CN214949891U - 一种地热取热系统的密封取热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种地热取热系统的密封取热装置。包括侧壁带有透水孔的防护透水套管，在防护透水套管的上端安装有顶部带有多个排出管的汇集盒，在防护透水套管的下端安装有分发盒，在汇集盒与分发盒之间安装有多个换热管组件；换热管组件包括换热管本体，在换热管本体的上端设有上部缩口、下端设有下部缩口，上部缩口的端部与汇集盒连通，下部缩口的端部与分发盒连通，在换热管本体的侧壁上安装有换热翅片；还包括输送管，输送管穿过汇集盒的中部且下端与分发盒连通。本实用新型的地热取热系统的密封取热装置结构设计合理，施工的可行性高，运营阶段取热效率高。

Description

一种地热取热系统的密封取热装置

技术领域

本实用新型属于地热设施技术领域，尤其涉及一种地热取热系统的密封取热装置。

背景技术

地热供热系统是指利用地热能为主要热源的供热系统。地热能为地球本身蕴藏的能量，属于可再生能源。地热供热系统按照地热流进入供热系统的方式可分为直接供热和间接供热。直接供热即把地热流直接引入供热系统，间接供热即地热流通过换热器将热能传递给供热系统的循环水，地热流不直接进入供热系统。在制订地热的供热方案时，既要考虑综合利用地热能(将地热用于供暖、热水供应、工农牧业)，又要考虑梯级利用地热能(尽量增大地热流温差，最大限度地利用地热能)。

随着技术的发展以及人们对地下水水位变化的日益重视，传统对地热水进行直接采集使用的方式逐渐得到淘汰，取而代之的是“取热不取水”技术，“取热不取水”是指只采集使用地热水源中的热能而不对地热水进行采集，这样既实现了供热系统的热源获取，又避免了由于地热水源的过渡采集导致的地下水位变化等问题，是一种对环境友好的地热供热技术。“取热不取水”的核心是在不采集地热水源的基础上获取地热水源中含有的热能，目前，典型的处理方式分为两种：一种是中深层中心管换热器技术(也称为地岩板换热技术)，这种技术是在常规地热井的基础上加以改造，进行单井换热；另一种为U型对接井换热技术，是通过开凿一对地热井，在储热层进行U型对接，可实现“一采一灌”平衡模式。以上两种技术形式均对井下热储层不构成干扰，实现只取热不取水。

由于后一种技术形式下需要开凿回灌井并且将回灌井与采集井在下部贯通，因此工程的施工成本远高于前一种技术形式，在考虑项目成本收益的基础上，当前条件下，“取热不取水”以单井换热的形式为主。在此种技术形式下，对井下储热层地热水源中的热能进行换热取热尤为关键，直接决定了地热采集井的施工可行性以及对热能的取热效率，这进一步决定了地热供热系统工程的运营成本及收益。

现有技术中的取热装置由于结构设计不合理导致施工可行性差，施工后的运营阶段对地热水源的热能取热效率低。

实用新型内容

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种结构设计合理、施工可行性高、取热效率高的地热取热系统的密封取热装置。

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种地热取热系统的密封取热装置包括侧壁带有透水孔的防护透水套管，在防护透水套管的上端安装有顶部带有多个排出管的汇集盒，在防护透水套管的下端安装有分发盒，在汇集盒与分发盒之间安装有多个换热管组件；换热管组件包括换热管本体，在换热管本体的上端设有上部缩口、下端设有下部缩口，上部缩口的端部与汇集盒连通，下部缩口的端部与分发盒连通，在换热管本体的侧壁上安装有换热翅片；还包括输送管，输送管穿过汇集盒的中部且下端与分发盒连通。

本实用新型的优点和积极效果是：

本实用新型提供了一种结构设计合理的地热取热系统的密封取热装置，与现有的取热装置相比，本实用新型中通过设置汇集盒、分发盒并且在两者之间设置多个换热管组件和输送管，实现了介质经由输送管进入分发盒并流经各换热管组件，之后进入汇集盒并最终由排出管排出的换热路径，在此路径上介质充分地从周围的地热水源中吸收热能，实现对地热的有效取热。通过设置换热管组件由换热管本体和位于换热管本体外侧的换热翅片等构成，提升了内部介质与外部地热水源之间的换热效率，直接提升了取热装置的取热效率。通过在汇集盒与分发盒之间设置防护透水套管，实现了对内部各换热管本体的有效保护，避免磕碰，同时设置在侧壁上的透水孔能够令地热水源在管内与管外之间流动。本密封取热装置自成一个单元，能够以整体的形式向地热井下设置并且易于与管井结构的其它井管连接，因此提升了管井结构施工的可行性，降低施工成本，令地热取热设施的运行稳定性和可靠性提高。

优选地：换热翅片包括螺旋形的翅片条带，在翅片条带的外侧边缘上设有等间距布置的翅片单体；翅片条带以螺旋的方式套设在换热管本体上且换热管本体的外壁与翅片条带的内侧边缘连续焊接固定。

优选地：汇集盒包括汇集盒本体，在汇集盒本体的上部焊接安装有汇集盒上连接套管、下部焊接安装有汇集盒下连接套管，各排出管安装固定在汇集盒本体的顶壁上；汇集盒下连接套管插接在防护透水套管的上端内且防护透水套管的上端边缘与汇集盒本体的底部边缘焊接固定。

优选地：在汇集盒本体的顶壁和底壁中部均设有中部过孔，输送管穿过所述中部过孔并与汇集盒本体的顶壁和底壁密封焊接固定；在汇集盒本体的底壁上还设有多个侧部过孔，各换热管组件的上部缩口插入所述侧部过孔并与汇集盒本体的底壁密封焊接固定。

优选地：分发盒包括分发盒本体，分发盒本体整体位于防护透水套管的下端内部且分发盒本体的外侧边缘与防护透水套管的内壁焊接固定。

优选地：在分发盒本体的顶壁中部设有中部过孔，输送管的下端插入所述中部过孔并与分发盒本体的顶壁密封焊接固定；在分发盒本体的顶壁上还设有多个侧部过孔，各换热管组件的下部缩口插入所述侧部过孔并与分发盒本体的顶壁密封焊接固定。

优选地：输送管的中心线与防护透水套管的中心线共线；换热管组件的数量为三个且周向等角度间隔布置，各换热管本体的中心线与防护透水套管的中心线平行。

优选地：在各换热管组件的中部设有支撑架，支撑架的外侧边缘抵靠在防护透水套管的内壁上。

附图说明

图1是本实用新型的主视结构示意图；

图2是图1中A部分的结构示意图；

图3是图1中B部分的结构示意图；

图4是图1中换热管组件的结构示意图。

图中：

1、汇集盒；1-1、汇集盒上连接套管；1-2、汇集盒本体；1-3、汇集盒下连接套管；1-4、排出管；2、防护透水套管；2-1、透水孔；2-2、支撑架；3、换热管组件；3-1、下部缩口；3-2、换热管本体；3-3、换热翅片；3-4、上部缩口；4、分发盒；5、输送管。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹举以下实施例详细说明。

请参见图1、图2和图3，本实用新型的地热取热系统的密封取热装置包括侧壁带有透水孔2-1的防护透水套管2，在防护透水套管2的上端安装有顶部带有多个排出管1-4的汇集盒1，在防护透水套管2的下端安装有分发盒4，在汇集盒1与分发盒4之间安装有多个换热管组件3。还包括输送管5，输送管5穿过汇集盒1的中部且下端与分发盒4连通。

换热介质经由输送管5下行进入分发盒4，之后换热介质上行进入各换热管组件3，之后换热介质进入汇集盒1，最终换热介质经由各排出管1-4排出本取热装置之外。因此，输送管5的上端构成了本取热装置的换热介质入口，各排出管1-4构成了本取热装置的换热介质出口。换热介质在循环流动的过程中，流经各换热组件3时与外部的地热水源换热升温，吸收的热能提升到地热井外部之后采用换热器进行热能的利用，温度降低后的换热介质重新流经换热管组件3并吸收热能。

本专利文本中所称的“密封”是指：换热管组件3与汇集盒1、分发盒4之间的密封连接关系以及换热介质管路与输送管5和各排出管1-4之间的密封连接关系，换热介质被密封在一个循环式的流动通路内，并不与外界发生介质的交换。与现有的直接从井下取用地热水源，在地热井的外部采集地热水源中的热能，之后将地热水源重新回灌至地热井内的“敞开式”方式相比，本实用新型中对换热介质提供的循环式密封通路具有明显的结构上的区别。

防护透水套管2的作用有两个，其中一个是将汇集盒1和分发盒4两者连接成为一个刚性的整体，另一个是在保证地热水源流动特性的同时对各换热管组件3进行保护，防止换热管组件3在构建管井结构以及后期运营期间可能受到的磕碰。由于在防护透水套管2的侧壁上设置了透水孔2-1，因此防护透水套管2的内腔与外部之间是连通的，地热水源能够经由透水孔2-1在内外之间流通。

请参见图4，可以看出：

换热管组件3包括换热管本体3-1，在换热管本体3-1的上端设有上部缩口3-4、下端设有下部缩口3-1，上部缩口3-4的端部与汇集盒1连通，下部缩口3-1的端部与分发盒4连通，在换热管本体3-1的侧壁上安装有换热翅片3-3。

换热管本体3-1可以为平直的直壁钢管或者平直的波纹钢管，由于波纹钢管在单位长度内具有更大的表面积、更有利于换热，因此优选为波纹钢管的形式。上部缩口3-4和下部缩口3-1用于提升换热管本体3-1的上端与汇集盒1之间、下端与分发盒4之间连接的可靠性，由于上部缩口3-4的上端口、下部缩口3-1的下端口的直径均小于换热管本体3-1的直径，因此在汇集盒1和分发盒4上只需开设更小的连接口即可实现换热管本体3-1端部与相应盒体之间的连接，避免连接口过大导致的盒体结构强度降低、换热管本体3-1的端部与连接口之间对接连接(通常为焊接)的接缝过长(会导致连接位置强度降低)等问题。

上部缩口3-4和下部缩口3-1两者采用直壁金属管加工制得，具体地：可以采用缩径设备对置入缩径模具内的金属管段实施压力锻造工艺，令金属管段一端的横截面缩减。加工制得的上部缩口3-4和下部缩口3-1两者采用密封焊接工艺分别安装固定在换热管本体3-1的上端和下端。

换热翅片3-3用于增大换热组件3与周围地热水源之间的换热面积，提升换热效率。本实施例中，换热翅片3-3包括螺旋形的翅片条带，在翅片条带的外侧边缘上设有等间距布置的翅片单体；翅片条带以螺旋的方式套设在换热管本体3-1上且换热管本体3-1的外壁与翅片条带的内侧边缘连续焊接固定。

本实施例中，为了提升各换热组件3在防护透水套管2内部的结构强度以及结构稳定性，在各换热管组件3的中部设有支撑架2-2，支撑架2-2的外侧边缘抵靠在防护透水套管2的内壁上。具体地，支撑架2-2可以为带有多个槽口的圆形金属板，圆形金属板的外径等于防护透水套管2的内径，各换热管组件3的中部分别落入圆形金属板上的多个槽口内，当支撑架2-2滑入防护透水套管2的内腔中部时，对各换热管组件3的中部提供了支撑作用，提升了结构的强度和稳定性。能够想到的是，可以根据需要选择性地设置更多支撑架2-2。

请参见图2，可以看出：

汇集盒1包括汇集盒本体1-2，在汇集盒本体1-2的上部焊接安装有汇集盒上连接套管1-1、下部焊接安装有汇集盒下连接套管1-3，各排出管1-4安装固定在汇集盒本体1-2的顶壁上。如图中所示，汇集盒本体1-2为扁圆柱形，由圆形的顶部钢板、筒形的侧壁钢管以及圆形的底部钢板拼接构成，顶部钢板的外侧边缘与侧壁钢管的上部边缘之间密封焊接，底部钢板与侧壁钢管的下部边缘之间密封焊接。

侧壁钢管的外径等于防护透水套管2的外径，汇集盒下连接套管1-3的外径等于防护透水套管2的内径。汇集盒下连接套1-3管插接在防护透水套管2的上端内且防护透水套管2的上端边缘与汇集盒本体1-2的底部边缘焊接固定。

在汇集盒本体1-2的顶壁和底壁中部均设有中部过孔，输送管5穿过中部过孔并与汇集盒本体1-2的顶壁和底壁密封焊接固定。在汇集盒本体1-2的底壁上还设有多个侧部过孔，各换热管组件3的上部缩口3-4插入各侧部过孔并与汇集盒本体1-2的底壁密封焊接固定。

请参见图3，可以看出：

分发盒4包括分发盒本体，分发盒本体整体位于防护透水套管2的下端内部且分发盒本体的外侧边缘与防护透水套管2的内壁焊接固定。具体地，分发盒本体为扁圆柱形，由圆形的顶部钢板、筒形的侧壁钢管以及圆形的底部钢板拼接构成，顶部钢板的外侧边缘与侧壁钢管的上部边缘之间密封焊接，底部钢板与侧壁钢管的下部边缘之间密封焊接。侧壁钢管的外径等于防护透水套管2的内径，分发盒4置入防护透水套管2的内腔后，采用焊接的方式将两者进行固定连接。

在分发盒本体的顶壁中部设有中部过孔，输送管5的下端插入中部过孔并与分发盒本体的顶壁密封焊接固定；在分发盒本体的顶壁上还设有多个侧部过孔，各换热管组件3的下部缩口3-1插入各侧部过孔并与分发盒本体的顶壁密封焊接固定。

本实施例中，输送管5的中心线与防护透水套管2的中心线共线；换热管组件3的数量为三个且周向等角度间隔布置，即相邻两个换热管组件3之间的夹角为120°，各换热管本体3-1的中心线与防护透水套管2的中心线平行。

构建方式：

在换热管本体3-1的外部焊接安装螺旋形的换热翅片3-3，在上下两端分别焊接安装上部缩口3-4和下部缩口3-1，得到多个换热组件3；

采用顶部钢板、侧壁钢管和底部钢板搭建汇集盒本体1-2，在汇集盒本体1-2的顶壁和底壁中部开设中部过孔，在汇集盒本体1-2的顶壁和底壁的侧部开设侧部过孔，在顶壁的各侧部过孔上焊接安装排出管1-4，在汇集盒本体1-2的上部和下部分别焊接安装汇集盒上连接套管1-1和汇集盒下连接套管1-3；采用顶部钢板、侧壁钢管和底部钢板搭建分发盒本体，在其顶壁的中部开设中部过孔、侧部开设侧部过孔；

将三个换热组件3的上部缩口3-4与汇集盒1底部的多个侧部过孔对接焊接，将三个换热组件3的下部缩口3-1与分发盒4的顶部的多个侧部过孔对接焊接；将输送管5穿过汇集盒1的中部，先将其下端与分发盒4顶部的中部过孔对接焊接，再将输送管5的上部与汇集盒1上的中部过孔密封焊接；

在前述组合体的中部设置多个支撑架2-2，之后将组合体整体穿入防护透水套管2内，就位后将防护透水套管2的顶部边缘与汇集盒1焊接固定，将防护透水套管2的下部与分发盒4焊接固定。

使用方式：

采用钻井工艺打设地热井，将本密封取热装置下放到地热水层的位置；在本密封取热装置向井下置入的过程中，在上方逐级连接井管，同时在输送管5的上方对接连接输送延长管，在各排出管1-4的上方对接连接排出延长管；到达井口位置后，将输送延长管的上端与换热器设备的出口对接连接，将各排出延长管的上端与换热器设备的出口对接连接，在循环管路上安装换热介质泵；

在换热介质泵的泵送作用下，换热介质在形成的密封循环通路内作循环流动；当换热介质流经本密封取热装置的各换热组件3时，吸收周围地热水源中的热能而温度升高，在井口的换热器设备上，通过换热的方式对换热介质携带的热能进行取热，此时换热介质温度降低，之后相对低温的换热介质再次流经本取热装置从井下取热。

Claims (8)

1.一种地热取热系统的密封取热装置，其特征是：包括侧壁带有透水孔(2-1)的防护透水套管(2)，在防护透水套管(2)的上端安装有顶部带有多个排出管(1-4)的汇集盒(1)，在防护透水套管(2)的下端安装有分发盒(4)，在汇集盒(1)与分发盒(4)之间安装有多个换热管组件(3)；换热管组件(3)包括换热管本体(3-2)，在换热管本体(3-2)的上端设有上部缩口(3-4)、下端设有下部缩口(3-1)，上部缩口(3-4)的端部与汇集盒(1)连通，下部缩口(3-1)的端部与分发盒(4)连通，在换热管本体(3-2)的侧壁上安装有换热翅片(3-3)；还包括输送管(5)，输送管(5)穿过汇集盒(1)的中部且下端与分发盒(4)连通。

2.如权利要求1所述的地热取热系统的密封取热装置，其特征是：换热翅片(3-3)包括螺旋形的翅片条带，在翅片条带的外侧边缘上设有等间距布置的翅片单体；翅片条带以螺旋的方式套设在换热管本体(3-2)上且换热管本体(3-2)的外壁与翅片条带的内侧边缘连续焊接固定。

3.如权利要求2所述的地热取热系统的密封取热装置，其特征是：汇集盒(1)包括汇集盒本体(1-2)，在汇集盒本体(1-2)的上部焊接安装有汇集盒上连接套管(1-1)、下部焊接安装有汇集盒下连接套管(1-3)，各排出管(1-4)安装固定在汇集盒本体(1-2)的顶壁上；汇集盒下连接套管(1-3)插接在防护透水套管(2)的上端内且防护透水套管(2)的上端边缘与汇集盒本体(1-2)的底部边缘焊接固定。

4.如权利要求3所述的地热取热系统的密封取热装置，其特征是：在汇集盒本体(1-2)的顶壁和底壁中部均设有中部过孔，输送管(5)穿过所述中部过孔并与汇集盒本体(1-2)的顶壁和底壁密封焊接固定；在汇集盒本体(1-2)的底壁上还设有多个侧部过孔，各换热管组件(3)的上部缩口(3-4)插入所述侧部过孔并与汇集盒本体(1-2)的底壁密封焊接固定。

5.如权利要求4所述的地热取热系统的密封取热装置，其特征是：分发盒(4)包括分发盒本体，分发盒本体整体位于防护透水套管(2)的下端内部且分发盒本体的外侧边缘与防护透水套管(2)的内壁焊接固定。

6.如权利要求5所述的地热取热系统的密封取热装置，其特征是：在分发盒本体的顶壁中部设有中部过孔，输送管(5)的下端插入所述中部过孔并与分发盒本体的顶壁密封焊接固定；在分发盒本体的顶壁上还设有多个侧部过孔，各换热管组件(3)的下部缩口(3-1)插入所述侧部过孔并与分发盒本体的顶壁密封焊接固定。

7.如权利要求6所述的地热取热系统的密封取热装置，其特征是：输送管(5)的中心线与防护透水套管(2)的中心线共线；换热管组件(3)的数量为三个且周向等角度间隔布置，各换热管本体(3-2)的中心线与防护透水套管(2)的中心线平行。

8.如权利要求7所述的地热取热系统的密封取热装置，其特征是：在各换热管组件(3)的中部设有支撑架(2-2)，支撑架(2-2)的外侧边缘抵靠在防护透水套管(2)的内壁上。

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