CN212806638U - 井水侧流动传热强化装置和井下换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于地源热泵技术领域，公开了一种井水侧流动传热强化装置和井下换热器，井水侧流动传热强化装置利用气体压缩装置驱动喷射器通过喷射器引射管路引射水井上部的水，气体与被引射的地下水在喷射器中混合后流出，再经喷射器出口管路到达水井的底部；井下换热除包括井水侧流动传热强化装置外，还包括水井和U型换热管，U型换热管与地源热泵系统地面机组之间由下降管连接管路和上升管连接管路连接构成循环。本实用新型不但能够有效强化井水侧流动传热，还具有简单易行、成本较低的特点，且不受工况和地热储层等条件的限制。

Description

井水侧流动传热强化装置和井下换热器

技术领域

本实用新型属于地源热泵技术领域，尤其是涉及一种用于井下换热器的井水侧流动传热强化装置。

背景技术

作为一种绿色环保的可再生能源，地热能具有稳定性强、受外界环境影响小等突出优势，因此受到了广泛关注。目前，通过地源热泵为建筑供冷供热是地热能利用的主要形式。虽然从地热储层中抽取地下水并通过地源热泵为建筑供冷供热最为直接有效，但是这种方式通常需要采用回灌技术以避免过量开采地下水而导致的地表沉降等环境问题。然而，由于目前的回灌技术难以达到100％回灌，长期以往依然无法避免地表沉降等环境问题。因此，研究者们逐渐将目光转移到“取热(冷)不取水”的地热能利用技术上。

作为一种“取热(冷)不取水”的地热能利用技术，井下换热器与土壤进行换热且无需开采地下水。与同为“取热(冷)不取水”的地埋管技术相比，井下换热器具有更优的传热性能且所需地下换热管的数量较少，因此近年来得到广泛重视和推广。井下换热器通常是由单根U型换热管和水井组成，其中U型换热管置于充满地下水的水井中。在供冷(供热)工况下，从地源热泵系统地面机组中流出的高温(低温)工作介质进入U型换热管中与水井中的地下水进行换热，而后再回到地源热泵系统地面机组中，如此完成工作介质在U型换热管中的一个循环。由于高温(低温)工作介质首先与水井上部的地下水进行换热，然后再与水井下部的地下水进行换热，这使得水井上部的地下水最先被加热(冷却)，这样就会使得水井上部地下水和下部地下水的温差逐渐增大，由此引发显著的热(冷)短路现象，导致井下换热器的性能降低。除此之外，井下换热器的性能在很大程度上还受井内地下水的循环的影响。在无外部驱动力的条件下，井水侧的换热主要以自然对流和导热为主。

为了进一步提升井下换热器的性能，研究者们通过以下手段对井下换热器井水侧的循环进行了优化：

1)采用对流增速管强化井水侧自然对流。对流增速管的两端开有口，其与U型换热管一起置于水井中。供热工况下，水井上部的水温度较低，下部的水温度较高。在浮力作用下，水井下部的热水(低密度)从对流增速管下端开口流出并向水井上部移动，而水井上部的冷水(高密度)从对流增速管上端开口流入并向水井下部移动，不仅强化了井水侧自然对流，还降低了水井上部与水井下部地下水之间的温差，从而提升了井下换热器的性能。但是在供冷工况，水井上部的水温度较高，下部的水温度较低，对流增速管无法发挥作用；

2)采用潜水泵强化井水侧自然对流。在水井中安装潜水泵用来抽吸水井下部的地下水，抽吸上来的地下水再从水井上部排入水井中。该方法在供冷供热工况下都可强化井水侧的自然对流，并且降低水井上部与水井下部地下水之间的温差，但是由于潜水泵安装在井下，给潜水泵的维修或检修带来不便。

可见，现有的井下换热器井水侧流动传热强化技术在功能和使用条件上仍存有缺陷与限制，有待于进一步提升。

实用新型内容

针对上述现有技术存在的缺陷与限制，本实用新型提供一种井水侧流动传热强化装置和井下换热器，其不但能够有效强化井水侧流动传热，还具有简单易行、成本较低的特点，且不受工况和地热储层等条件的限制。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种井水侧流动传热强化装置，包括：

气体压缩装置；

喷射器，其工作流体入口与所述气体压缩装置的出口连接，其引射流体入口与喷射器引射管路的出口连接，其出口与喷射器出口管路的入口连接；

喷射器引射管路，其入口置于水井的上部；

喷射器出口管路，其出口置于水井的底部；

利用所述气体压缩装置驱动所述喷射器通过所述喷射器引射管路引射水井上部的水，气体与被引射的地下水在所述喷射器中混合后流出所述喷射器，再经所述喷射器出口管路到达水井的底部。

进一步地，还包括：

电磁阀，设置在所述气体压缩装置与所述喷射器之间；

第一温度传感器，设置在所述喷射器引射管路的入口处；

第二温度传感器，设置在水井的底部；

控制器，与所述电磁阀、所述第一温度传感器、所述第二温度传感器均信号连接；

所述控制器对所述第一温度传感器、所述第二温度传感器分别检测到的第一温度、第二温度进行温度差值的计算，而后根据温度差值的计算结果控制所述电磁阀的通断。

更进一步地，所述气体压缩装置为空气压缩机或氮气压缩机。

更进一步地，所述喷射器引射管路和所述喷射器出口管路均采用耐腐蚀材料制成。

进一步地，所述第一温度传感器用于检测所述喷射器引射管路的入口处的第一温度，并将所述第一温度传输给所述控制器；所述第二温度传感器用于检测所述水井底部的第二温度，并将所述第二温度传输给所述控制器；所述控制器用于计算所述第一温度和所述第二温度的温度差值，并将计算所得温度差值与预设值进行比较：若所述温度差值大于预设值，则所述控制器控制所述电磁阀开启；若所述温度差值小于等于预设值，则所述控制器控制所述电磁阀关闭。

更进一步地，所述预设值为初始地温分布条件下所述第一温度传感器和所述第二温度传感器所测得的地温差值。

根据本实用新型的另一个方面，提供了一种井下换热器，包括上述的井水侧流动传热强化装置，还包括：

水井，其内部存有地下水；

U型换热管，设置于所述水井中，用于与地下水换热；

下降管连接管路，一端与所述U型换热管的入口连接；

上升管连接管路，一端与所述U型换热管的出口连接；

地源热泵系统地面机组，与所述下降管连接管路的另一端和所述上升管连接管路的另一端分别连接。

进一步地，所述水井和所述U型换热管均采用耐腐蚀材料制成。

本实用新型的有益效果是：

(一)本实用新型提供的井水侧流动传热强化装置，利用气体压缩装置驱动喷射器引射井下换热器水井上部的水，并将形成的气水混合物输送至水井底部，其不仅能使得水井中的冷热水进行掺混，强化井水侧自然对流，还可通过气体上升过程中所形成的扰动进一步强化井水侧流动传热，从而提高井下换热器的整体传热性能。

(二)本实用新型提供的井水侧流动传热强化装置，在供热工况和供冷工况均可适用，并且对地热储层的储量没有要求，因此不受工况和地热储层等条件的限制，实用性强；

(三)本实用新型提供的井水侧流动传热强化装置，其主要设备均置于地面上，不仅简单易操作，还易于维修或检修，设备和运行成本较低；

(四)本实用新型提供的井水侧流动传热强化装置，可将水井上部与水井下部地下水之间的温差控制在预设范围内，进而降低由井水侧地下水温差引起的热短路现象。

(五)本实用新型提供的具有井水侧流动传热强化装置的井下换热器，由于具备前述(一)至(四)的技术效果，其传热性能的提高使得地源热泵系统的整体能效得到提升。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是根据本实用新型实施例的一种井水侧流动传热强化装置的结构示意图；

图2是根据本实用新型实施例的一种井下换热器的结构示意及工作原理图。

上述图中：1，气体压缩装置；2，电磁阀；3，喷射器；4，喷射器引射管路；5，喷射器出口管路；6，第一温度传感器；7，水井；8，U型换热管；9，第二温度传感器；10，下降管连接管路；11，上升管连接管路；12，地源热泵系统地面机组；13，控制器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

在本实施例中提供了一种井水侧流动传热强化装置，该井水侧流动传热强化装置应用于地源热泵系统的井下换热器中，井下换热器包括水井7和U型换热管8。水井7垂直埋于地下土壤中，且其内部充满地下水；U型换热管8全部浸入水井7中，以保证U型换热管8和水井7充分接触并换热。

图1是根据本实用新型实施例的井水侧流动传热强化装置的结构示意图，如图1所示，该井水侧流动传热强化装置包括气体压缩装置1、喷射器3、喷射器引射管路4、喷射器出口管路5。

其中，气体压缩装置1可以为空气压缩机或氮气压缩机，空气压缩机一般适用于喷射器低压驱动的场景，氮气压缩机一般适用于喷射器高压驱动的场景。

其中，喷射器3是以高压的工作流体引射低压的引射流体，并在出口混合成压力居中的流体的装置，本方案中将喷射器3的高压流体入口和低压流体入口分别称之为工作流体入口和引射流体入口。

气体压缩装置1的出口与喷射器3的工作流体入口连接，喷射器3的引射流体入口与喷射器引射管路4的出口连接，喷射器引射管路4的入口置于水井7的上部。喷射器引射管路4的入口以设置在水井7高度的5％范围内为佳。喷射器3的出口与喷射器出口管路5的入口连接，喷射器出口管路5的出口置于水井7的底部。

通过上述装置，利用气体压缩装置1驱动喷射器3，通过喷射器引射管路4引射井下换热器水井7上部的水，被引射的地下水与从气体压缩装置1出来的高压气体在喷射器3中混合后流出喷射器3，再经喷射器出口管路5到达水井7的底部。在水井7的底部，来自水井7上部的地下水与水井7底部的地下水进行相互掺混，同时水井7底部的地下水被来自水井7上部的地下水抬升，如此地下水形成自下而上的循环流动，水井7中井水侧的自然对流得到强化，并且水井7上部与水井7下部地下水之间的温差逐渐降低。此外，来自气体压缩装置1的气体被输送至水井7的底部，气体形成气泡自下而上流动，能够增强水井7中井水侧的扰动，进一步强化了流动传热过程。

另外，本装置的主要设备：气体压缩装置1和喷射器3，以及喷射器3与喷射器引射管路4、喷射器出口管路5的连接接口均置于地面上，不仅简单易操作，还易于维修或检修，运行成本较低。同时，本实用新型也不受工况和地热储层等条件的限制，实用性强。

作为一种优选的实施方式，喷射器引射管路4和喷射器出口管路5均采用耐腐蚀材料制成，以减轻地下水和空气对喷射器引射管路4和喷射器出口管路5的腐蚀。

在井水侧流动传热强化装置中，喷射器3可以不是一直处于工作状态。作为一种可选的实施方式，本实施例的井水侧流动传热强化装置还包括电磁阀2、第一温度传感器6、第二温度传感器9和控制器13。电磁阀2设置在气体压缩装置1与喷射器3之间，电磁阀2的入口与气体压缩装置1的出口连接，电磁阀2的出口与喷射器3的工作流体入口连接。第一温度传感器6设置在喷射器引射管路4的入口处，第二温度传感器9设置在水井7底部。电磁阀2、第一温度传感器6、第二温度传感器9均与控制器13信号连接，控制器13对第一温度传感器6、第二温度传感器9分别检测到的第一温度、第二温度进行温度差值的计算，而后根据温度差值的计算结果控制电磁阀2的通断。

更为具体地：

第一温度传感器6用于检测喷射器引射管路4的入口处的第一温度，并将第一温度传输给控制器13；

第二温度传感器9用于检测水井7底部的第二温度，并将第二温度传输给控制器13；

控制器13用于计算第一温度和第二温度的温度差值，并将计算所得温度差值与预设值进行比较：若温度差值大于预设值，则控制器13控制电磁阀2开启；若温度差值小于等于预设值，则控制器13控制电磁阀2关闭。

此处的预设值一般可以设定为初始地温分布条件下第一温度传感器6和第二温度传感器9所测得的地温差值。

由此，随着地源热泵系统的运行，水井7上部地下水和下部地下水的温差逐渐增大。若控制器13计算所得温度差值大于预设值，控制器13控制电磁阀2开启，气体压缩装置1中的高压气体经电磁阀2进入喷射器3中引射水井7上部的地下水。随后，水井7上部地下水和下部地下水的温差逐渐降低，直至控制器13计算所得温度差值小于等于预设值时，控制器13控制电磁阀2关闭，喷射器3停止工作。

本实施例还提供了一种井下换热器，图2是根据本实用新型实施例的井下换热器的结构示意及工作原理图，如图2所示，该井下换热器除上述井水侧流动传热强化装置外，还包括水井7、U型换热管8、下降管连接管路10、上升管连接管路11、地源热泵系统地面机组12。水井7垂直埋于地下土壤中，且其内部充满地下水；U型换热管8全部浸入水井7中，以保证U型换热管8和水井7充分接触并换热。U型换热管8的入口与下降管连接管路10的一端连接，下降管连接管路10的另一端与地源热泵系统地面机组12连接。U型换热管8的出口与上升管连接管路11的一端连接，上升管连接管路11的另一端与地源热泵系统地面机组12连接。

当地源热泵系统地面机组12采用常规地源热泵系统，制冷工况时下降管连接管路10与冷凝器的水侧出口连接，制热工况时下降管连接管路10与蒸发器的水侧出口连接。当地源热泵系统地面机组12采用直膨式地源热泵系统，制冷工况时下降管连接管路10与压缩机的出口连接，制热工况时下降管连接管路10与节流阀的出口连接。

当地源热泵系统地面机组12采用常规地源热泵系统，制冷工况时上升管连接管路11与冷凝器的水侧入口连接，制热工况时上升管连接管路11与蒸发器的水侧入口连接。当地源热泵系统地面机组12采用直膨式地源热泵系统，制冷工况时上升管连接管路11与节流阀的入口连接，制热工况时上升管连接管路11与压缩机的入口连接。

作为一种优选的实施方式，水井7的井筒采用耐腐蚀金属材料制成，一方面可减轻地下水和空气对水井7的腐蚀，另一方面金属井筒具有优良的承压能力和导热系数，这不仅可防止水井7变形或坍塌，还可强化土壤与井水的传热过程。

作为一种优选的实施方式，U型换热管8采用耐腐蚀且导热系数高的材料制成，一方面可减轻地下水和空气对U型换热管8的腐蚀，另一方面可强化U型换热管8中的工作介质与井水的传热过程。

地源热泵系统地面机组12可以是常规地源热泵系统，也可以是直膨式地源热泵系统。本实用新型的井水侧流动传热强化装置均可适用。

本实用新型的一种井下换热器的工作原理如下：

在供冷(供热)工况下，从地源热泵系统地面机组12中流出的高温(低温)工作介质经下降管连接管路10进入U型换热管8中与水井7中的地下水进行换热。在U型换热管8的下降管中，高温(低温)工作介质自上而下流动，因此高温(低温)工作介质最先与水井7上部的地下水进行换热，而后再与水井7下部的地下水进行换热，这使得水井7上部的地下水最先被加热(冷却)，水井7上部地下水与下部地下水的温差逐渐增大。在U型换热管8的上升管中，工作介质与水井7中的地下水继续换热，换热完成后工作介质从U型换热管8中流出，再经上升管连接管路11回到地源热泵系统地面机组12中。

在以上工况下，根据设置在喷射器引射管路4的入口的第一温度传感器6和设置在水井7底部的第二温度传感器9，控制器13计算第一温度和第二温度的温度差值大于预设值时，控制器13控制电磁阀2开启，气体压缩装置1中的高压气体经电磁阀2进入喷射器3中引射水井7上部的地下水。高压气体与被引射的地下水在喷射器3中混合后形成带压的气水混合物。气水混合物从喷射器3中流出后经喷射器出口管路5到达水井7的底部。在水井7的底部，来自水井7上部的地下水与水井7底部的地下水进行相互掺混，同时水井7底部的地下水被来自水井7上部的地下水抬升，如此地下水形成自下而上的循环流动，水井7中井水侧的自然对流得到强化。此外，气水混合物中的气体在水井7的底部形成气泡自下而上流动，增强了水井中井水侧的扰动，进一步强化了流动传热过程。在上述工况下，水井7上部地下水和下部地下水的温差逐渐减小，当控制器13计算第一温度信号和第二温度信号的温度差值小于等于预设值时，控制器13关闭电磁阀2，喷射器3停止工作。

从以上的描述中可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：能够实现利用气体压缩装置1驱动喷射器3引射井下换热器水井7上部的水，并将形成的气水混合物输送至水井7底部，不仅能使得水井7中的冷热水进行掺混，强化井水侧自然对流，减小水井上部与水井下部地下水之间的温差，还可通过空气扰动进一步强化井水侧流动传热，从而提高井下换热器的整体传热性能。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

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，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。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。

Claims (8)

1.一种井水侧流动传热强化装置，其特征在于，包括：

气体压缩装置；

喷射器，其工作流体入口与所述气体压缩装置的出口连接，其引射流体入口与喷射器引射管路的出口连接，其出口与喷射器出口管路的入口连接；

喷射器引射管路，其入口置于水井的上部；

喷射器出口管路，其出口置于水井的底部；

利用所述气体压缩装置驱动所述喷射器通过所述喷射器引射管路引射水井上部的水，气体与被引射的地下水在所述喷射器中混合后流出所述喷射器，再经所述喷射器出口管路到达水井的底部。

2.根据权利要求1所述的一种井水侧流动传热强化装置，其特征在于，还包括：

电磁阀，设置在所述气体压缩装置与所述喷射器之间；

第一温度传感器，设置在所述喷射器引射管路的入口处；

第二温度传感器，设置在水井的底部；

控制器，与所述电磁阀、所述第一温度传感器、所述第二温度传感器均信号连接；

所述控制器用于对所述第一温度传感器、所述第二温度传感器分别检测到的第一温度、第二温度进行温度差值的计算，并根据温度差值的计算结果控制所述电磁阀的通断。

3.根据权利要求1或2所述的一种井水侧流动传热强化装置，其特征在于，所述气体压缩装置为空气压缩机或氮气压缩机。

4.根据权利要求1或2所述的一种井水侧流动传热强化装置，其特征在于，所述喷射器引射管路和所述喷射器出口管路均采用耐腐蚀材料制成。

5.根据权利要求2所述的一种井水侧流动传热强化装置，其特征在于，所述第一温度传感器用于检测所述喷射器引射管路的入口处的第一温度，并将所述第一温度传输给所述控制器；所述第二温度传感器用于检测所述水井底部的第二温度，并将所述第二温度传输给所述控制器；所述控制器用于计算所述第一温度和所述第二温度的温度差值，并将计算所得温度差值与预设值进行比较：若所述温度差值大于预设值，则所述控制器控制所述电磁阀开启；若所述温度差值小于等于预设值，则所述控制器控制所述电磁阀关闭。

6.根据权利要求5所述的一种井水侧流动传热强化装置，其特征在于，所述预设值为初始地温分布条件下所述第一温度传感器和所述第二温度传感器所测得的地温差值。

7.一种井下换热器，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一项所述的井水侧流动传热强化装置，还包括：

水井，其内部存有地下水；

U型换热管，设置于所述水井中，用于与地下水换热；

下降管连接管路，一端与所述U型换热管的入口连接；

上升管连接管路，一端与所述U型换热管的出口连接；

地源热泵系统地面机组，与所述下降管连接管路的另一端和所述上升管连接管路的另一端分别连接。

8.根据权利要求7所述的一种井下换热器，其特征在于，所述水井和所述U型换热管均采用耐腐蚀材料制成。

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