一种强化蒸发段的重力热管地热开采系统的制作方法

本发明涉及地热开采，具体涉及一种强化蒸发段的重力热管地热开采系统。

背景技术：

1、重力热管作为一种地热能开采技术，利用工质在重力热管中相变提热的原理，无需外部动力驱动即可高效传递地热能，取热不取水，具有提高能源利用效率和环保效益高的优势，然而，重力热管在使用中存在如下技术问题：

2、（1）重力热管内反向流动的蒸气与回流的液体在界面上相互作用引起的，随着气液间相对速度的增大，气液界面上的粘滞剪切力阻碍回流液体从冷凝段回到蒸发段，高速的蒸气流将携带回流液体到达 冷凝段，使得蒸发段干涸，管壁温度飞升；

3、（2）在一定的热流密度下，液池中的工质首先发生核态沸腾，随着径向热流密度的增加，蒸发段液池中的沸腾过程更加剧烈，当达到某一临界热流密度时，会产生大量气泡，单个气泡连成一片，气泡贴在蒸发段壁面上形成蒸气膜，这层蒸气膜将液体与壁面隔绝开来，由于蒸气导热系数很小，地下热储层给 壁面的热量仅有一小部分传给液体，其余部分热量储存在热管壁面中，使热管的 传热能力下降，壁面温度突然升高；

4、（3）目前应用于地热开采的重力热管中，为了保证吸热段的充分润湿需要在热管吸热段形成一段液柱，受到重力的作用，处在液位较深处的工质压力较高，其饱和温度也较高。当液位深度大于一定值时，液态工质的饱和温度会高于管外温度，这时液态工质将无法蒸发，导致热管传热效率大大降低；

5、（4）安装重力热管的地热井，采用的施工工艺自上而下井洞直接分阶段逐级缩小，现有的设计中整根重力热管直径未变化，没有充分利用地热井的结构提升重力热管的效率；

6、为此，急需要解决现有技术中的弊端，以提升重力热管地热开采系统的效率。

技术实现思路

1、一种强化蒸发段的重力热管地热开采系统中，工质在重力热管蒸发段为液态工质，该液态工质通过吸热蒸发，变化为气态工质；气态工质在重力热管绝热段上升到重力热管冷却段，并冷却放热后获得液态工质；获得的液态工质经过注液管在重力作用下重新回到重力热管蒸发段；如此，完成工质的循环，并将地热能带到地面。

2、一种强化蒸发段的重力热管地热开采系统中，构建了液态工质在重力热管蒸发段的流通路径，使得液态工质沿同轴螺旋通道从重力热管蒸发段上端流动到重力热管蒸发段下端，再由重力热管蒸发段下端上排至重力热管上端，可加强液态工质与重力热管的接触面积，可实现深处高温液态工质直接上升到重力热管蒸发段上端进行沸腾的效果，增加了液态工质的相变速度，提升了重力热管对地热开采效率。

3、一种强化蒸发段的重力热管地热开采系统采用的技术措施，包括重力热管和工质加注装置；所述重力热管为自上到下顺序连接的重力热管冷却段、重力热管绝热段和重力热管蒸发段；且，所述重力热管冷却段包括循环冷凝水的冷凝盘管和液态工质收集池；所述工质加注装置包括注液管，所述注液管一端连接所述液态工质收集池，一端贯穿整个所述重力热管绝热段后连接至所述重力热管蒸发段。

4、进一步地，所述重力热管绝热段的管径自下而上分级变大，增加所述重力热管绝热段对气态工质的传输能力。

5、进一步地，在所述重力热管蒸发段设置与所述重力热管蒸发段同轴同长度的蒸发段内管，所述蒸发段内管与所述重力热管蒸发段管壁之间的间隙设置同轴螺旋隔板，以形成自所述重力热管蒸发段上端到下端的唯一一条同轴螺旋通道；

6、且，距所述蒸发段内管底部一定距离设置均流孔板，以在所述均流孔板与重力热管绝热段下底之间形成液态工质均流腔；同时所述重力热管蒸发段通过所述同轴螺旋通道入口具体连接所述注液管，所述同轴螺旋通道出口连接至所述液态工质均流腔；

7、且，在所述蒸发段内管内所述均流孔板上方一定距离设置堵板，以在所述均流孔板与所述堵板之间形成液态工质高压腔；同时在所述堵板设置多道底端穿过所述堵板和顶端接近所述重力热管蒸发段上端的液态工质上排管道。

8、作为优化，建立蒸发段液态工质流通路径，所述蒸发段液态工质流通路径为：所述注液管——所述同轴螺旋通道——所述液态工质均流腔——所述液态工质高压腔——所述液态工质上排管道——所述重力热管绝热段上端；

9、且，在所述蒸发段液态工质流通路径中，液态工质流动的动力由液态工质从所述重力热管蒸发段到地面的势能转化而来；

10、且，在所述蒸发段液态工质流通路径中，液态工质得到逐步加热，并上排至所述重力热管蒸发段上端进行沸腾，完成液态工质的相变，获得气态工质。

11、作为优化，在所述蒸发段内管中，所述堵板上方所述液态工质上排管道以外的空间，还竖直布置了若干支安装高度不同和结构长度不同的小型多级重力热管，用于进一步加强所述重力热管蒸发段内液态工质的扰动。

12、作用进一步优化，一支所述小型多级重力热管由多支小型重力热管串联组成。

13、进一步地，所述工质加注装置还包括工质补充及回收装置，所述工质补充及回收装置由工质存储罐串联加压泵组成；且所述工质存储罐通过底部液态工质联通管与所述液态工质收集池底部连接，所述工质存储罐通过顶部气态工质均压管与所述重力热管冷却段顶部连接，所述加压泵出口管道通过注液管三通连接到所述注液管。

14、作为优化，在所述注液管三通和所述液态工质收集池之间的所述注液管上安装第一单向阀和第一流量调节阀；所述底部液态工质联通管安装第二流量调节阀；所述加压泵和所述注液管三通之间的管道安装第二单向阀和第三流量调节阀。

15、作为优化，当所述注液管流量不足时，开启所述第二流量调节阀和所述第三流量调节阀，并启动所述加压泵增加流量；当所述注液管流量过度时，关小所述第一流量调节阀，关闭所述第三流量调节阀和所述加压泵，并开启所述第二流量调节阀。

16、进一步地，所述重力热管冷却段安装在地面，所述重力热管绝热段和重力热管蒸发段安装在竖直的地热井中。

17、有益性：（1）采用注液管进行液态工质的加注，避免了重力热管内反向流动的蒸气与回流的液体在界面上相互作用，加强了气态工质的流动速度，也避免了气体工质在重力热管内的凝结，同时充分利用地热井结构，扩大了绝热段的直径，提升了输送效率；

18、（2）通过同轴螺旋通道，加大了液态工质和重力热管蒸发段管壁的接触面积，减少或避免了核态沸腾的影响，增强了换热效果；同时，建立蒸发段液态工质流通路径，加强了液态工质的紊流状态，实现了深处高温液态工质直接上升到液态工质液柱沸腾面附近的效果，避免了处在液位较深处的高压融液工质不能上升至沸腾面沸腾的问题；

19、（3）在蒸发段设立多级小型重力热管，增强了融液工作在蒸发段的热量传递速度，利于蒸发段上端融液工质的沸腾。

技术特征：

1.一种强化蒸发段的重力热管地热开采系统，其特征在于，包括：重力热管和工质加注装置；所述重力热管为自上到下顺序连接的重力热管冷却段、重力热管绝热段和重力热管蒸发段；且，所述重力热管冷却段包括循环冷凝水的冷凝盘管和液态工质收集池；所述工质加注装置包括注液管，所述注液管一端连接所述液态工质收集池，一端贯穿整个所述重力热管绝热段后连接至所述重力热管蒸发段。

2.如权利要求1所述的一种强化蒸发段的重力热管地热开采系统，其特征在于，所述重力热管绝热段的管径自下而上分级变大。

3.如权利要求1所述的一种强化蒸发段的重力热管地热开采系统，其特征在于，在所述重力热管蒸发段设置与所述重力热管蒸发段同轴同长度的蒸发段内管，所述蒸发段内管与所述重力热管蒸发段管壁之间的间隙设置同轴螺旋隔板，以形成自所述重力热管蒸发段上端到下端的唯一一条同轴螺旋通道；

4.如权利要求3所述的一种强化蒸发段的重力热管地热开采系统，其特征在于，建立蒸发段液态工质流通路径，所述蒸发段液态工质流通路径为：所述注液管——所述同轴螺旋通道——所述液态工质均流腔——所述液态工质高压腔——所述液态工质上排管道——所述重力热管绝热段上端；

5.如权利要求3所述的一种强化蒸发段的重力热管地热开采系统，其特征在于，在所述蒸发段内管中，所述堵板上方所述液态工质上排管道以外的空间，还竖直布置了若干支安装高度不同和结构长度不同的小型多级重力热管。

6.如权利要求5所述的一种强化蒸发段的重力热管地热开采系统，其特征在于，一支所述小型多级重力热管由多支小型重力热管串联组成。

7.如权利要求1所述的一种强化蒸发段的重力热管地热开采系统，其特征在于，所述工质加注装置还包括工质补充及回收装置，所述工质补充及回收装置由工质存储罐串联加压泵组成；且所述工质存储罐通过底部液态工质联通管与所述液态工质收集池底部连接，所述工质存储罐通过顶部气态工质均压管与所述重力热管冷却段顶部连接，所述加压泵出口管道通过注液管三通连接到所述注液管。

8.如权利要求7所述的一种强化蒸发段的重力热管地热开采系统，其特征在于，在所述注液管三通和所述液态工质收集池之间的所述注液管上安装第一单向阀和第一流量调节阀；所述底部液态工质联通管安装第二流量调节阀；所述加压泵和所述注液管三通之间的管道安装第二单向阀和第三流量调节阀。

9.如权利要求8所述的一种强化蒸发段的重力热管地热开采系统，其特征在于，当所述注液管流量不足时，开启所述第二流量调节阀和所述第三流量调节阀，并启动所述加压泵增加流量；当所述注液管流量过度时，关小所述第一流量调节阀，关闭所述第三流量调节阀和所述加压泵，并开启所述第二流量调节阀。

10.如权利要求1所述的一种强化蒸发段的重力热管地热开采系统，其特征在于，所述重力热管冷却段安装在地面，所述重力热管绝热段和重力热管蒸发段安装在竖直的地热井中。

技术总结一种强化蒸发段的重力热管地热开采系统中，构建了液态工质在重力热管蒸发段的流通路径，使得液态工质沿同轴螺旋通道从重力热管蒸发段上端流动到重力热管蒸发段下端，再由重力热管蒸发段下端上排至重力热管上端，可加强液态工质与重力热管的接触面积，可实现深处高温液态工质直接上升到重力热管蒸发段上端进行沸腾的效果，增加了液态工质的相变速度，提升了重力热管对地热开采效率。技术研发人员：文兰,张晓锋,郝振亮,王维想,高鹏,宋绪丽,肖世强,李婷,郝君,邵明亮受保护的技术使用者：宋绪丽技术研发日：技术公布日：2024/11/14