一种基于中深层地热能的钻孔供热系统的制作方法

2021-03-11 20:03:49|

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[0001]
本实用新型涉及地热能利用领域，特别是一种基于中深层地热能的钻孔供热系统。

背景技术：

[0002]
中深层地热一般埋深2000米到4000米之间，中深层供热系统以提取中深层地热为主，热源为中深层地壳岩土体，通过前期勘探后，使用专业石油钻孔设备在目的地钻孔，钻孔深度地下2000～4000米，钻孔直径200mm，安装特种材料制成的金属换热器，封闭换热井，填充液体换热介质，通过换热介质将换热器所提取的热量传输至热泵设备机房，再分配至终端用户，该技术具有热源温度更高(地下2000m以下岩体热源可达70℃)且恒定，单个换热井换热面积大，运行成本低，节能环保性强等特点。
[0003]
现有中深层地热能钻孔供热系统存在以下问题：1、现有中深层地热常采用同轴套管作为井下换热器，利用热泵作为地上的热交换元件，中深层地热在进行换热后，其回流到同轴套管外管内的回水温度通常在35度左右，随着地层深度的加深，同轴套管外管的温度会逐渐升高，当同轴套管外管温度高于35度时，同轴套管外管会对其内的换热介质进行加热，介质受热后会产生向上的对流，进而对原本向下运动的介质运行造成阻碍，增加用于介质循环的循环泵的能量消耗，现有技术中采用在一侧将向下回流的介质导入同轴套管内管，另一侧由同轴套管外管将介质导入到上部的同轴套管内管中进而实现介质流向的换向，使得介质由内管下行外管上行进而解决热对流对介质运行阻碍的问题，但是其换向方式会使的介质运行存在死区，进而影响换热；2、现有同轴套管换热器由两个光滑的管状结构组成，介质在其内运动时不会受到扰动作用，进而容易在介质的内外层产生温差，影响介质的换热和储热；3、现有同轴套管换热器由于在其上段外管和内管之间的温差较大，内外管之间的介质的热传导会影响换热器的换热效率；4、现有中深层换热器由于其利用中深层地热进行换热，由于中深层地热温度较高，在夏季时无法利用其换热进行制冷，进而使得中深层换热器在夏季闲置，降低了中深层换热器的使用效率。

技术实现要素：

[0004]
本实用新型的目的是为了解决背景技术中提出的问题，设计了一种基于中深层地热能的钻孔供热系统。
[0005]
实现上述目的本实用新型的技术方案为，一种基于中深层地热能的钻孔供热系统，包括热泵、循环泵、外管、内管、介质换向结构、浅层换热及中深层换热转换结构，所述热泵进口与循环泵出口通过管路连接，所述外管埋设竖直插装于大地上且其上端与热泵出口通过管路连接，所述内管与外管同轴固定插装于外管内且其上端与循环泵进口通过管路连接，所述介质换向结构设于外管和内管中部，所述浅层换热及中深层换热转换结构设于外管和内管上部；
[0006]
所述介质换向结构包括锥形头、换流孔、回流管，所述锥形头固定于内管中部且尖
锐部朝上，两个所述换流孔分别开于锥形头前后表面上，所述回流管固定安装于外管中部且其上端与内管连通，回流管下端与外管连通；
[0007]
所述浅层换热及中深层换热转换结构包括气泵、滑动槽、活塞环、一号循环孔、二号循环孔、回复弹簧、环状气囊、球囊、导热隔热转换结构、鱼鳞扰动片结构，所述气泵与滑动槽上端通过管路连接，所述滑动槽开于内管上段内部，所述活塞环滑动嵌装于滑动槽内，两个所述一号循环孔开于活塞环两侧，两个所述二号循环孔开于内管上部两侧且形状大小与一号循环孔相同，所述回复弹簧上端固定于活塞环下端，所述回复弹簧下端固定于滑动槽底部，所述环状气囊固定安装于内管外壁上且位于滑动槽底部下方，所述球囊固定于内管内表面上，所述球囊和环状气囊与滑动槽底部连通，所述导热隔热转换结构设于外管上段且与气泵通过管路连接，所述鱼鳞扰动片结构设于外管内壁上且与气泵通过管路连接。
[0008]
进一步的，所述导热隔热转换结构包括隔热层、注油槽、油箱、油泵，所述隔热层套装于外管外侧上段，所述注油槽开于隔热层中部，所述油箱设于隔热层上方，所述油泵固定于油箱上且通过管路与油箱内部下部连通，所述油泵与注油槽连通，所述隔热层位于地热温度35度分界线上方，所述注油槽高度位于地热温度25度分界线上方。
[0009]
进一步的，所述隔热层上部设有连接管，所述连接管安装于隔热层上部且连通注油槽和隔热层上方，所述连接管上设有电磁阀，所述电磁阀安装于连接管上端。
[0010]
进一步的，所述鱼鳞扰动片结构包括气缸、滑动块、连杆、齿条、转动片，所述气缸固定于外管上表面上，所述滑动块滑动嵌装于气缸内，所述连杆滑动插装于外管内，所述齿条与连杆下端固定连接且滑动嵌装于外管内，多个所述转动片可转动嵌装于外管内壁上，所述转动片为多层环状分布可转动嵌装于外管的片状结构，所述齿条与左侧的转动片内部咬合。
[0011]
进一步的，所述连杆上设有二号弹簧，所述二号弹簧套装于连杆外且其上端与滑动块相接触，其下端与气缸底部相接触。
[0012]
进一步的，所述内管下部设有内螺旋板，所述内螺旋板螺旋状分布固定安装于内管内表面下部，所述内螺旋板位于介质换向结构下方。
[0013]
进一步的，所述外管下部设有外螺旋板，所述外螺旋板螺旋状分布固定安装于外管内表面下部，所述外螺旋板位于介质换向结构下方。
[0014]
进一步的，所述内螺旋板和外螺旋板的螺旋方向相反。
[0015]
进一步的，所述环状气囊和球囊高度位于地热温度25度分界线处。
[0016]
进一步的，所述介质换向结构位于地热温度35度分界线处。
[0017]
有益效果：
[0018]
1、通过介质换向结构在介质温度低于外管温度时对介质的走向进行换向，解决了由于介质受热在热力作用下的上升趋势对介质的向下运行造成阻碍，进而增加循环泵能量消耗的问题；
[0019]
2、介质换向结构对介质的换向具有对称性，解决了现有换向结构的单侧换向导致介质运动存在死区影响介质换热的问题；
[0020]
3、内管内表面及外管内表面安装的内螺旋板和外螺旋板，在介质向下运行时螺旋板带动介质做旋转运动，同时螺旋板的存在对介质起到扰动作用，进而增强换热；
[0021]
4、外管外部上段设有的隔热层将外管上段地层低于35度的区域与外管进行热隔
离，进而避免低温地层对高温介质进行热交换，影响介质的换热进而影响内管外管组成的同轴套管换热器的换热效率；
[0022]
5、在夏季时，利用浅层换热及中深层换热转换结构动作，使得只有内管外管的上段工作，进而对浅层低温地热进行换热，便于夏季制冷提高外管内管组成的同轴套管换热器利用程度，同时，鱼鳞扰动片结构动作使得鱼鳞状的板状结构竖起，进而增加了介质在外管与内管之间运行时的扰动，增强换热效果；
[0023]
6、内管上段的中空结构使得内管上段的热阻相较于现有内管的单层结构增加，解决了现有同轴套管换热器上段内外管内的介质温差大，内管热阻低使得内外管间的介质产生热交换，影响换热效率的问题。
附图说明
[0024]
图1是本实用新型所述基于中深层地热能的钻孔供热系统的结构示意图；
[0025]
图2是本实用新型图1所示的基于中深层地热能的钻孔供热系统的上部的结构示意图；
[0026]
图3是本实用新型图1所示的基于中深层地热能的钻孔供热系统的中上部的结构示意图；
[0027]
图4是本实用新型图3所示a部的放大结构示意图；
[0028]
图5是本实用新型所述介质换向结构的横剖视结构示意图；
[0029]
图6是本实用新型所述转动片部位的横剖视结构示意图；
[0030]
图7是本实用新型图6所示的b部的放大结构示意图。
[0031]
图中，1、热泵；2、循环泵；3、外管；4、内管；5、锥形头；6、换流孔；7、回流管；8、气泵；9、滑动槽；10、活塞环；11、一号循环孔；12、二号循环孔；13、回复弹簧；14、环状气囊；15、球囊；16、隔热层；17、注油槽；18、油箱；19、油泵；20、连接管；21、电磁阀；22、气缸；23、滑动块；24、连杆；25、齿条；26、转动片；27、二号弹簧；28、内螺旋板；29、外螺旋板；30、传动软轴。
具体实施方式
[0032]
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0033]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上/下端”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0034]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置/套设有”、“套接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，
可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0035]
请参阅图1-3，本实用新型提供一种技术方案：一种基于中深层地热能的钻孔供热系统，包括热泵1、循环泵2、外管3、内管4、介质换向结构、浅层换热及中深层换热转换结构，热泵1进口与循环泵2出口通过管路连接，外管3埋设竖直插装于大地上且其上端与热泵1出口通过管路连接，内管4与外管3同轴固定插装于外管3内且其上端与循环泵2进口通过管路连接，介质换向结构设于外管3和内管4中部，浅层换热及中深层换热转换结构设于外管3和内管4上部，其中，内管4可选用橡胶材质或其它导热性差的材质制作的管状结构，外管3可选用钢制或其它导热性好的金属或合金材料制成的管状结构；
[0036]
介质换向结构包括锥形头5、换流孔6、回流管7，锥形头5固定于内管4中部且尖锐部朝上，两个换流孔6分别开于锥形头5前后表面上，回流管7固定安装于外管3中部且其上端与内管4连通，回流管7下端与外管3连通，介质通过介质换向结构时，首先向下运动的介质通过换流孔进入到锥形头5内，进而通过锥形头5介质进入到下段的内管4中，然后回流的介质通过外管3和内管4之间的间隙流入到回流管7，进而通过回流管7导向至内管4的上段中，其中回流管7为向上逐渐收窄的横截面为扇形的管状结构，进而介质换向结构对介质的换向具有对称性，解决了现有换向结构的单侧换向导致介质运动存在死区影响介质换热的问题且合理利用了外管3内空间；
[0037]
浅层换热及中深层换热转换结构包括气泵8、滑动槽9、活塞环10、一号循环孔11、二号循环孔12、回复弹簧13、环状气囊14、球囊15、导热隔热转换结构、鱼鳞扰动片结构，气泵8与滑动槽9上端通过管路连接，滑动槽9开于内管4上段内部，内管4上段的中空结构的滑动槽9的开设使得内管4上段的热阻相较于现有内管的单层结构增大，一定程度上解决了现有同轴套管换热器上段内外管内的介质温差大，内管热阻低使得内外管间的介质产生热交换，影响换热效率的问题，活塞环10滑动嵌装于滑动槽9内，两个一号循环孔11开于活塞环10两侧，两个二号循环孔12开于内管4上部两侧且形状大小与一号循环孔11相同，回复弹簧13上端固定于活塞环10下端，回复弹簧13下端固定于滑动槽9底部，环状气囊14固定安装于内管4外壁上且位于滑动槽9底部下方，球囊15固定于内管4内表面上，球囊15和环状气囊14与滑动槽9底部连通，导热隔热转换结构设于外管3上段且与气泵8通过管路连接，鱼鳞扰动片结构设于外管3内壁上且与气泵8通过管路连接，工作时，气泵8工作对内管4上的滑动槽9供气，滑动槽9内气体增加推动滑动槽9内的活塞环10运动，活塞环10向下运动使得活塞环10上的一号循环孔11余内管4上的二号循环孔12位置相对应，进而一号循环孔11和二号循环孔12形成通路将外管3内部与内管4内部空间导通，同时，活塞环10下行压缩滑动槽9下部空气，进而空气流入到环状气囊14和球囊15内，环状气囊14受气膨胀将外管3和内管4之间封堵，球囊15膨胀对内管4进行封堵，进而将外管3和内管4的下部介质与上部介质进行隔离，进而介质在内管4和外管3的上部进行循环，进而进行浅层换热，回复弹簧13用于向上推动活塞环10，便于活塞环10在未受到上方气压的情况下回复。
[0038]
本实用新型中，导热隔热转换结构包括隔热层16、注油槽17、油箱18、油泵19，隔热层16套装于外管3外侧上段，隔热层16用于隔绝浅层低温地层对外管3内介质温度影响，注油槽17开于隔热层16中部，油箱18设于隔热层16上方，油泵19固定于油箱18上且通过管路与油箱18内部下部连通，油泵19与注油槽17连通，隔热层16位于地热温度35度分界线上方，注油槽17高度位于地热温度25度分界线上方，在夏季需要浅层换热时，油泵19工作将油箱
18内的导热油抽到隔热层16上的注油槽17内，（隔热层16位于注油槽17部位的外壁和内壁选用可导热材质例如钢制），进而外界地层的温度便通过注油槽17内的导热油进行导热，进而便于外管3内部的介质进行换热。
[0039]
本实用新型中，隔热层16上部设有连接管20，连接管20安装于隔热层16上部且连通注油槽17和隔热层16上方，连接管20上设有电磁阀21，电磁阀21安装于连接管20上端，在向注油槽17内加注导热油时，电磁阀21打开，注油槽17内的空气从连接管20排出，在冬季前，导热油需要抽出，在抽出导热油时，电磁阀21打开，便于连通外界气压，在其它工作时间电磁阀21关闭，避免注油槽17内部与外界空气换热。
[0040]
本实用新型中，鱼鳞扰动片结构包括气缸22、滑动块23、连杆24、齿条25、转动片26、传动软轴30，气缸22固定于外管3上表面上，滑动块23滑动嵌装于气缸22内，连杆24滑动插装于外管3内，齿条25与连杆24下端固定连接且滑动嵌装于外管3内，多个转动片26可转动嵌装于外管3内壁上，转动片26为多层环状分布可转动嵌装于外管3的片状结构，齿条25与左侧的转动片26内部咬合，气泵8工作时，气泵8同时向气缸22进行供气，气缸22受气后推动气缸22内的滑动块23下行，进而滑动块23下行带动连杆24在外管3内向下滑动，同时连杆24上连接的齿条25向下运动带动与之咬合的一列转动片26向上转动，其中，一列转动片26上的每一个分别与其同一平面的一圈转动片26通过传动软轴30连接，进而一个转动片26的转动，带动同一平面的一圈转动片26向上转动，进而在外管3内壁上形成一层竖起的类似于鱼鳞的片状结构，进而增加介质在外管3内运行的扰动性。
[0041]
本实用新型中，连杆24上设有二号弹簧27，二号弹簧27套装于连杆24外且其上端与滑动块23相接触，其下端与气缸22底部相接触，在冬季利用中深层换热进行换热时，由于气缸22内部不受气压作用，进而二号弹簧27推动滑动块23上升，进而连杆24带动齿条25上升，转动片26向下转动与外管3内壁贴合，进而降低外管3内壁对介质向下运动的阻力。
[0042]
本实用新型中，内管4下部设有内螺旋板28，内螺旋板28螺旋状分布固定安装于内管4内表面下部，内螺旋板28位于介质换向结构下方，通过内管4下部设有的内螺旋板28，介质在经过内管4下部时，介质在内螺旋板28的螺旋趋势带动下进行旋转下行运动。
[0043]
本实用新型中，外管3下部设有外螺旋板29，外螺旋板29螺旋状分布固定安装于外管3内表面下部，外螺旋板29位于介质换向结构下方，当旋转下行的介质由底部出口进入到外管3时，外管3上的外螺旋板9会迫使向上运动的介质继续发生旋转，进而增加介质运行时的扰动，增强介质的换热效果。
[0044]
本实用新型中，内螺旋板28和外螺旋板29的螺旋方向相反，进而便于配合内螺旋板28带动介质旋转的方向，使得介质在外管3内向上运动时被外螺旋板29带动旋转方向与从内管4排出时的旋转方向相同。
[0045]
本实用新型中，环状气囊14和球囊15高度位于地热温度25度分界线处，进而使得夏季需要进行制冷时，介质进行交换的为浅层低温地热，进而便于制冷。
[0046]
本实用新型中，介质换向结构位于地热温度35度分界线处，由于现有中深层换热后的介质回流温度通常为35度左右，故当35度分界处向下的地层温度会高于介质回流温度，进而地层会向介质供热，进而介质容易产生受热的上升力，进而影响循环泵2运行，因此需要在35度分界线处进行介质换向，其中，35度分界线安装介质换向结构是依据现有换热设备回流的介质温度确定的，不同的换热设备可能有不同的介质回流温度，若现有换热设
备的回流温度变化，则在施工本实用新型技术方案时介质换向结构需要安装在所配套换热设备如热泵1的介质回流温度相同的地热温度分界线处。
[0047]
通过本领域人员，将本案中所有电气件与其适配的电源通过导线进行连接，并且应该根据实际情况，选择合适的控制器，以满足控制需求，具体连接以及控制顺序，应参考下述工作原理中，各电气件之间先后工作顺序完成电性连接，其详细连接手段，为本领域公知技术，下述主要介绍工作原理以及过程，不再对电气控制做说明。
[0048]
在本实施方案中：
[0049]
冬季中深层地热换热进行供热时，通过热泵1进行热量交换进而对外界进行供热或制冷，工作时，循环泵2带动介质在内管4外管3间进行循环，介质从外管3回流，内管4流向热泵1，回流介质通过管路流到外管3内部上段，然后，介质继续下降，当介质流经介质换向结构后，介质通过改变为从内管4下行，然后介质在内管4上的内螺旋板28作用下转动，然后介质从内管4下端流出，然后在外管3内向上运动，在外管3内的外螺旋板29作用下继续旋转上升，增加了介质的扰动，增强换热，然后介质通过介质换向结构流回到内管4上段，进而实现介质循环，实现供热；
[0050]
夏季时，浅层换热及中深层换热转换结构动作，将内管4及外管3中土壤地层温度25度分界线处的高度的介质进行隔离，然后将内管4和外管3底部连通，同时向注油槽17内注油，将冬季中空的注油槽17填充为可传递热量的导热油，进而介质在上段的内管4和外管3之间循环，进而实现了夏季的浅层换热，由于浅层地热温度低，进而介质在浅层的外管3内管4之间循环携带低温至热泵1，进而便于热泵1进行制冷。
[0051]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
[0052]
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

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