专利名称：高温地热井内换热器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种换热器，特别是涉及一种高温地热井内换热器。
背景技术：
地热是一种取之不尽的低碳能源。高温地热发电的CO2排放量是煤炭的1/10、石油的1/9、天然气的1/6。积极开发和利用地热资源，能够为应对全球气候变暖严重威胁人类生存安全的问题，节约能源，减少CO2排量，减轻对大气环境的污染发挥重要的作用。我国地热资源分布广泛，高温地热主要分布在滇藏地区，仅西藏目前已知的大于180度的高温地热就有100多处，发电潜力达3000多MW。但由于高温地热大多是由液、气、·固多相成分组成的混合流体，化学组分十分复杂，流体内盐的含量很高(矿化度一般都在1000mg/L以上,最高可能超过10000mg/L),所以高温地热开发中存在着严重的腐蚀结垢问题，并且一直未能找到有效的解决办法。这严重制约了我国高温地热的开发和利用，使我国高温地热的开发和利用一直停滞不前，没有新的发展。近年来，随着环保意识的加强，节能减排和可再生能源发展的需要，地热资源的利用正逐渐受到人们的重视，相关技术的研究也开始起步。目前，换热技术已是一项非常成熟的节能技术。换热器在节能、能量转换、能量回收，以及能源利用领域的重要性日益增加。换热器广泛应用于加工、动力、空调、制冷、低温热量回收、替代燃料等方面，已成为现代能源利用的重要设备。换热器的类型很多，可以根据各种能源利用的实际需要，按照用途、结构形式、体积大小等进行选择。为了确保换热器功能的正常发挥，需要综合考虑换热器的使用目的、使用环境、使用条件等多方面因素，以使换热器的结构特点能够适合客观条件的要求。由于高温地热的条件十分复杂，地热井内环境恶劣，高温地热流体存在严重的腐蚀结垢问题，所以尽管现有的换热器的类型很多，但现有的各类换热器均无法适用于高温地热的客观环境。例如在使用过程中换热器会因地热产生的腐蚀结垢，而使其内部的换热通道的截面逐渐减小从而降低地热发电系统的效率，甚至会因换热通道被完全堵塞，而致使循环出现断流，造成系统不能正常运行的情况发生。据研究资料显示，高温地热在地热储层中或地热井内温度和压力没有变化的条件下，腐蚀结垢的现象并不会发生。为此，可以选择采用井内换热的方法，在地热井内直接进行换热，从而避免地热发电设备的腐蚀结垢问题，实现高温地热的正常开发和利用。第一，由于采用井内换热，地热发电系统不必直接接触高温地热流体，可以有效避免高温地热流体对系统设备的腐蚀结垢问题。第二，由于采用井内换热，井内换热器内部循环的流体不是高温地热流体，因此不存在地热对换热器造成结垢堵塞的问题。第三，由于采用井内换热，换热器下入地热井内后，在下入换热器的井段的截面积(指换热器与地热井井管或井壁的环状间隙)会减小约60-70%，这会使地热流体在该井段内形成的高速流，进而产生较强的“自洁”作用，有效地减少或延缓流体内固相成分的结晶堆积，从而大大减轻井内的结垢问题，延长地热井的使用周期。[0009]由此可见，在高温地热的开发和利用中采用井内换热技术，是一种可行的地热热能利用方案，并且其方法简洁、实用。而这种井内换热技术的关键则在于换热器的设计，其设计必须适应于地热井的结构特点和高温地热条件，并且能够保证在复杂的高温地热环境中实现正常换热。有鉴于此陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本实用新型。
发明内容本实用新型的目的在于，提供一种新型结构的高温地热井内换热器，所要解决的技术问题是使其能够适应在地热井井径小、井内空间狭窄、井筒长度(深度)大，井内呈高温高压状态，高温地热具有腐蚀结垢性，实际换热流量大等复杂条件下进行换热，并保证换热功能正常，同时还具有较长的使用寿命，并且通过其采用管状同心螺旋式的换热器主体结构设计，还能够提高换热效率，而且其构造简单，结构紧凑，非常适于实用。本实用新型的目的及解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。依据本实用新型提出的一种高温地热井内换热器，其包括一换热器主体和一底部返流室；其中所述换热器主体是包括外管和内管的管状同心式结构，并且在所述内管的外壁上设置有螺旋状导流板；所述底部返流室固设于所述换热器主体的一端连通所述内管的内部和所述内管与所述外管之间形成的环状空间；所述换热器主体的另一端分别设置有一低温流体入口和一高温流体出口，所述低温流体入口是与所述内管和所述外管之间形成的环状空间连通，所述高温流体出口是与所述内管的内部连通。本实用新型的目的以及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。前述的高温地热井内换热器，其中所述螺旋状导流板是与所述内管的轴线呈45°角环绕所述内管布置于所述内管的外壁上，并抵靠于所述外管的内壁。前述的高温地热井内换热器，其中在所述内管的内部设置有一衬管，并且在所述内管的内壁上喷涂一层涂料涂层；或者在所述内管的内壁和外壁上都分别喷涂一层涂料涂层。前述的高温地热井内换热器，其中所述底部返流室具有一开口端及一封闭端；所述开口端与所述外管的一端固连；所述封闭端的外壁上设置有肋片，所述肋片是与所述封闭端的外壁及设置于该端顶部的一钢圈固连。前述的高温地热井内换热器，其中所述外管是由波纹不锈钢薄板辊卷焊接而成的钢管。前述的高温地热井内换热器，其中所述外管的外径为166mm ;所述波纹不锈钢薄板的厚度为2. 5mm，其波纹高度为5mm，宽度为20mm，且其波纹与轴向呈小于45°的角；所述内管是壁厚为8mm、直径为120mm的钢管；所述衬管的壁厚为I. 5mm,所述涂料涂层的厚度为0. 5mmo前述的高温地热井内换热器，其中所述肋片的厚度为3_。前述的高温地热井内换热器，还包括一连接管和一上接头；所述低温流体入口是设置于所述上接头一端的侧壁上，所述上接头的另一端是与所述连接管的一端固连，而所述连接管的另一端是与所述换热器主体的所述外管的另一端固连；所述内管的一端是穿过所述连接管和所述上接头而由所述上接头设置有所述低温流体入口的一端的端部伸出；所述高温流体出口是设置于所述内管伸出所述上接头的一端的侧壁上。前述的高温地热井内换热器，其中所述换热器主体是由多节芯体通过外管接箍固连而成；其中每一节所述芯体都是包括外管和内管的管状同心式结构，并且在每一节所述芯体的所述内管的外壁上均设置有螺旋状导流板；所述底部返流室与所述换热器主体、所述换热器主体与所述连接管、以及所述连接管与所述上接头也是通过所述外管接箍固连。前述的高温地热井内换热器，其中每一节所述芯体的所述外管的两端是分别与两个所述外管接箍的一端焊接，并且每一节所述芯体的所述外管、所述内管及设置于其两端的两个所述外管接箍还分别与设置于每一节所述芯体两端的所述内管和所述外管之间的两块固定板焊接。本实用新型与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本实用新型高温地热井内换热器至少具有下列优点及有益效果一、本实用新型的高温地热井内换热器相当于一个换热器的“芯体”，其与地热井身共同构成一个巨大的“换热器”，形成一个“换热器”的完整结构。其中这个巨大的“换热器”是将地热井作为换热器的组成部分(即“换热器”的外壳)，巧妙地利用地热井的客观条件，在井内截面积较小的条件下，尽可能地扩大了换热器内的循环通道面积，从而能够满足地热大流量换热的要求。二、本实用新型的高温地热井内换热器在符合换热器设计原理的基础上，结合地热井的特点，简化了换热器的设计结构。同时，由于借用地热井的井管和井壁作为“换热器”的外壳，省去了管状换热器的外壳，从而大大降低了设计加工的成本和现场的安装费用等。三、本实用新型的高温地热井内换热器在地热井井径较小的狭窄空间内及井内高温高压、地热流体成分复杂、含盐量大的条件下，采用螺旋状导流板的设计提高了换热效率，并且能够始终保证换热器内部循环的正常进行，达到正常换热的目的。四、本实用新型的高温地热井内换热器解决了其他换热器无法用于的高温地热换热的问题。综上所述，本实用新型是有关于一种高温地热井内换热器，其通过在换热器下入井内后，与地热井共同构成一个特别巨大的“换热器”整体，而使下入的换热器相当于这个巨大的“换热器”整体的“芯体”。其中高温地热井内换热器包括上接头、连接管、换热器主体及底部返流室，换热器主体为管状同心螺旋式结构，以内、外管之间形成的环状空间、底部返流室、内管的内部构成换热流体的循环通道。换热器主体可以由多个单节芯体构成，在地热现场下入井内前连接组装成换热器整体。可以根据现场条件通过增加或减少芯体的数量来增加或减少换热器的换热面积。其中每节芯体的内、外管之间的环状空间设计为螺旋状，有利于循环流体形成紊流状，并可以延长换热流体的循环路程。而外管作为主要的换热部件，可以选用耐腐蚀高导热(如不锈钢材质)的波纹薄板制作，其波纹状可增大换热面积。底部返流室的外壁可以通过加焊肋片，增加底部强度，并通过沸腾换热的过程强化局部换热的效果。在腐蚀结垢十分严重的条件下，使用井内换热器，能够在地热井狭小的空间内，实现地热大流量的换热要求，保证地热系统的正常运行，解决了目前高温地热无法开发利用的问题，对地热低碳能源的利用和节能减排意义重大。本实用新型在技术上有显著的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
图I是本实用新型高温地热井内换热器的结构示意图。图2是本实用新型高温地热井内换热器的换热过程的示意图。图3是本实用新型高温地热井内换热器的内管的结构示意图。 图4是本实用新型高温地热井内换热器的底部返流室的结构示意图。图5是本实用新型高温地热井内换热器的芯体的结构示意图。
I:高温地热井内换热器2:地热储层
3 低温的换热流体4:高温的换热流体
5 地热流体10换热器主体
11:外管12:内管
13螺旋状导流板14低温流体入口
15高温流体出口20:底部返流室
21开口端22:封闭端
23肋片24:钢圈
30连接管40:上接头
50芯体51:外管
52:内管53:螺旋状导流板
60外管接箍70:固定板
具体实施方式
为更进一步阐述本实用新型为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，
以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的高温地热井内换热器其具体实施方式
、结构、特征及其功效，详细说明如后。有关本实用新型的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚的呈现。通过具体实施方式
的说明，应当可对本实用新型为达成预定目的所采取的技术手段及功效获得一更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本实用新型加以限制。请参阅图I所示，是本实用新型高温地热井内换热器的结构示意图。本实用新型的高温地热井内换热器主要是由一换热器主体10和一底部返流室20构成。其中换热器主体10是包括外管11和内管12的管状同心式结构，并且在内管12的外壁上设置有螺旋状导流板13。底部返流室20是固设于换热器主体10的一端连通内管12的内部和内管12与外管13之间形成的环状空间。同时在换热器主体10的另一端还分别设置有一低温流体入口 14和一高温流体出口 15。其中低温流体入口 14是与内管12和外管11之间形成的环状空间连通，高温流体出口 15是与内管12的内部连通。请参阅图2所示，是本实用新型高温地热井内换热器的换热过程的示意图。本实用新型使低 温的换热流体3由低温流体入口 14进入换热器内，经外管11与内管12之间形成的环状空间、底部返流室20以及内管12的内部所构成的通道，成为高温的换热流体4由高温流体出口 15流出换热器。其中在流体流经换热器的过程中，低温的换热流体3经外管11的管壁和底部返流室20的外壁与地热井内的地热流体5进行热交换(吸热)，从而使低温的换热流体3转变为高温的换热流体4。因此本实用新型的外管11和底部返流室20是主要的换热部件。另外，在使用本实用新型的高温地热井内换热器时，在地热井的井口还需要设置控制地热流体流量的压力控制装置。由于深层地热流体自身的压力较大，在换热器外部与地热井内部所形成的空间内能够自流动上升(喷涌)，随着地热流体高度的增加，地热流体自身的压力会降低，如果不对地热井井口处的压力进行控制，会导致地热流体因压力降低而产生结垢现象，从而导致地热井井口封堵，地热流体不能自流动，进而无法与换热器进行有效的对流换热。另外，本实用新型的高温地热井内换热器还可具有一连接管30和一上接头40，如图I所示。其中，低温流体入口 14是设置于上接头40—端的侧壁上，上接头40的另一端是与连接管30的一端固连，而连接管30的另一端是与换热器主体10的外管11的另一端固连。本实用新型内管12的一端是穿过连接管30和上接头40而由上接头40设置有低温流体入口 14的一端的端部伸出，而高温流体出口 15是设置于内管12伸出上接头40的一端的侧壁上。如图3所示，是本实用新型高温地热井内换热器的内管的结构示意图。本实用新型的螺旋状导流板13是与内管12的轴线呈45°角环绕内管12布置于内管12的外壁上，并且其还抵靠于外管11的内壁。本实用新型通过将内管12和外管11之间形成的环状空间借助螺旋状导流板13设计为螺旋状通道，一方面可以延长流体换热的路程，促使换热流体延长换热时间；另一方面还可以使换热流体形成紊流状，增强换热效果。此外螺旋状导流板13还可以作为外管11管壁的支撑，用于加强外管11的抗压强度。本实用新型为了增大内管12的换热热阻，减少热损失，还可以在内管12的内部设置一衬管，并且同时在内管12的内壁上喷涂一层涂料涂层。或者也可以不内置衬管，而通过在内管12的内壁和外壁上都分别喷涂一层涂料涂层，来增大内管12的换热热阻，减少热损失。如图4所示，是本实用新型高温地热井内换热器的底部返流室的结构示意图。本实用新型的底部返流室20具有一开口端21及一封闭端22。其中开口端21是与外管11的一端固连。封闭端22的外壁上设置有肋片23，肋片23是与封闭端22的外壁及设置于该端顶部的一钢圈24固连。由于底部返流室20主要是作为换热流体加热后返回的重要结构，因此在其在外壁加焊肋片23并设置钢圈24可以增加换热器底部的强度，并同时加强底部返流室20外壁的局部换热效果。其中在底部返流室20的一端设置钢圈24主要用于固定并保护(下管时防撞损)肋片23，但由于其本身导热系数较大，因此可以在不影响肋片23换热的前提下，小幅度地提高局部换热效果。[0044]请参阅图5所示，是本实用新型高温地热井内换热器的芯体的结构示意图。本实用新型的换热器主体10可以是由多节芯体50通过外管接箍60固连而成。其中构成本实用新型换热器主体10的每一节芯体50都是一个包括外管51和内管52的管状同心式结构，并且在每一节芯体50的内管52的外壁上均设置有螺旋状导流板53。其中每一节芯体50的外管51的两端是分别与两个外管接箍60的一端焊接，同时每一节芯体50的外管51、内管52以及设置于其两端的两个外管接箍60还分别与设置于每一节芯体50两端的内管52和外管51之间的两块固定板70焊接。此外，本实用新型的底部返流室20与换热器主体10、换热器主体10与连接管30、以及连接管30与上接头40也可以是通过外管接箍60和固定板70固连。由此，本实用新型的换热器可以采用在工厂内单节加工，以及单节运输，而在到达现场后，在下入井内前轴向连接组合为整体的方式。本实用新型的换热器的规格可以按照地热井的井径进行设计，以满足不同井径和不同项目的要求。如以8寸井管的地热井，使用Φ180换热器为例(其中8寸是指地热井井孔的直径，Φ 180是指换热器的外直径为180_)，本实用新型的外管11的外径可以为166mm,并且可以是采用厚度为2. 5mm的耐腐蚀高导热的波纹不锈钢薄板辊卷焊接而成，以通过外管11的波纹状表面增大换热面积。其中波纹不锈钢薄板的波纹高度可以为5_，宽度可以为20mm，且其波纹与外管的轴向(亦即地热井钻孔的垂直方向)是呈小于45°的角。在本实施例中，本实用新型的外管11采用波纹状的表面相比于不采用波纹状的表面可以增大换热面积约15%。本实用新型的内管12可以采用壁厚为8mm、直径为120mm的普通钢管。其内部增设的衬管的壁厚为I. 5_，所喷涂的涂料涂层的厚度为O. 5mm ;或者也可以不内置衬管，而在内管12的内、外壁上均喷涂厚度O. 5mm的涂料涂层，以增大内管12的换热热阻，减少热损失。在本实施例中，在本实用新型的内管12的外壁上设置螺旋状导流板13而使内、外管之间的环状空间形成螺旋状相比于不设置螺旋状导流板13可以延长换热流体的循环路程约43%。而本实用新型的底部返流室20的外壁上加焊的肋片23的厚度可以为3_。由于本实用新型的高温地热井内换热器的设计是采用管状同心螺旋式结构，其截面为圆形，并且是采用内管和外管形成的环状空间进行换热、而由底部折返、并由内管直接返回的方式，因此能够保证换热流体的正常循环，达到换热的要求。当本实用新型的高温地热井内换热器被下入井地热内后，其与地热井共同构成一个巨大的“换热器”。本实用新型的高温地热井内换热器相当于这个巨大的“换热器”的“芯体”，通过外管的管壁把井内地热流体的热量传递给本实用新型高温地热井内换热器内流动的换热流体，使其升温，实现换热的目的。由于地热井的井筒长度很大，本实用新型的高温地热井内换热器可以是由多个单节组成，其完全可以根据实际换热的需要，通过增加或减少单节的数量，来满足扩大或减少换热面积的要求，从而达到较好的换热效果。同时，为了保证本实用新型的高温地热井内换热器的使用安全，本实用新型高温地热井内换热器的外管可以选用不锈钢等材料制造，以增加其抗腐蚀性；而内管和外管之间设置的螺旋状导流板，则可以使循环流体形成紊流状从而增强换热效果，另外其还可以作为外管壁的支撑，以加强外管的抗压强度，使得换热器整体具有足够的结构强度、抗压强度和耐腐蚀性，从而保证换热器的使用寿命。[0050]以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。权利要求1.一种高温地热井内换热器，其特征在于其包括一换热器主体和一底部返流室；其中所述换热器主体是包括外管和内管的管状同心式结构，并且在所述内管的外壁上设置有螺旋状导流板；所述底部返流室固设于所述换热器主体的一端连通所述内管的内部和所述内管与所述外管之间形成的环状空间；所述换热器主体的另一端分别设置有一低温流体入口和一高温流体出口，所述低温流体入口是与所述内管和所述外管之间形成的环状空间连通，所述高温流体出口是与所述内管的内部连通。
2.根据权利要求I所述的高温地热井内换热器，其特征在于其中所述螺旋状导流板是与所述内管的轴线呈45°角环绕所述内管布置于所述内管的外壁上，并抵靠于所述外管的内壁。
3.根据权利要求2所述的高温地热井内换热器，其特征在于其中在所述内管的内部设置有一衬管，并且在所述内管的内壁上喷涂一层涂料涂层；或者在所述内管的内壁和外壁上都分别喷涂一层涂料涂层。
4.根据权利要求3所述的高温地热井内换热器，其特征在于其中所述底部返流室具有一开口端及一封闭端；所述开口端与所述外管的一端固连；所述封闭端的外壁上设置有肋片，所述肋片是与所述封闭端的外壁及设置于该端顶部的一钢圈固连。
5.根据权利要求4所述的高温地热井内换热器，其特征在于其中所述外管是由波纹不锈钢薄板辊卷焊接而成的钢管。
6.根据权利要求5所述的高温地热井内换热器，其特征在于其中所述外管的外径为166mm ;所述波纹不锈钢薄板的厚度为2. 5mm,其波纹高度为5mm,宽度为20mm,且其波纹与轴向呈小于45°的角；所述内管是壁厚为8mm、直径为120mm的钢管；所述衬管的壁厚为I. 5mm,所述涂料涂层的厚度为0. 5mm。
7.根据权利要求6所述的高温地热井内换热器，其特征在于其中所述肋片的厚度为3mm o
8.根据权利要求I至7中任一权利要求所述的高温地热井内换热器，其特征在于其还包括一连接管和一上接头；所述低温流体入口是设置于所述上接头一端的侧壁上，所述上接头的另一端是与所述连接管的一端固连，而所述连接管的另一端是与所述换热器主体的所述外管的另一端固连；所述内管的一端是穿过所述连接管和所述上接头而由所述上接头设置有所述低温流体入口的一端的端部伸出；所述高温流体出口是设置于所述内管伸出所述上接头的一端的侧壁上。
9.根据权利要求8所述的高温地热井内换热器，其特征在于其中所述换热器主体是由多节芯体通过外管接箍固连而成；其中每一节所述芯体都是包括外管和内管的管状同心式结构，并且在每一节所述芯体的所述内管的外壁上均设置有螺旋状导流板；所述底部返流室与所述换热器主体、所述换热器主体与所述连接管、以及所述连接管与所述上接头也是通过所述外管接箍固连。
10.根据权利要求9所述的高温地热井内换热器，其特征在于其中每一节所述芯体的所述外管的两端是分别与两个所述外管接箍的一端焊接，并且每一节所述芯体的所述外管、所述内管及设置于其两端的两个所述外管接箍还分别与设置于每一节所述芯体两端的所述内管和所述外管之间的两块固定板焊接。
专利摘要本实用新型是一种高温地热井内换热器，其通过将换热器下入井内后，与地热井共同构成一个巨大的“换热器”整体，而使下入的换热器相当于这个巨大的“换热器”整体的“芯体”，使得在腐蚀结垢严重的条件下，在地热井狭小的空间内，能够实现地热大流量的换热要求，并保证地热系统的正常运行。其中高温地热井内换热器主要包括换热器主体及底部返流室，换热器主体为管状同心螺旋式结构，以内管和外管之间形成的环状空间、底部返流室、内管的内部构成换热流体的循环通道，使流体在流经换热器的过程中经外管的管壁和底部返流室的外壁与井内的地热流体进行热交换。本实用新型解决了目前高温地热无法开发利用的问题，对地热能源的开发和利用具有重要意义。
文档编号F28F9/24GK202485498SQ20122009647
公开日2012年10月10日 申请日期2012年3月14日 优先权日2012年3月14日
发明者陈建平 申请人:陈建平