具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了能够实现对地热深井的“取热不取水”，实现高效换热以及地热能的可持续利用的目的，在本申请中提出了一种井下强化换热系统，图1为本发明实施例中井下强化换热系统井下部分的结构示意图，图2为本发明实施例中井下强化换热系统井上部分的结构示意图，如图1和图2所示，井下强化换热系统可以包括：下入至地热储层200的第一井筒和位于第一井筒上方并与第一井筒连通的第二井筒11，第一井筒的直径小于第二井筒11的直径；第一井筒的侧壁上开设有对流通孔以使第一井筒内部与地热储层200内的地下水形成对流；设置在第二井筒11底部的固定台10；设置在第二井筒11中沿竖直方向延伸的换热器套筒5，换热器套筒5的侧壁上开设有排水孔14；设置在第一井筒中的沿竖直方向延伸的管体7；连接在固定台10上的泵体6，泵体6的进口与管体7的上端相连通，泵体6的出口与换热器套筒5的下端相连通；热泵系统，其包括设置在换热器套筒5中的呈螺旋状的换热器3，与换热器3的位于上端的工质进口相连接的工质下降管2，与换热器3的位于下端的工质出口相连接的工质上升管4，依次连接在工质上升管4至工质下降管2之间的压缩机16、冷凝器17、节流阀18，以及热泵系统中充入的工质，所述工质能够在换热器3中被换热器套筒5内的地下水加热成气体。

本申请中的井下强化换热系统通过泵体6将下入至地热储层200的第一井筒内的地热水通过管体7向上抽吸，地热水经过抽吸后向上流入至换热器套筒5内，并与换热器套筒5中设置的呈螺旋状的换热器3进行换热，使得换热器3中的工质吸热温度升高汽化；经过换热器3冷却后的地热水从换热器套筒5侧壁上开设有排水孔14排出至第二井筒11和换热器套筒5之间的环空，在重力的作用下下落至第一井筒中，该地热水如此循环流动。换热器3中的工质汽化后通过工质上升管4上升排出至井外，经过压缩机16压缩成高压气体并且大幅升温，工质再流经冷凝器17进行放热，以将该热量供给热用户。之后工质再经过节流阀18降压降温变成气相和液相两相工质，两相工质通过工质下降管2再流至第一井筒中的换热器3进行换热升温，然后经过工质上升管4流出，如此循环。在整个过程中，地热储层200中的地热水只是在管体7、换热器套筒5、第二井筒11和第一井筒中循环流动，并未抽取地下水输出至井外，实现了对地热深井的“取热不取水”，有效保护地下水资源，也实现高效换热以及地热能的可持续利用的目的。另外，整个运行过程地热水一直在井内循环流动，无需进行回灌操作，同时未对地热水造成污染，地热水也未造成地表化学污染。因此，本申请中的井下强化换热系统具有环保、低成本、可持续开发的优势。

为了能够更好的了解本申请中的井下强化换热系统，下面将对其做进一步解释和说明。如图1所示，井下强化换热系统可以包括：第一井筒、第二井筒11、固定台10、换热器套筒5、管体7、泵体6以及热泵系统。

如图1所示，第一井筒下入至地热储层200中，同时，在第一井筒的侧壁上开设有对流通孔以使第一井筒内部与地热储层200内的地下水形成对流。地热储层200中的地热水通过对流通孔流入至第一井筒中，第一井筒中充满地热水。第一井筒内部与地热储层200内的地下水形成对流，加强第一井筒中的地热水与储层地热水的热交换，实现第一井筒内地热水的热补偿。第一井筒侧壁外的地热储层200可以在周向上沿径向方向向外开设多条对流通道9，该对流通道9与对流通孔相连通，从而利于地热储层200中远离第一井筒区域的地热水能够与一井筒内部的水形成对流，有利于提高第一井筒内地热水的热补偿总量。

如图1所示，第二井筒11位于第一井筒上方并与第一井筒连通。第二井筒11的上端连接地面，下端与第一井筒的上端相连接。第一井筒的直径小于第二井筒11的直径，如此，第一井筒与第二井筒11的连接处具有一台阶。固定台10设置在第二井筒11底部，通过台阶可以支撑住固定台10，这样，固定台10上可以安装或连接其它重量较大的部件，例如泵体6、换热器套筒5和管体7等。固定台10具有连通孔，以使上方和下方能够连通，保证地热水通过固定台10返回第一井筒。第二井筒11上端的筒壁外侧通过固井水泥12固井。地热储层200中的地热水流入第一井筒和第二井筒11后具有一个静液面100，该静液面100可以高于第一井筒，位于第二井筒11的上端和下端之间。第二井筒11的井口处安装有井盖1，以实现对第一井筒和第二井筒11的密封，避免第一井筒和第二井筒11中地热水含有的硫化氢等气体挥发出来，从会造成地表化学污染。

如图1所示，换热器套筒5沿竖直方向延伸，其设置在第二井筒11中。换热器套筒5的上端可以连接在井盖1上，也可以设置在固定台10上，从而实现对热器套筒重量的支撑。管体7沿竖直方向延伸，其设置在第一井筒中，管体7的下端可以伸入至第二井筒11的底部，管体7的上端可以连接在固定台10上。泵体6也连接设置在固定台10上，优选地，位于换热器套筒5内部。泵体6的进口与管体7的上端相连通，泵体6的出口与换热器套筒5相连通。泵体6需要设置在静液面100之下，优选地，靠近静液面100处。这样当泵体6运行时可以将第一井筒底部的高温地热水通过管体7向上抽，从而进入换热器套筒5继续向上流动，直至到达换热器套筒5的侧壁上开设的排水孔14处，通过排水孔14流出换热器套筒5至第二井筒11和换热器套筒5之间的环空，在重力的作用下下流至第二井筒11、再回至第一井筒底部处，如此循环。作为可行的，管体7的下端处可以设置有用于除砂的过滤网8，这样可以过滤掉地热水中的泥沙杂质等。由于通过排水孔14流出换热器套筒5至第二井筒11的地热水温度已经降低，因此，当其流至第二井筒11中静液面100处后，由于温度低，密度大，第一井筒中的地热水温度高密度小，因此依靠密度差形成地热水自循环回路，低温地热水在流向井底的过程不断吸热升温，井底的地热水则会在管体7中上升。

如图1所示，热泵系统可以包括换热器3、工质下降管2、工质上升管4、压缩机16、冷凝器17以及节流阀18。其中，换热器3设置在换热器套筒5中，换热器3的换热管呈螺旋状，螺旋状的轴线沿竖直方向延伸。换热器3呈螺旋状在空间有限的换热器套筒5中可以有效提高换热器3的换热面积。工质下降管2与换热器3的位于上端的工质进口相连接，工质上升管4与换热器3的位于下端的工质出口相连接。通过上述结构，相对温度低的工质在螺旋状的换热器3中由上向下流动，换热器套筒5中的地热水在泵体6的驱动下由下向上流动，相对温度较高的地热水优先冲刷换热器3下端中温度升高后的工质。热泵系统中充入的工质为能够在换热器3中被地热储层200内的地下水加热成气体的工质，可以理解为低沸点工质，一般可以选用沸点低于0度的环保工质。低沸点工质与相对温度较高的地热水形成逆向强迫对流，工质在呈螺旋状的换热器3内吸热沸腾汽化。汽化后的工质通过工质上升管4上升。工质下降管2和工质上升管4则可以通过井盖1嵌套固定。

如图2所示，压缩机16、冷凝器17、节流阀18依次连接在工质上升管4至工质下降管2之间。换热器3中的工质汽化后通过工质上升管4上升排出至井外，经过压缩机16压缩成高压气体并且大幅升温，工质再流经冷凝器17进行放热，以将该热量供给热用户。通过上述过程，可以简化设备，减少二次间接换热，以提高热量的利用效率。之后液相工质再经过节流阀18降压降温变成气相和液相两相工质，两相工质通过工质下降管2再流至第一井筒中的换热器3进行换热升温，然后经过工质上升管4流出，如此循环。在工质下降管2中的液相工质密度大，而工质上升管4中呈气态的工质密度小，如此通过密度差为工质循环提供动力，减少耗功。

作为优选地，如图2所示，换热器3位于静液面100之上，例如可以在2m左右处，泵体6可以选用潜水泵，其只需提供静液面100到换热器3的扬程，而无需将地热水输送至地面，减小地热水输送至地面而消耗的电能。

在一种优选的实施方式中，如图1和图2所示，换热器3可以包括第一螺旋管31和第二螺旋管32，第二螺旋管32的整体形状的径向尺寸小于第一螺旋管31的整体形状的径向尺寸，第二螺旋管32位于第一螺旋管31的中部。工质下降管2的下端分别与第一螺旋管31、第二螺旋管32位于上端的工质进口相连接。工质上升管4的下端可以连接一联箱13，联箱13分别与第一螺旋管31、第二螺旋管32位于下端的工质出口相连接。第一螺旋管31、第二螺旋管32中工质在管内蒸发形成气体，气体在联箱13内汇集，然后经工质上升管4供给地面装置。通过上述方式，可以最大化的利用换热器套筒5中的空间，大大增加换热器3的螺旋管的数量，从而增大换热面积。而且，就具有螺旋管的换热器3而言，相对于直管的换热器3，相同换热面积下螺旋管结构更为紧凑，而且能保证壳程内的压力平衡；此外更容易实现管外流体的紊流，有助于强化换热，提高总体的换热效率。此外，具有第一螺旋管31和第二螺旋管32的换热器3设置有联箱13，联箱13能够起到汇集、混合工质气体以及减小热偏差的目的。作为更优选的实施方式，换热器3还可以包括第三螺旋管，其可以小于第二螺旋管32的整体形状的径向尺寸，其可以设置位于第二螺旋管32的中部。

总体而言，优选地，换热器3形成紧凑型的高长径比换热器，即换热器3在竖直方向的高度大于在水平方向的宽度。这样可以增加换热器3在换热器套筒5内的换热面积。低沸点工质与高温地热水形成逆向强迫对流，工质在螺旋换热段内更好的吸热沸腾，以提高换热效率。

在一种优选的实施方式中，换热器3的呈螺旋状的换热管的内壁面可以开设有呈螺旋状延伸的凹槽。该凹槽的断面可以呈矩形。这样可以使得工质在换热管中流动时产生旋转，进而产生流动脱离区以形成强度不同、大小不等的漩涡，从而增强湍流度，形成液体对壁面的强烈扰动，加速气泡脱离壁面，以提高管内工质的换热系数。

为了降低热量的损失，工质上升管4外壁面可以涂覆有绝热材料15。工质下降管2外壁面可以涂覆有绝热材料15。换热器套筒5的外壁面涂覆有绝热材料15。管体7的外壁面涂覆有绝热材料15。绝热材料15可以选用具有耐腐蚀、不易燃、耐高温特点的无机绝热材料，例如，可以是石棉、玻璃纤维、硅藻土等低导热系数的绝热材料。

在本申请中还提出了一种井下强化换热方法，该井下强化换热方法可以包括：

第一井筒中的地热水通过对流通孔与地热储层200内的地下水形成对流。

泵体6通过管体7将第一井筒中的地热水向上驱动至换热器套筒5内并冲刷换热器3，高温地热水与换热器3内低沸点工质形成逆向强迫对流并进行热交换，从而使得换热器3中的工质汽化。

与换热器3中的工质换热后的地热水通过排水孔14反流至第二井筒11、第一井筒。

汽化后的工质通过工质上升管4经过压缩机16压缩升温，再经过冷凝器17时将热量释放。

在一个具体的实施例中，采用本申请中的井下强化换热系统，其中工质采用R134a，井深200m左右，即第一井筒下入深度达200m左右。管体7下方的地热水的温度在60℃至70℃。泵体6将井下中高温地热水通过管体7抽至换热器套筒5中冲刷换热器3，节流阀18节流降压后的工质经工质下降管2进入换热器3的螺旋换热段与地热水进行逆流换热，换热器3内工质受热蒸发形成气体，在联箱13汇集后经工质上升管4供给压缩机16，气体工质被压缩形成高温高压工质并进入冷凝器17与用户端换热将热量放出，冷凝后的工质进入节流阀18降压成为汽液两相工质再进入工质下降管2。其中，工质在工质下降管2和工质上升管4内的密度差使工质自循环进行循环流动，热泵的COP可达5以上。本实施方式采用取热不取水的地热单井强化换热方法能有效达到高性能、高效率取热并用于供暖的目的。

本申请中的井下强化换热系统及方法具有如下优点：1、换热器3中的换热段采用紧凑型螺旋式，其可以增加单位体积换热面积，减小对流传热热阻。2、换热器3螺旋换热管内壁面设置有槽沟，可以使流体流过时产生流动脱离区而形成强度不同、大小不等的漩涡，改变流体结构并增强湍流度，提高换热系数。3、低沸点工质与高温地热水形成逆向强迫对流并进行热交换，工质在螺旋换热管中受热蒸发沸腾，以实现强化换热。4、第一井筒内冷地热水下降过程中在压力的作用下通过对流通道9与地热储层200中地下水进行传热传质，实现强迫对流，从而提升了地热水之间的换热系数，进而提高了冷地热水的升温速度。

本申请实现了针对地热深井的“取热不取水”，有效解决传统取热技术存在的回灌率低、地面沉降、热水资源枯竭、热污染、设备腐蚀结垢以及单井换热系统取热量少、传热面积有限、换热效率低等问题，达到了提高换热系数、实现高效换热以及地热能可持续利用的目的。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。