一种基于纳米流体增强型城市地热开采系统及方法

本发明涉及地热开采，尤其是涉及一种基于纳米流体增强型城市地热开采系统及方法。

背景技术：

1、地热能源，作为一种清洁、可再生的能源形式，正在全球范围内受到越来越多的关注。其储量丰富，源源不断地产生于地球内部，且开发利用过程中几乎不受天气和季节的影响，具有极高的利用价值。然而，在地热能源的开发利用过程中，地热循环系统的效率成为了制约其发展的关键因素之一。

2、传统的地热循环系统大多采用水作为循环介质。水在地热井中吸收热量后，被抽出并释放热量进入系统，然后再次循环投入注水井中。然而，水的换热效率相对较低，为了达到相同的换热效果，往往需要更大的流量，这不仅增加了系统的运行成本，也限制了地热能的开发效率。因此，如何提高地热循环系统的换热效率，成为了地热能源开发领域亟待解决的问题。

3、近年来，纳米技术的快速发展为地热循环系统的优化提供了新的思路。通过在传统流体中悬浮纳米级颗粒，可以制备出具有更高传热性能的纳米流体。纳米颗粒的加入，可以显著提高流体的导热性和混合物的稳定性，进而提升地热循环系统的换热效率。在实际应用中，纳米颗粒的种类、粒径及浓度等参数的选择，对纳米流体的传热性能有着至关重要的影响。如何优选适宜的纳米流体配方，以最大化其传热效率，成为了纳米流体应用的一大挑战。

4、此外，地热循环系统的工作环境复杂多变，不同温度下的纳米流体传热性能也会有所不同。因此，如何实时监测并智能调节循环中纳米流体的浓度，以确保其始终保持在最佳传热状态，也是纳米流体在地热循环系统中应用时需要解决的关键问题。

5、鉴于此，本技术发明提出了一种可以提高地热循环系统的换热效率，减少能源损耗的纳米流体增强型城市地热开采系统及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在纳米流体的浓度波动，导致传热效率无法保持最佳换热状态的缺陷而提供一种基于纳米流体增强型城市地热开采系统及方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本方案提供了一种基于纳米流体增强型城市地热开采系统，包括采热管路、换热组件和纳米流体调节组件；

4、所述纳米流体调节组件接入采热管路，所述采热管路的部分管路设置在土体下，用于采集地热；所述换热组件的一侧连接采热管路，另一侧连接负载；

5、所述纳米流体调节组件包括贮存池和控制单元以及与控制单元连接的浓度检测传感器、温度传感器和浓度调节单元，所述贮存池连通采热管路，所述浓度检测传感器用于检测贮存池内纳米流体的浓度，所述温度传感器用于检测纳米流体的温度，所述浓度调节单元用于调节贮存池内纳米流体的浓度。

6、优选地，所述浓度调节单元包括分别连接控制单元的纳米颗粒存储件和蓄水池，所述纳米颗粒存储件通过纳米颗粒输送管路连接贮存池，所述蓄水池通过水输送管路连接贮存池。

7、优选地，所述浓度检测传感器的数量为多个，各个浓度检测传感器设置在贮存池内侧的底部边缘和侧壁上，用于检测贮存池内纳米流体的实时浓度。

8、优选地，所述温度传感器的数量为多个，各个温度传感器设置在贮存池内侧的底部以及采热管路位于贮存池内的进出口上，用于检测贮存池内纳米流体的问题以及纳米流体的循环温度。

9、优选地，所述贮存池的底部安装有超声振子，用于分散纳米颗粒。

10、优选地，所述采热管路上设置有循环泵和流量计，用于控制采热管路中纳米流体的流速。

11、优选地，所述换热组件采用热泵机组，所述热泵机组包括依次首尾连接的膨胀阀、冷凝器、压缩机和蒸发器，所述采热管路连接蒸发器，用于获取采热管路采集的地热能量，所述冷凝器连接负载。

12、本方案还提供了一种基于纳米流体增强型城市地热开采系统的运行方法，包括以下步骤：

13、根据各个温度梯度下各种纳米流体浓度与导热系数的关系曲线，选择杂化的纳米颗粒的尺寸和种类，并构建不同温度梯度下的导热纳米流体浓度体系；

14、将杂化纳米流体放置到贮存池中，通过采热管路循环动作，利用杂化纳米流体采集地热；

15、在杂化纳米流体循环的过程中，通过温度传感器检测贮存池内纳米流体的实时温度，根据纳米流体对应的温度和导热系数曲线，确定纳米流体的理论导热浓度；

16、通过浓度检测传感器检测贮存池内纳米流体的实时浓度，利用浓度调节单元将贮存池中纳米流体的实际浓度调节至理论导热浓度。

17、优选地，各个温度梯度下各种纳米流体浓度与导热系数的关系曲线的获取包括以下具体步骤：

18、选择待杂化的纳米颗粒的尺寸和种类，设置不同梯度的纳米粒子浓度并配置杂化纳米流体；

19、将各种浓度的杂化纳米流体放置到恒温水浴中，当杂化纳米流体的温度达到恒温水浴温度时，测量杂化纳米流体的导热系数；

20、根据测试条件和测量结果，绘制各个温度梯度下各种纳米流体浓度与导热系数的关系曲线。

21、优选地，所述杂化纳米流体的配制包括以下步骤：将纳米颗粒和水按照配比混合后搅拌，再将搅拌后的纳米流体放入到超声装置中进行超声波分散，得到预设浓度的杂化纳米流体。

22、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

23、（1）本方案中纳米流体通过采热管道流经土体下，并获取地热，之后流经换热组件，通过换热组件，将地热能量转移到负载上，之后降温后的纳米流体回到纳米流体调节组件的贮存池内，根据贮存池内纳米流体的温度和浓度，通过浓度调节单元对纳米流体的浓度进行调节，保证采热管路中的纳米流体的导热系数较高。

24、通过与采热管路连通的贮存池，配合纳米流体调节组件对采热管路中的纳米流体的温度和浓度进行检测，控制单元通过浓度调节单元对贮存池中的纳米流体浓度进行调节，实现对采热管路中纳米流体循环系统的实时监测和调节，根据各个温度下杂化纳米流体适宜传热浓度实时调整整个循环管路内的流体浓度，进而有效保证了纳米流体的换热效率。

25、（2）本发明采用新型杂化纳米流体作为传热介质。单类纳米流体不能同时具备良好导热性能和流变性能。许多实际应用需要在纳米流体的几种特性之间进行权衡。通过将这种纳米颗粒混合，得到的杂化纳米流体表现出优异的热物理性能和流变性能。杂化纳米流体是两种或两种以上具有新的物理化学键的纳米颗粒的均匀混合物。杂化纳米流体的主要思想是由于协同效应，与单一纳米流体相比，在热物理、流体力学和传热性能方面均有较大改善。通过混合适当的纳米颗粒组合，即使在低颗粒浓度下也可以获得所需的传热效果。与传统传热介质水相比，杂化纳米流体具有较大的优势，可以在较小的质量分数下显著提高换热效率。

26、（3）本方案在控制单元中预设不同温度梯度下的导热纳米流体浓度体系，基于智能控制和自适应调节技术，实现对纳米流体循环系统的实时监测和调节，根据各个温度下杂化纳米流体适宜传热浓度实时调整整个循环管路内的流体浓度，进而有效保证了纳米流体的换热效率。

27、（4）本方案不仅仅探究纳米颗粒特性以及流体特征对于纳米流体循环换热效率的影响规律和机理，还可探究多次循环下纳米流体稳定性的规律，从而为工程应用提供更多角度的理论指导，有助于优化地热开采系统的设计和运行策略。

28、（5）本方案提供的一种新型纳米流体增强型城市地热开采系统及方法，该系统在之前换热系统基础上只需简单加装一 些装置，简单安全，易于施工，即可实现地热的高效开采。

29、（6）本方案通过提高地热循环系统的换热效率，本发明有助于减少能源损耗和化石燃料的依赖，实现节能减排和降低成本的目标。同时，地热能源的多功能利用和增加能源供给也为社会带来了显著的经济效益和环境效益。