TWI633250B - Modular geothermal heat source fluid insulation conduit structure and its application - Google Patents
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Abstract
本發明係有關一種模組化地熱熱源流體保溫導管結構及其應用，其包括管體組件，每一管體組件包含套管、鎖接座、導管及隔熱層。套管包含互為反向延伸的第一端及第二端。鎖接座設在套管之第一端內，鎖接座一端設有一第一鎖接部，其另端設有一第二鎖接部。導管一端設有一第一配接部，其另端設有一可供與第一鎖接部鎖接的第二配接部，導管之第一配接部伸入靠近套管之第一端而鎖接在鎖接座的第二鎖接部上，導管另端之第二配接部則伸出套管的第二端之外；且導管與套管之間軸向延伸有一環形間隔空間。隔熱層係設於環形間隔空間內，俾能藉由模組化設計之管路串接成具備隔熱保溫效果的流體通路。
Description
本發明係有關一種模組化地熱熱源流體保溫導管結構及其應用，尤指一種可藉由模組化設計之管路串接成具備隔熱保溫效果之流體通路的流體導管隔熱技術。
按，一般所指的流體輸送管路主要是指用於輸送石油、天然氣、液態瓦斯或是地熱流體等諸多用途的輸送管路而言。以石油及天然氣輸送管路為例，俄羅斯將石油以及天然氣輸送至中國大陸及韓國，即是透過上述流體輸送管路而實現遠距的石油、天然氣及液態瓦斯輸送功效。再者，石油流體輸送管路與同屬於陸上運輸方式的鐵路與公路輸油方式相比，石油流體輸送管路具有運量大、密閉性佳、成本低以及安全係數高等優勢，因此，石油流體輸送管路已經逐漸取代傳統以鐵、公路方式輸油的模式。一般來說，輸油管路的管材一般大多為鋼管所組成，並使用焊接及法蘭等連接裝置連接成長距離的石油流體輸送管路，並藉由閥門組件來開閉控制石油輸送的時機與流量的調節。
雖然習知石油流體輸送管路大多具有等溫以及加熱溫度調節等之機能調節設置；惟，實現加熱與等溫輸送必須耗費較多的電能，致使輸送成本大幅的增加，不僅如此，還會增加管路的維護保養成本支出，因而造成石油輸送上的不便與困擾的情事產生；有鑑於此，如何開發出一
套無需耗費電能並可達到較佳的絕熱保溫效果的流體管路技術實已成為相關產學業者所急欲解決與改善的技術課題。
另一方面，習知地熱發電系統在地熱能源的傳輸上，仍然是採用習知流體輸送管路來輸送地熱流體，由於習知由地熱井井底到井口的流體輸送管路並無絕熱的保溫效果，以致在傳輸地熱流體至地熱發電系統的過程中，往往會因地熱井的管壁與管內地熱流體的熱交換作用而喪失一部分的地熱熱能，以致地熱井井底與井口之溫度及壓力之差距頗大，使得發電效能不彰的情事產生。
為改善此一缺失，本發明申請人遂提出一種如新型第M489202號『淺層地熱循環發電系統』所示的專利，其包括一流體供應模組及一地熱發電模組。雖然該專利之流體供應模組可以透過水汽循環管路接收地熱源之熱能而升溫轉變為高溫液態工作流體，以供應高溫液態工作流體並閃發為高壓蒸氣推動地熱發電模組而達到發電之目的；惟，該專利之水汽循環管路之高溫液態段的絕熱效果不佳，以致在輸送高溫液態工作流體的過程中，同樣會因管壁之導熱係數過高而致使高溫液態工作流體的溫度降低，因而大幅影響到地熱發電的運轉效能。
為再改善上述缺失，於是本發明申請人又再提出一種如本國新型第M520596號『流體保溫流體輸送管路系統』所示的專利。其係包括流體輸送管路。流體輸送管路包含複數內套管，各內套管以第一鎖接手段依序相互串接連通為可輸送流體的第一通路，每一內套管之管壁設有至少一層超低導熱體，超低導熱體係為超低導熱材料及特殊結構組裝製成，雖然
該專利可讓第一通路於輸送流體時提供絕熱作用而於流體輸送的過程中達到隔熱保溫的效果；惟，該專利必須於每一內套管之管壁挖空為夾層結構，然後再於夾層結構填置超低導熱體，以致會因夾層結構之加工難度較高而導致加工成本大幅攀升及安裝困難等缺失產生。
由上述歸納分析得知，該等習知技術與前述專利之整體技術架構確實未臻完善，仍然有再改善的必要性，因此，如何開發出一套可以解決上述缺失的模組化地熱熱源或冷源流體保溫導管結構技術，實已成為台灣相關之產官學界所急欲解決與挑戰的技術課題。
本發明第一目的在於，提供一種模組化地熱熱源流體保溫導管結構，主要是藉由模組化設計，使各管體組件得以藉由串接而形成具備隔熱保溫效果的流體通路，由於是設計成各組件的結構形態，因而除了具有易於組成結構穩固且方便組裝的模組化構造之外，並具有超低熱導率、管路組裝與拆換更為容易、管路結構強度佳而耐壓以及可降低輸送與維護成本等諸多特點。達成本發明第一目的之技術手段，係包括管體組件，每一管體組件包含套管、鎖接座、導管及隔熱層。套管包含互為反向延伸的第一端及第二端。鎖接座設在套管之第一端內，鎖接座一端設有一第一鎖接部，其另端設有一第二鎖接部。導管一端設有一第一配接部，其另端設有一可供與第一鎖接部鎖接的第二配接部，導管之第一配接部伸入靠近套管之第一端而鎖接在鎖接座的第二鎖接部上，導管另端之第二配接部則伸出套管的第二端之外；且導管與套管之間軸向延伸有一環形間隔空間。隔熱層係設於環形間隔空間內。
本發明第二目的在於，提供一種應用模組化地熱熱源流體保
溫導管結構的地熱流體輸送系統，除了可於乾燥地質形態實現地熱發電之外，並可只擷取地熱能源而不擷取地熱水源，以避免地熱水源枯竭的問題產生，因而除了可以永續擷取地熱能源不絕之外，並可有效防止管內結垢的情事發生，此即同軸雙套管單井取熱系統。達成本發明第二目的之技術手段，係包括管體組件，每一管體組件包含套管、鎖接座、導管及隔熱層。套管包含互為反向延伸的第一端及第二端。鎖接座設在套管之第一端內，鎖接座一端設有一第一鎖接部，其另端設有一第二鎖接部。導管一端設有一第一配接部，其另端設有一可供與第一鎖接部鎖接的第二配接部，導管之第一配接部伸入靠近套管之第一端而鎖接在鎖接座的第二鎖接部上，導管另端之第二配接部則伸出套管的第二端之外；且導管與套管之間軸向延伸有一環形間隔空間。隔熱層係設於環形間隔空間內。其中，更包括複數該管體組件，該複數管體組件之間係相互串接成使該複數導管部內部形成連通的第一通路；複數外套管，該複數外套管環設於該複數管體組件的外圍；及一封閉座，其用以封閉最後一個該外套管的封閉座，該封閉座與最末端該管體組件具有一間距；每一該管體組件之外周分別設有至少一第二支撐套環，每二個相鄰該外套管係以一鎖接手段相互鎖接，以於該複數外套管內部形成一與該第一通路形成連通的第二通路。
本發明第三目的在於，提供一種將模組化地熱熱源流體保溫導管結構應用在傳統地熱生產井的地熱流體輸送系統中，使傳統地熱生產井的地熱流體輸送系統具備隔熱保溫的功效，藉以使井底與流經至井口之地熱流體的溫度幾乎一致，此即傳統地熱井(生產井)同軸雙套管取熱系統。達成本發明第三目的之技術手段，係包括管體組件，每一管體組件包含套管、鎖接座、導管及隔熱層。套管包含互為反向延伸的第一端及第二端。鎖接座設在套管之第一端內，鎖接座一端設有一第一鎖接部，其另端設有
一第二鎖接部。導管一端設有一第一配接部，其另端設有一可供與第一鎖接部鎖接的第二配接部，導管之第一配接部伸入靠近套管之第一端而鎖接在鎖接座的第二鎖接部上，導管另端之第二配接部則伸出套管的第二端之外；且導管與套管之間軸向延伸有一環形間隔空間。隔熱層係設於環形間隔空間內。其中，更包括複數該管體組件，該複數管體組件之間係相互串接成使該複數導管部內部形成連通的第一通路；一封閉環套；及一封閉座，其設在最後一個該管體組件上，該封閉環套介設於該封閉座一端與最後一個該管體組件一端之間，用以封閉該封閉座一端，該封閉座另端設有至少一供地熱流體進入的穿孔，該封閉座另端與最後一個該管體組件另端之間具有一間距，使該地熱流體可自最後一個該管體組件的該導管進入而流入至該第一通路內。
1‧‧‧地熱生產井
10,10a,10b,10c‧‧‧管體組件
11‧‧‧套管
110‧‧‧本體
111‧‧‧擋緣
112‧‧‧環口
113‧‧‧固定束套
12‧‧‧鎖接座
120‧‧‧第一鎖接部
121‧‧‧第二鎖接部
13‧‧‧導管
130‧‧‧第一配接部
131‧‧‧第二配接部
14‧‧‧隔熱層
15‧‧‧環形間隔空間
16‧‧‧支撐套環
17‧‧‧高溫止洩環
20‧‧‧外套管
30‧‧‧封閉座
31‧‧‧穿孔
40‧‧‧第二支撐套環
50‧‧‧封閉環套
圖1為本發明單一管體組件的剖視實施示意圖。
圖2為本發明數個管體組件的分解實施示意圖。
圖3為本發明數個管體組件的組合實施示意圖。
圖4為本發明數個管體組件另一視角的組合實施示意圖。
圖5為本發明數個管體組件的組合剖視實施示意圖。
圖6為本發明應用於地熱流體輸送系統的第一種應用實施示意圖。
圖7為本發明應用於地熱流體輸送系統的第二種應用實施示意圖。
為讓 貴審查委員能進一步瞭解本發明整體的技術特徵與達成本發明目的之技術手段，玆以具體實施例並配合圖式加以詳細說明如
后：請參看圖1~4所示，為達成本發明第一目的之第一實施例，係包括至少一管體組件10，每一管體組件10包含一套管11、鎖接座12、導管13及一隔熱層14等技術特徵。套管11包含互為反向延伸的第一端及第二端。鎖接座12設在套管11之第一端內，鎖接座12一端設有一第一鎖接部120，其另端設有一第二鎖接部121。導管13一端設有一第一配接部130，其另端設有一可供與第一鎖接部120鎖接的第二配接部131，導管13之第一配接部130伸入靠近套管11之第一端而鎖接在鎖接座12的第二鎖接部121上，導管13另端之第二配接部131則伸出套管11的第二端之外；導管13與套管11之間軸向延伸有一環形間隔空間15；且隔熱層14係設於此環形間隔空間15內。
請參看圖2~4所示的具體實施例中，複數管體組件10之間係相互串接成使複數導管13之內部連通成為具備隔熱保溫作用的第一通路。此外，上述隔熱層14可以是一種對環形間隔空間15進行抽真空的方式來加以實現，於此，即可使環形間隔空間15內部形成真空狀態，因而使各導管13內部之流體通路達到絕熱保溫的效果。具體來說，請參看圖2~3所示的具體組裝實施例中，首先準備複數個模組化的管體組件10；然後，將其一管體組件10a另端伸出之第二配接部131鎖接在其二管體組件10b之第一鎖接部120上，再以其二管體組件10b另端伸出之第二配接部131鎖接在其三管體組件10c第一鎖接部120上，重覆上述步驟，直到複數管體組件10,10a,10b,10c之間串接長度達到所需的長度為止，於此，即可使複數導管13之內部形成連通而且具備絕熱隔溫效果的第一通路。
除此之外，請參看圖1、5所示的具體實施例中，上述隔熱層14亦可以是一種粉狀、液體；或是固體形式的隔熱材料140。精確地說，此
隔熱材料140可以是一種岩棉、玻璃纖維(FRP)、環保輕石；或是膨脹玻化微珠、無機玻化微珠、隔熱玻璃砂等，且此等隔熱材料的熱導率(即K值)小於0.25W/(mK)，且盡量使用K值小於0.1W/(mK)的材料。更精確地說，上述隔熱材料可以是一種超低導熱材料所製成的超低導熱體，其熱導率較佳者大約小於0.1W/(mK)(最佳者小於0.07W/(mK)左右)，其中，以岩棉熱導率最低，約在0.03~0.047W/(mK)之間，因此，較佳的，岩棉可以是本發明超低導熱材的首選，其次為膨脹玻化微珠、無機玻化微珠、隔熱玻璃砂等，熱導率約在0.03~0.07W/(mK)之間。玻璃纖維(FRP)熱導率約在0.23W/(mK)。
再請參看圖2~5所示的具體實施例中，導管13外周設有複數頂撐套管11之內環面的支撐套環16，藉由複數支撐套環16的頂撐而形成上述之環形間隔空間15。具體的，上述鎖接座12靠近中段處的位置設有一高溫止洩環17，當其一管體組件10a之第二配接部131鎖接於其二管體組件10b之第一鎖接部120時，高溫止洩環17之二端恰可供其一管體組件10a之導管13另端之端緣及其二管體組件10b之導管13一端之端緣抵住，於此，即可達到第一通路的防漏止洩作用。
請參看圖1~4所示的具體實施例中，上述第一鎖接部120與第二鎖接部121為內螺紋結構；至於第一配接部130與第二配接部131皆為外螺紋結構。具體來說，套管11包含一管狀本體110及二分別位於該本體110二端且外徑大於本體110的擋緣111，每一擋緣111中央位置貫穿設有一口徑略等於導管13內徑的環口112，靠近第一端之環口112正對鎖接座12，靠近第二端之環口112則可供導管13的第二配接部131穿出；每二個鄰接對合之管體組件
10的二擋緣111係以一固定束套113予以束緊固定。較佳的，上述導管13與套管11皆為鍍鋅馬口鐵管，不鏽鋼管；或是無縫鋼管所製成。
請參看圖6所示，為達成本發明第二目的之第二實施例，係包括複數管體組件10、複數外套管20及一封閉座30等技術特徵。每一管體組件10包含一套管11、一鎖接座12、一導管13及一隔熱層14等技術特徵。套管11包含互為反向延伸的第一端及第二端。鎖接座12設在套管11之第一端內，鎖接座12一端設有一第一鎖接部120，其另端設有一第二鎖接部121。導管13一端設有一第一配接部130，其另端設有一可供與第一鎖接部120鎖接的第二配接部131，導管13之第一配接部130伸入靠近套管11之第一端而鎖接在鎖接座12的第二鎖接部121上，導管13另端之第二配接部131則伸出套管11的第二端之外；且導管13與套管11之間軸向延伸有一環形間隔空間15。隔熱層14係設於環形間隔空間15內。其中，將複數管體組件10相互串接成使複數導管13之內部形成連通的第一通路；複數外套管20環設於複數管體組件10的外圍(此實施圖未示)。封閉座30用以封閉最後一個外套管20，且封閉座30與最後一個管體組件10另端之間具有一間距；並於每一管體組件10之外周分別設有至少一第二支撐套環40，每二個相鄰外套管20係以一鎖接手段(圖未示)相互鎖接，以於複數外套管20內部形成一與第一通路形成連通的第二通路，於此，即可實現上述第二目的之功效；換言之，本實施例可以作為如新型第M489202號專利『淺層地熱循環發電系統』所揭示的水汽循環管路，用以接收地熱源之熱能以將供內部循環所用的工作流體升溫轉變為高溫液態工作流體。低溫水由井口(地面)進入，在往下流動的過程中，由外套管20之管壁吸收井外之地熱熱源，至井底受封閉座30限制而轉向，由第二通路轉進入第一通路，此已吸熱的高溫流體於第一通道內上升至井口。以供
應高溫液態工作流體並閃發為高壓蒸氣推動地熱發電模組而達到發電之目的。
請參看圖7所示，為達成本發明第三目的之第三實施例，係包括至少一管體組件10、一封閉座30及一封閉環套50等技術特徵。每一管體組件10包含一套管11、一鎖接座12、一導管13及一隔熱層14等技術特徵。套管11包含互為反向延伸的第一端及第二端。鎖接座12設在套管11之第一端內，鎖接座12一端設有一第一鎖接部120，其另端設有一第二鎖接部121。導管13一端設有一第一配接部130，其另端設有一可供與第一鎖接部120鎖接的第二配接部131，導管13之第一配接部130伸入靠近套管11之第一端而鎖接在鎖接座12的第二鎖接部121上，導管13另端之第二配接部131則伸出套管11的第二端之外；且導管13與套管11之間軸向延伸有一環形間隔空間15。隔熱層14係設於環形間隔空間15內。複數管體組件10相互串接成使複數導管13之內部形成一連通的第一通路。封閉座30係設在最後一個管體組件10上，此封閉環套50介設於封閉座30一端與最後一個管體組件10一端之間，用以封閉封閉座30的一端，封閉座30另端設有至少一供地熱流體進入的穿孔31。此外，此穿孔31亦可設在複數外套管20處，視地底熱源及水源分布而定。地熱流體自穿孔31進入第二通道往下流動(因第二通路之上端被封閉環套50所封閉)，至井底受封閉座30限制而轉向，且封閉座30另端與最後一個管體組件10另端之間具有一間距，使地熱流體可自最後一個管體組件10的導管13進入而流入至第一通路內(由第二通路轉進入第一通路)，此高溫高壓地熱流體於第一通道內上升至井口，於此，即可將模組化地熱熱源或冷源流體保溫導管結構應用在傳統地熱生產井1的地熱流體輸送系統中，使地熱生產井1的地熱流體輸送系統具備隔熱保溫的功效，進而實現使井底與流經至井口之地熱流體的溫度及壓力幾乎一致的功效。
以上圖示例說明，僅為本發明之一可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列請求項所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。
Claims (8)
- 一種模組化地熱熱源流體保溫導管結構，其包括至少一模組化的管體組件，該管體組件包含：一套管，其包含互為反向延伸的一第一端及一第二端；一鎖接座，其設在該套管之該第一端內，該鎖接座一端設有一第一鎖接部；一導管，其一端設有一可供與該第一鎖接部螺紋鎖接的第二配接部，另一端伸入靠近該套管之該第一端而與該鎖接座的另一端連接，該第二配接部伸出該套管的該第二端之外；該導管外周設有至少一頂撐該套管之內環面的支撐套環，藉由該支撐套環的頂撐而於該導管與該套管之間形成一軸向延伸的環形間隔空間；及一隔熱層，其設於該環形間隔空間內；其中，該鎖接座的該另一端設有一第二鎖接部，該導管的該另一端設有一第一配接部，該導管之該第一配接部螺紋鎖接在該鎖接座的該第二鎖接部上。
- 如請求項1所述之模組化地熱熱源流體保溫導管結構，其中，該隔熱層係選自粉狀、液體以及固體形式的隔熱材料，該隔熱材料係選自岩棉、玻璃纖維(FRP)、環保輕石以及膨脹玻化微珠、無機玻化微珠、隔熱玻璃砂等的其中一種。
- 如請求項2所述之模組化地熱熱源流體保溫導管結構，其中，該隔熱材料的熱導率小於0.25W/(mK)，且盡量使用K值小於0.1W/(mK)的材料。
- 如請求項1所述之模組化地熱熱源流體保溫導管結構，其中，該鎖接座近中段處環設有一高溫止洩環，當其一該管體組件之該第二配接部鎖接於其二該管體組件之該第一鎖接部時，該高溫止洩環之二端恰可供其一該管體組件之該導管另端之端緣及其二該管體組件之該導管一端之端緣抵 住。
- 如請求項1所述之模組化地熱熱源流體保溫導管結構，其中，該管體組件的數量為複數，該複數管體組件之間係相互串接成使該複數導管部內部形成連通的第一通路。
- 如請求項1所述之模組化地熱熱源流體保溫導管結構，其中，該套管包含一管狀本體及二分別位於該本體二端且外徑大於該本體的擋緣，每一該擋緣中央位置貫穿設有一口徑略等於該導管內徑的環口，靠近該第一端之該環口正對該鎖接座，靠近該第二端之該環口則可供該導管的該第二配接部穿出；每二個鄰接對合之該管體組件的該二擋緣係以一固定束套予以束緊固定。
- 一種應用如請求項1所述之模組化地熱熱源流體保溫導管結構的地熱流體輸送系統，其包括：複數該管體組件，該複數管體組件之間係相互串接成使該複數導管部內部形成連通的第一通路；複數外套管，該複數外套管環設於該複數管體組件的外圍；及一封閉座，其用以封閉最後一個該外套管上，該封閉座與最末端該管體組件具有一間距；每一該管體組件之外周分別設有至少一第二支撐套環，每二個相鄰該外套管係以一鎖接手段相互鎖接，以於該複數外套管內部形成一與該第一通路形成連通的第二通路。
- 一種應用如請求項1所述之模組化地熱熱源流體保溫導管結構的地熱流體輸送系統，其包括：複數該管體組件，該複數管體組件之間係相互串接成使該複數導管部內部形成連通的第一通路；複數外套管，該複數外套管環設於該複數管體組件的外圍；及 一封閉環套；及一封閉座，其設在最後一個該管體組件上，該封閉環套介設於該封閉座一端與最後一個該管體組件一端之間，用以封閉該封閉座一端，該封閉座另端設有至少一供地熱流體進入的穿孔，該封閉座另端與最後一個該管體組件另端之間具有一間距，使該地熱流體可自最後一個該管體組件的該導管進入而流入至該第一通路內。
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Citations (2)
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- 2016-11-22 TW TW105138299A patent/TWI633250B/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
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