一种地热施工装置及其施工方法与流程

1.本发明涉及地热工程技术领域，具体涉及一种地热施工装置及其施工方法。


背景技术：

2.地热能是源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变，并以热力形式存在的可再生性能源。通常需要在土壤中埋设换热器进而实现换热。土壤中的热的传导过程很复杂，主要包括两个交错进行的过程：一是通过空隙中空气或水分传导；二是通过固相之间接触点直接传导。
3.土壤气体导热率最小，固体物质中矿物质导热率最大，水介于两者之间，水的导热率比空气要大25倍，矿物质比空气要大100倍。土壤固相物质尤其是矿物质，虽然导热率大，但相对稳定而不易变化，空气导热率很小，可以忽略不计；土壤总含有一定水分，而且总是处于变动状态，因此土壤导热率的变化主要决定于土壤含水量的多少。当土壤干燥缺水时，土粒间的土壤孔隙被空气占领。导热率就小。当土壤湿润时，土粒间的孔隙被水分占领，导热率増大。
4.土壤吸收一定热量后，一部分用于它本身升温，一部分传送给其临近土层。土壤具有将所吸收热量传导到邻近土层的性能，称为导热性。而其大小用导热率λ表示，其表示1cm厚度的土层，温度差1℃时，每秒钟经断面1cm2通过的热量的焦耳数，单位：j/cm.s.℃。
5.土壤三相物质的导热率相差很大：土壤固体》土壤液体》土壤空气。
6.换热器中，同轴套管换热器是常见的一种，现有技术中在对同轴套管换热器安装进行施工时，通常是直接进行打孔然后将同轴套管换热器插入到打孔内，进而完成安装，但是受制于打孔孔径的影响，同轴套管换热器与土壤的接触面积有限，进而影响其导热效果，在同轴套管埋设的中部通常为土壤层，土壤的导热性较差，特别对于相对干燥的土壤，进而导致中层土壤层热量无法有效与同轴套管交换，进而影响换热效率。


技术实现要素：

7.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中同轴套管换热器与土壤的接触面积有限导致换热效率低的缺陷，从而提供一种能够有效保证同轴套管换热器与土壤的接触面积以提高换热效率的地热施工装置。
8.本发明要解决的另一个技术问题在于克服现有技术中同轴套管换热器与土壤的接触面积有限导致换热效率低的缺陷，从而提供一种能够有效保证同轴套管换热器与土壤的接触面积以提高换热效率的地热施工方法。
9.为解决上述技术问题，本发明提供的一种地热施工装置，包括：
10.钻孔柱，适于伸入土壤内；
11.爆炸物，至少部分的设置于所述钻孔柱的外周侧，并适于爆炸后在所述土壤内形成空室；
12.泵送管，设置于所述钻孔柱内部，所述泵送管一端适于与所述空室连通，另一端与
混凝土泵连通，适于将导热混凝土填充进入所述空室内。
13.可选的，所述钻孔柱的外周侧至少部分区域凹陷形成盛放槽，所述盛放槽适于放置所述爆炸物；所述盛放槽与所述钻孔柱的内腔经由引线槽相连通，所述引线槽内适于穿设引线。
14.可选的，所述地热施工装置还包括：电子点火装置，与所述爆炸物的引线电连接，适于引爆所述爆炸物。
15.可选的，所述钻孔柱包括：实心层，所述实心层设置于所述钻孔柱与所述盛放槽相对应位置处。
16.可选的，所述钻孔柱包括：出料口，由所述钻孔柱沿径向方向贯穿而成，所述泵送管适于经由所述出料口与所述空室连通。
17.可选的，所述钻孔柱还包括：隔板，设置于所述钻孔柱内部，并沿高度方向设置于所述出料口的相对上方位置，所述隔板适于在所述钻孔柱内部分隔形成感应腔；
18.所述感应腔经由所述钻孔柱上贯穿形成的出气孔与外部导通，所述出气孔上设置有滤网；
19.所述感应腔内设置有电极，所述电极适于在接触液体介质后短路。
20.可选的，所述地热施工装置包括：提升装置，与所述钻孔柱直接或间接连接，适于将所述钻孔柱插入或提出钻孔。
21.可选的，所述地热施工装置包括：
22.电机；
23.蜗轮，与所述钻孔柱直接或间接固定连接；
24.蜗杆，与所述电机的输出轴连接，所述蜗杆适于驱动所述蜗轮转动并带动所述钻孔柱绕轴转动。
25.可选的，所述钻孔柱包括：
26.由上到下依序相连的上柱、中柱与下柱，所述爆炸物设置于所述中柱的外周侧。
27.本发明提供的地热施工方法，应用如上述所述的地热施工装置，所述地热施工方法包括：
28.s1：钻孔后将钻孔柱插入钻孔内；
29.s2：引燃爆炸物并在土壤内形成空室；
30.s3：向所述空室内填充导热混凝土，并使所述钻孔柱绕轴转动；
31.s4：获取电极的短路信号，控制钻孔柱向上提升；当所述电极停止短路后，延迟第一预设时间后控制钻孔柱停止提升；
32.s5：重复执行步骤s4，直至电极连续第二预设时间保持短路状态后，拔出所述钻孔柱。
33.本发明技术方案，具有如下优点：
34.1.本发明提供的地热施工装置，通过在钻孔的外周侧至少部分区域设置有爆炸物，爆炸物爆炸后能够在所述土壤内形成空室，钻孔柱内部还设置有泵送管，适于将导热混凝土填充进入所述空室内，从而通过导热混凝土填充空室增加导热性，混凝土与土壤接触面积大于土壤直接与同轴套管的接触面积，进而增强换热效果；同时爆炸膨胀将钻孔柱周围土壤夯实，增加导热性。
35.2.本发明提供的地热施工装置，通过在感应腔内设置有电极，电极适于在接触液体介质后短路，进而在电极短路后控制提升装置将钻孔柱一定高度，停止短路后则停止提升钻孔柱，从而方便导热混凝土的填充，实现本装置自动化对导热混凝土的充填。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1为本发明地热施工装置的示意图；
38.图2为图1中的局部放大图；
39.图3为图2的局部进一步放大图；
40.图4为图1的另一局部放大图；
41.图5为本发明同轴套管换热器的安装状态示意图；
42.附图标记说明：
43.11-提升装置，12-电机，13-安装平台，14-混凝土泵，15-泵送管，151-泵送软管，16-旋转接头，17-蜗杆，18-蜗轮，19-安装轴；
44.21-电子点火装置，22-无线接收装置，23-控制器；
45.4-钻孔柱，30-上柱，50-下柱；
46.40-中柱，41-盛放槽，42-出料口，43-实心层，44-引线槽，45-感应盒，451-感应腔，46-电极，47-隔板，48-反冲阀，49-反冲管，410-出气孔，411-滤网；
47.81-同轴套管换热器，82-热泵，83-循环泵；
48.91-土壤，92-空室，93-导热混凝土，94-爆炸物。
具体实施方式
49.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
50.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
51.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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在本发明中的具体含义。
52.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构
成冲突就可以相互结合。
53.实施例一
54.结合图1-图4所示，本实施例提供的地热施工装置，包括：
55.钻孔柱4，适于伸入土壤91内；
56.爆炸物94，至少部分的设置于所述钻孔柱4的外周侧，并适于爆炸后在所述土壤91内形成空室92；
57.泵送管15，设置于所述钻孔柱4内部，所述泵送管15一端适于与所述空室92连通，另一端与混凝土泵14连通，适于将导热混凝土93填充进入所述空室92内。
58.优选的，所述钻孔柱4构造为柱状结构，所述钻孔柱4适于伸入土壤91内以形成钻孔。所述钻孔柱4的直径与同轴套管换热器的直径相等，从而方便在钻孔柱4完成钻孔后，同轴套管换热器放入钻孔内，以保证同轴套管换热器与土壤的接触面积。
59.优选的，所述钻孔柱4的外周侧至少部分区域还设置有爆炸物94，爆炸物94爆炸后能够在所述土壤91内形成空室92，同时爆炸膨胀将钻孔柱4周围土壤夯实，增加导热性。
60.优选的，钻孔柱4内部还设置有泵送管15，适于将导热混凝土93填充进入所述空室92内，从而通过导热混凝土填充空室增加导热性，混凝土与土壤接触面积大于土壤直接与同轴套管的接触面积，进而增强换热效果。
61.本实施例提供的地热施工装置，通过在钻孔柱4的外周侧至少部分区域设置有爆炸物94，爆炸物94爆炸后能够在所述土壤91内形成空室92，钻孔柱4内部还设置有泵送管15，适于将导热混凝土93填充进入所述空室92内，从而通过导热混凝土填充空室增加导热性，混凝土与土壤接触面积大于土壤直接与同轴套管的接触面积，进而增强换热效果；同时爆炸膨胀将钻孔柱4周围土壤夯实，增加导热性。
62.具体地，所述钻孔柱4的外周侧至少部分区域凹陷形成盛放槽41，所述盛放槽41适于放置所述爆炸物94；所述盛放槽41与所述钻孔柱4的内腔经由引线槽44相连通，所述引线槽44内适于穿设引线。
63.优选的，所述盛放槽41环绕所述钻孔柱4的外周侧一周设置，所述盛放槽41内在填充爆炸物94后，该段区域的外径小于或等于未设置盛放槽41的其他区域的钻孔柱4的外径，从而保证钻孔柱4沿高度方向的顺利移动。
64.具体地，所述钻孔柱4包括由上到下依序相连的上柱30、中柱40与下柱50，所述爆炸物94设置于所述中柱40的外周侧。
65.安装轴下端固定有上柱，所述上柱下端固定有中柱，所述中柱下端固定有下柱，所述中柱上开有多个盛放槽，所述盛放槽内贴合安装有爆炸物94，所述上柱和中柱中柱和下柱通过螺纹接口咬合连接，所述螺纹接口上咬合插装有锁止螺栓将其锁定。
66.具体地，所述地热施工装置还包括：电子点火装置21，与所述爆炸物94的引线电连接，适于引爆所述爆炸物94。
67.优选的，所述爆炸物94可以为炸药。
68.具体地，所述钻孔柱4包括：实心层43，所述实心层43设置于所述钻孔柱4与所述盛放槽41相对应位置处。
69.优选的，所述引线槽开设于实心层43内，所述引线槽适于将盛放槽和实心层的上方联通，所述地热施工装置还设有控制器23和无线接收装置22，所述无线接收装置与电子
点火装置电性连接，所述电子点火装置通过引线穿过引线槽与盛放槽内的炸药连接。
70.通过遥控控制无线接收装置，无线接收装置将信号传递给电子点火装置，电子点火装置对炸药点火进而炸药爆炸在钻孔柱4周围产生空室。
71.具体地，所述钻孔柱4包括：出料口42，由所述钻孔柱4沿径向方向贯穿而成，所述泵送管15适于经由所述出料口42与所述空室92连通。
72.具体地，所述钻孔柱4还包括：隔板47，设置于所述钻孔柱4内部，并沿高度方向设置于所述出料口42的相对上方位置，所述隔板47适于在所述钻孔柱4内部分隔形成感应腔451；
73.所述感应腔451经由所述钻孔柱4上贯穿形成的出气孔410与外部导通，所述出气孔410上设置有滤网411；
74.所述感应腔451内设置有电极46，所述电极46适于在接触液体介质后短路。
75.所述感应腔451内还设置有感应盒45，所述感应盒45下端固定有两个电极46，所述电极46适于在接触液体介质后短路。优选的，所述液体介质可以为混凝土浆液，混凝土浆液由出气孔410进入感应腔451内，进而与电极46接触。同时，出气孔410上设置有滤网411，滤网411能够起到隔离混凝土中固体的作用。
76.优选的，所述出气孔410设置于所述出料口42沿高度方向的相对上方位置。导热混凝土93由出料口42排出到所述空室92内，随着导热混凝土93高度的不断增加，出料口42会被导热混凝土93覆盖，当导热混凝土93高度继续增加时，混凝土浆液会从出气孔410进入感应腔451内，进而与电极46接触。电极短路后，短路信号传递到控制器，进而控制器控制提升装置向上提升上柱、中柱、下柱一段距离，使出料口42脱离被导热混凝土93覆盖的区域，方便继续加注导热混凝土93；同时，混凝土浆液会从出气孔410内排出，使电极停止短路，当电极停止短路后，控制器控制提升装置延迟第一预设时间后停止提升，例如第一预设时间为3秒。
77.重复上述过程，当空室被填满时，导致混凝土浆液向上溢出与电极保持接触，进而始终保持短路。当电极连续第二预设时间保持短路状态后，确定空室填充完毕，提升装置将上柱、中柱、下柱拔出；例如第二预设时间可以为20秒。由于空室已经填满进而导致混凝土浆液溢出，电极始终触发，则控制混凝土泵停止对导热混凝土的泵送，进而实现本装置自动化对导热混凝土的充填。
78.本发明提供的地热施工装置，通过在感应腔451内设置有电极46，电极46适于在接触液体介质后短路，进而在电极46短路后控制提升装置将钻孔柱4一定高度，停止短路后则停止提升钻孔柱，从而方便导热混凝土的填充，实现本装置自动化对导热混凝土的充填。
79.优选的，所述隔板上固定有反冲管49，所述反冲管49连通有反冲阀48；通过反冲管49连接外接管路进而对隔板上方的感应腔区域和滤网进行反冲清洗。
80.具体地，所述地热施工装置包括：提升装置11，与所述钻孔柱4直接或间接连接，适于将所述钻孔柱4插入或提出钻孔。
81.具体地，所述地热施工装置包括：
82.电机12；
83.蜗轮18，与所述钻孔柱4直接或间接固定连接；
84.蜗杆17，与所述电机12的输出轴连接，所述蜗杆17适于驱动所述蜗轮18转动并带
动所述钻孔柱4绕轴转动。
85.优选的，所述地热施工装置还包括：安装轴19，安装轴19固定于所述钻孔柱4的端部，进一步的，所述蜗轮18与所述安装轴19同轴设置，进而使电机12的输出轴带动蜗杆17转动，所述蜗杆与蜗轮咬合，并由蜗杆17驱动所述蜗轮18转动，同时由所述蜗轮18带动安装轴19进而带动所述钻孔柱4绕轴转动。
86.优选的，所述地热施工装置还包括安装平台13，安装轴19可转动插装于安装平台13上，所述电机12固定安装于安装平台13上，安装平台13固定于提升装置11上。
87.优选的，所述泵送管15固定插装于安装轴19内，由于安装轴19与钻孔柱4在工作时均处于转动状态，为保证泵送管15的正常连接，所述地热施工装置还包括旋转接头16，所述旋转接头16一端安装于泵送管15上并适于随泵送管15转动，所述旋转接头16的另一端固定有泵送软管151，所述泵送软管151外端固定有混凝土泵14。
88.混凝土泵14工作使得导热混凝土经过泵送软管、旋转接头、泵送管进而从出料口排出以填充空室；同时动力电机工作带动蜗杆转动进而带动蜗轮转动，进而带动安装轴转动，进而带动上柱、中柱、下柱转动，进而带动出料口转动实现中柱四周的均匀出料。
89.实施例二
90.本实施例提供一种地热施工方法，应用如上述所述的地热施工装置，所述地热施工方法包括：
91.s1：钻孔后将钻孔柱4插入钻孔内。
92.在钻孔之前还可以包括探测地热源位置的步骤，在确定地热源位置后开始钻孔。进而利用提升装置将上柱、中柱、下柱插入到钻孔内。
93.s2：引燃爆炸物94并在土壤91内形成空室92。
94.通过遥控控制无线接收装置22，无线接收装置22将信号传递给电子点火装置，电子点火装置21对炸药点火进而炸药爆炸在中柱周围产生空室。
95.s3：向所述空室92内填充导热混凝土93，并使所述钻孔柱4绕轴转动。
96.凝土泵工作使得导热混凝土从出料口排出填充空室，同时动力电机工作带动钻孔柱4转动。
97.s4：获取电极46的短路信号，控制钻孔柱4向上提升；当所述电极46停止短路后，延迟第一预设时间后控制钻孔柱4停止提升。
98.提升装置向上提升上柱、中柱、下柱一段距离，使出料口42脱离被导热混凝土93覆盖的区域，方便继续加注导热混凝土93；同时，混凝土浆液会从出气孔410内排出，使电极停止短路，当电极停止短路后，控制器控制提升装置延迟第一预设时间后停止提升，例如第一预设时间为3秒。
99.s5：重复执行步骤s4，直至电极46连续第二预设时间保持短路状态后，拔出所述钻孔柱4。
100.当空室被填满时，导致混凝土浆液向上溢出与电极保持接触，进而始终保持短路。当电极连续第二预设时间保持短路状态后，确定空室填充完毕，提升装置将钻孔柱4拔出；例如第二预设时间可以为20秒。由于空室已经填满进而导致混凝土浆液溢出，电极始终触发，则控制混凝土泵停止对导热混凝土的泵送，进而实现本装置自动化对导热混凝土的充填。
101.s6：将同轴套管换热器插入钻孔内。
102.结合图5所示，其为本实施例同轴套管换热器的安装状态示意图，在地热施工装置完成钻孔的施工后，将地热施工装置拔出，并将同轴套管换热器81插入钻孔内，从而方便构件地热换热装置。地热换热装置还包括热泵82，所述同轴套管换热器81与热泵82经由循环泵83循环连通。
103.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。