一种降阻增效型中深层地热同轴套管换热器的制作方法

1.本实用新型涉及换热器技术领域，具体为一种降阻增效型中深层地热同轴套管换热器。


背景技术：

2.随着能源行业的发展，能源结构形式较传统已经发生了巨大的变革。现有中深层地热换热技术以取水换热居多，取热而不取水的技术储备少，仅在这几年才陆续发展和得以应用。
3.专利号201810746719.8公开了《一种中深层地岩热井同轴地埋管式井下换热器》，是一种中深层地岩热井同轴地埋管式井下换热器技术，包括由外套管和中心管组成的双筒同轴套管，所述外套管的底端设置堵头，所述中心管的底端设置挡块，使其悬空在外套管中，循环工质从外套管上部流入，经中心管的底端后从中心管的上部流出。该技术存在诸多问题，例如该技术没有考虑内套管热胀冷缩问题，导致内套管不能置于挡块上；底部堵头为异形结构，运行过程中容易结垢，增大介质流动阻力等。
4.专利号202122139450.7公开了《一种无干扰中深层地热井内套管配重设备》，该技术包括由上到下一次串联连接的内套管连接器、多个配重器、连接钢丝和引导器组成。该专利也存在问题，专利中采用钢丝固定会存在不牢固及水下容易生锈脱离；配重器设置减阻力措施，导致换热介质运行阻力过大等。
5.专利号202210078317.1公开的《中深层地热供热装置》，该技术涉及地热供热装置技术领域，具体涉及中深层地热供热装置。该装置包括：调节室，套设于外管外侧，调节室内灌注有导热介质；压缩机适于对所述调节室进行加压，以改变所述调节室内的空气段与导热介质段长度占比。该技术存在不足之处：未考虑井口恒温层之下到井底整个地热井换热，地热井造价相对较高，应充分利用。
6.综上所述，现有技术未能很好的解决地热换热效率、降低换热介质阻力等问题。本专利为解决这些问题，从本质或源头上高效地解决换热介质阻力问题，该专利对提升中深层地热技术应用具有里程碑意义。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种降阻增效型中深层地热同轴套管换热器，以解决背景技术中所提出的问题。
8.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种降阻增效型中深层地热同轴套管换热器，包括外套管和中心管，所述中心管置于外套管的内腔内，中心管的底部安装有降阻器，降阻器包括球壳状缓冲器和锥体导流器，锥体导流器安装在球壳缓冲器上，球壳缓冲器通过鱼鳔状连接体在中心管上，球壳缓冲器与外套管之间设置有密封橡胶圈。
9.需要进一步说明的，所述中心管和外套管的中轴线位于同一直线上。
10.需要进一步说明的，所述外套管采用钢管。
11.需要进一步说明的，所述中心管采用ppr管。
12.需要进一步说明的，所述球壳缓冲器的外径略小于外套管的直径，便于缓冲器在外套管内滑动。
13.需要进一步说明的，所述锥体导流器的锥顶伸入中心管内，圆锥体导流器为呈圆锥形的金属块。
14.需要进一步说明的，所述鱼鳔状连接体采用呈鱼鳔状的金属块。
15.与现有技术相比，本实用新型提供了一种降阻增效型中深层地热同轴套管换热器，具备以下有益效果：
16.一方面可以增大换热面积，增强换热效率；另一方面作为换热介质导流器，减少换热介质对外套管底部摩擦和冲击，提高外套管使用寿命。该换热器可减少换热介质流动阻力，降低电机能耗；增大换热面积，提高换热效率，对节能降耗具有非常高意义。
附图说明
17.图1为本实用新型提出的一种降阻增效型中深层地热同轴套管换热器的结构示意图；
18.图2为本实用新型提出的一种降阻增效型中深层地热同轴套管换热器的俯视图；
19.图3为本实用新型提出的一种降阻增效型中深层地热同轴套管换热器的鱼鳔状连接体横截图；
20.图4为本实用新型提出的一种降阻增效型中深层地热同轴套管换热器的密封橡胶圈局部放大图。
21.图中：1、外套管；2、中心管；3、球壳缓冲器；4、锥体导流器；5鱼鳔状连接体；6密封橡胶圈。
具体实施方式
22.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
23.请参阅图1，一种降阻增效型中深层地热同轴套管换热器，包含外套管1和中心管2组成的双筒同轴套管，在换热器底部安装一个随中心管热胀冷缩而移动的降阻器，降阻器由两部分组成：一部分为球壳状缓冲器3；另一部分为锥体导流器4。锥体导流器4固定在球壳缓冲器3上，安装时确保锥体导流器4伸入中心管2内，球壳缓冲器3通过鱼鳔状连接体5在中心管2上，固定在中心管2上的降阻器随中心管2热胀冷缩而移动，外套管1与降阻器之间安装密封橡胶圈6。外套管1采用硬度、延展性、不锈钢等合适材料，此材料应当具有良好导热特性。所述换热器中心管2采用抗氧化、韧性好、热稳定性好、高热阻等特性材料。
24.所述换热器中的换热介质由外套管1和中心管2所构成的环腔流入，从中心管2中流出，可根据换热设计参数设计循环介质流速等。
25.所述换热器中球壳缓冲器3采用高硬度、耐腐蚀等属性材料，此材料具有低热阻特性。
26.锥体导流器4，圆锥体采用硬度较高、耐摩擦、不易生锈等属性合适的材料，此材料应当具有低热阻特性。
27.本实用新型装置包括两部分内容。
28.第一部分为中深层地热井降阻器，降阻器包含锥体导流器4和球壳状缓冲器3。
29.锥体导流器4发挥两方面作用：第一使外套管1底部形成向中心管2流动空腔，减少换热介质流动换热阻力，同时降低换热介质对外套管1底部摩擦和冲击，增加外套管使用寿命；第二是增大外套管底部换热面积，增强换热效率。
30.球壳状缓冲器3：一方面球壳状换热面积最大，增大换热效率；另一方面球壳能很好的缓冲换热介质，减少换热介质动能损失。
31.第二部分为降阻器固定装置及密封装置。
32.参阅图3，鱼鳔状连接体5：一端连接降阻器，另一端与中心管2采用螺纹或机械连接。主要作用：连接降阻器和中心管2；鱼鳔状可以降低换热介质沿程阻力的损失。
33.参阅图4，密封橡胶圈6：将密封橡胶6固定于球壳状缓冲器3边缘。主要的作用：防止降阻器在换热介质流动过程中引起的晃动，可以防止降阻器对外套管1壁的撞击，提高降阻器使用寿命；防止换热介质穿过降阻器进入降阻器之下，这样可以降低水头损失；防止降阻器在因热胀冷缩移动而导致对外套管1壁的摩擦。
34.本换热器的安装及实施过程：
35.第一步，根据中心管和外套管的尺寸确定锥体导流器4尺寸；
36.第二步，将制好的圆锥体导流器4固定于球壳状缓冲器3内侧，圆锥体导流器4锥顶伸入中心管2内，球壳状缓冲器3外径略小于外套管直径1；
37.第三步，采用鱼鳔状连接器5，将降阻器固定于中心管上，球壳边缘与外套管之间配置橡胶密封圈6；
38.第四步，将中心管置入外套管1内，确保圆锥体4的锥顶部位伸入中心管内。
39.实例应用：
40.根据以下公式可以计算出降阻器局部阻力系数和局部阻力，装降阻器局部阻力系数与不装降阻器局部系数相比较，可知道降阻器降阻增效实际效果
41.式(1)为雷诺特征数公式。
[0042][0043]
式中：v1——为换热介质进口速度，m/s；ρ——换热介质密度，kg/m3；d为特征长度；μ——动力黏性，pa
·
s。
[0044]
式(2)为沿程阻力系数公式。
[0045][0046]
式(3)为圆管弯曲角度为90
°
时的局部阻力系数公式。
[0047][0048]
式中：r——为内管内径。
[0049]
式(4)为大于90
°
的系数公式。
[0050][0051]
式中：θ——为介质流动角度。
[0052]
式(5)为降阻器与降阻器角度为90
°
局部阻力系数的关系式。
[0053]
ζ
θ
＝ζ
90
°
×
α)
ꢀꢀꢀ
(5)
[0054]
式(6)为降阻器的局部阻力表达式。
[0055][0056]
式中：v2——为换热介质出口速度，m/s；g——为重力加速度，m/s2。
[0057]
式(7)为降阻器与直角管道局部阻力之比。
[0058][0059]
式中：h
jz
——不装降阻器局部阻力。
[0060]
应用案例：
[0061]
一口2500m深的中深层地热井外套管内径200mm，中心管内径100mm，介质流体在外套管的流速设计值为2m/s，地下约2500m，管内温度约为80℃，密度为971.8kg/m3，动力黏度0.3565
·
10-3pa
·
s。采用导流器方式安装管底，按照公式计算出降阻器局部阻力系数为0.12523，不装降阻器局部阻力系数约为0.5，与常规相比0.12523/0.5≈0.25。根据计算结果可知降阻器与不装降阻器可减少75％阻力损失，大幅降低阻力增加能效。
[0062]
最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种降阻增效型中深层地热同轴套管换热器，包括外套管和中心管，其特征在于：所述中心管置于外套管的内腔内，中心管的底部安装有降阻器，降阻器包括球壳状缓冲器和锥体导流器，锥体导流器安装在球壳缓冲器上，球壳缓冲器通过鱼鳔状连接体在中心管上，球壳缓冲器与外套管之间设置有密封橡胶圈。2.根据权利要求1所述的一种降阻增效型中深层地热同轴套管换热器，其特征在于：所述中心管和外套管的中轴线位于同一直线上。3.根据权利要求1所述的一种降阻增效型中深层地热同轴套管换热器，其特征在于：所述外套管采用钢管。4.根据权利要求1所述的一种降阻增效型中深层地热同轴套管换热器，其特征在于：所述中心管采用ppr管。5.根据权利要求1所述的一种降阻增效型中深层地热同轴套管换热器，其特征在于：所述球壳缓冲器的外径小于外套管的直径。6.根据权利要求1所述的一种降阻增效型中深层地热同轴套管换热器，其特征在于：所述锥体导流器的锥顶伸入中心管内，锥体导流器为呈锥形的金属块。7.根据权利要求1所述的一种降阻增效型中深层地热同轴套管换热器，其特征在于：所述鱼鳔状连接体采用呈鱼鳔状的金属块。

技术总结
本实用新型公开了一种降阻增效型中深层地热同轴套管换热器，中心管置于外套管的内腔内，中心管的底部安装有降阻器，降阻器包括球壳状缓冲器和锥体导流器，锥体导流器安装在球壳缓冲器上，球壳缓冲器通过鱼鳔状连接体在中心管上，球壳缓冲器与外套管之间设置有密封橡胶圈。一方面可以增大换热面积，增强换热效率；另一方面作为换热介质导流器，减少换热介质对外套管底部摩擦和冲击，提高外套管使用寿命。该换热器可减少换热介质流动阻力，降低电机能耗；增大换热面积，提高换热效率，对节能降耗具有非常高意义。有非常高意义。有非常高意义。


技术研发人员：唐远程 韦启珍 孙志云 卢小龙 陈贺伟 李俊宇
受保护的技术使用者：中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司
技术研发日：2023.02.21
技术公布日：2023/7/14