一种提取利用地热能的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种提取利用地热能的装置及方法。本发明专利技术提取利用地热能的装置包括：井筒、外管、进液管、出液管和换热装置；井筒的顶部和底部均开口并且井筒的底部深入地热源岩层，井筒及外管内装有第一液体介质；外管的顶部封闭底部开口；外管固定套设于井筒内，外管的上部为换热段，外管的中部为保温段，外管下部为吸热段，吸热段位于地热源岩层内；与外管的换热段的对应位置的外侧设有换热装置；出液管的一端与外管的出液口相连，另一端与外部的供热系统的进液口连接；进液管的底部出液端穿过外管的顶部伸入至井筒内并与第一液体介质连通，进液管的顶部与外部的供热系统的出液口连接。本发明专利技术具有热效率高、结构简单、成本低等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及新能源利用领域，尤其涉及一种提取利用地热能的装置及方法。
技术介绍
目前，全世界都在寻找绿色能源。太阳能、风能已经较为普及，地热能也引起了人们的广泛关注。地热资源主要分为水热型和干热岩型，其中，中高温干热岩地层或高梯度地温地层，在地球上的蕴藏量非常丰富。然而，地热技术的开发却不尽人意。因为干热岩不具有渗透性及没有孔隙，储层位置深等特性，目前的技术多为人为压裂制造地层裂缝，利用注水产出的方法。通常需要多口井配合使用，例如，在注入井高压注入温度较低的水，使水沿着岩石的人为裂缝流动；同时在另一位置钻一个或多个井用于回收高温水、汽等。耗费较多、并且存在着利用效率低、设备复杂、成本高等问题，具体表现在：地热提取效率一般在1-5％左右，地下换热损失流体率高(大约在7％-12％之间)。因此，急需一种效率高、结构简单、成本低的地热能提取技术。
技术实现思路
鉴于现有技术所存在的问题，本专利技术提供一种提取利用地热能的装置及方法，可以用于地下干热岩地区或者地温梯度较高的地区实现地热能的大面积开发，具有效率高、结构简单、成本低等优点。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种提取利用地热能的装置，包括：井筒、外管、进液管、出液管和换热装置；井筒的顶端和底端均开口，并且井筒的底部深入地热源岩层，所述井筒以及外管内装有第一液体介质；外管的顶部封闭，底部开口；所述外管套设于井筒内，所述外管通过固井水泥环与井筒固定，所述外管的上部为换热段，所述外管的中部为保温段，所述外管的下部为吸热段，所述吸热段位于地热源岩层内；与外管换热段对应的位置的外侧设有换热装置，所述换热装置内装有第二液体介质；所述出液管的一端与外管的内部连通，所述出液管的另一端与外部的供热系统的进液口连接；所述进液管的下端从外管的顶部伸入至外管底端或底端以下并和第一液体介质相连通，所述进液管的上端与外部的供热系统的出液口连接。本专利技术的有益效果是：在井筒内设置外管，外管中部为保温段，外管的上部为散热段，外管的下部为吸热段，外管的放置深度，可以根据地热源段地层井壁岩石的特性决定，如果地热源岩层是高密度致密岩层，井筒非常规则，外管的底部可以放置在地热源岩层的顶部下方。此种设计可以节约外管的用量，同时扩大了吸热段的井筒直径，吸热效率可以明显提高。井筒以及外管内的第一液体介质经地热源岩层高温加热后，部分液体发生相变，成为蒸汽分子，产生高温蒸汽气流，向井筒的顶部快速上升，由于蒸汽分子处于紊乱的热运动的状态，和外管的管壁以及第一液体介质的液面发生碰撞，部分蒸汽分子重新返回至第一液体介质中，随着蒸发的持续进行，外管内的蒸汽分子密度不断增大，最后达到饱和状态。外管的顶部封闭，使外管内的压力增大，温度上升。而由于保温段的设置，使得在蒸汽分子传递过程中热损失几乎为零。饱和蒸汽达到稳定状态后，井筒内第一液体介质的顶部和底部的温度基本接近。一部分饱和蒸汽的热量传递至散热段时，对换热装置中的第二液体介质进行加热，第二液体介质加热沸腾之后可用于发电、供热等一切用于需要热源的场合。还有一部分的饱和蒸汽通过出液管，输送至外部的供热系统中用于供热。同时，进液管一端与外部的供热系统连接，进液管的另一端与外管的内部连接，通过进液管的设置使供热系统产生的相对温度较低的介质(例如水)，再进入至外管内，通过高压泵进行循环利用。上述过程中，如果加热时间较短，或者地热源岩层的温度不是特别高时，外管内部经加热后的第一液体介质，可以以液体的形式直接经出液管进入到供热系统中。本专利技术只需要一个井筒、一个进液管、一个出液管、一个外管就可以实现上述过程，占地面积小；采用外管或裸眼井筒直接使第一液体介质吸收地热，不需要其他导热物质传递热能，第一液体介质受热表面积大，吸热率明显增加。本专利技术提取地热能的技术，提取地热能在百分之九十以上，热损失在百分之十以下。因此，本专利技术所述的提取利用地热能的装置，具有结构简单、成本低、产热高等优点。无论是发电或供热，都无需地下水的产出和注入，真正实现了无污染和零排放。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。进一步，所述吸热段还包括与高致密热源层位置对应的井筒。优选地，所述吸热段可以是外管的底部，也可以是高致密热源层的裸眼井段。进一步，所述保温段的底部位于地热源岩层内，所述保温段的顶部位于换热装置的下方。采用上述进一步方案的有益效果是：吸热段为裸眼井筒，可以更加节能增效，保温段的底部位于地热源岩层的顶部的下方，避免热量损失；所述保温段的顶部位于换热装置的下方，有利于加强换热。进一步，所述换热装置中的第二液体介质被加热沸腾后供入发电设备和/或供热装置使用。采用上述进一步方案的有益效果是：可以满足发电、供热等需求。进一步，所述外管的顶部设有温度表。采用上述进一步方案的有益效果是：便于随时监测外管内的温度。进一步，所述地热源岩层为干热岩地层或高地温梯度地层。采用上述进一步方案的有益效果是：干热岩或高梯度地温地层的温度较高，一般温度在150摄氏度至500摄氏度，并且在地球上的蕴藏量非常丰富。进一步，所述第一液体介质的沸点高于第二液体介质的沸点。采用上述进一步方案的有益效果是：有利于快速将第二液体介质加热至沸腾温度，甚至将第二液体介质加热成饱和蒸汽。进一步，所述出液管和进液管均设有高压泵。采用上述进一步方案的有益效果是：有利于加速整个体系中介质的循环。进一步，所述进液管伸入第一液体介质的一端位于外管的底部的下方。采用上述进一步方案的有益效果是：使温度较低的第一液体介质直接靠近地热源岩层的区域，便于快速的加热。进一步，所述出液管与外管的内部顶端连通的一端位于换热装置的上方，避免影响发电换热装置的做功。采用上述进一步方案的有益效果是：第一液体介质加热后产生的蒸汽，由于密度较高，会向外管的顶部扩散，在换热装置上方设置出液管的出液端，可以在保证发电热装置换热做功的前提下，将第一液体介质输送至外部的供热系统。进一步，所述进液管的管壁对应吸热段的部分设有多个出液孔。优选地，所述进液管位于外管下部或地热源岩层高致密裸眼井筒部分，在管壁上设有多个出液孔。采用上述进一步方案的有益效果是：通过多个出液孔的设置，便于进液管的内部的液体介质，快速扩散至外管内部，有利于进一步提高热交换效率。进一步，所述外管的保温段还包括包裹在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提取利用地热能的装置，其特征在于，包括：井筒(7)、外管(2)、进液管(11)、出液管(12)和换热装置(9)；井筒(7)的顶端和底端均开口并且井筒(7)的底部深入地热源岩层(15)，所述井筒(7)内以及外管(2)内装有第一液体介质；外管(2)的顶部封闭，底部开口；所述外管(2)套设于井筒(7)内，所述外管(2)通过固井水泥环(4)与井筒(7)固定，所述外管(2)的上部为换热段，所述外管(2)的中部为保温段，所述外管(2)的下部为吸热段，所述吸热段位于地热源岩层(15)；与外管(2)换热段的对应位置的外侧设有换热装置(9)，所述换热装置(9)内装有第二液体介质；所述出液管(12)的一端与外管(2)的内部连通，所述出液管(12)的另一端与与外部的供热系统的进液口连接；所述进液管(11)的下端从外管(2)的顶部伸入至外管(2)底端或底端以下并和第一液体介质相连通，所述进液管(11)的上端与外部的供热系统的出液口连接。

【技术特征摘要】
1.一种提取利用地热能的装置，其特征在于，包括：井筒(7)、外管(2)、
进液管(11)、出液管(12)和换热装置(9)；井筒(7)的顶端和底端均开口并且
井筒(7)的底部深入地热源岩层(15)，所述井筒(7)内以及外管(2)内装有第
一液体介质；
外管(2)的顶部封闭，底部开口；所述外管(2)套设于井筒(7)内，所述
外管(2)通过固井水泥环(4)与井筒(7)固定，所述外管(2)的上部为换热段，
所述外管(2)的中部为保温段，所述外管(2)的下部为吸热段，所述吸热段位
于地热源岩层(15)；与外管(2)换热段的对应位置的外侧设有换热装置(9)，
所述换热装置(9)内装有第二液体介质；
所述出液管(12)的一端与外管(2)的内部连通，所述出液管(12)的另一
端与与外部的供热系统的进液口连接；
所述进液管(11)的下端从外管(2)的顶部伸入至外管(2)底端或底端以
下并和第一液体介质相连通，所述进液管(11)的上端与外部的供热系统的出
液口连接。
2.根据权利要求1所述一种提取利用地热能的装置，其特征在于，所
述吸热段还包括与高致密热源层位置对应的井筒。
3.根据权利要求1所述一种提取利用地热能的装置，其特征在于，所
述保温段的底部位于地热源岩层(15)内，所述保温段的顶部位于换热装置(9)
的下方。
4.根据权利要求1所述一种提取利用地热能的装置，其特征在于，所
述换热装置(9)中的第二液体介质被加热沸腾后供发电设备(3)和/或供热装
置使用；所述外管(2)的顶部设有温度表(1)；所述地热源岩层(15)为干热岩
层或者高地温梯度地层；所述第一液体介质的沸点高于第二液体介质的沸

\t点；所述出液管(12)和进液管(11)均设有高压泵。
5.根据权利要求1所述一种提取利用地热能的装置，其特征在于，所
述出液管(12)与外管(2)的内部连通的一端位于换热装置(9)的上方。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚国敏，
申请(专利权)人：姚国敏，
类型：发明
国别省市：北京;11