一种地热单井井下换热器及自动回油换热系统

本发明属于地热资源开采利用，主要指中深层地热资源的开采利用，具体涉及一种地热单井井下换热器及自动回油换热系统。

背景技术：

1、为了应对全球气候变化，减少对传统化石能源的依赖，可再生能源的开发利用有助于能源消费结构向清洁低碳转变，降低碳排放，从而实现“双碳”目标。地热能作为可再生能源的一种，具有分布广、成本低、易于开采、洁净、可直接利用等优点，因此如何高效开发利用地热能近年来受到广泛关注。由于早期对于水热型地热资源的开发利用主要以通过钻探开采井与回灌井，直接开采地下热水为主，虽然形式简单、取热效率高，但回灌不力容易导致热储层水位下降，甚至地表沉降等问题。因此，人们需要一种“只取热不取水”的单井换热模式，可以解决回灌不力导致的一系列问题。

2、为实现真正意义的“取热不取水”，可采用板壳式换热器作为地热井下换热器，实现循环工质和地热流体的换热。板壳式换热器作为一种新型高效换热设备，具有换热效率高、端部温差小、压降低、节省占地面积、节约工程及设备安装费用、节省装置操作费用等优点，与管壳式换热器和板式换热器相比优势明显，经济效益显著。现有地热单井取热系统中，通过改变板壳式换热器的进出口位置，实现了循环水和地热流体的换热。但由于进出口位置的改变，进入板程和壳程的液体流速受到影响，容易引起板壳式换热器流量分布不均匀，造成换热性能下降。

3、此外，在整个换热系统存在“跑油现象”，当压缩机工作时，压缩机内部的润滑油会随循环工质进入换热器中，影响换热效果，当压缩机内部泵体各部件缺润滑油，润滑不足会导致零件磨损加剧；但如果初期加油量过多，又会造成液击、堵塞，泵体运行时阻力加大，功率升高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种地热单井井下换热器及自动回油换热系统，在板壳式换热器内部设置两块匀速板，并在匀速板上设置不同大小的通孔，从而保证进入每组板片间流体流速相同，流量相等，用于解决现有板壳式换热器内部的不同板片间的流量分布不均而造成换热性能下降的技术问题；同时为进一步降低地热单井换热系统的耗功进而提高取热功率，在换热系统中设置了自动回油单元，解决换热系统中压缩机的跑油问题。

2、本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

3、一种地热单井井下换热器，包括板壳式换热器壳体，其特征在于：所述板壳式换热器壳体内横向间隔布置若干板管束，所述板壳式换热器壳体的下端左侧设置板程入口，所述板壳式换热器壳体的下端右侧设置板程出口，所述板壳式换热器壳体的上端左侧设置壳程出口，所述板壳式换热器壳体的上端右侧设置壳程入口，所述板壳式换热器壳体内靠近壳程入口设置有匀速板a，所述板壳式换热器壳体内靠近板程入口设置有匀速板b，所述匀速板a上端设置有通孔，所述匀速板b下端设置有通孔。

4、而且，所述匀速板a及匀速板b上的通孔个数为若干个，且间隔分布；所述匀速板a及匀速板b上若干个通孔的面积均不相同，所述匀速板a的通孔面积自地面向地热层不断减小，所述匀速板b的通孔面积自地面向地热层不断增大。

5、而且，所述匀速板a、匀速板b的前后侧均为弯曲呈弧形的弧面板，所述弧面板的弧度与所述板壳式换热器壳体的弧度吻合。

6、一种地热单井井下自动回油换热系统，其特征在于：包括地面供暖单元、地下采热单元及自动回油单元，所述地面供暖单元及自动回油单元均设置于地面上，所述地下采热单元设置于地热层的地下井中，所述地面供暖单元通过进水通道连接至所述地下采热单元，所述地下采热单元通过回油通道连接至所述自动回油单元，所述自动回油单元通过充油通道连接至所述地面供暖单元，所述进水通道上设置有节流阀，所述回油通道上设置有回油泵，所述充油通道上设置有充油阀；

7、所述地面供暖单元包括依次连接的用户端、冷凝器、油分离器及压缩机，所述冷凝器连接至所述进水通道；

8、所述地下采热单元包括板壳式换热器壳体及储油室，所述储油室安装于所述板壳式换热器壳体的底端，所述储油室包括收集室及储存室，所述收集室收集板壳式换热器的余油，所述收集室通过回油通道连接至所述自动回油单元，所述板壳式换热器壳体的壳程入口通过进水通道连接至所述冷凝器，所述板壳式换热器壳体的壳程出口通过出水通道连接至所述压缩机，所述压缩机通过回油油路连接至所述油分离器；

9、所述自动回油单元包括自动回油室，所述收集室通过回油通道连接至所述自动回油室，所述自动回油室通过充油通道连接至所述压缩机。

10、而且，所述自动回油室上设置有油位传感器，所述自动回油室下端通过排油通道连接至所述收集室，所述排油通道上设置有排油阀，所述收集室上设置有单向阀，所述收集室连接至所述储存室。

11、本发明的优点和有益效果为：

12、1、本发明的地热单井井下换热器及自动回油换热系统安装在地表下，通过改变进出口位置完成循环水和地热水的换热过程，满足“取热不取水”的要求，符合目前地热开发的环保要求。

13、2、本发明的地热单井井下换热器，换热器采用的是改进的板壳式换热器，在换热器中加入了两块匀速板，匀速板上设置了不同大小的通孔，通过改变流道的截面面积，实现对壳程进口流体和板程进口流体的流量控制，使得流量分布均匀，提高换热器的换热效率。

14、3、本发明的地热单井井下自动回油换热系统，通过设置的自动回油单元解决了由于润滑油不足造成的压缩机损坏问题，解决换热系统的跑油问题；且自动回油单元的工作无需人工干预，降低人工维护的成本，大大减少维护的工作量，增强机组的可靠性。

技术特征：

1.一种地热单井井下换热器，包括板壳式换热器壳体(5)，其特征在于：所述板壳式换热器壳体(5)内横向间隔布置若干板管束(8)，所述板壳式换热器壳体(5)的下端左侧设置板程入口(6)，所述板壳式换热器壳体(5)的下端右侧设置板程出口(7)，所述板壳式换热器壳体(5)的上端左侧设置壳程出口(10)，所述板壳式换热器壳体(5)的上端右侧设置壳程入口(9)，所述板壳式换热器壳体(5)内靠近壳程入口(9)设置有匀速板a(11)，所述板壳式换热器壳体(5)内靠近板程入口(6)设置有匀速板b(12)，所述匀速板a(11)上端设置有通孔(13)，所述匀速板b(12)下端设置有通孔(13)。

2.根据权利要求1所述的地热单井井下换热器，其特征在于：所述匀速板a(11)及匀速板b(12)上的通孔(13)个数为若干个，且间隔分布；所述匀速板a(11)及匀速板b(12)上若干个通孔(13)的面积均不相同，所述匀速板a(11)的通孔(13)面积自地面向地热层不断减小，所述匀速板b(12)的通孔(13)面积自地面向地热层不断增大。

3.根据权利要求1所述的地热单井井下换热器，其特征在于：所述匀速板a(11)、匀速板b(12)的前后侧均为弯曲呈弧形的弧面板，所述弧面板的弧度与所述板壳式换热器壳体(5)的弧度吻合。

4.一种地热单井井下自动回油换热系统，采用权利要求1～3任意一项所述的地热单井井下换热器，其特征在于：包括地面供暖单元、地下采热单元及自动回油单元，所述地面供暖单元及自动回油单元均设置于地面上，所述地下采热单元设置于地热层(24)的地下井(23)中，所述地面供暖单元通过进水通道连接至所述地下采热单元，所述地下采热单元通过回油通道连接至所述自动回油单元，所述自动回油单元通过充油通道连接至所述地面供暖单元，所述进水通道上设置有节流阀(4)，所述回油通道上设置有回油泵(21)，所述充油通道上设置有充油阀(22)；

5.根据权利要求1所述的地热单井井下自动回油换热系统，其特征在于：所述自动回油室(18)上设置有油位传感器(19)，所述自动回油室(18)下端通过排油通道连接至所述收集室(15)，所述排油通道上设置有排油阀(20)，所述收集室(15)上设置有单向阀(16)，所述收集室(15)连接至所述储存室(17)。

技术总结
本发明涉及一种地热单井井下换热器及自动回油换热系统，在板壳式换热器内部设置两块匀速板，并在匀速板上设置不同大小的通孔，从而保证进入每组板片间流体流速相同，流量相等，用于解决现有板壳式换热器内部的不同板片间的流量分布不均而造成换热性能下降的技术问题；同时为进一步降低地热单井换热系统的耗功进而提高取热功率，在换热系统中设置了自动回油单元，解决换热系统中压缩机的跑油问题。本发明满足“取热不取水”的要求，且能够提高换热器的换热效率；同时解决了由于润滑油不足造成的压缩机损坏问题，自动回油单元的工作无需人工干预，降低人工维护的成本，大大减少维护的工作量，增强机组的可靠性。

技术研发人员：张伟,孙田依,刘东喜,谷迪,胡茂芹
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17