收集器的製作方法

2023-06-02 03:07:51 1

專利名稱：收集器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於熱泵設備的單管收集器。本發明還涉及具有所述單管收集器的熱 泵系統。
背景技術：
在水中、陸地中以及巖床下蘊含著天然的熱源。使用海洋熱能、地表熱能以及巖床 熱能是安全、可靠並且環保的供熱技術。所述熱能可以傳輸到現有的傳統水運供熱系統並 且也用於熱水生產。在地熱供熱系統中，從被稱為能量鑽井的鑽孔中採集熱量。收集器是管，所述管具 有以所謂的熱傳輸液形式的熱傳輸介質，通過加熱的熱傳輸介質傳送熱量，並且還將冷卻 的熱傳輸介質傳送回閉合循環中。在地表熱能裝置中，數百米長的管道埋置到防凍深度並設置在線圈中。收集器管 道收集陸地中存在的熱量並且將其用於蒸發熱泵的冷卻劑。海洋熱能以與地表熱能基本上相同的方式使用。存在於海水中的現有能量以及在 底層的能量被利用。收集器管道設置在河道的底部。熱泵收集器有很多種。目前最普遍的一種收集器是一種所謂的U型管收集器。根 據習慣在鑽孔中設置單獨的閉合管。這例如操作如下，即將塑料的優選聚乙烯的連續長管 在中間部分彎曲從而形成U型。U型管的最低部放置在鑽孔上，隨後使管向下進入到鑽孔 中。因此，在同一個管中，所述u型管形成了在從熱泵向下進入到鑽孔的方向以及從鑽孔返 回進而返回到熱泵的方向上的單獨的連續管線，用於閉合循環中的熱傳輸液。對於地熱裝置，還有一種所謂的三管收集器，該三管收集器是具有向下傳送熱傳 輸液進入到鑽孔中的管的收集器的變形，該管具有分支為有兩個從鑽孔向回傳輸熱傳輸液 並且進一步傳輸到熱泵的管。本說明書中的術語「單管收集器」是一公知術語，其用於收集 器的線圈和上述的適用海洋熱能和地表熱能的收集器管道。在所述單管收集器中，熱傳輸 液可以被導入到沿收集器的整體縱向延展具有基本相同橫截面的管中。現有技術中的另一個類收集器是所謂的同軸收集器。在外管中設置有內管。所述 管一起焊接到一單元，該單元隨後安裝到鑽孔中。這種「管中管」技術的目的是要避免向下 引入到鑽孔中的冷卻的熱傳輸液與將要向上傳送到收集器中的加熱的熱傳輸液的混合時 間過長。通過設置外管有大直徑，實現了在大直徑外管中的緩流，其中在達到熱吸收性時實 現正輸出。目前，同軸收集器在一定程度上未見於市場上，這是因為該技術涉及到大規模安 裝以及較高生產成本。但是，同軸收集器通常比傳統的單管收集器更有效。DE 20 2004 007 567 U1公開了一種上述的同軸收集器。該同軸收集器包括連接 管，該連接管用於熱傳輸液流入到外管中，該連接管在外管的內側具有不平坦的表面結構。 加熱的熱傳輸液通過內管向上通過連接管返回。US 2007/0023163A1公開了一種上述的同軸收集器。該同軸收集器包括連接管，該 連接管用於熱傳輸液流入到熱傳輸液內管中，該連接管恰結束於外管的底部，並設置在內管的外側。熱傳輸液在循環期間在外管和內管之間的空間中被加熱，同時通過設置在內管 外側的螺旋結構(「湍流發生器」或「湍流發生結構」)被導向並進一步通過泵傳送到熱交 換器。所述收集器管的壁厚優化為使熱傳輸介質獲得最大的熱量吸收，管道容易把握， 以及在能量鑽井的情況下使返回重量儘量直接向下進入到鑽孔中。其長度根據需要適當改變。然而，現有傳統的單管收集器的問題在於從能量井中周圍的水中的能量吸收不 理想。非常需要對能量更有效的利用。該需求也應用到用於海洋系統以及地表熱量裝置的 單管收集器。

發明內容
本發明的目的在於至少部分地消除上述現有技術的缺陷。而且，本發明的一個目 的是改善單管收集器中熱傳輸介質的能量吸收，所述能量吸收是在地表熱能裝置中從周圍 陸地吸收，或者是在地熱系統的能量井中或在海洋熱能系統中從周圍的水吸收。該目的可以通過根據本發明的熱泵設備的單管收集器實現。收集器包括用於在熱 泵系統中安裝的管，在該管中熱傳輸液在閉合迴路中循環，用於將從熱源吸收的熱量傳送 到熱泵以及將熱傳輸液返回到熱源。管的內表面具有不平坦的表面結構，該表面結構包括 凹槽和/或隆起。通過本發明的單管收集器以及具有該單管收集器的熱泵裝置，可以改善能量吸 收，因為現有技術的用於海洋熱能、地表熱能裝置或能量井的收集器具有平滑的內表面，這 提供了通過收集器的熱傳輸介質的層流，與其相比，本發明的不平坦的表面結構產生了湍 流。本說明書中的術語「管」也指軟管、導管等。根據一個實施例，內表面的表面結構為凹槽形式，其中所述表面具有這樣的凹槽， 即在基本上沿著管的縱向方向延伸的表面中合適地形成連續的凹槽。如管的橫截面所示， 所述凹槽可以均勻地分布在管的內圓周表面上。根據另一實施例，凹槽和/或隆起沿管的縱向方向螺旋狀延伸。螺旋形的方向可 以沿管的縱向方向至少在某些部分改變。螺旋形的方向適當地可以沿管的縱向方向至少每 兩米改變，優選地每一米改變。本發明其他的有利特徵、優點以及優選實施例可從從屬權利要求、以及如下說明 書的具體實施例中得知。


以下將結合附圖通過具體實施例對本發明進行詳細說明，但不是對本發明的限 制，其中圖1示出了傳統U型管收集器形狀的單管收集器的原理。圖2A以單管收集器的截面圖示出了根據本發明的實施例的收集器管內表面上的 螺旋狀凹槽和/或隆起。圖2B以縱向立體截面圖示出了圖2A所示的收集器的一部分。
圖2C示意性地示出了圖2A-2B所示的收集器的截面圖中的伸長的管壁。圖3以縱向截面圖示出了根據本發明的實施例的收集器的一部分。
具體實施例方式圖1示出了傳統U型管收集器的原理。根據該原理，一連續密封的管1設置在鑽 孔2中。例如按如下方式進行，將多個單個的管一起組裝到一個連續的縱向的管1，該管1 是塑料的，優選是聚乙烯的。由於連續管1在朝向鑽孔2的底部4的端部形成U型彎曲部 3，其中用於向下(見圖中箭頭)傳送到鑽孔的熱傳輸液的管1』連接到用於向上(見箭頭) 傳送且傳送出鑽孔的熱傳輸液的管1」，所以系統被稱為「U型管收集器」。換句話說，連續管 1在中部彎曲從而形成US。圖1僅示出了原理。實際上，上述的U型管收集器系統是全體 焊接的，以便滿足安全操作的要求。因此，由於操作安全原因，成為U型下部或彎曲部3的折 返彎曲件在工廠中組裝。收集器系統的上部5通常截止到在平面6處的入口，在此收集器 管1、1』、1」連接到熱泵(未示出)。在收集器系統的組裝期間，收集器系統的折返的彎曲部 3位於鑽孔2的上方，由此在鑽孔中向下移動。由此，在同一個管中，所述U型管形成了在從 熱泵向下進入到鑽孔的方向以及從鑽孔返回進而返回到熱泵的方向上的單獨的連續管線， 用於閉合循環中的熱傳輸液。根據本發明的實施例的用於地熱系統的單管收集器的一部分在圖2A中以截面圖 T示出，並且在圖2B中以縱向截面圖L示出。所述收集器包括管12，該管優選由聚乙烯制 作，以用於組裝到能量鑽井中，在該管中熱傳輸液在閉合迴路中循環，用於將地熱傳送到熱 泵以及將熱傳輸液返回到能量井。管12的內表面14具有不平坦的表面結構，該結構包括 凹槽和/或隆起16。儘管以U型管收集器形狀的單管收集器結合附圖進行了描述，但是在 本發明的範圍內，這樣的單管收集器也可以應用於海洋熱能系統和地表熱能裝置以及三路 收集器。根據優選實施例，本發明的單管收集器是連續管12，其沿著管的整體縱向方向L 具有基本相似的橫截面積。根據優選實施例，單管收集器的內表面14的表面結構為凹槽形式，其中內表面14 設置成具有凹槽18，所述凹槽18在基本上沿管的縱向方向L延伸的表面中形成連續的凹 槽。如管的橫截面T所示，凹槽18均勻地分布在管的內圓周表面上。圖2C以截面圖示出 了收集器管12的伸長管壁，其中凹槽18的凹槽形是明顯的。圖3示出了根據本發明的實施例的單管收集器的一部分。凹槽和/或隆起16在 管的縱向方向L上呈螺旋狀延伸。螺旋形的方向(見圖3中的箭頭)至少可以沿管的縱向 方向L在某些部分改變。螺旋形的方向適當地可以沿管的縱向方向L至少每兩米改變，優 選地每一米改變。根據本發明，例如凹槽和/或隆起表面結構的形式在單管收集器的縱向方向上可 以連續或非連續。如圖3的實施例所示，可以在管的內表面上設置平坦部分，作為兩個螺旋 部分之間臨時的但較短的過渡。本發明的收集器管12的通常尺寸為直徑在25_63mm的範圍內。凹槽和/或隆起 16的高度，選擇性地凹槽18或切槽可以變化，但根據管的尺寸和壁厚通常在0. 2-5mm的範 圍內，優選在0. 2-2mm,以作收集器管12的最常用的尺寸。
5
實施例在熱泵系統中進行實驗，通過16kW和32kW兩個熱泵分別在建築物中提供熱水 和加熱，所述建築物有19間房間，每一個房間面積為40m2。四個填充水的鑽孔，其直徑為 140mm且深度為260mm，構成了系統的熱源。所述四個鑽孔在實驗中使用。乙醇水溶液的濃 度按體積計算為20%，其凝固點為-8°C。在實驗中，四個鑽孔的每一個分別裝配了四個不 同類型的單管收集器。各自的鑽孔設計、尺寸以及設置如下表1所示。表 1 平均的未受幹擾地面溫度測量為8. 7°C，並且平均地面熱導率為3. 75W/mK。應該 說明的是，表中序號2的單管收集器(BH2)是3-管收集器，是收集器的一種變化，其包括一 個將熱傳輸液向下傳送到鑽孔中的管和兩個將熱傳輸液從鑽孔中導出並進一步導到熱泵 的管。序號4的單管收集器(BH4)是傳統的U型管收集器。序號5的單管收集器(BH5)是 具有間隔器的傳統U型管收集器，所述間隔器用於保持管相隔地在鑽孔中，從而它們不互 相接觸。序號6的單管收集器(BH6)是根據本發明的U型管收集器，其在管的內表面包括 凹槽和/或隆起，所述凹槽和/或隆起隨管的縱向延伸呈螺旋狀延伸。該螺旋形狀隨著管 的縱向延伸周期性變化。各個收集器中的液流被檢測。每個鑽孔熱交換器配備有熱電偶，用於在底部和出 口點測量進入收集器的熱傳輸液的溫度。在測試期間還利用壓力計在收集器入口和出口線 處測量收集器中的總壓差。已經在鑽孔的不同液流條件下以及在熱泵啟動後條件穩定時進 行了溫度測量。在測定期間，流體密度、動粘滯率以及熱容在測量的溫度的基礎上考量。因 此，雷諾數、摩擦因數以及壓差被考慮。最後，為每一個收集器計算熱傳輸流體每米吸收的 熱量，這有被用於計算每一個收集器的鑽孔熱阻。藉助光纖電纜測量鑽孔壁的溫度值，並且 在本實驗中假定為恆量7.2°C。關於熱提取(kW)，最好的熱提取特性在BH6中獲得，並且最差的特性在BH2中獲 得。然而，並不推薦通過觀察提取熱來比較收集器，這是因為並不是所有的測量同時進行， 這會導致不同的入口和不同測量場合的地下水溫度。關於熱阻，我們注意到BH6具有全部 收集器的最低值(例如在上升流為1. 8m3/h時，BH6具有大約0. 16K/ (ff/m)，而BH2有大約0. 18，BH4有大約0. 23，BH5有大約0. 22)，除了一個測量值，此時BH5最好。因此，這在一方 面上意味著本發明的單管收集器顯示了最好的特性。壓差的結果可見於如下的表2中。表2 總之，結果暗示出管尺寸有重要影響，間隔器(BH5中的收集器)很可能不會有助 於增加熱傳輸，而且管內側的表面結構改善了收集器的特性。我們發現，除了 BH6，其他計算 的壓差比實驗數值稍小。這要歸結於如肘型件、彎曲件、收集器底部這樣的附件沒有在計算 中考慮。我們發現，BH6的計算數值高於實驗數值，這意外地顯示出本發明的在內表面有凹 槽和/或隆起形的表面結構的單管收集器中的實際壓差事實上較低。BH6具有所有收集器 的最低壓差，所述的所有收集器包括具有相同尺寸的普通U型管收集器BH4和BH5。這是不 可思議的。壓差分析表明BH6是最好的選擇，因為所需的用於熱傳輸流體抽汲功率對於該 收集器來說將會稍小一些。
權利要求
一種用於熱泵設備的單管收集器，包括用於在熱泵系統中安裝的管(12)，在該管中熱傳輸液在閉合迴路中循環，用於將從熱源吸收的熱量傳送到熱泵以及將熱傳輸液返回到熱源，其特徵在於，管(12)的內表面(14)具有不平坦的表面結構，該表面結構包括凹槽和/或隆起(16)。
2.根據權利要求1所述的單管收集器，其特徵在於，所述表面結構為凹槽形式，其中所 述內表面(14)具有如下的凹槽，該凹槽在基本上沿著管的縱向方向(L)延伸的內表面(14) 中形成連續的凹槽(18)。
3.根據權利要求2所述的單管收集器，其特徵在於，從管(12)的橫截面上看，所述凹槽 (18)均勻地分布在管的內圓周表面上。
4.根據上述權利要求中任意一項所述的單管收集器，其特徵在於，凹槽和/或隆起 (16)沿管的縱向方向(L)螺旋狀延伸。
5.根據權利要求4所述的單管收集器，其特徵在於，螺旋形的方向沿管的縱向方向(L) 至少在某些部分改變。
6.根據權利要求5所述的單管收集器，其特徵在於，螺旋形的方向沿管的縱向方向(L) 至少每兩米改變。
7.根據上述權利要求中任意一項所述的單管收集器，其特徵在於，凹槽和/或隆起 (16)在0. 2-5mm的範圍內，優選在0. 2_2mm。
8.根據上述權利要求中任意一項所述的單管收集器，其特徵在於，連續的管(12)沿著 管的整體縱向方向(L)具有基本相似的橫截面積。
9.一種熱泵系統，其特徵在於，包括權利要求1-8中任意一項所述的單管收集器。
全文摘要
本發明涉及用於熱泵設備的單管收集器。所述收集器包括用於在熱泵系統中安裝的管(12)，在該管中熱傳輸液在閉合迴路中循環，用於將從熱源吸收的熱量傳送到熱泵以及將熱傳輸液返回到熱源。管的內表面(14)具有不平坦的表面結構，該表面結構包括凹槽和/或隆起(16)。本發明還涉及具有所述收集器的熱泵系統。
文檔編號F24J3/08GK101849146SQ200880110370
公開日2010年9月29日 申請日期2008年9月17日 優先權日2007年10月5日
發明者卡裡·奧賈拉, 尤哈·奧賈拉, 海莫·奧賈拉, 米卡·奧賈拉 申請人:穆奧維技術公司