一种通过自然循环促进岩土热恢复的套管式换热器

技术领域

本发明涉及一种套管式换热器，尤其是一种通过自然循环促进岩土热恢复的套管式换热器，属于地热能应用技术领域。

背景技术

中深层地源热泵是一种高效、稳定、零碳的供暖技术，其热源井深度可以达到1500—3500m，井底温度高达80℃，是一种前景广阔的绿色热能替代方案。

中深层地源热泵系统通过地埋管换热器提取地下热能，地埋管常采用同轴套管形式，这种方式为闭式循环，可有效保护地下水资源。它由外套管和内保温管组成，在供暖期，来自地源热泵蒸发器侧的冷流体从外管与内管之间的环腔进入，在向下流动过程中与周围岩土换热，温度上升，热流体从内管流出，并进入地源热泵蒸发器侧，形成闭式取热循环。

但随着运行年限增加，地下岩土储存的热量会逐年减少，导致蒸发器侧平均温度下降或换热量下降，降低系统运行能效。而很多工程和实践并没有设置补热措施，使得系统长期运行出现能耗上升或供热量不足的情况。目前，热恢复方式主要通过太阳能、冷却塔等向地下补热，但这种方式会显著增加初投资，经济性并不乐观。因此，亟需对岩土热恢复方式进行改进和探索，找到一种更加经济的岩土热恢复方式。

发明内容

为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种通过自然循环促进岩土热恢复的套管式换热器，它通过热循环孔和热循环管的设置，非供暖期时流体在热浮升力的作用下形成上下两个自然循环，加速周围岩土的热恢复，简单稳定，经济性高。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种通过自然循环促进岩土热恢复的套管式换热器，包括外套管、内保温管、热循环孔、吸水管、出口管段、热循环管以及进口管段，所述外套管顶端和底端均封闭设置并伸入热源井内，所述内保温管同轴布置在外套管内部，内保温管底端连接所述吸水管并与外套管底端之间留有间隔，内保温管顶端伸出外套管顶端并与其连接固定，所述热循环孔的开口数量若干并竖向间隔开设在内保温管管壁上，热循环孔最上方的开口上边缘距离热源井井口为热源井深度的2/3，所述出口管段与内保温管顶端连接设置，所述进口管段与外套管位于热源井外侧的管壁连通设置，出口管段和进口管段用于与地源热泵机组的蒸发器侧连接，所述热循环管将出口管段和进口管段的中间位置进行连通。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、促进热恢复：由于深层岩土温度较高，而浅层岩土温度较低，本发明的换热器内流体在热浮升力的作用下，通过热循环孔和热循环管的设置，形成上部和下部两个自然循环，相对于没有补热，这种方式可以加速换热器周围岩土整体的热恢复速度和程度；

2、能效稳定：非供暖期结束后，本发明的换热器周围岩土的温度恢复程度较高，有利于提高取热量和蒸发器侧平均温度，保持系统长期运行的高能效；

3、零能耗：通过自然循环的方式促进岩土体热恢复，不消耗能源，显著降低系统运行能耗和成本；

4、经济性高：增设热循环管和热循环孔的成本极低，对系统建设成本几乎无影响，在经济上可行性较高。

附图说明

图1是本发明的套管式换热器的结构示意图。

图中：1外套管、2内保温管、3热循环孔、4吸水管、5出口管段、6热循环管、7进口管段。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

参照图1所示，一种通过自然循环促进岩土热恢复的套管式换热器，包括外套管1、内保温管2、热循环孔3、吸水管4、出口管段5、热循环管6以及进口管段7。

所述外套管1伸入热源井内与钻孔间隙之间采用固井水泥填充，外套管1顶端和底端均封闭设置，外套管1采用J-55石油套管，管道外径177.8mm，壁厚9.19mm。

所述内保温管2同轴布置在外套管1内部，内保温管2底端连接吸水管4并与外套管1底端之间留有间隔，内保温管2顶端伸出外套管1顶端并与其连接固定，内保温管2采用PERT-Ⅱ型保温管，管道外径110mm，壁厚10mm。

所述热循环孔3的开口数量若干并竖向间隔开设在内保温管2管壁上，在保证内保温管2强度的条件下，热循环孔3的总开口面积为3.14～4.00cm

所述吸水管4管壁密布设置若干进水孔。

所述出口管段5与内保温管2顶端连接设置，所述进口管段7与外套管1位于热源井外侧的管壁连通设置，出口管段5和进口管段7用于与地源热泵机组的蒸发器侧连接在供暖期形成取热循环，出口管段5和进口管段7均采用管径为DN100的无缝钢管。

所述热循环管6将出口管段5和进口管段7的中间位置进行连通，热循环管6管径为DN20，材质与出口管段5和进口管段7一致。

本发明的具体原理和流程如下：

通过在进口管段7和出口管段5之间设置热循环管6，在内保温管2上设置热循环孔3，使非供暖期的套管式换热器内流体在热浮升力的作用下，形成上部和下部两个自然循环。

在供暖期，流体循环路径结合图1中虚线箭头所示：

在水泵驱动下来自地源热泵机组的蒸发器侧冷流体经由进口管段7进入套管式换热器内部位于外套管1与内保温管2之间的环腔，吸收周围岩土的热量变为热流体由内保温管2流出，通过出口管段5返回地源热泵机组的蒸发器侧，热循环孔3处会有少量流体直接从环腔进入内保温管2，随着系统运行年限增加，周围岩土的温度会逐渐降低，导致进出水平均温度或取热量下降。

在非供暖期，流体循环路径结合图1中实线箭头所示：

对于上2/3部分的流体，即热循环孔3以浅的部分，起初环腔中的流体处于静止状态，但是由于地温梯度的存在，环腔中接近热循环孔3处的流体温度高于井口处的温度，在热浮升力的作用下，流体开始向上流动。在向上流动的过程中，周围岩土温度下降，流体的热量向周围岩土散失，流体温度下降，岩土温度上升。而内保温管2及环腔上部温度较低的流体，则通过内保温管2向下流动。自然循环的流量很小，在热循环孔3处内保温管2流体继续向下流动的阻力大于通过热循环孔3返回环腔的阻力，因此，上部流体主要通过热循环孔3返回外套管1。因此，在热浮升力的作用下，上2/3部分的流体通过外套管1、进口管段7、热循环管6、出口管段5、内保温管2和热循环孔3形成自然循环。

对于下1/3部分的流体，即热循环孔3以深的部分，环腔中井底处的流体温度高于热循环孔3附近的温度，在热浮升力的作用下，流体通过外套管1、热循环孔3、内保温管2、吸水管4形成自然循环，上层的岩土温度会逐渐升高。

因此，该套管式换热器周围岩土的整体热恢复速度会加快，从而使得下个供暖期保持较高的取热量，主要应用于中深层地源热泵系统的地埋管换热，通过自然循环来加速岩土热恢复，延缓岩土体的热衰减，有利于维持系统长期高效运行，对延长系统寿命和降低运行能耗具有重要意义。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。