本发明涉及干热岩热能开发技术领域，特别涉及一种利用单井采集干热岩热能的长导程旋流换热器。
背景技术：
地热能(geothermalenergy)是由地壳抽取的天然热能，这种能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，是引致火山爆发及地震的能量。地球上火山喷出的熔岩温度高达1200℃～1300℃，天然温泉的温度大多在60℃以上，有的甚至高达100℃～140℃。这说明地球是一个庞大的热库，蕴藏着巨大的热能。这种热量渗出地表，于是就有了地热。地热能是一种清洁能源，是可再生能源，其开发前景十分广阔。换热是指冷热两流体间所进行的热量传递，是一种属于传热过程的单元操作。地热换热过程主要通过地热换热器完成。地热井的换热过程中，热量传递存在两种不同的方向，一是当管道内水流温度低于管道外岩层温度时，热量由岩层向流体传递，这一区域主要存在于地热井的下行段下部、水平段和上行段的下部；二是当管道内水流温度高于管道外岩层温度时，热量由流体向岩层传递，这一区域主要存在于地热井的下行段上部和上行段上部。
随着环境压力对地热利用需求呈现数倍于以往的发展速度，急需新技术的发展和突破。但是由于干热岩具有滲透率低、储层位置深等特性,其开发面临着诸多科学和技术方面的挑战，虽然也随之出现了许多对干热岩利用新技术新发明，但是普遍存在地热热能提取并加以转换利用的效率低，建设成本高，工艺复杂不易实现，可复制推广性不强，制约了该技术的全面推广利用。螺旋槽管比普通光管换热面积大，具有使管内外流体沿管壁螺旋运动的趋势。管内凸起部分对流体的周期性扰动可减薄管内的传热边界层，加强湍流运动，强化流体传热，提高换热效率。但目前尚未有将螺旋槽管应用到干热岩热能开发技术的报道，该领域对此的探索尚不明朗。
技术实现要素：
鉴于以上问题，本发明提供了一种可广泛用于干热岩热能开发地热系统中，结构简单、换热效率高、有效防止热量散失、可复制性强、受环境因素影响弱的长导程旋流换热器。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明中一种利用单井采集干热岩热能的长导程旋流换热器，包括外管和内管，所述外管的直径大于内管的直径，所述外管为数组井下换热螺旋槽管连接而成，螺旋槽管的设计可使循环介质在外管向下流动吸热过程中能得到充分扰动，避免在换热过程中出现“死区”，同时能增加外管的导热效果，增加换热性能，提高换热器的换热效率，增加单井的取热量。所述内管为保温管，所述保温管设于井下换热螺旋槽管的内部，所述外管和内管同轴线安装，所述外管的内侧壁和内管的外侧壁之间形成环状空间，所述外管的上端口连接循环介质注入管路，所述外管的底端呈封闭状态，所述内管的上端口连接循环介质采集管路，所述内管的下半部的管壁上设有钻孔，所述钻孔为倾斜向下角度的开孔，倾斜向下角度的开孔可提高介质过流流面积，利于介质流动，大幅提高防垢性能。所述内管的底端呈不封闭状态，所述内管的底端通过承插式连接多足基座，所述内管的底端与外管的底端连通。
进一步的，所述井下换热螺旋槽管的结构参数内径di、螺旋槽节距p、波峰圆半径r、波谷圆半径r、角度α、螺旋升角θ、槽深h及管厚δ可经过计算加工，使井下换热螺旋槽管的水流阻力，水流换热效率及外表面传热面积为最优化，所述井下换热螺旋槽管可选用特钢管或考登管加工制作。
进一步的，数组所述井下换热螺旋槽管通过pt螺纹密封连接。
进一步的，所述保温管为轴向保温钢管或绝热管。
进一步的，所述保温管为玻璃钢缠绕保温管或玻璃钢保温钢管光管。
进一步的，所述井下换热螺旋槽管的内径截面积是保温管的内径截面积的至少两倍，这样的设计可保证外管的内侧壁和内管的外侧壁之间形成的环状空间可通过足够量的循环介质。
进一步的，所述长导距旋流换热器与井壁的间隙或井壁裂隙使用导热材料填缝，导热材料的存在可最大程度的将单井中的热量传递到外管内部的循环介质中。
进一步的，所述外管及内管内的循环介质与井上热能利用设备形成闭合循环通路。
进一步的，所述循环介质可选择水。
一种利用单井采集干热岩热能的长导程旋流换热器的使用方法，包括如下步骤：
s1：根据项目情况，科学选定地热钻井靶区并钻探成井，在该井内设置长导距旋流换热器并建立换热系统；
s2：将循环介质注入内管与外管之间的环状空间，循环介质开始向下流动，在向下流动过程中通过外管管壁从周围高温岩热吸收热量，循环介质温度不断升高；
s3：循环介质到达底部后，进入内管向上流动，最终流出内管，流出换热器的循环介质为地面热能利用系统提供热源；
s4：循环介质降温后重新回到内管和外管之间的环状空间向下流动，再次吸收高温岩热的热量，如此往复形成循环，为地面热能利用系统提供连续稳定热源，实现干热岩热能资源的可持续开发利用。
本发明的优点和有益效果在于：提供一种可广泛用于干热岩热能开发地热系统中，结构简单、换热效率高、有效防止热量散失、可复制性强、受环境因素影响弱的长导程旋流换热器。该换热器极大提高换热器的换热效率，增加单井的取热量，可以在不大幅度增加施工成本的前提下，提高地面供热系统的供热能力，降低系统的综合成本，通过实验选用导热油－去离子水为传热介质，研究换热器壳侧在层流与过渡流状态下的传热特性，发现其比现有的换热器能提高2-4倍的换热效率，相对现有干热岩采集技术，采热效率有了显著地提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明长导程旋流换热器示意图。
图2为螺旋槽管结构示意图。
图3为内管下部管壁开孔示意图。
附图标记说明
1.外管2.内管3.放射井4.内管下部管壁5.钻孔
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种利用单井采集干热岩热能的长导程旋流换热器，包括外管1和内管2，外管1的直径大于内管2的直径，外管1为数组井下换热螺旋槽管连接而成，数组井下换热螺旋槽管通过pt螺纹密封连接。如图2所示，井下换热螺旋槽管的结构参数内径di为10cm、螺旋槽节距p为7cm、波峰圆半径r为6cm、波谷圆半径r为2cm、角度α为30°、螺旋升角θ为45°、槽深h为2cm及管厚δ为1cm，可经过计算加工，使井下换热螺旋槽管的水流阻力，水流换热效率及外表面传热面积为最优化，井下换热螺旋槽管可选用考登管加工制作。螺旋槽管的设计可使循环介质在外管向下流动吸热过程中能得到充分扰动，避免在换热过程中出现“死区”，同时能增加外管的导热效果，增加换热性能，提高换热器的换热效率，增加单井的取热量。内管2为保温管，保温管设于井下换热螺旋槽管的内部，外管1和内管2同轴线安装，外管1的内侧壁和内管2的外侧壁之间形成环状空间，保温管为玻璃钢保温钢管光管。井下换热螺旋槽管的内径截面积是保温管的内径截面积的两倍。外管1的上端口连接循环介质注入管路，外管1的底端呈封闭状态，内管2的上端口连接循环介质采集管路，内管2的下半部的管壁上设有钻孔5，如图3所示，钻孔5为倾斜向下角度的开孔，内管2的底端呈不封闭状态，内管2的底端通过承插式连接多足基座，内管2的底端与外管的底端连通。外管1及内管2内的循环介质与井上热能利用设备形成闭合循环通路。长导距旋流换热器与井壁的间隙或井壁裂隙使用导热材料填缝。
实施例2
在大地热流值，岩石导热性较低的热储结构中，可通过打放射井，即鱼刺井，如图1所示，并在放射井中灌注导热介质，如导热水泥，提高热采集效率。
一种利用单井采集干热岩热能的长导程旋流换热器，包括外管1和内管2，外管1的直径大于内管2的直径，外管1为数组井下换热螺旋槽管连接而成，数组井下换热螺旋槽管通过pt螺纹密封连接。井下换热螺旋槽管的结构参数内径di为15cm、螺旋槽节距p为8cm、波峰圆半径r为6cm、波谷圆半径r为3cm、角度α为30°、螺旋升角θ为45°、槽深h为3cm及管厚δ为1cm可经过计算加工，使井下换热螺旋槽管的水流阻力，水流换热效率及外表面传热面积为最优化，井下换热螺旋槽管可选用特钢管加工制作。螺旋槽管的设计可使循环介质在外管向下流动吸热过程中能得到充分扰动，避免在换热过程中出现“死区”，同时能增加外管的导热效果，增加换热性能，提高换热器的换热效率，增加单井的取热量，可以在不大幅度增加施工成本的前提下，提高地面供热系统的供热能力，降低系统的综合成本。内管2为保温管，保温管设于井下换热螺旋槽管的内部，外管1和内管2同轴线安装，外管1的内侧壁和内管2的外侧壁之间形成环状空间，外管1的上端口连接循环介质注入管路，外管1的底端呈封闭状态，内管2的上端口连接循环介质采集管路，内管2的下半部的管壁上设有钻孔5，钻孔5为倾斜向下角度的开孔，内管2的底端呈不封闭状态，内管2的底端通过承插式连接多足基座，内管2的底端与外管的底端连通。外管1及内管2内的循环介质与井上热能利用设备形成闭合循环通路。长导距旋流换热器与井壁的间隙或井壁裂隙使用导热材料填缝。保温管为玻璃钢缠绕保温管。井下换热螺旋槽管的内径截面积是保温管的内径截面积的三倍。
实施例3
实施例1和实施例2中的利用单井采集干热岩热能的长导程旋流换热器的使用方法，包括如下步骤：
s1：根据项目情况，科学选定地热钻井靶区并钻探成井，在该井内设置长导距旋流换热器并建立换热系统；
s2：将循环介质，循环介质选择水，注入内管与外管之间的环状空间，循环介质开始向下流动，在向下流动过程中通过外管管壁从周围高温岩热吸收热量，循环介质温度不断升高；
s3：循环介质到达底部后，进入内管向上流动，最终流出内管，流出换热器的循环介质为地面热能利用系统提供热源；
s4：循环介质降温后重新回到内管和外管之间的环状空间向下流动，再次吸收高温岩热的热量，如此往复形成循环，为地面热能利用系统提供连续稳定热源，实现干热岩热能资源的可持续开发利用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。