一種煤田火區滅火鑽孔內嵌式直接發電裝置的製作方法

2023-12-03 23:06:21

本發明涉及一種煤田火區滅火鑽孔內嵌式直接發電裝置，屬於熱電轉換設備領域。

背景技術：

煤田火災是指地下煤層因自然或人為因素髮火後，沿著煤層逐步發展成對煤炭資源和周圍環境造成較大危害的大面積煤燃燒現象。煤田火區燃燒面積大、溫度高，火區中也蘊藏著巨大的熱量，全世界每年約有10億噸煤炭被地下煤火燒毀，約佔煤總消耗量的12.5％，產生約1000GW的能量，相當於全球500個核電站所產能量總和的2.5倍。

為提取煤田火區熱能並將其轉換為電能加以利用，公開號為CN106026778A的專利文件公開了一種煤田火區熱能可持續利用與煤火治理系統及方法，包括：在煤田火區埋設水平鋼管並通以熱載體將火區熱能提取至地面，然後再通過溫差發電模塊轉換熱載體所含熱能。該系統和方法是先將火區熱量提取到火區外，然後再對提取的熱量進行熱電轉換。無法實現直接在火區內部將火區的熱量進行熱電轉換，由於該系統中火區熱能到達溫差發電模塊進行發電需經過煤巖與鋼管的傳熱、鋼管管壁與熱載體的導熱、熱載體的對流換熱、熱載體與溫差發電模塊的傳熱等過程，所涉及的傳熱過程繁多，大大增加了熱量損失，尤其是熱載體與鋼管管壁的導熱以及熱載體在管路的流動換熱過程將導致所提取熱能較大程度上的散失和損耗，導致火區熱能利用率低。同時水平鑽孔需完成鑽導向孔-擴孔-拖拉鋪設管材等過程，且施工過程均在高溫地層中進行，難度大，工程量大，而且管路難以回收重複利用，使用成本高，對煤田火區熱能發電適用性較低。

當前在煤田火區的治理過程中廣泛採用豎直鑽孔開展注漿等滅火工作，若利用火區現有的滅火鑽孔並在其中進行直接熱電轉換可極大地降低成本、減小熱損失量，提高火區熱能的發電效率，但採用豎直鑽孔發電面臨以下難題：1、煤田火區多處於偏遠的野外地區，供水供電困難，傳統發電技術利用大量水在鑽孔內循環採熱並將含熱水體運輸至地表，再通過地表設置的熱電轉換站發電，該發電模式將面臨水資源短缺和設備電力供應難的問題；2、滅火鑽孔內空間小，發電裝置需滿足小空間高效發電的需求，當前尚未有相關的裝置和方法可實現在滅火鑽孔空間內的直接發電。

因此，本領域技術人員致力於開發一種操作簡便、成本低、熱利用率高、可重複使用的煤田火區滅火鑽孔內嵌式直接發電裝置，能夠實現煤田火區無外部供水供電條件下滅火鑽孔內的直接發電，從而實現火區熱能的高效轉換及煤火治理。

技術實現要素：

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種煤田火區滅火鑽孔內嵌式直接發電裝置，具有結構簡單、使用及維護方便、可重複使用等特點，能夠實現煤田火區鑽孔內的直接發電，大大簡化傳熱過程，提高熱能利用率，同時能夠降低火區溫度，達到治理火區的目的。

技術方案：為實現上述目的，本發明採用的技術方案為：

一種煤田火區滅火鑽孔內嵌式直接發電裝置，包括高導熱真空管、溫差發電模塊、儲能電池、高導熱圓柱殼體、高導熱填充體、散熱翅片以及滅火鑽孔，且溫差發電模塊的數量不少於四個；

其中，所述高導熱圓柱殼體設置於煤田火區的豎直滅火鑽孔內，其上端開口與滅火鑽孔的頂部持平且底部封閉；溫差發電模塊呈長方形板狀，且豎直設置於高導熱圓柱殼體內；高導熱真空管內存儲有冷媒工質，且高導熱真空管、散熱翅片及冷媒工質構成冷卻模塊；高導熱真空管設置於溫差發電模塊所圍成的正稜柱腔體內，並與溫差發電模塊所圍成的正稜柱腔體內切形成冷卻模塊製冷段；高導熱真空管的上端延伸至高導熱圓柱殼體外形成冷卻模塊散熱段，冷卻模塊散熱段上沿其圓周方向設置有散熱翅片；高導熱圓柱殼體的內壁與溫差發電模塊所圍成的正稜柱腔體外接，且高導熱真空管與溫差發電模塊之間、溫差發電模塊與高導熱圓柱殼體之間的間隙由高導熱填充體填充；溫差發電模塊與地表設置的儲能電池通過導線相連。

本發明中，溫差發電模塊與高導熱真空管相切的部位為冷端，通過高導熱真空管內冷媒工質的蒸發將熱量傳到地表，散熱翅片增加了冷媒工質蒸汽與外界環境的換熱面積，加快散熱使蒸汽迅速冷凝而重回冷卻模塊製冷段，通過冷媒工質的循環可將高導熱真空管周邊區域的熱量持續傳至地表，從而使與高導熱真空管相接觸的溫差發電模塊的冷端維持在較低的溫度。溫差發電模塊與高導熱圓柱殼體的內壁相接觸的端部為熱端，煤田火區的熱量通過高導熱圓柱殼體和高導熱填充體高效傳導至溫差發電模塊的熱端，傳熱距離短且熱阻小，從而使溫差發電模塊的冷、熱端維持較大溫差，實現較高的發電效率。

優選的，所述冷媒工質為蒸餾水，常溫下在高導熱真空管中保持液態，由於管內負壓使其沸點降低，受熱易蒸發，且蒸發潛熱大，可高效攜帶熱能，不易燃易爆，安全環保，成本較低，且在高導熱真空管內的充液率為20％-25％，可高效傳熱。

優選的，所述高導熱圓柱殼體的直徑在73-127mm內。

優選的，所述高導熱真空管及散熱翅片均由金屬銅製成，且散熱翅片採用繞片式，熱傳導能力強，且不易於被腐蝕和破損，使用年限長。

優選的，為了保證導電安全，所述導線為柔性防火電纜。

優選的，所述高導熱圓柱殼體內壁附有耐高溫熱電偶，當熱電偶顯示溫度小於50℃時可取出該發電裝置。

有益效果：本發明提供的一種煤田火區滅火鑽孔內嵌式直接發電裝置，相對於現有技術，具有以下優點：1、結構簡單，成本較低，使用維護方便，移動安裝靈活，運行安全可靠，避免了建設供水系統或架設供電電路的難題；2、可在火區熱量提取殆盡時取出該裝置並重複使用，大幅降低成本，安全環保，具有廣泛的實用性；3、大大簡化了煤田火區的傳熱過程，有效提高了熱能利用率，同時有效降低了火區溫度，達到治理火區的目的；4、實現了煤田火區鑽孔內的直接發電，通過保持溫差發電模塊冷熱端的較大溫差實現了高效發電，具有良好的普適性。

附圖說明

圖1為本發明實施例的整體結構示意圖；

圖中包括：1、高導熱真空管，2、溫差發電模塊，3、儲能電池，4、高導熱圓柱殼體，5、高導熱填充體，6、散熱翅片，7、冷卻模塊散熱段，8、冷卻模塊製冷段，9、冷媒工質，10、煤田火區高溫區，11、滅火鑽孔。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發明作更進一步的說明。

如圖1所示為一種煤田火區鑽孔內嵌式直接發電裝置，其特徵在於，包括高導熱真空管1、溫差發電模塊2、儲能電池3、高導熱圓柱殼體4、高導熱填充體5、散熱翅片6以及滅火鑽孔11，且溫差發電模塊2的數量不少於四個；

其中，所述高導熱圓柱殼體4設置於煤田火區高溫區10的豎直滅火鑽孔11內，其上端開口與滅火鑽孔11的頂部持平且底部封閉；溫差發電模塊2呈長方形板狀，且豎直設置於高導熱圓柱殼體4內；高導熱真空管1內存儲有冷媒工質9，且高導熱真空管1、散熱翅片6及冷媒工質9構成冷卻模塊；高導熱真空管1設置於溫差發電模塊2所圍成的正稜柱腔體內，並與溫差發電模塊2所圍成的正稜柱腔體內切形成冷卻模塊製冷段8；高導熱真空管1的上端延伸至高導熱圓柱殼體4外形成冷卻模塊散熱段7，冷卻模塊散熱段7上沿其圓周方向設置有散熱翅片6；高導熱圓柱殼體4的內壁與溫差發電模塊2所圍成的正稜柱腔體外接，且高導熱真空管1與溫差發電模塊2之間、溫差發電模塊2與高導熱圓柱殼體4之間的間隙由高導熱填充體5填充；溫差發電模塊2與地表設置的儲能電池3通過導線相連。

本實施例中，所述冷媒工質9為蒸餾水，安全環保且成本低，可高效攜帶熱能，且在高導熱真空管內的充液率為24％，可高效傳熱；所述高導熱圓柱殼體4的直徑為80mm；所述高導熱真空管1及散熱翅片6均由金屬銅製成，散熱翅片6採用繞片式；所述導線為柔性防火電纜；所述高導熱圓柱殼體4的內壁附有耐高溫熱電偶。

本發明的具體實施方式如下：

首先在煤田火區高溫區10施工開設豎直滅火鑽孔11，在滅火鑽孔11內布置該發電裝置；煤田火區高溫區10煤巖體中含有較高熱能，熱量通過高導熱圓柱殼體4、高導熱填充體5傳導至溫差發電模塊2的熱端，高導熱真空管1內冷媒工質9通過蒸發迅速提取高導熱冷卻模塊製冷段8周圍的熱量並傳到地表，利用冷卻模塊散熱段7上的散熱翅片6將蒸汽冷卻降溫並冷凝為液態工質9重新流回冷卻模塊製冷段8，通過冷媒工質9的蒸發冷凝循環可將高導熱真空管1周邊區域的熱量持續傳至地表，從而使與高導熱真空管1相接觸的溫差發電模塊2的冷端維持在較低的溫度，因此，溫差發電模塊2的冷、熱端將維持較大溫差，熱能便可持續高效轉換為電能。使用一段時間後，當熱電偶顯示溫度小於50℃時可取出該發電裝置，並在煤田火區其它高溫區域重複使用。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。