水池和动力泵；外管的内部套设有内管，外管与内管之间形成环腔，内管与热力发电机组连通，环腔通过输送管道与水池连通，输送管道上设置有动力泵。

5.根据权利要求1所述的一种地热阶梯举升装置，其特征在于热力发电机组的主体结构包括保温管道、闪蒸器、螺旋膨胀机、集汽器、凝汽器和冷凝泵；保温管道的一端与同心双管换热器连接，另一端进入水池中，保温管道上沿水流方向依次设置有闪蒸器、螺旋膨胀机、集汽器、凝汽器和冷凝泵。