CN116481196B - 动态调节对流强化换热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种动态调节对流强化换热装置，包括：地热井，设置在地热井内的可变径增速管，在可变径增速管内设置有U型换热器；其中，沿U型换热器外侧设置有间隔均匀的支撑环套，在支撑环套的外侧设置有充气膨胀圈，所述充气膨胀圈位于支撑环套与可变径增速管之间；所述充气膨胀圈上设置有电子充气阀和电子放气阀，其中，所述电子充气阀通过充气管，设置在充气管上的开关阀、增压泵连接到充气罐；本申请通过监测增速管内的流速，来改变增速管的内径，通过改变增速管的直径来改善对流。

Description

动态调节对流强化换热装置

技术领域

本申请属于地热开发技术领域，具体的涉及一种动态调节对流强化换热装置。

背景技术

地热井单井热提取的关键设备是地热井下换热器(Downhole heat exchanger，DHE)，其与地埋管换热器不同，本质区别在于井下换热器主要依靠井内底部地热水层的自然对流方式取热，而地埋管换热器主要依靠埋管周围土壤的导热方式取热。地热井下换热器单井取热量在数百千瓦数量级，而地源埋管换热器只有几千瓦的数量级。从供热负荷角度，一套地热井下换热器的提取热量可高出地埋管换热器两个数量级，且同样具有不抽取地下水、无地热水排放等优点，无环境污染问题，可以保护地下水资源。

目前的井下换热器系统，系统的地上部分与其它水源热泵系统没有本质区别，均由热泵机组或换热器以及室内末端组成。热泵机组的冷凝器和蒸发器分别与用户端散热器和井下换热器相连。在供暖模式下，冷凝器向用户端提供热水，而U型井下换热器中的水经蒸发器冷却后流回地热井，再次从地下水中取热。井下换热器通过两种途径取热：(1)与流过含水层的地下热水进行换热；(2)与井壁围岩进行换热。井壁以内属于纯流体区域，热交换主要以自然对流方式进行，类似于管壳式换热器。在地热井壁面上不断有被U型管冷却的地下水流出井外，而外部含水层中的热水通过壁面流入井内，形成连续的质交换，补充井内散失掉的热量，保持热输出的稳定性。井壁以外的地热水层属于多孔介质区域，热交换同时以自然对流和导热两种方式进行。

井下换热器热输出功率的范围较宽，从kW级到MW级均有工程应用实例，既能用于小规模家庭供暖，也能用于学校等中等规模公共建筑的供暖。土耳其的一项井下换热器工程的热输出功率达6MW，但总的来说，井下换热器系统多用于单井即可满足供暖需求、热输出通常在0.8MW以下的中小规模采暖。井下换热器系统的成井深度与当地具体的地质及地热资源情况有关，从十几米到百米以上不等，一般情况下，井深不超过150m。在一定条件下，考虑到系统的经济性，也有深达450m的井下换热器系统。地热井水温通常在40℃以上；实际工程中既有井深12m、水温60℃的地热井，也有深达170m、水温94℃的地热井。

地热井下换热器的应用研究主要包括：(1)合理设计地热井下换热器系统，扩大地热井下换热器的应用领域，例如与热泵系统结合、与太阳能利用系统结合，甚至采用蓄热节能装置等，除供暖之外还可用于道路融雪、提供生活热水等。(2)选用新型材料与结构形式的井下换热器，如采用玻璃纤维增强型环氧树脂管、聚丁烯管或隔氧交联聚乙烯(PEx)管等耐化学腐蚀材料，提高井下换热器的使用寿命。(3)强化换热技术，如果地热井中能够形成对流涡，则可显著增加热输出，这也是地热井下换热器最重要的研究方向，美国和新西兰的实验研究指出了引发井内对流涡的两种方法。

第一种方法是对于井下换热器井孔上方不加装密封防气结构的开放式井孔，在井内安装一个两端壁面上有开孔的小型套管，则可在井壁与套管之间形成一个开式回路，上部开孔段位于略低于最低静水位处，下部开孔段接近井底(或热水层水位)，两开孔段之间是换热面。在Klamath通过实验证明：未安装套管时，井筒中的地下水是静止的，安装套管后，水在套管内向上流动，在套管与井壁之间的环带中向下流动，形成对流涡。安装井下换热器并开始取热后，形成反向的对流涡，在换热器周围，冷却后的水向下流动，在环带中向上流动。

第二种方法是使用能够促进井孔内形成对流涡的增速管，其比第一种方法更优，比如公开号为：“CN114294848A”公开了一种采用对流增速管强化换热的中深层单井取热系统，包括设置于地热井内的内套管，在内套管下部设置有内套管滤水管，在内套管滤水管下部设置有对流增速管，该对流增速管设置于地下含水层，在对流增速管下部设置有对流增速管吸水口，在对流增速管上部两侧对称开设有对流增速管出水口。本发明安装方便、造价低廉，发挥“对流增速管”的强化换热作用，可保证井筒内流体的循环换热，完全克服回灌困难问题；同时可利用对流增速管强化地热水与管内流体的自然对流，进而提高单井换热的取热效率。

由上述可以知道，地热井中的换热效率是由对流效果决定的，也就是对流越快，换热就越快，效率也就越高。对流增速管起到了一定的作用，但是，增速管内外的对流并不明显，对流不稳定，换热也不稳定。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种动态调节对流强化换热装置。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种动态调节对流强化换热装置，包括：

地热井，设置在地热井内的可变径增速管，在可变径增速管内设置有U型换热器；

其中，沿U型换热器外侧设置有间隔均匀的支撑环套，在支撑环套的外侧设置有充气膨胀圈，所述充气膨胀圈位于支撑环套与可变径增速管之间；

所述充气膨胀圈上设置有电子充气阀和电子放气阀，其中，所述电子充气阀通过充气管，设置在充气管上的开关阀、增压泵连接到充气罐；

在所述可变径增速管内设置有多个流量传感器和第一温度传感器，以及在可变径增速管和地热井井壁之间设置有多个第二温度传感器；

上位机，与所述电子充气阀、电子放气阀、开关阀、增压泵、充气罐、流量传感器和第一温度传感器以及第二温度传感器分别电性连接；

所述上位机用于按照设定周期采集可变径增速管内流体流量信息，以及可变径增速管内的第一温度信息和可变径增速管外的第二温度信息；通过监测可变径增速管内流体流量信息变化和可变径增速管内外温度差异来对充气膨胀圈进行充/放气，以改变可变径增速管的内径，使得所述可变径增速管内的流体流量达到设定范围。

进一步地，所述支撑环套包括：一组连接卡扣，每一所述连接卡扣的一端固定在U型换热器上，连接卡扣的另一端设置有一个弧形连接块，所述弧形连接块的外侧固定有支撑圆环。

进一步地，所述充气膨胀圈采用橡胶材质制成，且所述充气膨胀圈一端固定在支撑圆环上，另一端与支撑环套接触。

进一步地，所述可变径增速管由多个可变径增速管节对接而成；

所述可变径增速管节包括：多个管片，所述管片之间通过弹性橡胶连接构成一个封闭的管柱，所述管柱的上下两端开放设置。

进一步地，所述可变径增速管节之间通过管套对接并形成固定。

进一步地，所述弹性橡胶的两侧设置有安装条，每一安装条内侧设置有对接段，对接段之间设置有至少一个呈V型的弯折状连接带，或，呈波浪形状连接带。

进一步地，所述管片的两侧均设置有固定槽，在固定槽上设置有一道槽口。

进一步地，所述上位机包括：

采集模块，用于按照设定周期采集可变径增速管内流体流量信息，以及可变径增速管内的第一温度信息和可变径增速管外的第二温度信息；

处理模块，具有第一处理单元和第二处理单元；其中，

所述第一处理单元用于可变径增速管内流体流量信息转化为模拟信号，在由模拟信号转化为数值信号，并与设定阈值进行比对，以检测是否在设定阈值内，形成第一检测结果；

所述第二处理单元用于可变径增速管内的第一温度信息和可变径增速管外的第二温度信息进行差值计算，并确定所述差值是否在设定范围内，形成第二检测结果；

控制模块，用于基于处理模块的第一检测结果和第二检测结果综合判断来对充气膨胀圈进行充/放气，以改变可变径增速管的内径，使得所述可变径增速管内的流体流量达到设定范围。

进一步地，所述控制模块接收第一检测结果和第二检测结果；

当第一检测结果为低于设定阈值时，说明此时可变径增速管内流体流量较低，热交换能力下降，此时，上位机控制电子放气阀打开，并按照第一检测结果来设定放气量，以对充气膨胀圈进行放气，充气膨胀圈放气后，可变径增速管内径按照设定比例缩小，以此来控制可变径增速管内部流体流量加快；

当第一检测结果大于设定阈值内，第二检测结果大于设定范围，且监测到换热器的换热负荷达到上限区域时，上位机控制电子充气阀打开，并按照第一检测结果来设定充气量，以对充气膨胀圈进行充气，充气膨胀圈充气后，可变径增速管内径按照设定比例扩大，以此来控制可变径增速管内部流体流量下降，通过加快内部流体流量来改变来降低热交换负荷。

增速管的直径越小，换热后增速管内外温度差异越大，压差越明显，对流越明显，理论上换热效率越高，增速管的直径越大，换热后增速管内外温度差异越小，对流越不明显，换热效率低。基于这一理论，本申请通过监测增速管内的流速，来改变增速管的内径，通过改变增速管的直径来改善对流。

附图说明

以下附图仅对本发明作示意性的说明和解释，并不用于限定本发明的范围，

其中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中可变径增速管的结构示意图；

图3为本发明中管片和弹性橡胶的对接的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案、设计方法及优点更加清楚明了，以下结合实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1指图3，本发明提供了一种动态调节对流强化换热装置，包括：

地热井100，设置在地热井100内的可变径增速管106，在可变径增速管106内设置有U型换热器102；

其中，沿U型换热器102外侧设置有间隔均匀的支撑环套105，在支撑环套105的外侧设置有充气膨胀圈108，所述充气膨胀圈108位于支撑环套105与可变径增速管101之间；

所述充气膨胀圈108上设置有电子充气阀和电子放气阀，其中，所述电子充气阀通过充气管113，设置在充气管113上的开关阀114、增压泵115连接到充气罐116；

在所述可变径增速管106内设置有多个流量传感器107和第一温度传感器110，以及在可变径增速管106和地热井井壁之间101设置有多个第二温度传感器103；

上位机112，与所述电子充气阀、电子放气阀、开关阀114、增压泵115、充气罐116、流量传感器107和第一温度传感器110以及第二温度传感器103分别电性连接；

所述上位机112用于按照设定周期采集可变径增速管106内流体流量信息，以及可变径增速管106内的第一温度信息和可变径增速管外的第二温度信息；通过监测可变径增速管106内流体流量信息变化和可变径增速管内外温度差异来对充气膨胀圈108进行充/放气，以改变可变径增速管106的内径，使得所述可变径增速管106内的流体流量达到设定范围。

进一步地，所述支撑环套105包括：一组连接卡扣104，每一所述连接卡扣104的一端固定在U型换热器102上，连接卡扣104的另一端设置有一个弧形连接块，所述弧形连接块的外侧固定有支撑圆环。

进一步地，所述充气膨胀圈108采用橡胶材质制成，且所述充气膨胀圈108一端固定在支撑圆环上，另一端与支撑环套接触。

进一步地，所述可变径增速管106由多个可变径增速管节对接而成；

所述可变径增速管节包括：多个管片200，所述管片200之间通过弹性橡胶201连接构成一个封闭的管柱，所述管柱的上下两端开放设置。

进一步地，所述可变径增速管节之间通过管套对接并形成固定。

进一步地，所述弹性橡胶201的两侧设置有安装条204，每一安装条内侧设置有对接段205，对接段205之间设置有至少一个呈V型的弯折状连接带206，或，呈波浪形状连接带。

进一步地，所述管片的两侧均设置有固定槽202，在固定槽上设置有一道槽口203。

进一步地，所述上位机包括：

采集模块，用于按照设定周期采集可变径增速管内流体流量信息，以及可变径增速管内的第一温度信息和可变径增速管外的第二温度信息；

处理模块，具有第一处理单元和第二处理单元；其中，

所述第一处理单元用于可变径增速管内流体流量信息转化为模拟信号，在由模拟信号转化为数值信号，并与设定阈值进行比对，以检测是否在设定阈值内，形成第一检测结果；

所述第二处理单元用于可变径增速管内的第一温度信息和可变径增速管外的第二温度信息进行差值计算，并确定所述差值是否在设定范围内，形成第二检测结果；

控制模块，用于基于处理模块的第一检测结果和第二检测结果综合判断来对充气膨胀圈进行充/放气，以改变可变径增速管的内径，使得所述可变径增速管内的流体流量达到设定范围。

进一步地，所述控制模块接收第一检测结果和第二检测结果；

当第一检测结果为低于设定阈值时，说明此时可变径增速管内流体流量较低，热交换能力下降，此时，上位机控制电子放气阀打开，并按照第一检测结果来设定放气量，以对充气膨胀圈进行放气，充气膨胀圈放气后，可变径增速管内径按照设定比例缩小，以此来控制可变径增速管内部流体流量加快；

当第一检测结果大于设定阈值内，第二检测结果大于设定范围，且监测到换热器的换热负荷达到上限区域时，上位机控制电子充气阀打开，并按照第一检测结果来设定充气量，以对充气膨胀圈进行充气，充气膨胀圈充气后，可变径增速管内径按照设定比例扩大，以此来控制可变径增速管内部流体流量下降，通过加快内部流体流量来改变来降低热交换负荷。

上述中，对流是考虑的第一因素，影响对流的主要因素是增速管内外的温度差，只有形成较大的温度差，才能形成明显的对流。为了形成较大的温度差，一般地，只有增速管的直径越小(但是增速管的直径应大于U型换热器的整体宽度，至少大于20-50cm)，换热时增速管内的温度变化越快，增速管内外的温度差异才明显，压差才更大，对流才更明显。

上述中，在初始状态时，充气膨胀圈处于最大膨胀状态，此时，可变径增速管的直径最大。

本发明还提供了一种动态调节对流强化换热方法，包括如下步骤：

在成型的井中下入管套形成地热井，在地热井中下入U型换热器和可变径增速管，且所述可变径增速管位于U型换热器的下部；可变径增速管是一个两端开口的管道，悬浮于井底与静水位之间，在静水位的上方封隔冷水层，使得地热井形成闭式井，以此通过可变径增速管来引发对流；其中，含水层中的热水经套管开孔段进入井内，沿可变径增速管外向上流动，可变径增速管内的水被U型管冷却，在井内向下流动，形成对流；

上位机按照设定周期采集可变径增速管内流体流量信息，以及可变径增速管内的第一温度信息和可变径增速管外的第二温度信息；

第一处理单元用于可变径增速管内流体流量信息转化为模拟信号，在由模拟信号转化为数值信号，并与设定阈值进行比对，以检测是否在设定阈值内，形成第一检测结果；

第二处理单元用于可变径增速管内的第一温度信息和可变径增速管外的第二温度信息进行差值计算，并确定所述差值是否在设定范围内，形成第二检测结果；

基于处理模块的第一检测结果和第二检测结果综合判断来对充气膨胀圈进行充/放气，以改变可变径增速管的内径，使得所述可变径增速管内的流体流量达到设定范围；

具体的，当第一检测结果为低于设定阈值时，说明此时可变径增速管内流体流量较低，热交换能力下降，此时，上位机控制电子放气阀打开，并按照第一检测结果来设定放气量，以对充气膨胀圈进行放气，充气膨胀圈放气后，可变径增速管内径按照设定比例缩小，以此来控制可变径增速管内部流体流量加快；

当第一检测结果大于设定阈值内，第二检测结果大于设定范围，且监测到换热器的换热负荷达到上限区域时，上位机控制电子充气阀打开，并按照第一检测结果来设定充气量，以对充气膨胀圈进行充气，充气膨胀圈充气后，可变径增速管内径按照设定比例扩大，以此来控制可变径增速管内部流体流量下降，通过加快内部流体流量来改变来降低热交换负荷。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.动态调节对流强化换热装置，其特征在于；包括：

地热井，设置在地热井内的可变径增速管，在可变径增速管内设置有U型换热器；

其中，沿U型换热器外侧设置有间隔均匀的支撑环套，在支撑环套的外侧设置有充气膨胀圈，所述充气膨胀圈位于支撑环套与可变径增速管之间；

所述充气膨胀圈上设置有电子充气阀和电子放气阀，其中，所述电子充气阀通过充气管，设置在充气管上的开关阀、增压泵连接到充气罐；

在所述可变径增速管内设置有多个流量传感器和第一温度传感器，以及在可变径增速管和地热井井壁之间设置有多个第二温度传感器；

上位机，与所述电子充气阀、电子放气阀、开关阀、增压泵、充气罐、流量传感器和第一温度传感器以及第二温度传感器分别电性连接；

所述上位机用于按照设定周期采集可变径增速管内流体流量信息，以及可变径增速管内的第一温度信息和可变径增速管外的第二温度信息；通过监测可变径增速管内流体流量信息变化和可变径增速管内外温度差异来对充气膨胀圈进行充/放气，以改变可变径增速管的内径，使得所述可变径增速管内的流体流量达到设定范围。

2.根据权利要求1所述的动态调节对流强化换热装置，其特征在于；所述支撑环套包括：一组连接卡扣，每一所述连接卡扣的一端固定在U型换热器上，连接卡扣的另一端设置有一个弧形连接块，所述弧形连接块的外侧固定有支撑圆环。

3.根据权利要求1所述的动态调节对流强化换热装置，其特征在于；所述充气膨胀圈采用橡胶材质制成，且所述充气膨胀圈一端固定在支撑圆环上，另一端与支撑环套接触。

4.根据权利要求1所述的动态调节对流强化换热装置，其特征在于；所述可变径增速管由多个可变径增速管节对接而成；

所述可变径增速管节包括：多个管片，所述管片之间通过弹性橡胶连接构成一个封闭的管柱，所述管柱的上下两端开放设置。

5.根据权利要求4所述的动态调节对流强化换热装置，其特征在于；所述可变径增速管节之间通过管套对接并形成固定。

6.根据权利要求4所述的动态调节对流强化换热装置，其特征在于；所述弹性橡胶的两侧设置有安装条，每一安装条内侧设置有对接段，对接段之间设置有至少一个呈V型的弯折状连接带，或，呈波浪形状连接带。

7.根据权利要求4所述的动态调节对流强化换热装置，其特征在于；所述管片的两侧均设置有固定槽，在固定槽上设置有一道槽口。

8.根据权利要求1所述的动态调节对流强化换热装置，其特征在于；所述上位机包括：

采集模块，用于按照设定周期采集可变径增速管内流体流量信息，以及可变径增速管内的第一温度信息和可变径增速管外的第二温度信息；

处理模块，具有第一处理单元和第二处理单元；其中，

所述第一处理单元用于可变径增速管内流体流量信息转化为模拟信号，在由模拟信号转化为数值信号，并与设定阈值进行比对，以检测是否在设定阈值内，形成第一检测结果；

所述第二处理单元用于可变径增速管内的第一温度信息和可变径增速管外的第二温度信息进行差值计算，并确定所述差值是否在设定范围内，形成第二检测结果；

控制模块，用于基于处理模块的第一检测结果和第二检测结果综合判断来对充气膨胀圈进行充/放气，以改变可变径增速管的内径，使得所述可变径增速管内的流体流量达到设定范围。