专利名称：一种地热采集装置及其运行方法
技术领域：
本发明涉及一种地热采集装置及其运行方法，具体地说是涉及一种从深井水里将大地所存储的热能采集出来的装置及其运行方法。
目前，人们冬季采暖所用的热能主要是靠燃烧煤、石油和天然气而获得的。煤、石油和天然气都是当前无法再生的资源，它们不仅储量有限，而且燃烧后污染环境。近年来，为了保护环境，也为了把煤、石油和天然气等宝贵资源留给子孙后代，人们开始寻找新的热能。地热就是目前人们正在开发的新热能。地热利用的方法一般主要是打深井，然后将地下水抽到地面，靠水将地下的热能带到地面上来加以利用。抽取地下水，就需要使用深井泵，就得消耗电能；也就是说，地热要用一定的电能来换取。
本发明的目的是提供一种不用把井里的地下水抽到地面上来就可以采集地热，而且能将所采集的地热送到地面，供采暖所用的装置及其运行方法。
本发明的装置，包括水井(11)，还包括蒸发器(1)、热能交换器(3)、真空泵(9)和送热泵(8)；所述的蒸发器(1)里装有工作介质(12)，并被放于水井(11)的水(7)里，蒸发器(1)顶部与供热管道(2)的一端相通，该管道的另一端与热能交换器(3)里蛇形管(4)的进口相通，蛇形管(4)的出口与气液分离阀(5)的进口相通，气液分离阀(5)的出口与回液管道(6)的一端相通，该管道的另一端插入蒸发器(1)内；所述的回液管道(6)上开有一个加液口(10)，加液口(10)上装有阀门(f5)；所述的供热管道(2)上还装有阀门(f1)和真空泵(9)；所述的热能交换器(3)里装有工作介质(13)，蛇形管(4)就浸泡在工作介质(13)中；热能交换器(3)的外壳上开有进出口，该出口上装有送热泵(8)；送热泵(8)与用热的末端连通，用热末端有管道与热能交换器(3)外壳上的进口相通。
所述的阀门(f1)和真空泵(9)是并联，该真空泵(9)的进口装有一阀门(f3)，出口装有三通管，三通管的另两端各装一阀门(f2)、(f4)；阀门(f2)的另一端与蛇形管(4)进口相通，阀门(f4)的另一端放空，与大气相通。
本发明装置的运行方法，其特征在于装置使用前，应先关闭阀门(f1)、(f2)和(f5)，打开阀门(f3)、(f4)，同时接通真空泵(9)的电源，通过供热管道(2)为蒸发器(1)、蛇形管(4)内部抽真空；当蒸发器(1)、蛇形管(4)内部的压力合格后，切断真空泵(9)的电源，并关闭阀门(f3)和(f4)，同时打开阀门(f5)往装置里灌入工作介质(12)，其灌入量要适应不同被冷工况的要求，一般灌入工作介质(12)的体积应占蒸发器(1)内部总容积的40-60％；灌完工作介质(12)关闭阀门(f5)，然后再次打开阀门(f3)和(f4)为蒸发器(1)、蛇形管(4)内部抽真空，当蒸发器(1)、蛇形管(4)内部的压力合格后，切断真空泵(9)的电源，并关闭阀门(f3)和(f4)，最后为送热泵(8)接通电源，该泵就会抽取热能交换器(3)里被加热后的传热介质(13)，将其送往用热的末端，这样，整个装置就运行起来了。
本发明装置还有一种运行方法，当本发明的装置灌完了工作介质(12)，同时内部压力也合格后，不切断真空泵(9)的电源，也不关闭阀门(f3)，只关闭阀门(f4)，并打开阀门(f2)，让真空泵(9)继续工作，把抽取的气态的工作介质(12)送往蛇形管(4)里，使得蛇形管(4)里压力升高，同时也促使进入蛇形管(4)里的气态工作介质(12)的沸点和饱和温度升高，从而提高了工作介质(12)的凝结温度，使之满足用热末端的要求。
由于本发明提供的装置不用把井里的地下水抽到地面上来，所以就不用深井泵，因此，获取地热就不再消耗电能，从而就能够更进一步地节约能源资源，同时也可降低利用地热的成本。
下面参照附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明一种地热采集装置的示意图。
图中(1)为蒸发器；(2)为供热管道；(3)为热能交换器；(4)为蛇形管；(5)为气液分离阀；(6)为回液管道；(7)为深井里的水；(8)为送热泵；(9)为真空泵；(10)为加液口；(11)为水井；(12)为工作介质；(13)为传热介质；(f1)、(f2)、(f3)、(f4)、(f5)为阀门。
本发明与现有的地热利用方法相同之处是都有打深井，都是从地下水中采集热能；不同之处是现有的地热利用方法要将地下水抽到地面，而本发明不用把井里的地下水抽到地面上来，可以直接从井里的地下水中采集热能，然后将所采集的地热送到地面，供采暖所用。参照图1，蒸发器(1)被放置在水井(11)的水(7)里，其内装有工作介质(12)。我们知道，一般液体物质的沸点与它所处的环境压力有关，环境压力越低，沸点也就越低。根据此原理，在装置被使用前，我们首先用真空泵为蒸发器(1)抽真空，降低蒸发器(1)内的压力，随之也降低了蒸发器(1)内工作介质(12)的沸点，直到工作介质(12)的沸点大大地低于水井(11)的水(7)的水温时为止。这样，蒸发器(1)内的工作介质(12)就会发生相变，由液体蒸发为气体，同时吸收大量的热量。由于蒸发器(1)被放置在水井(11)的水(7)里，所以它吸收的热量都是水(7)里的；也可以说，蒸发器(1)采集了水(7)里大量的热量。因此说，蒸发器(1)是本发明的热能采集器。
参照图1，蒸发器(1)顶部与供热管道(2)的一端相通，该管道的另一端与热能交换器(3)里蛇形管(4)的进口相通。这样一来，蒸发器(1)内的工作介质(12)蒸发所产生的气体就会顺供热管道(2)进入蛇形管(4)里。所述的热能交换器(3)里装有工作介质(13)。热能的传导规律是由高流向低，也就是说，是温度高的物质将热能传给温度低的物质。由于工作介质(13)比工作介质(12)的温度低，因此，蛇形管(4)里的工作介质(12)与蛇形管(4)外的工作介质(13)进行热能交换，将部分热能传给了工作介质(13)。工作介质(13)吸收了大量热能，温度升高。温度升高后的工作介质(13)被送热泵(8)加压后，送往用热的末端，而工作介质(12)因失去热能，温度下降，导致再次发生相变，由气体变为液体。参照图1，蛇形管(4)的出口与气液分离阀(5)的进口相通，气液分离阀(5)的出口与回液管道(6)的一端相通，该管道的另一端插入蒸发器(1)内。这样一来，蛇形管(4)里变为液体的工作介质(12)就会通过气液分离阀(5)和回液管道(6)返回到蒸发器(1)里，完成了一次循环。
本发明的装置使用前应为蒸发器(1)内部和蛇形管(4)内部抽真空，当蒸发器(1)内部和蛇形管(4)内部的真空度合格后方可使用。如何来抽真空呢？参照图1，所述的供热管道(2)上还装有阀门(f1)和真空泵(9)；阀门(f1)和真空泵(9)是并联，真空泵(9)的进口装有一阀门(f3)，出口装有三通管，三通管的另两端各装一阀门(f2)、(f4)；阀门(f2)的另一端与蛇形管(4)进口相通，阀门(f4)的另一端放空，与大气相通。抽真空时，应先关闭阀门(f1)、(f2)和(f5)，打开阀门(f3)、(f4)，这时，蒸发器(1)内部和蛇形管(4)的内部与真空泵(9)相通，真空泵(9)又与装置外部的大气相通，这样一来，真空泵(9)就可以为其装置抽真空了。为装置抽真空，装置内的压力会降低，具体装置内压力降到多少为合格呢？这要由地下水(7)的温度和所用的工作介质(12)来定，其装置内的压力要低于所用的工作介质(12)在地下水(7)的温度下的饱和压力。如果以水作为工作介质(12)，地下水(7)的温度为40℃，其装置内的压力要低于多少为合格呢？我们知道，在40℃时，水的饱和压力是7375pa，所以装置内的压力要低于7375pa才算合格。如果以丙酮作为工作介质(12)，地下水(7)的温度为20℃，其装置内的压力要低于多少为合格呢？我们知道，在20℃时，丙酮的饱和压力是27000pa，所以装置内的压力要低于27000pa才算合格。在北京地区，地面百米以下的地下水温在10℃左右。在这一水温下，丙酮的饱和压力是18500pa；乙醇的饱和压力是3300pa；甲醇的饱和压力是25000pa。由此可知在上述条件下，所以装置内的压力应分别低于18500pa、3300pa和25000pa。因考虑到，随着装置运转，地下水(7)的温度会下降，因此建议，装置内的压力要比所用的工作介质(12)在地下水(7)的温度下的饱和压力低20％，也就是说，当地下水温在10℃左右时，以丙酮作为工作介质(12)，其装置内的压力应在14800pa以下；以乙醇作为工作介质(12)，其装置内的压力应在2640pa以下；以甲醇作为工作介质(12)，其装置内的压力应在20000pa以下。
本发明的装置使用前还要往蒸发器(1)里灌入工作介质(12)，如何灌入呢？参照图1，所述的回液管道(6)上开有一个加液口(10)，加液口(10)上装有阀门(f5)。灌入工作介质(12)时，切断真空泵(9)的电源，并关闭阀门(f3)和(f4)，同时打开阀门(f5)，工作介质(12)就会顺利地从加液口(10)流入蒸发器(1)内。工作介质(12)的灌入量，一般占蒸发器(1)内部总容积的40-60％。灌完工作介质(12)关闭阀门(f5)，然后再次打开阀门(f3)和(f4)为装置抽真空。装置内部的真空度合格后切断真空泵(9)的电源，并关闭阀门(f3)和(f4)，该装置就可使用了。
本发明的装置抽完真空，灌入完工作介质(12)就可以运行，并能将所采集的地热送到地面了。本发明的装置又怎么将送到地面的地热再送往用热的末端呢？参照图1，所述的热能交换器(3)里装有传热介质(13)；热能交换器(3)的外壳上开有进出口，该出口上装有送热泵(8)；送热泵(8)与用热的末端连通，用热末端有管道与热能交换器(3)外壳上的进口相通。这样一来，只要再为送热泵(8)接通电源，该泵就会抽取热能交换器(3)里被加热后的传热介质(13)，将其送往用热的末端了。
本发明装置还有一种运行方法，当本发明的装置灌完了工作介质(12)，也再次为装置抽完真空，使装置内部压力也合格后，不切断真空泵(9)的电源，也不关闭阀门(f3)，只关闭阀门(f4)，并打开阀门(t2)，让真空泵(9)继续工作，把抽取的气态的工作介质(12)送往蛇形管(4)里，让蛇形管(4)里压力升高，同时也促使进入蛇形管(4)里的气态工作介质(12)的沸点和饱和温度升高，从而提高了工作介质(12)的凝结温度，使之满足用热末端的要求。
所述的工作介质(12)可以是水，也可以是丙酮、乙醇、甲醇等低沸点物质。具体采用哪种，这还要由地下水(7)的温度来定。如果地下水(7)的温度高于40℃，工作介质(12)就可以采用水；如果地下水(7)的温度低于40℃，工作介质(12)最好采用丙酮、乙醇、甲醇等低沸点物质。
所述的传热介质(13)可以是水，也可以是其它低沸点物质，只要传热效率高，流动阻力小，安全就可以了。
下面给出两个具体的实施例，我们就此来作进一步说明第一例的用热末端是为了冬季不冻结的化工管道，其用热末端的温度要求是3℃，井(11)里的水(7)的温度为10℃，地面上大气的温度是0。由于地下水(7)的温度低于40℃，因此我们采用丙酮来作为工作介质(12)，并用真空泵将蒸发器(1)内部和蛇形管(4)内部的压力降低到14800pa以下。在10℃和14800pa的压力环境中，丙酮就会发生相变，由液体蒸发为气体，同时吸收地下水(7)里的大量热量。每公斤的丙酮由液态变成气态要吸收约558KJ热量。吸收热量变为气态的丙酮上升，从蒸发器(1)的顶部进入供热管道(2)内，然后顺供热管道(2)进入到蛇形管(4)里。因为蛇形管(4)是在位于地面上的热能交换器(3)内，所以气态的丙酮进入蛇形管(4)里就等于把地热提升到了地面之上。热能交换器(3)里装有传热介质(13)，蛇形管(4)就浸泡在传热介质(13)里。传热介质(13)受大气的影响，最初的温度接近0℃。由于蛇形管(4)内的气态丙酮温度高于蛇形管(4)外的传热介质(13)，所以蛇形管(4)内的气态丙酮向蛇形管(4)外的传热介质(13)散热降温，当气态丙酮的温度下降到沸点以下时，气态丙酮开始凝结成液体，并放出大量的热量。每公斤的丙酮由气态变成液态要放出约558KJ热量。凝结成液体丙酮通过气液分离阀(5)进入回液管道(6)里，然后顺回液管道(6)返回到位于蒸发器(1)里，完成了一次循环。蛇形管(4)内的丙酮所放出的热量全部给了蛇形管(4)外的传热介质(13)，此时传热介质(13)的温度就会上升。由于蛇形管(4)的压力是14800pa，所以蛇形管(4)内丙酮此时的沸点应是8℃。如果热能交换器(3)的传热效果好，完全可以保证传热介质(13)的温度在5℃以上。由于这5℃高于热末端温度要求的3℃，因此可以为送热泵(8)接通电源，让该泵将热能交换器(3)里被加热后的传热介质(13)送往用热的末端，供其使用了。
第二例的用热末端是为了冬季取暖，其用热末端的温度要求是18℃，其余的同上。因此我们也采用丙酮来作为工作介质(12)，同时也用真空泵将蒸发器(1)内部和蛇形管(4)内部的压力降低到14800pa以下。这样一来，蛇形管(4)内的丙酮所放出的热量也会全部给于蛇形管(4)外的传热介质(13)，同时传热介质(13)的温度也会上升，但不会高过8℃。在14800pa的压力环境中，丙酮的沸点是8℃，高过8℃也就高过了此时丙酮的沸点。我们知道高过沸点，丙酮的凝结就会停止，同时也就不再放热了，也就是说，传热介质(13)温度只能在8℃以下了。由于这8℃低于18℃，所以温度太低，不能满足热末端的要求。怎么办呢？这个问题，我们可以用增加蛇形管(4)里的压力来解决。其办法是，当本发明的装置灌完了工作介质(12)，也再次为装置抽完真空，装置内部压力使合格后，不切断真空泵(9)的电源，也不关闭阀门(f3)，只关闭阀门(f4)，并打开阀门(f2)，让真空泵(9)继续工作，把抽取的气态的工作介质(12)送往蛇形管(4)里，让蛇形管(4)里压力升高，并用阀门(f1)调节蛇形管(4)里的压力，让其绝对压力维持在30000pa以上。在27000pa的压力环境中，丙酮的沸点是22℃。如果热能交换器(3)的传热效果好，完全可以保证传热介质(13)的温度在18℃以上，因此这样一来，温度太低的问题也就解决了。
权利要求
1.一种地热采集装置，包括水井(11)，其特征在于还包括蒸发器(1)、热能交换器(3)、真空泵(9)和送热泵(8)；所述的蒸发器(1)里装有工作介质(12)，并被放于水井(11)的水(7)里，蒸发器(1)顶部与供热管道(2)的一端相通，该管道的另一端与热能交换器(3)里蛇形管(4)的进口相通，蛇形管(4)的出口与气液分离阀(5)的进口相通，气液分离阀(5)的出口与回液管道(6)的一端相通，该管道的另一端插入蒸发器(1)内；所述的回液管道(6)上开有一个加液口(10)，加液口(10)上装有阀门(f5)；所述的供热管道(2)上还装有阀门(f1)和真空泵(9)；所述的热能交换器(3)里装有工作介质(13)，蛇形管(4)就浸泡在工作介质(13)中；热能交换器(3)的外壳上开有进出口，该出口上装有送热泵(8)；送热泵(8)与用热的末端连通，用热末端有管道与热能交换器(3)外壳上的进口相通。
2.根据权利要求1所述的地热采集装置，其特征在于所述的阀门(f1)和真空泵(9)是并联，该真空泵(9)的进口装有一阀门(f3)，出口装有三通管，三通管的另两端各装一阀门(f2)、(f4)；阀门(f2)的另一端与蛇形管(4)进口相通，阀门(f4)的另一端放空，与大气相通。
3.根据权利要求1所述的地热采集装置，其特征在于所述的工作介质(12)可以是水，也可以是丙酮、乙醇、甲醇等低沸点物质；所述的传热介质(13)可以是水，也可以是其它的低沸点物质。
4.据权利要求1所述的地热采集装置的运行方法，其特征在于装置使用前，应先关闭阀门(f1)、(f2)和(f5)，打开阀门(f3)、(f4)，同时接通真空泵(9)的电源，通过供热管道(2)为蒸发器(1)、蛇形管(4)内部抽真空当蒸发器(1)、蛇形管(4)内部的压力合格后，切断真空泵(9)的电源，并关闭阀门(f3)和(f4)，同时打开阀门(f5)往装置里灌入工作介质(12)，其灌入量要适应不同被冷工况的要求，一般灌入工作介质(12)的体积应占蒸发器(1)内部总容积的40-60％；灌完工作介质(12)关闭阀门(f5)，然后再次打开阀门(f3)和(f4)为蒸发器(1)、蛇形管(4)内部抽真空，当蒸发器(1)、蛇形管(4)内部的压力合格后，切断真空泵(9)的电源，并关闭阀门(f3)和(f4)，最后为送热泵(8)接通电源，该泵就会抽取热能交换器(3)里被加热后的传热介质(13)，将其送往用热的末端，这样，整个装置就运行起来了。
5.根据权利要求1、2和3所述的地热采集装置还有一种运行方法，其特征在于当装置灌完工作介质(12)，也再次为蒸发器(1)、蛇形管(4)内部抽完了真空，并使装置内部压力也合格后，不切断真空泵(9)的电源，也不关闭阀门(f3)，只关闭阀门(f4)，并打开阀门(f2)，让真空泵(9)继续工作，把抽取的气态的工作介质(12)送往蛇形管(4)里，让蛇形管(4)里压力升高，同时也促使进入蛇形管(4)里的气态工作介质(12)的沸点和饱和温度升高，从而提高了工作介质(12)的凝结温度，使之满足用热末端的要求。
全文摘要
本发明提供一种不用把井里的地下水抽到地面上来就可以采集地热，而且能将所采集的地热送到地面，供采暖所用的装置及其运行方法。它包括蒸发器、热能交换器、真空泵和送热泵；所述的蒸发器里装有工作介质，并被放于水井下的水里。该装置组装好后，除了要往蒸发器里装入工作介质之外，使用之前还要为蒸发器内部和位于热能交换器里的蛇形管内部抽真空，并为热能交换器里装入传热介质，所述的蛇形管就浸泡在该传热介质中。由于本发明提供的装置不用把井里的地下水抽到地面上来，所以就不用深井泵，因此，获取地热就不再消耗电能，从而就能够更进一步地节约能源资源，同时也可降低利用地热的成本。
文档编号F24J3/08GK1641291SQ20041000018
公开日2005年7月20日 申请日期2004年1月7日 优先权日2004年1月7日
发明者刘寄声 申请人:刘寄声