GEOTHERMAL ENERGY MINING SYSTEM USING STEPPED GRAVITY-ASSISTED HEAT PIPE HAVING NO ACCUMULATED LIQUID EFFECT

本发明涉及地热开采技术领域，具体涉及一种无积液效应的阶梯式重力热管地热开采系统。

随着化石燃料储量的减少，及其开发利用带来的环境问题日益严重，可再生且无污染的新能源备受人们关注。与其他可再生能源相比，地热能具有稳定可靠，不受天气、季节、气候和昼夜变化等因素影响的特点，更加适合作为供暖及电力系统的基础能源。目前地热资源开发利用不仅包括供暖、种植等直接利用，还能够实现地热制冷、中高温地热资源发电。此外，地热资源开发也从中浅层水热型资源，向着干热岩资源等更深赋存的地热资源发展。

热管利用管内工质的相变，可以将热量迅速地从高温端传输到低温端。热管具有较高的导热性、优良的等温性等特征，是目前最有效的传热设备之一。相比于常规地热系统，使用热管来提出干热岩中的热能不需要消耗额外的泵功，同时由于传热工质仅在管内循环，可以有效避免出现工质流失、管道结垢以及环境污染等问题。

目前传统重力热管已成功地用于浅层地热的开发和利用，如融雪、冻土层稳定、农业大棚升温、池塘加温等方面。但随着地热资源开采向着更深地层发展的同时，现有地热热管的技术瓶颈也日趋明显。目前应用于地热开采的重力热管中，为了保证吸热段的充分润湿需要在热管吸热段形成一段液柱，受到重 力的作用，处在液位较深处的工质压力较高，其饱和温度也较高。当液位深度大于一定值时，液态工质的饱和温度会高于管外温度，这时液态工质将无法蒸发，导致热管传热效率大大降低。

发明内容

本发明提供一种无积液效应的阶梯式重力热管地热开采系统，以实现对深层地热能的高效开采。

本发明采取的以下技术方案：

一种无积液效应的阶梯式重力热管地热开采系统，包括重力热管1、冷凝器2和蓄液箱3，其中，重力热管1位于地下，冷凝器2和蓄液箱3位于地面；

重力热管1包括外管8与内管9，外管8与内管9的间隙采用阶梯式分隔结构，该结构的特征为，在外管8与内管9的间隙中设有多个分隔板10和多个液位控制管11，多个分隔板10在垂直方向上依次布置于重力热管1与高温岩体6接触的区域，并将外管8与内管9的间隙分隔成多个区段，两个相邻的区段通过液位控制管11进行连通，最顶层分隔区段与回液管7相连，液位控制管11为固定在分隔板上的中空管道，当分隔区段中的液位高于该管道时，液态工质通过该管道流入下一级分隔区段，使得每级分隔区段的液位维持在一定高度；

液态工质通过回液管7从蓄液箱3中依次流入外管8与内管9间隙中的各级分隔区段，并透过外管8的管壁从高温岩体6中吸收热量，然后汽化为气态工质进入内管9并上升至冷凝器2；冷凝器2与外界进行热交换，将气态工质冷凝为液态工质，并输送至蓄液箱3，蓄液箱3中的液态工质再通过回液管7重新 进入重力热管1进行循环。

进一步地，外管8内壁在分隔板10下部区域布有一定长度的吸液芯12，吸液芯12底部浸没于液态工质中，以确保外管8内壁在液位以上的区域充分润湿。

进一步地，内管9在液位控制管11顶部与上部分隔板10之间的壁面上布有若干气孔13，液态工质在分隔区段中吸热汽化之后，通过气孔13进入到内管9并上升至冷凝器2。

进一步地，内管9底部设有开孔，外管8与内管9间隙中最底部分隔区段的液态工质通过该开孔流入到内管9中，内管9底部在管壁内侧设有上液位检测计14和下液位检测计15，其中，上液位检测计14位于最底部分隔区段的气孔13下方，下液位检测计15位于内管9底部开孔上方。

进一步地，蓄液箱3与回液管7的连接管道中设有节流阀5，通过控制该节流阀5的开度调节液态工质的回流量。

与现有地热能开采装置相比，本发明具有以下优点：

1)本发明利用热管内的工质相变作用，自发地实现干热岩地热资源的开采，不需要提供辅助动力来维持系统运行；系统运行过程中，管道传热工质为封闭式循环，不与岩石接触，避免了工质损失、管道结垢以及环境污染等问题；

2)本发明将热管吸热段设计为阶梯式分隔结构，通过液位控制管将每个分隔区段的液位限制在一定高度。该设计可以在保证吸热段充分润湿的同时，避免由于液位过高导致工质难以蒸发的问题，从而大幅提高了使用超长热管开采地热能时的传热效率；

3)本发明包含工质回流量控制阀，并在热管底部布置有液位检测装置。实际应用中，可以根据液位检测装置来调节工质回流量。该设计更具实用性，可以确保热管内部没有积液和干烧现象的产生。

图1为本发明无积液效应的阶梯式重力热管地热开采系统实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例中内管、流量控制管与分隔板的连接示意图；

附图标记说明：1、阶梯式重力热管；2、冷凝器；3、蓄液箱；4、排气/注液阀；5、节流阀；6、高温岩体；7、回液管；8、外管；9、内管；10、分隔板；11、液位控制管；12、吸液芯；13、气孔；14、上液位检测计；15、下液位检测计。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本实施例无积液效应的阶梯式重力热管地热开采系统，包括阶梯式重力热管1、冷凝器2和蓄液箱3；阶梯式重力热管1包括回液管7、外管8、内管9；回液管7位于外管8与内管9的间隙中并与蓄液箱3相连；内管9顶部蒸汽出口与冷凝器2相连；冷凝器2与外界进行换热，其冷凝液出口与蓄液箱3相连；蓄液箱3中的液态工质通过回液管7重新进入到阶梯式重力热管1进行循环。

在外管8与内管9的间隙中设有分隔板10、液位控制管11和吸液芯12， 分隔板10以相等的间距布置于热管下部与高温岩石6接触的区域，并将外管8与内管9的间隙分隔成多个区段，最顶层分隔区段与回液管7相连，每两个相邻的区段通过液位控制管11进行连通；内管9在液位控制管11顶部与上部分隔板10之间的壁面上布有若干气孔13；内管9、分隔板10、液位控制管11和气孔13的布置方式及相对位置，参加图2。

外管8内壁在分隔板10下部区域布有一定长度的吸液芯12，吸液芯12底部浸没于液态工质中。

内管9底部设有开孔，内管9底部在管壁内侧设有上液位检测计14和下液位检测计15；上液位检测计14位于最底部分隔区段的气孔下方，下液位检测计15位于内管底部开孔上方。

蓄液箱3包含排气/注液阀4，用于排出蓄液箱中的不凝性气体，以及往蓄液箱3中灌注流体工质，蓄液箱3与回液管7的连接管道中设有节流阀5。

本实施例的实施方法是：

1)经地质勘查确定高温岩体靶区，并从地面向高温岩体6钻井；

2)将外管8放置于钻井内，在外管8和钻井井孔间灌注泥浆，用于固井和填充外管8与岩体之间的间隙；

3)根据井下测温数据和系统设计采热率，通过计算或实验确定工质可接受的最大积液高度；

4)以工质可接受的最大积液高度为间隔，在内管9的管壁上焊接分隔板10，并加工气孔13；在分隔板上焊接液位控制管11；在内管9最底部开孔，并布置 上下液位检测计1415；

5)将加工后的内管9和回液管7放置于外管8中，并在外管8内部布置吸液芯12，然后对外管8顶部进行密封，并将内管9顶部、冷凝器2、蓄液箱3和回液管7依次连通。

6)通过排气/注液阀4对系统抽真空，然后关闭节流阀5，往蓄液箱3中注入足量的流体工质；

7)逐渐开启节流阀5，使系统开始运行。当下液位检测计15未监测到液体浸没时，适当增加节流阀5开度，当上液位检测计14监测到液体浸没时，适当减小节流阀5开度；使内管中的液位保持在两个液位计之间，通过这种方法可以避免运行过程中热管内部出现干枯或积液现象；

8)运行过程中，流体工质从蓄液箱3中通过回液管7流入到最顶部分隔区段，当该分隔区的液位高于液位控制管11时，液态工质会自动流入到下一级分隔区段；每个分隔区段的液态工质会透过外管8从高温岩体6中吸热气化，变为气态工质之后再通过气孔13进入内管9，并流入到冷凝器2中放热冷凝，最后回流到蓄液箱3中。

分隔板10，为了保证分隔板10与外管8之间的密封性，可以在分隔板10外圈加工凹槽，用于放置O型密封圈。

吸液芯12贴于外管8的内壁之上，吸液芯12下部应充分浸没于液态工质中，确保能使外管8内壁在液位以上的区域充分润湿。

高温岩体，包括但不限于高渗透性含水岩体、干热岩、以及通过水力激发 等手段建造的人工裂隙岩体。

工质，包括但不限于蒸馏水、氨、二氧化碳、及各类有机工质。

可选的，可在外管8顶部设计额外的排气阀，将外管8与内管9在非吸热区域的间隙抽成真空，用于对内管9中的气体工质进行保温。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。