CN109798794A - 带汽水分离的超长重力热管地热开采装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带汽水分离的超长重力热管地热开采装置，在取热段和绝热段之间设置汽水分离装置，使得上升的工质蒸汽带液量大幅减少，并降低了气流速度。此外，导流板结构等将下降液收集，避免了上升与下降气体交汇。同时上升蒸汽与下降的工质液密度差增加。驱动力由于工质液密度差增加有所增加，足以克服增加汽水分离装置的阻力，从而提高了管热长度输送的能力。

Description

带汽水分离的超长重力热管地热开采装置

技术领域

本发明涉及地热开采技术领域，特别是涉及一种带汽水分离的超长重力热管地热开采装置。

背景技术

地热是地球内部长寿命放射性同位素热核反应产生的热能透过地函的高温岩浆传达至地壳，这种深层的地热能源源不绝，取之不竭。这种地热能一般存在如下由外往地核有不同温度层：在地壳表层受大气环境及太阳辐射等影响的外热层,在外热层的下界处，是在一定深度下温度不再变化的常温层；在常温层以下，由于受地球内部热源的影响，温度开始随深度逐渐增高。在6-70千米莫霍面处的地温大约为400～1000℃，在上、下地幔界面附近大约为1900℃，在古登堡面附近大约为3700℃，地心处的温度大约为4300～4500℃。

如何有效利用地热能现在还是世界难题。现在有的技术是利用泵等方法提供动力来传输，同时增加重力热管辅助，热量传输长度也在千米范围。采集热量需要一定的动力消耗，增加***用电，减少***效率。由于热管本身特点存在携带极限、毛细极限等传热极限限制，存在传输长度极限，无法制作过长的无动力辅助热管。或者通过重力辅助热管，减少为热量传输消耗的电能。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明致力于提供一种简单可行的利用重力热管原理将地热能等热能传输到超长距离的方法。

为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案如下：

一种带汽水分离的超长重力热管地热开采装置，所述重力热管分为取热段3、绝热段2和换热段1，

取热段3内壁设有多空芯体层11；

取热段3与绝热段2连接处设有汽水分离装置，绝热段2与换热段1连接处设有导流板5；

工质液从外部注入绝热段2，在重力作用下沿导液管6流淌至取热段3的多孔芯体层11，在多孔芯体层11受热气化为蒸汽，蒸汽上升，在汽水分离装置的作用下，蒸汽中的液滴被捕集分离，经分离后的蒸汽继续上升到达换热段1，与换热管进行热量交换后受冷凝结成液滴，液滴沿导液管6进入下一轮循环。

优选地，所述汽水分离装置包括导气管20、挡板9、导流交换管10和波形板8；

挡板9围绕在导气管20的下段，波形板8围绕在导气管20的上段，导流交换管10采用锥形桶结构并套在导气管20的中段；

导流交换管10与导气管20的中段设有相应的通道使得蒸汽分成两路并按照下述路径穿过：

从取热段3上升的蒸汽，一路进入导气管20的下段，另一路进入导气管20外面的挡板9的间隙，导气管20下段的蒸汽依次穿过导气管20中段和导流交换管10上升到波形板8，在波形板8的阻挡下，蒸汽中的液滴被捕集分离，经分离后的蒸汽再进入绝热段2；在挡板9的阻挡下，另一路蒸汽中的液滴也被捕集分离，经分离后的蒸汽依次穿过导流交换管10和导气管20的中段，再经过导气管20的上段进入绝热段2的腔体。

优选地，所述汽水分离装置可以采用单个或多组，且捕集分离液滴的方式包括但不限于重力型、惯性型、挡板式、汽旋式、丝网式和吸附式的方法。

优选地，换热管4置于换热段1腔体内，或置于换热段1外部；

当置于换热段1外部时，从换热段1输出的蒸汽在换热管4处受冷凝结成液体，液体被收集至工质液的储液罐，随工质液注入绝热段2进入下一轮循环。

优选地，换热段3与绝热段2之间设有导流板5，导流板5采用内设开孔但不能直接穿透的多层板结构，使蒸汽可以自下而上穿过，上表面设有凹槽并具有坡度，使液体从四周流下并落入导液管6。

优选地，导液管6采用管道且内壁面设有微沟槽的结构。

优选地，波形板8采用折流板式波形板。

优选地，所述重力热管可以是整体式也可以是分段式结构。

优选地，工质液的工质包括但不限于水、导热姆、苯、汞、钾和钠；

绝热段2和换热段1的外壁包裹保温层，保温层可以采用无机、有机、金属、气凝胶或反射材料，经发泡、中空或堆积而成；

多孔芯体层11可以采用金属、陶瓷、尼龙或碳纤维材料通过发泡、纤维编织或烧结制备而成。

优选地，所述重力热管采集包括但不限于热水型地热能、干热岩地热能或需要长距离传输的其它热能。

本发明与现有技术相比具有以下的优势：

由于汽水分离装置的作用使得上升的工质蒸汽带液量大幅减少，上升蒸汽与下降的工质液密度差增加。根据静压计算公式P＝ρgh，驱动力由于工质液密度差增加有所增加，足以克服增加汽水分离装置的阻力，同时增加热管热输送长度能力。

附图说明

图1是本发明带汽水分离的超长重力热管地热开采装置装置实施例1的结构示意图；

图2是本发明带汽水分离的超长重力热管地热开采装置装置实施例2的结构示意图；

图3是本发明带汽水分离的超长重力热管地热开采装置装置中导流板的展开示意图；

图4是本发明带汽水分离的超长重力热管地热开采装置装置中导流交换管的上下面展开示意图；

其中，1、换热段；2、绝热段；3、取热段；4、换热管；5、导流板；6、导液管或导液层；7、保温层；8、波形板；9、挡板；10、导流交换管；11、多孔芯体层；12、取热管；13、地热井；14、排气阀；15、进料阀；16、蓄液罐；17、工质液；18、进工质控制阀；19、进液管；20、导气管；21、上升管；22、收集管；23、单向阀或泵。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

图1是本发明实施例1的装置示意图。带汽水分离的超长重力热管取热段3直接到地热井13底部，地热井13地热能传递给取热段3。在取热段3与地热井13间可以填充一些导热填充物增加传热效果。取热段3壁面的多孔芯体层11带有的工质液受热蒸发产生工质蒸汽。带液蒸汽上升到达绝热段2。绝热段2与取热段3连接处设置有汽水分离设备。汽水分离结构进口中间设有导气管20及挡板9。蒸汽分成两路，一路通过导气管20及导流交换管10进入上一级挡板9及下一级波形板8。另一路先经过挡板9再通过导流交换管10进入到上一级导气管20。分路后进入每层挡板9的蒸汽约为原来的一半，蒸汽流速减低，汽水分离设备阻力减少。也可按照这个方式设置更多层数，进一步降低蒸汽流速。设置了一层或多层挡板9，使得带液蒸汽的液滴经过碰撞捕集，多层结构又助于减少液滴脱落挂带量。后面的波形板8通过液体与蒸汽的惯性力分别进行捕集和分离。除了采用挡板和波形板结合的方式也可以采用其它液滴捕集分离技术。两层汽水分离结构中间设置了导流交换管10，使得外部的蒸汽流向中间，中间的蒸汽流向外部。绝热段内管壁设有导液管或导液层6供上部换热段1冷凝下来的液体流动，减少蒸汽携带液滴量。在换热段1与绝热段2连接处设置有导流板5，上部换热管4冷凝下来的液体通过导流板5流到导液管或导液层6，导流板5中间开有孔，让蒸汽顺利通过。导流板5可以设置些开口向上的沟槽，防止蒸汽携带液滴量。可以设置多层导流板5，中间开有孔错开，防止冷凝液直接落下。换热管4将从底部获得的热量传递给其它工质如蒸汽等。也可以取消换热管4将蒸汽收集直接推动汽轮机做功，做功后的蒸汽冷凝下来的液体直接送到导液管或导液层6。在整个装置最高处设置有排气阀14，在实施例2的导气管20顶部设置了排气阀14。可以通过排气阀14实现工作时排发不凝结气体。也可以通过真空泵将热管内气体抽空。再通过进料阀15控制添加工质。蓄液罐16存储有工质液17。同时也可以通过进料阀15向蓄液罐16添加工质液17。蓄液罐16由进工质控制阀23控制通过进液管19向导液管或导液层6输入工质。在低于设计工作温度上部地热井13以上的内壁面与热管间安装有保温材料的保温层7减少散热损失。

重力热管依靠重力使冷凝液回流到取热段3。在取热段3受热，液体的工质吸收热量气化成蒸汽，蒸汽流向换热段1，在换热段1由于受到冷却使蒸汽释放气化潜热凝结成液体，液体在重力(或沿多孔材料在毛细力)的作用下，回流到取热段3并再次气化，如此反复循环，连续不断地将热量由一端传至另一端。

实施例2：

图2是本发明实施例2的装置示意图。带汽水分离的超长重力热管取热段3直接到地热井13底部，地热井13地热能传递给取热段3。在取热段3与地热井13间可以填充一些导热填充物增加传热效果。取热段3壁面的多孔芯体层11带有的工质液受热蒸发产生工质蒸汽。带液蒸汽上升到达绝热段2，绝热段2与取热段3连接处设置有汽水分离设备。汽水分离结构进口中间设有导气管20及挡板9。蒸汽分成两路，一路通过导气管20及导流交换管10进入上一级挡板9及下一级波形板8。另一路先经过挡板9再通过导流交换管10进入到上面下一级导气管20。分路后进入每层挡板9蒸汽约为原来的一半，蒸汽流速减低，汽水分离设备阻力减少。也可按照这个方式设置更多层数，进一步降低蒸汽流速，提高汽水分离效率。设置了一层或多层挡板9，使得带液蒸汽的液滴经过碰撞捕集，多层结构有助于减少液滴脱落挂带量。后面的波形板8通过液体与蒸汽的惯性力分别进行捕集和分离。除了采用挡板和波形板结合的方式也可以采用其它液滴捕集分离技术。两层汽水分离结构中间设置了导流交换管10，使得外部的蒸汽流向中间，中间的蒸汽流向外部。绝热段内管壁设有导液管或导液层6供上部换热段1冷凝下来的液体流动，减少蒸汽携带液滴量。在换热段1与绝热段连接处设置有上升管21。上升管21连接着换热管4，换热管4将从底部获得的热量传递给其它工质如蒸汽等。蒸汽冷凝下来的液体通过收集管22直接送到蓄液罐16。在整个装置最高处设置有排气阀14，在实施例2的换热管4顶部设置了排气阀14。可以将换热管4顶部连接在一起再通过排气阀14实现工作时排发不凝结气体，也可以通过真空泵将热管内气体抽空。蓄液罐16存储有工质液17，同时也可以通过进料阀15向蓄液罐16添加工质液17。蓄液罐16由单向阀或泵23通过进液管19向导液管或导液层6输入工质，完成整个工质循环。在热管循环动力不足的情况可以开启单向阀或泵23提高循环动力。除了在低于设计工作温度上部地热井13以上的内壁面与热管间以及上升管21外表面安装有保温材料的保温层7减少散热损失。

本发明中，工质汽与工质液走不同通道，同时采用汽水分离装置，使得上升的工质蒸汽带液量大幅减少。此外，导流板结构等将下降液收集，避免了上升与下降气体交汇。同时上升蒸汽与下降的工质液密度差增加。驱动力由于工质液密度差增加有所增加，足以克服增加汽水分离装置的阻力，从而提高了管热长度输送的能力。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种带汽水分离的超长重力热管地热开采装置，所述重力热管分为取热段(3)、绝热段(2)和换热段(1)，其特征在于：

取热段(3)与绝热段(2)连接处设有汽水分离装置；

在绝热段(2)，工质液沿导液管(6)流淌至取热段(3)，在取热段(3)受热气化为蒸汽，蒸汽上升，在汽水分离装置的作用下，蒸汽中的液滴被捕集分离，经分离后的蒸汽继续上升到达换热段(1)，在换热段(1)受冷凝结成液滴，液滴沿导液管(6)进入下一轮循环。

2.根据权利要求1所述的带汽水分离的超长重力热管地热开采装置，其特征在于：

所述汽水分离装置包括导气管(20)、挡板(9)、导流交换管(10)和波形板(8)；

挡板(9)围绕在导气管(20)的下段，波形板(8)围绕在导气管(20)的上段，导流交换管(10)套在导气管(20)的中段；

导流交换管(10)与导气管(20)的中段设有相应的通道使得蒸汽分成两路并按照下述路径穿过：

从取热段(3)上升的蒸汽，一路进入导气管(20)的下段，另一路进入导气管(20)外面的挡板(9)的间隙，导气管(20)下段的蒸汽依次穿过导气管(20)中段和导流交换管(10)上升到波形板(8)，在波形板(8)的阻挡下，蒸汽中的液滴被捕集分离，经分离后的蒸汽再进入绝热段(2)；在挡板(9)的阻挡下，另一路蒸汽中的液滴也被捕集分离，经分离后的蒸汽依次穿过导流交换管(10)和导气管(20)的中段，再经过导气管(20)的上段进入绝热段(2)的腔体。

3.根据权利要求2所述的带汽水分离的超长重力热管地热开采装置，其特征在于：

导流交换管采用锥形桶结构。

4.根据权利要求1所述的带汽水分离的超长重力热管地热开采装置，其特征在于：

所述汽水分离装置可以采用单个或多组，且捕集分离液滴的方式包括但不限于重力型、惯性型、挡板式、汽旋式、丝网式和吸附式的方法。

5.根据权利要求1所述的带汽水分离的超长重力热管地热开采装置，其特征在于：

换热段(1)设有换热管(4)，换热管(4)置于换热段(1)腔体内，或置于换热段(1)外部；

当置于换热段(1)外部时，从换热段(1)输出的蒸汽在换热管(4)处受冷凝结成液体，液体被收集至工质液的储液罐。

6.根据权利要求1所述的带汽水分离的超长重力热管地热开采装置，其特征在于：

绝热段(2)与换热段(1)之间设有导流板(5)，导流板(5)采用内设开孔但不能直接穿透的多层板结构，使蒸汽可以自下而上穿过，上表面设有凹槽并具有坡度，使液体从四周流下并落入导液管(6)。

7.根据权利要求1所述的带汽水分离的超长重力热管地热开采装置，其特征在于：

导液管(6)采用管道且内壁面设有微沟槽的结构。

8.根据权利要求1所述的带汽水分离的超长重力热管地热开采装置，其特征在于：

所述重力热管可以是整体式也可以是分段式结构。

9.根据权利要求1所述的带汽水分离的超长重力热管地热开采装置，其特征在于：

工质液的工质包括但不限于水、导热姆、苯、汞、钾和钠；

取热段(3)内壁设有多孔芯体层(11)，多孔芯体层(11)可以采用金属、陶瓷、尼龙或碳纤维材料通过发泡、纤维编织或烧结制备而成。

10.根据权利要求1所述的带汽水分离的超长重力热管地热开采装置，其特征在于：

从地热井内温度低于预设温度的位置朝上，在地热井与所述重力热管之间铺设保温材料构成的保温层(7)；

保温层(7)可以采用无机、有机、金属、气凝胶或反射材料，经发泡、中空或堆积而成；

所述重力热管采集包括但不限于热水型地热能、干热岩地热能或需要长距离传输的其它热能。