CN212340029U - 一种超长重力热管系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超长重力热管系统，包括插入地下的超长热管管体与冷凝器，超长热管管体内部由下至上包括蒸发段、绝热段以及冷凝段，且内部装有换热工质，冷凝器设置在超长热管管体的冷凝段的端部上，超长热管管体形状结构为直筒或弯曲或多分支状，超长热管管体竖直或倾斜插入地下，超长热管管体内设有固体填充物和套环。超长重力热管长度可长达数千米，通过热管自身倾斜或弯曲或多分支结构，提高管内蒸汽流动性，减小蒸汽流动阻力，利用固体填充物减少工质充注量，提高汽液混合物含汽率，降低汽液混合物密度，使底部液体受到的静压减小，更容易沸腾，提高蒸发换热效率，套环增加热管内液态换热工质与热管内壁的接触面积，提高蒸发换热效率。

Description

一种超长重力热管系统

技术领域

本实用新型涉及地热开采技术领域，具体涉及一种超长重力热管系统。

背景技术

地热能作为一种储量丰富、清洁、稳定的可再生能源，可分为水热型地热能和干热岩型地热能。随着国家对能源的需求，开发和利用地热资源得到了越来越多的关注。对于地热能的分类，通常分为以供暖、温泉、洗浴和大棚种植为代表的水热型地热资源，和利用地热资源直接发电的干热岩资源。对干热岩的传统利用，往往是建立野外试验场，钻取注入井和出口井，通过水力压裂形成连通性能良好的热储层，在注入井中注入低温工质，在热储层中加热后，经出口井抽至地面发电系统，经过梯级利用后，回灌到注入井循环使用，从而将深层地热能提取出来。在EGS的概念中，至少需要一个注入井和一个采出井才能够实现流体循环，从而实现地热能的提取和利用。但是在野外试验中也暴露出EGS的一些弊端：(1)钻井成本之高；(2)很难实现井间连通，具有较大的风险；(3)在实现流体循环时，不仅需要消耗大量的泵功，而且还存在工质漏损的现象；(4)在工质循环过程中，工质与高温岩石直接接触，流体工质中含有的钙离子、氯离子以及硅酸等离子，流体流入管道后会引起管道的结垢和腐蚀；(5)深层地下水含有的氡(Rn222)等放射性物质，会对人体产生伤害；(6)过度使用地下水资源可能造成地面沉降等危险。因此，寻找投资成本低、技术成熟、风险性小的采热方式具有重要的意义。

热管作为一种高效的传热器，利用管内工质的相变可将热量从一端传输到另一端。利用热管技术开采地热能就能避免上述的问题。重力热管由于其制造简单、操作方便、成本低廉、传热效率高等优势，广泛地应用于工农业等领域。近年来，随着国家对新能源的开发和利用，重力热管逐渐的应用到太阳能、地热能等新能源领域。

重力热管开采地热能的工作原理如下：通过在重力热管中加入水、液氨等工质，并将其内部用真空泵抽成负压状态；初始时刻，液体处于其热管底部，蒸发段受到地下深层的高温岩石或者高温地下水加热后，达到其液体的蒸发温度，液体吸热汽化后成为蒸汽，在微小压力的压差下，蒸汽经过绝热段流向地面冷凝段，在地面冷凝段经过换热器吸热后放出热量并凝结成液体，随后，在重力的作用下流回蒸发段，如此往复循环，将地下深层的干热岩热能提取到地面，供发电和采暖使用。由以上的开采过程可知，利用重力热管提取地热能资源并不需要消耗泵功等，可降低成本，此外，在整个过程中只取热不取水，可避免地面沉降、水资源污染等问题，具有显著的优势。

对于传统的重力热管的研究和应用大多局限于1m～10m的长度范围内，然而对于开采地热能的重力热管而言，长度往往高度数千米，长径高达数千甚至数万，常规的短热管设计经验参数并不适用于超长重力热管，本实用新型将提供特殊的设计解决其技术难题。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提出一种具有良好的传热性能，能长时间运行的稳定可靠的超长重力热管系统，同时兼顾效率、耐压、成本、工艺、造型等诸多因素。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种超长重力热管系统，包括插入地下的超长热管管体与冷凝器，所述超长热管管体内部由下至上包括蒸发段、绝热段以及冷凝段，且内部装有换热工质，所述冷凝器设置在超长热管管体的冷凝段的端部上，所述超长热管管体形状结构为直筒或弯曲或多分支状，所述超长热管管体竖直或倾斜插入地下，所述超长热管管体内蒸发段处设有用于提高液态换热工质与超长热管管体内壁接触面积的增触组件。

进一步地，所述超长热管管体的顶端设置有若干分叉管，每个分叉管上均单独设有冷凝器。

进一步地，所述冷凝器壳程上设有用于套设在超长热管管体的冷凝段顶端的套筒，所述套筒和超长热管管体内部连通，所述冷凝器上还设有连通冷凝器管程的进水口和出水口。

进一步地，所述冷凝器包括外壳，所述外壳内包括换热工质流路以及冷却水流路，所述换热工质流路包括套设在超长热管管体的冷凝段顶端上的套管，所述套管连通至外壳内部且另一端封闭，所述套管的侧壁上凸设有若干倾斜向上设置的分支管道，所述冷却水流路包括设置在壳体上的冷却水进口和冷却水出口，所述冷却水流路使冷却水与套管接触换热。

进一步地，所述分支管道以套管中线为中心设置有多列，相邻两列的分支管道之间设有折流板，所述折流板与外壳的内壁连接，使外壳内部分为若干个独立空间，所述折流板的上部或下部开设有冷却水流通口，相邻的两块折流板的冷却水流通口不设置在同一端。

进一步地，所述分支管道为方管结构，分支管道上依次布置有温差发电片和冷却水扁管。

进一步地，所述增触组件包括设置在超长热管管体内部的蒸发段底部的固体填充物，所述固体填充物的直径由低到高逐渐减小，所述固体填充物与超长热管管体内壁之间留有间隙。

进一步地，所述增触组件包括至少一个设置在超长热管管体内壁蒸发段处的套环，所述套环包括与超长热管管体内壁连接的外环，所述外环包括固定段和外倾段，所述固定段与超长热管管体内壁连接，所述外倾段由下至上向超长热管管体的中心方向倾斜。

进一步地，所述套环还包括设置在外环内侧的内环以及用于连接外环和内环的连接板，内环与外环之间留有间隔，所述内环包括竖直段和内倾段，竖直段的长度方向与超长热管管体内壁蒸发段的长度方向一致，内倾段由下至上向超长热管管体的中心方向倾斜。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点：

本实用新型的超长重力热管长度可长达数千米，同时通过热管自身的倾斜或弯曲或多分支结构，提高管内蒸汽流动性，减小蒸汽流动阻力，利用固体填充物大大减少了单位长度的液体工质含量，在相同的吸热量即蒸汽产量下，可以帮助提高汽液混合物含汽率，降低汽液混合物的密度，使得底部液体受到的静压减小，更容易沸腾，并利用套环增加热管内换热工质与热管内壁的接触面积，提高蒸发换热效率，降低过长的重力热管内所需的换热工质量，有效提高超长重力热管超长的蒸发段的换热使用效率。

附图说明

图1为本实用新型的超长重力热管系统的超长热管管体的直筒形结构示意图；

图2为本实用新型的超长重力热管系统的超长热管管体的弯曲形结构示意图；

图3为本实用新型的超长重力热管系统的超长热管管体的多分支形结构示意图；

图4为本实用新型的实施例1的冷凝器结构示意图；

图5为本实用新型的实施例2的冷凝器内部结构正视图；

图6为本实用新型的实施例2的冷凝器内部结构俯视图；

图7为本实用新型的实施例2的冷凝器内部结构加折流板结构图；

图8为本实用新型的实施例2的冷凝器整体结构图；

图9为本实用新型的实施例2的冷凝器的分支管道上布置温差发电片示意图；

图10为本实用新型的超长重力热管系统的多个冷凝器并排使用示意图；

图11为本实用新型的超长重力热管系统的固体填充物体结构示意图；

图12为本实用新型的超长重力热管系统的套环及液体流动情况示意图；

图13为本实用新型的超长重力热管系统的套环的俯视结构示意图；

图14为本实用新型的超长重力热管系统的套环的侧视结构示意图；

附图标记说明：1、超长热管管体；2、冷凝器；21、壳体；22、列管；23、抽气口；24、进水口；25、出水口；26、套筒；31、套管；32、分支管道；33、折流板；34、外壳；35、冷却水进出口；36、温差发电片；37、冷却水扁管；4、固体填充物；5、套环；51、外环；511、固定段；512、外倾段；52、内环；521、内倾段；522、竖直段；53、连接板。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

实施例1

如图1-3所示，一种超长重力热管系统，包括插入地下的超长热管管体1与冷凝器2，超长热管管体1内部由下至上包括蒸发段、绝热段以及冷凝段，且内部装有换热工质，冷凝器2设置在超长热管管体1的冷凝段的端部上，超长热管管体1内蒸发段处设有用于提高换热工质与超长热管管体1内壁接触面积的增触组件。超长热管管体1形状结构可为直筒或弯曲或多分支状，超长热管管体1插入地下的与地面水平线的夹角为15°至90°，使超长热管管体1在地下的部分可为竖直或倾斜插入地底的直筒状或弯曲或多分支状结构，具体如图1-图3所示。竖直的直筒形状有利于管内蒸汽的流动，蒸汽流动阻力最小；而倾斜或弯曲的形状可在相同的热管吸热管体长度下减小管内液体的静压，使之更易于沸腾；多分支热管管体形状方便扩大吸热面积，增加地热开采产量，具体超长热管管体1的结构应该视地热资源和应用目标情况选择合理的形状。

如图4所示，冷凝器2的管程流有冷却水，冷凝器2上开设有连通冷凝器管程的进水口24和出水口25，超长热管管体1内的蒸汽通入冷凝器2的壳程，冷凝器2的壳程上设有用于套设在超长热管管体1的冷凝段顶端的套筒26，使超长热管管体1内的蒸汽进入冷凝器2的壳程，与冷凝器2内的列管22进行换热，水蒸气经过换热后液化通过套筒26回流至超长热管管体1内的蒸发段内再次蒸发。具体在本实施例中，冷凝器2可为立式列管式结构，其进水口24和出水口25均设置在冷凝器2同一端的封头中，通过列管22流质另一端的封头再回流形成双管程流动，套筒26贯穿冷凝器2另一端的封头连通至冷凝器2的壳体21的壳程内，冷凝器2的壳程上还可增设有抽气口23，抽气口23通过阀门控制其开闭。

如图10所示，对于采热总功率较大的情况，为了提高冷凝的效率，超长热管管体1的冷凝段的端部可设置为具有若干分叉管的结构，在每一个分叉管上均单独设置有冷凝器2，能有效提高超长热管管体1冷凝段的冷凝效率。需要注意的是，在设置分叉管的结构的时候，管路形状上要有利于蒸汽自然上升和液体依靠重力回流。

如图11所示，增触组件包括设置在超长热管管体1内部的蒸发段底部的固体填充物4，固体填充物4的直径由低到高逐渐减小，且固体填充物4与超长热管管体1内壁之间留有间隙。固体填充物4有利于填充超长热管管体1内部的蒸发段的空间，增加换热工质在蒸发段内与超长热管管体1的内壁接触的面积，由于本实用新型的超长重力热管长度可长达数千米，所需充入的工质量较大，这样能有效减少所需用到的换热工质的量。固体填充物4的结构具体可为阶梯式结构或圆锥形结构，这样设置，由于蒸发段液态的换热工质逐渐蒸发，体积膨胀，蒸汽持续上升的特点需要将填充物从低到高逐渐减小直径，留出充足的蒸汽流动空间。另一方面，固体填充物4大大减少了超长热管管体1内单位长度的液体换热工质含量，在相同的吸热量即蒸汽产量下，可以帮助提高汽液混合物含汽率，降低汽液混合物的密度，使得底部液体受到的静压减小，更容易沸腾。

如图12-14所示，增触组件还可以包括至少一个设置在超长热管管体1内壁蒸发段处的套环5，套环5包括与超长热管管体1内壁连接的外环51、设置在外环51内侧的内环52以及用于连接外环51和内环52的连接板53。具体地，外环51包括固定段511和外倾段512，固定段511用于与超长热管管体1内壁连接，外倾段512由下至上向超长热管管体1的中心方向倾斜，内环52与外环51之间留有间隔，内环52包括竖直段522和内倾段521，竖直段522的长度方向与超长热管管体1内壁蒸发段的长度方向一致，内倾段521由下至上向超长热管管体1的中心方向倾斜且内环52由下至上向超长热管管体1的中心方向倾斜。外环51和内环52通过连接板53固定，连接板53可在套环5的圆周方向上对称设置有四个。内倾段521与外倾段512的倾斜角度优选为相同，也可以不同，外环51的作用在于承接住沿着超长热管管体1内壁流动的液态换热工质，使其与蒸发段的超长热管管体1内壁接触，吸热汽化，内环52的作用在于引流从外环51内溢出的液态换热工质至处于下方的套环5的外环51内。

具体地，在超长重力热管系统运作的时候，超长热管管体1内部的液态换热工质吸收地热的热量汽化，向冷凝段运动，在冷凝段与冷凝器2进行换热，气态的换热工质放热液化，沿着超长热管管体1的内壁流动滑落回蒸发段。液态的换热工质在超长热管管体1的内壁滑落回蒸发段的时候，流经套环5的外环51，通过外环51的结构使液态的换热工质挂在超长热管管体1蒸发段的内壁上，溢出外环51的液态换热工质通过内环52的导流作用，流至下方的外环51中，从而提高液态的换热工质的换热效率。同时，由于固体填充物4的存在，大大减少了超长热管管体1内单位长度的液体换热工质含量，在相同的吸热量即蒸汽产量下，可以帮助提高汽液混合物含汽率，降低汽液混合物的密度，使得底部液体受到的静压减小，更容易沸腾。

实施例2

如图5-图9所示，与实施例1的不同之处在于，冷凝器2可设计为树形结构，冷凝器2包括外壳34，外壳34内设有换热工质流路以及冷却水流路，换热工质流路包括套设在超长热管管体1的冷凝段顶端上的套管31以及套管31的侧壁上凸设有若干倾斜向上设置的分支管道32。套管31连通至外壳34内部且另一端封闭，使超长热管管体1内的气态换热工质仅通过套管31与分支管道32与冷却水进行换热。分支管道32以套管31的中线为中心设置有多列，在本实施例中为了方便描述具体设置12列，每列分支管道32的数量均相同。分支管道32具体为方管结构，每根分支管道32的外侧面上依次布置有温差发电片36和冷却水扁管37，从而可通过该结构实现温差发电。

相邻的两列分支管道32之间设有折流板33，折流板33与外壳34的内壁连接，使外壳34内部分为12个独立空间。折流板33的上部或下部开始有冷却水流通口，相邻的两块折流板33的冷却水流通口不设置在同一端，即相邻的两块折流板33的冷却水流通口一上一下设置，形成冷却水流路，这样设置使得冷却水在流动时能流经过该独立空间内的所有分支管道32，提高换热效率。

冷凝器2的冷却水进出口35可设置在相邻的两个独立空间上，同时该相邻的两个独立空间之间的折流板33不开设有冷却水流通口，这样设置能够使冷却水完全流经所有的独立空间后再流出，保证冷凝器2的换热功效。在实际应用中，针对高压工质，冷凝器2可采用本实施例中的树形结构设计，或采用实施例1中的冷凝器2结构与本实施例的冷凝器2结构搭配混合使用，避免大直径容器的存在，增强耐压能力。

上述实施例只是为了说明本实用新型的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡是根据本实用新型内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种超长重力热管系统，其特征在于：包括插入地下的超长热管管体(1)与冷凝器(2)，所述超长热管管体(1)内部由下至上包括蒸发段、绝热段以及冷凝段，且内部装有换热工质，所述冷凝器(2)设置在超长热管管体(1)的冷凝段的端部上，所述超长热管管体(1)形状结构为直筒或弯曲或多分支状，所述超长热管管体(1)竖直或倾斜插入地下，所述超长热管管体(1)内蒸发段处设有用于提高液态换热工质与超长热管管体(1)内壁接触面积的增触组件。

2.根据权利要求1所述的超长重力热管系统，其特征在于：所述超长热管管体(1)的顶端设置有若干分叉管，每个分叉管上均单独设有冷凝器(2)。

3.根据权利要求1所述的超长重力热管系统，其特征在于：所述冷凝器(2)壳程上设有用于套设在超长热管管体(1)的冷凝段顶端的套筒(26)，所述套筒(26)和超长热管管体(1)内部连通，所述冷凝器(2)上还设有连通冷凝器(2)管程的进水口(24)和出水口(25)。

4.根据权利要求1所述的超长重力热管系统，其特征在于：所述冷凝器(2)包括外壳(34)，所述外壳(34)内包括换热工质流路以及冷却水流路，所述换热工质流路包括套设在超长热管管体(1)的冷凝段顶端上的套管(31)，所述套管(31)连通至外壳(34)内部且另一端封闭，所述套管(31)的侧壁上凸设有若干倾斜向上设置的分支管道(32)，所述冷却水流路包括设置在壳体(21)上的冷却水进口和冷却水出口，所述冷却水流路使冷却水与套管(31)接触换热。

5.根据权利要求4所述的超长重力热管系统，其特征在于：所述分支管道(32)以套管(31)中线为中心设置有多列，相邻两列的分支管道(32)之间设有折流板(33)，所述折流板(33)与外壳(34)的内壁连接，使外壳(34)内部分为若干个独立空间，所述折流板(33)的上部或下部开设有冷却水流通口，相邻的两块折流板(33)的冷却水流通口不设置在同一端。

6.根据权利要求4所述的超长重力热管系统，其特征在于：所述分支管道(32)为方管结构，分支管道(32)上依次布置有温差发电片(36)和冷却水扁管(37)。

7.根据权利要求1-6任一所述的超长重力热管系统，其特征在于：所述增触组件包括设置在超长热管管体(1)内部的蒸发段底部的固体填充物(4)，所述固体填充物(4)的直径由低到高逐渐减小，所述固体填充物(4)与超长热管管体(1)内壁之间留有间隙。

8.根据权利要求1-6任一所述的超长重力热管系统，其特征在于：所述增触组件包括至少一个设置在超长热管管体(1)内壁蒸发段处的套环(5)，所述套环(5)包括与超长热管管体(1)内壁连接的外环(51)，所述外环(51)包括固定段(511)和外倾段(512)，所述固定段(511)与超长热管管体(1)内壁连接，所述外倾段(512)由下至上向超长热管管体(1)的中心方向倾斜。

9.根据权利要求8所述的超长重力热管系统，其特征在于：所述套环(5)还包括设置在外环(51)内侧的内环(52)以及用于连接外环(51)和内环(52)的连接板(53)，内环(52)与外环(51)之间留有间隔，所述内环(52)包括竖直段(522)和内倾段(521)，竖直段(522)的长度方向与超长热管管体(1)内壁蒸发段的长度方向一致，内倾段(521)由下至上向超长热管管体(1)的中心方向倾斜。

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