地热井绕管换热器论文和设计

全文摘要

地热井绕管换热器，属于地热能开发利用技术，其结构上部分为金属套管保温区Ⅰ，下部分为绕管换热器区Ⅱ；金属套管保温区Ⅰ结构有金属外套管和内套管；绕管换热器区Ⅱ结构由中心轴管、金属筛管、上管板、下管板合围成圆环桶体；其中心轴管、金属筛管的上端在上管板处分别与内套管和金属外套管密封对接；中心轴管、金属筛管的下端在下管板处与下端半球壳密封对接；在圆环桶体内绕管围绕中心轴管缠绕；绕管上下端连接上下管板的开孔，分别与金属套管保温区Ⅰ和中心轴管流道贯通；金属套管保温区Ⅰ的长度保证绕管换热器区Ⅱ深入到井下高温地热的主换热区。本实用新型整体为密闭系统，实现了地热深井取热不取水，换热效率高，适用于多种类型复杂的地热井。

主设计要求

1.地热井绕管换热器，其特征是：其结构分为上下两部分，上部分为金属套管区（Ⅰ），下部分为金属绕管换热区（Ⅱ）；所述的金属套管区（Ⅰ）结构有金属外套管⑽和内套管⑾，二者之间为井侧进水或者出水通道，内套管⑾涂覆保温材料或采用保温结构，其内部为井侧出水或者进水通道；所述的金属绕管换热区（Ⅱ），其结构由中心轴管⑺、金属筛管⑹、上管板⑻、下管板⑶合围成圆环桶体；其中心轴管⑺、金属筛管⑹的上端在上管板⑻处分别与内套管⑾和金属外套管⑽密封对接；中心轴管⑺、金属筛管⑹的下端在下管板⑶处与下端半球壳⑴密封对接；在圆环桶体内绕管⑸围绕中心轴管⑺缠绕，拉条⑷支撑绕管⑸；其中上管板⑻有上开孔⑼、下管板⑶有下开孔⑵；绕管⑸上端连接上开孔⑼，与金属套管区（Ⅰ）的内外套管之间的流道贯通，绕管⑸下端连接下开孔⑵，通过密封连接的下端半球壳⑴与中心轴管⑺流道贯通；上部分金属套管区（Ⅰ）的长度须保证金属绕管换热区（Ⅱ）深入到井下高温地热的主换热区；下部分金属绕管换热区（Ⅱ）的长度须能够满足提取热量的需求。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种地热井绕管换热器，其特征是：所述的金属筛管⑹的筛管孔⑿结构形式可以是钻孔式、割缝式、栅杆式、或者是网状式等多种类型之一。

3.根据权利要求1所述的一种地热井绕管换热器，其特征是：当地热井井内为岩石层或砂浆层时，金属绕管换热区（Ⅱ）的金属筛管⑹可以去掉。

4.根据权利要求1所述的一种地热井绕管换热器，其特征是：当中介水在井内流通路线为内进外出方式时，金属外套管⑽也涂覆保温材料或采用保温结构。

设计说明书

技术领域

本发明属于地热能开发利用技术，特别涉及一种地热井换热器。

背景技术

地热能分布广、储量大、再生迅速、利用价值高。地热供暖技术是一种环境友好、政府提倡的绿色能源供暖新技术。近年来，随着地源热泵供暖技术的发展，深井地热技术因单井取热量大且对地面建筑及地表温影响最小而得到越来越多应用。提高单井取热量是深井地热开发技术的重要方向，同时也是技术难点。地热井同规格井型单井取热量的大小直接影响到地热供暖系统的初投资，即影响单位供暖面积的建设成本。提高单井取热量对地热供暖技术的广泛推广至关重要。在深井换热技术方面，现有技术多利用同轴地埋管，结构简单，单井换热量较小，即使扩大井孔径，提升换热量效果也不明显。

发明内容

本发明目的是充分利用井内空间扩大地热换热面积，最大限度提升单井取热量。

本发明公开了一种地热井用绕管换热器，其结构分为上下两部分，上部分为金属套管区Ⅰ，下部分为金属绕管换热区Ⅱ；所述的金属套管区Ⅰ中，包括金属外套管10和内套管11，二者之间为井侧进水或者出水通道，内套管11涂覆保温材料或采用保温结构，其内部为井侧出水或者进水通道；所述的金属绕管换热区Ⅱ，由中心轴管7、金属筛管6、上管板8、下管板3合围成圆环桶体；其中心轴管7、金属筛管6的上端在上管板8处分别与内套管11和金属外套管10密封对接；中心轴管7、金属筛管6的下端在下管板3处与下端半球壳1密封对接；在圆环桶体内绕管5围绕中心轴管7缠绕，拉条4支撑绕管5；其中上管板8有上开孔9、下管板3有下开孔2；绕管5上端连接上开孔9，与金属套管区Ⅰ的内外套管之间的流道贯通，绕管5下端连接下开孔2，通过下端密封连接的下端半球壳1与中心轴管7流道贯通；上部分金属套管区Ⅰ的长度须保证金属绕管换热区Ⅱ深入到井下高温地热的主换热区；下部分金属绕管换热区Ⅱ的长度须能够满足提取热量的需求。

所述的金属筛管6的筛管孔12结构形式可以是钻孔式、割缝式、栅杆式、网状式等多种类型之一。

当地热井井内为岩石层或砂浆层时，本发明金属绕管换热区Ⅱ的金属筛管6可以去掉，使得地层热介质如岩石、砂浆等直接接触绕管从而加强热传导。

本发明整体为地下密闭系统，其使用方法：中介水通过所述井下换热器将地下热量取出，经热泵机组后再回到井内循环；中介水在井内流通路线有两种：方式一，中介水从金属外套管10和内套管11之间入井→绕管5管束→密封的下端半球壳1→中心轴管7→内套管11出井→热泵机组，即外入内出形式；方式二，中介水从内套管11入井→中心轴管7→密封的下端半球壳1→绕管5管束→金属外套管10和内套管11之间出井→热泵机组，即内入外出形式。

当中介水在井内流通路线为方式二即内进外出方式时，本发明的金属外套管10也涂覆保温材料或采用保温结构。

本发明安装方法，上部分金属套管区Ⅰ安装前分为若干段，安装时分段沉井安装；下部分金属绕管换热区Ⅱ安装前分为若干段，安装时分段沉井安装；各段之间采用焊接或螺纹连接。

本发明优点：实现了地热深井的 “取热不取水”，扩大了地热的适用范围；有效解决了现有技术用普通套管换热器单井取热量少、换热效率低、固井层热阻大、套管传热面积小等问题；大大提升了单井供暖负荷，降低了打井深度要求，具有取热稳定、换热高效的特点。

附图说明

图1是地热井绕管换热器的结构示意图，其中：

Ⅰ为上部分金属套管区

Ⅱ为下部分金属绕管换热区

图2是图1所示A处的放大图

图中标示：1下端半球壳、2下开孔、3下管板、4拉条、5绕管、6金属筛管、7中心轴管、8上管板、9上开孔、10金属外套管、11内套管、12筛管孔。

具体实施方式

结合附图，对本发明进一步说明。

如图1所示，一种地热井用绕管换热器，其结构分为上下两部分，上部分为金属套管区Ⅰ，下部分为金属绕管换热区Ⅱ；所述的金属套管区Ⅰ包括金属外套管10和内套管11，二者之间为井侧进水或者出水通道，内套管11涂覆保温材料或采用保温结构，其内部为井侧出水或者进水通道；所述的金属绕管换热区Ⅱ，如图1、图2所示，由上管板8、下管板3、中心轴管7、金属筛管6合围成圆环桶体；其中心轴管7、金属筛管6的上端在上管板8处分别与内套管11和金属外套管10密封对接；中心轴管7、金属筛管6的下端在下管板3处与下端半球壳1密封对接；在圆环桶体内绕管5围绕中心轴管7缠绕，拉条4支撑绕管5；其中上管板8有上开孔9、下管板3有下开孔2，绕管5上端连接上开孔9，与金属套管区Ⅰ的套管之间流道贯通，绕管5下端连接下开孔2，通过密封连接的下端半球壳1与中心轴管7流道贯通；上部分金属套管区Ⅰ的长度须保证金属绕管换热区Ⅱ深入到井下高温地热的主换热区；下部分金属绕管换热区Ⅱ的长度应该能够满足提取热量的需求。

所述的金属筛管6的筛管孔12结构形式可以是钻孔式、割缝式、栅杆式、网状式等多种类型。

本发明下部分金属绕管换热区Ⅱ的金属筛管6可以根据地热打井时的实际状况选择去掉或者保留。当地下水层丰富时保留筛管6结构，可以保护绕管避免强水流冲击，同时过滤水流中的大砂砾，避免其填塞绕管间隙降低传热。

当地热井井内为岩石层或砂浆层时，本发明金属绕管换热区Ⅱ的金属筛管6可以不要，使得地层热介质如岩石、砂浆等直接接触绕管从而加强热传导，提高热效率。

本发明整体为地下密闭系统，使用方法：中介水通过井下换热器将地下热量取出，经热泵机组后再回到井内循环；使用流程即中介水在井内流通路线有两种：方式一，中介水从金属外套管10和内套管11之间入井→绕管5管束→密封的下端半球壳1→中心轴管7→内套管11出井→热泵机组，即外入内出形式；方式二，中介水从内套管11入井→中心轴管7→密封的下端半球壳1→绕管5管束→金属外套管10和内套管11之间出井→热泵机组，即内入外出形式。中介水通过本发明所述的井下绕管换热器从地下取热从而使得中介水温度升高，高温中介水进入热泵机组将热量传给采暖末端水，从而中介水温度下降，低温中介水再次注入井内换热，由此完成地热取得循环。

当中介水在井内流通路线为方式二即内进外出方式时，本发明的金属外套管10也涂覆保温材料或采用保温结构。

本发明安装方法，上部分金属套管区Ⅰ安装前分为若干段，安装时分段沉井安装；下部分金属绕管换热区Ⅱ由若干段绕管换热器组成，安装时分段沉井安装，各段之间采用焊接或螺纹连接。

实践中上部分金属套管区Ⅰ总长可达1000m~2000m，安装前分为若干段，每段长度为3m~12m；下部分金属绕管换热区Ⅱ总长可达100m~1500m，安装前分为若干段绕管换热器，每段长度为3m~12m。

本发明实现了地热深井 “取热不取水”，单井取热量多、换热效率高、取热稳定，可用于多种类型复杂的地热井，适用范围广。

设计图

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