CN112923592A - 一种中深层无干扰地热能高效同轴换热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中深层无干扰地热能高效同轴换热装置，包括从土壤增温层中吸热的强化换热外套管和输送换热介质循环水的同轴绝热内管。所述强化换热外套管是由导热系数高的金属材料整体成型制成，其外壁上和内壁上均布有凸起的纵向金属翅片，其中内壁上凸起的纵向金属翅片形成的等效同轴圆的直径大于绝热内管的外径。中深层无干扰地热能高效同轴换热装置的强化换热外套管布置在土壤的增温层中，其上部与布置在土壤变温层和恒温层中的同轴换热装置外套管光管相连接，中间为输送换热介质循环水的同轴绝热内管。和目前采用的光管外套管换热装置相比，可强化吸热介质循环水与岩土层的换热，增加单井换热量，提高出水温度。

Description

一种中深层无干扰地热能高效同轴换热装置
技术领域
本发明涉及一种中深层无干扰地热能高效同轴换热装置。
背景技术
根据地质条件的不同，地表以下0～300m为土壤变温层和恒温层，为浅层热储层，温度较低(20℃左右)；地表以下300m～4000m为土壤的增温层(中深层岩土)，为中深层热储层，其井底部岩土最高温度可以达到80℃以上。
中深层无干扰地热供热技术是通过向地面下土壤增温层(中深层岩土)钻井，以地下中深层岩土热储层或干热岩为热源，通过专用井下换热设备提取地热能，不取用地下水且对地下含水层无干扰的绿色、环保可再生能源清洁供热技术。
中深层无干扰地热供热技术主要有单井同轴换热和U型对井换热，其中单井同轴换热技术近年来发展和推广应用市场潜力巨大。
现有的中深层无干扰地热供热技术，在土壤恒温层和土壤增温层设置的同轴换热外套管的外壁均为光管设计，外套管内部为光管或凹型槽设计，吸热效果和单井换热量、出水温度均有待提高。
发明内容
本发明的目的是基于上述中深层无干扰地热能同轴换热技术背景的阐述，通过对中深层无干扰地热能同轴换热外套管结构进行重新设计，进而提供一种强化吸热介质循环水与岩土层的换热，增加单井换热量，提高出水温度的高效无干扰地热能换热装置。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种中深层无干扰地热能高效同轴换热装置，包括从土壤增温层(中深层岩土)中吸热的强化换热外套管和输送换热介质循环水的同轴绝热内管。所述强化换热外套管，其内壁上布有凸起的纵向内金属翅片，其外壁上也布有凸起的纵向外金属翅片。
强化换热外套管内壁上凸起的纵向内金属翅片形成的等效同轴圆的直径D1大于绝热内管的外径D2。
强化换热外套管内壁上凸起的纵向内金属翅片数量不少于3片，其外壁上凸起的纵向外金属翅片数量不少于12片。
强化换热外套管是由铝合金、碳钢、合金钢等导热系数高的金属材料整体成型制成。
强化换热外套管布置在土壤增温层(中深层岩土)中，其上部与布置在地面至土壤变温层和恒温层中的同轴换热装置外套管光管相连接，中间为输送换热介质循环水的同轴绝热内管。
输送换热介质循环水的同轴绝热内管，从外套管光管和强化换热外套管内连续下入地热井中。
同轴换热装置的井口出水端和井口进水端分别与地热能换热机组(板换或热泵)连接，形成无干扰地热能闭式吸热循环。
本发明有益效果：和目前采用的光管外套管换热装置相比，由于外套管内外壁上均布有凸起的纵向金属翅片，在相同管径下，强化换热外套管的换热面积更大，传热系数更高，可强化换热介质循环水与岩土层的换热，增加单井换热量，降低换热介质循环水与外套管壁面和土壤增温层(中深层岩土)的换热温差，提高出水温度。
同时内壁上凸起的纵向内金属翅片，还可以固定输送换热介质循环水的同轴绝热内管，保证同轴换热器内外管之间流道间隙的一致性，提高换热效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明专利实施例案，下面将对实施例附图作简单介绍。
图1为本发明实施例的结构示意图。图2为本发明强化换热外套管的横截面结构示意图。图3为本发明强化换热外套管与同轴绝热内管横截面结构示意图。
其中，1、强化换热外套管；2、同轴绝热内管；3、纵向内金属翅片；4、纵向外金属翅片；5、土壤变温层和恒温层；6、土壤增温层(中深层岩土)；7、井口出水端；8、井口进水端；9、地热能换热机组(板换或热泵)；10、外套管光管；11、土壤变温层和恒温层低导热系数的绝热固井材料；12、土壤增温层(中深层岩土)高导热系数的固井材料。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的实施例进行描述。
根据图1所示，作为实施例所示的一种中深层无干扰地热能高效同轴换热装置，包括从土壤增温层(中深层岩土)6中吸热的强化换热外套管1和输送换热介质循环水的同轴绝热内管2。
按常规地热井钻井工艺成井后，依据当地地质条件的不同，在地表以下300m～4000m的增温层(中深层岩土)6中，下入本发明专利中的强化换热外套管1，并用高导热系数的固井材料12固井；在地表以下0～300m的土壤变温层和恒温层5中下入外套管光管10，并用低导热系数的绝热材料11固井；从外套管光管5和强化换热外套管1内连续下入低导热系数的输送换热介质循环水的同轴绝热内管2。
完成上述井下同轴换热装置的施工后，将同轴换热装置的井口出水端7和井口进水端8分别与地热能换热机组(板换或热泵)9连接，换热介质循环水从外套管和同轴绝热内管之间的换热通道进入，向下流动与周围岩土进行换热，温度逐渐升高到达底部之后，从输送换热介质循环水的同轴绝热内管2中由下向上流动进入地热能换热机组(板换或热泵)9换热，降温后的循环水再次进入换热通道，进行下一个闭式吸热循环。
本发明一种中深层无干扰地热能高效同轴换热装置，其强化换热外套管1在相同管径下，和目前采用的光管外套管换热装置相比，因其内外壁上均布有凸起的纵向金属翅片，增加了有效换热面积，可强化吸热介质循环水与岩土层的换热，增加单井换热量，提高出水温度，从而减少了热源侧打井和购置热泵设备的投资。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种中深层无干扰地热能高效同轴换热装置，包括从土壤增温层(6)中吸热的强化换热外套管(1)和输送换热介质循环水的同轴绝热内管(2)；所述强化换热外套管(1)，其内壁上布有凸起的纵向内金属翅片(3)，其外壁上也布有凸起的纵向外金属翅片(4)。
2.根据权利要求1所述的一种中深层无干扰地热能高效同轴换热装置，其特征在于：强化换热外套管(1)内壁上凸起的纵向内金属翅片(3)形成的等效同轴圆的直径大于同轴绝热内管(2)的外径。
3.根据权利要求1所述的一种中深层无干扰地热能高效同轴换热装置，其特征在于：其强化换热外套管(1)内壁上凸起的纵向内金属翅片(3)数量不少于3片，其外壁上凸起的纵向外金属翅片(4)数量不少于12片。
4.根据权利要求1所述的一种中深层无干扰地热能高效同轴换热装置，其特征在于：强化换热外套管(1)和纵向内外金属翅片(3)、(4)是由铝合金、碳钢或合金钢整体成型制成。
5.根据权利要求1所述的一种中深层无干扰地热能高效同轴换热装置，其特征在于：强化换热外套管(1)布置在土壤增温层(6)中，其上部与布置在地面至土壤变温层和恒温层(5)的同轴换热装置外套管光管(10)相连接，中间为输送换热介质循环水的同轴绝热内管(2)。
6.根据权利要求1所述的一种中深层无干扰地热能高效同轴换热装置，其特征在于：输送换热介质循环水的同轴绝热内管(2)，从外套管光管(10)和强化换热外套管(1)内连续下入地热井中。
7.根据权利要求1所述的一种中深层无干扰地热能高效同轴换热装置，其特征在于：同轴换热装置的井口出水端(7)和井口进水端(8)分别与地热能换热机组(9)连接，形成无干扰地热能闭式吸热循环。
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