1.一种压力脉冲式井下相变换热器,其特征在于:包括从上到下依次设置的上半球壳(2)、圆柱壳(17)和下半球壳(13),其内设有三层套管(1)、配重(7)、倒置的T型活塞(9)、压力脉冲限流器(10)、双层螺旋折流板(18)、流向转换器(19);
所述三层套管(1)竖直穿设在上半球壳(2)轴线处,所述三层套管(1)的外层为环空层用来注入相变介质、中间层填充保温材料、内层为中空流道用于相变介质相变后的膨胀输送;
所述配重(7)位于圆柱壳(17)的上部,所述配重(7)的左侧设有相变介质下行的相变介质旁流通道、中部设有中部空腔、右侧设有低温地热水出口(15),所述相变介质旁流通道与三层套管(1)的环空层连通,所述中部空腔与三层套管(1)的中空流道连通,所述T型活塞(9)可上下移动的设在中部空腔内,所述压力脉冲限流器(10)安装在相变介质旁流通道中以控制其通断;所述配重(7)内还设有相变介质上行通道(43),所述相变介质上行通道(43)用于连通中部空腔和三层套管(1)的中空流道;
所述双层螺旋折流板(18)上端配有上盖板(16)、下端配置有下盖板(20),上盖板(16)设有换向流道,所述双层螺旋折流板(18)内设有多个间隔分布的地热水环形流道层和相变介质环形流道层,最中心的相变介质环形流道层为中心流道(185),每层地热水环形流道层经对应的换向流道依次连通,每层相变介质环形流道层经对应的换向流道依次连通,最外层相变介质环形流道层(182)与相变介质旁流通道连通,中心流道(185)用于输送相变后的相变介质且与中部空腔连通,最内层的地热水环形流道层(183)中设有环形活塞(91),所述环形活塞(91)与T型活塞(9)连接以上下移动;
所述下半球壳(13)的下端设有地热水进口(14),所述流向转换器(19)安装在下半球壳(13)中,所述流向转换器(19)包括下端进口(191)、上端溢流出口(192)、下端溢流进口(193)和上端出口(194),所述下端进口(191)连通地热水进口(14),所述上端溢流出口(192)和下端溢流进口(193)均连通下半球壳(13)的壳腔,所述上端溢流出口(192)的位置高于下端溢流进口(193)位置,所述上端出口(194)经下盖板(20)连通最内层的地热水环形流道层。
2.根据权利要求1所述的压力脉冲式井下相变换热器,其特征在于:所述压力脉冲限流器(10)将相变介质旁流通道分隔为上相变介质旁流通道(41)和下相变介质旁流通道(42),所述上相变介质旁流通道(41)前端与三层套管(1)的环空层连通,所述下相变介质旁流通道(42)的后端与最外层的相变介质环形流道层连通;
所述压力脉冲限流器(10)包括锥形的堵头(102)、弹簧Ⅱ(103)、底座(104)和侧壁(105),堵头(102)的上方为倒锥形腔(101),所述倒锥形腔(101)与上相变介质旁流通道(41)后端连通,所述弹簧Ⅱ(103)安装在底座(104)上,弹簧Ⅱ(103)的顶部连接堵头(102)以带动其上下移动;所述堵头(102)外侧和侧壁(105)的外侧设有流道用于连通上相变介质旁流通道(41)和下相变介质旁流通道(42)。
3.根据权利要求1所述的压力脉冲式井下相变换热器,其特征在于:所述三层套管(1)下端设有限位套(6)和异径活塞(8),限位套(6)的外径与配重(7)匹配、内径与异径活塞(8)匹配以滑动,所述异径活塞(8)外缘套设有弹簧Ⅰ(5),所述弹簧Ⅰ(5)上端接触限位套(6)的下端,所述三层套管(1)的中空流道经限位套(6)的中心、异径活塞(8)的中心连通延伸连通中部空腔。
4.根据权利要求1所述的压力脉冲式井下相变换热器,其特征在于:所述上盖板(16)内设有上交汇通道(11)以使相变介质和地热水分别在双层螺旋折流板(18)上端的换向;所述下盖板(20)内设有下交汇通道(12)以使相变介质和地热水分别在双层螺旋折流板(18)下端的换向。
5.根据权利要求4所述的压力脉冲式井下相变换热器,其特征在于:所述上交汇通道(11)包括相变介质导流道(111)、相变介质换向流道(113)、地热水换向流道(112)和低温地热水导流道(114),其中相变介质导流道(111)与T型活塞(9)所在的中部空腔连通用于使已发生相变的相变介质流通,相变介质换向流道(113)用于相变介质环形流道层未发生相变的相变介质换向流通,地热水换向流道(112)用于各地热水环形流道层地热水的换向流通;
低温地热水导流道(114)与地热水换向流道(112)连通,低温地热水导流道(114)向上连通低温地热水出口(15)。
6.根据权利要求1所述的压力脉冲式井下相变换热器,其特征在于:相变介质的沸点低于地热层开采温度,相变介质的材料为R141b、R142b、R134a或R600a的任意一种或几种。
7.一种如权利要求1至6任一项所述的压力脉冲式井下相变换热器的工作方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1)由三层套管(1)环空层注入相变介质,相变介质经相变介质旁流通道进入至双层螺旋折流板(18)的最外层相变介质环形流道层(182)并由外向内的逐层在相变介质环形流道层流通,在此过程中,根据相变介质注入压力的大小压力脉冲限流器(10)往复循环运动实现相变介质旁流通道脉冲式通断;随着相变介质的注入,双层螺旋折流板(18)内空气被压缩压力升高,中心流道(185)与中部空腔连通,则高压空气推动T型活塞(9)上行,随之环形活塞(91)也上行,如此对下半球壳(13)的空气产生抽吸作用,井内地热水经地热水进口(14)进入流向转换器(19),在流向转换器(19)的上端溢流出口(192)流入下半球壳(13)壳腔并在此富集;当相变介质持续注入,压力脉冲限流器(10)循环往复运动,环形活塞(91)也上下往复运动,实现地热水的抽吸;
S2)当下半球壳(13)壳腔内地热水的高度大于流向转换器(19)的下端溢流进口(193)高度时,地热水由下端溢流进口(193)经下盖板(20)内的流道进入双层螺旋折流板(18)的最外层的地热水环形流道层(181);
S3) 之后地热水由外向内逐层流经地热水环形流道层,在此期间,每层地热水对应的与相变介质环形流道层内的相变介质热交换,地热水温度下降,同时相变介质温度升高变为气相富集到双层螺旋折流板(18)上方,经最内层的相变介质环形流道层(184)进入到中部空腔内聚集,气相相变介质持续聚集压力升高也能够推动T型活塞(9)上行,当T型活塞(9)上行至相变介质上行通道(43)处时,气相相变介质经相变介质上行通道(43)流通至三层套管(1)的中空流道,随后气相相变介质压力下降,T型活塞(9)下行关闭与上行通道(43)的连通,之后气相相变介质再次在中心空腔处聚集使T型活塞(9)再次上行,如此循环。