一种增强地热换热系统热交换能力的高导热胶凝材料的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种应用于深层地热开采换热系统增强地热换热系统热交换能力的高导热胶凝材料。
【背景技术】
[0002]因为深层地热资源具有热储量大、热稳定性好、环保节能、可再生等诸多优点，其开发利用逐渐受到大家的关注。中国目前地热利用以直接利用为主，以间接利用为辅。直接利用是开采地下热水利用地热，间接利用是通过换热装置将地热能取出利用，从长远发展来看，直接利用是不可持续的地热开采利用方式；间接利用是可持续的地热开采利用方式。间接利用是向地下钻深井，在深井中下套管，将管外地热能通过管壁换热交换到工作循环介质上，最后通过循环介质将热能输出，回填和固井是该系统施工过程中的重要环节。回填的填充材料介于换热管道和钻孔岩层壁之间，用来稳定换热管道、增强换热管道和周围岩层之间的换热、防止地面水向下渗透、防止各岩层蓄水层之间的水交叉渗透和污染。目前尚无用于深层地热换热管道系统的针对性填充材料。采用导热性不良和收缩干裂的填充材料将增大钻孔内的热阻，减小换热量和换热效率；如果不回填，管道外将充满静止的水，静止水的导热系数很小，仅有0.60ff/m.K，同时水的存在还会腐蚀管道，缩短管道的寿命。这些不利因素的存在将会导致系统的投资增大，系统运行的风险增大，换热系统的寿命缩短。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种具有导热性、工作性、抗渗性等性能良好、且不收缩的一种深层地热换热器固井和回填的增强地热换热系统交换能力的高导热胶凝材料，采用这种材料将增强深层地热系统的换热能力、保护换热管道、延长换热管道寿命，从而实现降低深层地热换热器投资，增强市场竞争力。
[0004]本发明的技术解决方案是:一种增强地热换热系统热交换能力的高导热胶凝材料，包括水泥、钢渣或铜矿渣、石英砂、消泡剂和减水剂，各组份的质量配比为:
[0005]水泥:100克
[0006]钢渣或铜矿渣:50?200克
[0007]石英砂:150?300克
[0008]消泡剂:0.8?3.0克
[0009]减水剂:1.2?3.6克
[0010]消泡剂是有机硅消泡剂，减水剂是聚羧酸减水剂。
[0011]—种增强地热换热系统热交换能力的高导热胶凝材料，所述的各组分质量配比为:
[0012]水泥:100克
[0013]钢渣或铜矿渣:100?150克
[0014]石英砂:200?250克
[0015]消泡剂:1.1?2.5克
[0016]减水剂:1.6?3.0克
[0017]钢渣的比表面积为400?500m2/kg。
[0018]铜矿渣的比表面积为250?450m2/kg。
[0019]钢渣或铜矿渣可以单独使用，也可以将钢渣和铜矿渣以任意比例混合形成新的复合物料使用。
[0020]加入该材料中水泥与钢渣(或铜矿渣)总质量40?50%的水，搅拌均匀后注入钻孔。
[0021]本发明所说的高导热胶凝材料首先是一种增强导热的热传递材料，具有优良的导热性能，即导热系数较高；其次是一种固井保护材料，具有良好的工作性能，如流动性、保水性、强度、抗渗性和膨胀性等，隔绝换热管道与水的接触，防止换热管道的腐蚀损坏。
[0022]本发明综合考虑了高导热胶凝材料应具有的良好导热性、工作性、强度以及经济性等因素，并通过试验优选出的各组分质量比，具体分析如下:
[0023]水泥是一种无机胶凝材料，与水结合将发生水化反应、硬化后产生强度，将高导热胶凝材料各组分胶结在一起，并将换热管道与孔壁紧密结合在一起，是本发明所说的高导热胶凝材料的基础物质。
[0024]钢渣是一种具有潜在活性的胶凝材料，在碱激发的条件下能够水化并产生强度，与高导热胶凝材料各组分胶结；同时钢渣中具有较多的金属材料，经过磁选排出的钢渣中全铁含量为15?20%，铁的存在将显著增强高导热胶凝材料的导热能力，胶结凝固后的高导热胶凝材料导热系数高于普通混凝土或砂浆；此外钢渣中含有一定量的f_CaO(游离氧化钙)和MgO，具有一定的膨胀性，可以防止高导热胶凝材料的开裂，是本发明所说的高导热胶凝材料的重要物质。
[0025]铜矿渣是一种具有潜在活性的辅助性胶凝材料，其特点是富含铁，其全铁含量为20?40%，铁的存在将显著增强高导热胶凝材料的导热能力，磨细后的铜矿渣结构致密，无气孔，与水泥一起水化后形成的胶凝材料具有较高的导热能力，胶结凝固后的高导热胶凝材料导热系数高于普通混凝土或砂浆。铜矿渣可以替代钢渣制备本发明所说的高导热胶凝材料，是本发明所说的高导热胶凝材料的重要物质。
[0026]石英砂一种骨料，具有导热性能良好、经济实惠、容易获得等优点，能够改善本发明所说的高导热胶凝材料的导热性、工作性和强度等性能，是本发明所说的高导热胶凝材料的重要物质。
[0027]消泡剂是一种外加剂，用来消除在高导热胶凝材料在施工过程中形成的泡沫，减小高导热胶凝材料硬化后的孔隙率，增强高导热胶凝材料的导热性能，是本发明所说的高导热胶凝材料的重要辅助物质。
[0028]减水剂是一种外加剂，用来提高施工中高导热胶凝材料的流变性和耐久性，并减小水胶比，降低高导热胶凝材料硬化后的孔隙率，增强高导热胶凝材料的导热性能，是本发明所说的高导热胶凝材料的重要辅助物质。
[0029]本发明具有以下优点:
[0030](I)本发明所述的高导热胶凝材料导热系数高，工作性能良好，具有为微膨胀性，能够充分填密实钻孔，使换热管道与岩层能够紧密结合，增强换热能力。
[0031](2)使用本高导热胶凝材料可以有效保护换热管道不受地下水腐蚀，延长换热管道寿命，降低系统运行风险。
[0032](3)本高导热胶凝材料价格经济、寿命长、容易获得、且对环境无污染。
【具体实施方式】
[0033]实施例1:本发明所述的高导热胶凝材料制作步骤如下:按质量配比由普通硅酸盐水泥(P.032.5R) 100克，比表面积为420m2/kg的钢渣100克，石英砂210克，烟台恒鑫化工科技有限公司的THIX-108有机硅消泡剂1.5克，陕西精诚建材有限责任公司的JCW-Ol聚羧酸高性能减水剂2.0克配制而成。现场施工时按所用水泥和钢渣总质量的50%加水搅拌成均匀浆料注入钻孔。经测试其导热系数为3.13ff/(m.K)，比热是2.14MJ/(m3.K)，膨胀率0.03%，28天抗折强度7.5MPa，28天抗压强度36.4MPa。
[0034]实施例2:本发明所述的高导热胶凝材料制作步骤如下:按质量配比由普通硅酸盐水泥(P *032.5R) 100克，比表面积为380m2/kg的铜矿渣120克，石英砂180克，烟台恒鑫化工科技有限公司的THIX-108有机硅消泡剂1.8克，陕西精诚建材有限责任公司的JCW-Ol聚羧酸高性能减水剂2.2克配制而成。现场施工时按所用水泥和铜矿渣总质量的50%加水搅拌成均匀浆料注入钻孔。经测试其导热系数为3.26ff/ (m.K)，比热是2.35MJ/ (m3.K)，膨胀率0.04%，28天抗折强度6.8MPa，28天抗压强度34.2MPa。
[0035]本发明所说的高导热胶凝材料有两种使用方法:一是在施工现场，按上述质量配比称取各组分，通过机械搅拌至均匀，然后按高导热胶凝材料所用的水泥与钢渣(或铜矿渣)总质量的40-50%加水搅拌均匀后注入钻孔；二是提前按比例将高导热胶凝材料按质量配比混合好，运输至现场胶凝材料中水泥与钢渣(或铜矿渣)总质量的40-50%比例加水搅拌均匀后注入钻孔。
【主权项】
1.一种增强地热换热系统热交换能力的高导热胶凝材料，其特征在于:包括水泥、钢渣或铜矿渣、石英砂、消泡剂和减水剂，各组份的质量配比为: 水泥:100克 钢渣或铜矿渣:50?200克 石英砂:150?300克 消泡剂:0.8?3.0克 减水剂:1.2?3.6克 消泡剂是有机硅消泡剂，减水剂是聚羧酸减水剂。2.根据权利要求1所述的增强地热换热系统热交换能力的高导热胶凝材料，其特征在于:所述的各组分重量比为: 水泥:100克 钢渣或铜矿渣:100?150克 石英砂:200?250克 消泡剂:1.1?2.5克 减水剂:1.6?3.0克3.根据权利要求1所述的增强地热换热系统热交换能力的高导热胶凝材料，其特征在于:钢渣的比表面积为400?500m2/kg。4.根据权利要求1所述的增强地热换热系统热交换能力的高导热胶凝材料，其特征在于:铜矿渣的比表面积为250?450m2/kg。5.根据权利要求1所述的增强地热换热系统热交换能力的高导热胶凝材料，其特征在于:钢渣或铜矿渣可以单独使用，也可以将钢渣和铜矿渣以任意比例混合形成新的复合物料使用。6.根据权利要求1所述的增强地热换热系统热交换能力的高导热胶凝材料，其特征在于:加入该水泥与钢渣或铜矿渣总质量40?50%的水，搅拌均匀后注入钻孔。
【专利摘要】本发明公开了一种增强地热换热系统热交换能力的高导热胶凝材料，包括水泥、钢渣或铜矿渣、石英砂、消泡剂和减水剂，各组份的质量配比为：水泥：100克，钢渣或铜矿渣：50～200克，石英砂：150～300克，消泡剂：0.8～3.0克，减水剂：1.2～3.6克，在施工现场加入该水泥与钢渣或铜矿渣总质量40～50％的水，搅拌均匀后注入钻孔。本发明导热系数高，工作性能良好，具有为微膨胀性，能够充分填密实钻孔，使换热管道与岩层能够紧密结合，增强换热能力。使用本高导热胶凝材料可以有效保护换热管道不受地下水腐蚀，延长换热管道寿命，降低系统运行风险。本发明价格经济、寿命长、容易获得、且对环境无污染。
【IPC分类】C04B28/04
【公开号】CN105174860
【申请号】
【发明人】徐德龙, 冯绍航, 杜兴亮, 陈延信
【申请人】徐德龙, 冯绍航, 杜兴亮, 陈延信
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年8月21日