地下套管式換熱器的製作方法

2023-06-12 19:02:21 2

專利名稱：地下套管式換熱器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬地熱源熱泵空調地下換熱器。
背景技術：
地熱源熱泵空調技術是一門利用土壤的蓄熱特性，降低空氣調節能耗的建築節能實用綜合技術，是上世紀70年代的石油危機使發達國家加強建築節能的研究方向之一。從那時到現在一直受到歐美各國的重視，先後開展了多種形式的地下換熱器試驗和大量工程研究。80年代後期，該技術才在商業、民用建築的空調工程得到應用。近年來，我國城鎮建築空調工程不斷興建，建築能耗迅速增加，建築節能的重點就落在了降低建築採暖空調能耗上。地熱源熱泵空調技術的研究和應用是實現建築節能的重要手段之一，已在國內各高校和科研機構引起重視，並已開展了一些研究和工程試驗。目前國內外常用的地熱源熱泵空調地下換熱器形式有直接換熱式，地下水循環式和大地耦合式等。其中大地耦合式是將介質送入埋於地下的換熱器內換熱後，送入空調機組使用，然後再次送入地下換熱的地熱利用方式，它由於技術要求較低，易於安裝，不會破壞地下資源而廣為應用，但這種地下換熱器的換熱效率較低，體積較大，因此，如何強化其換熱效果是這種地下換熱器的發展方向。
目前大地耦合式地下換熱器按結構形式分為水平埋管式、套管式、U型管式等，其中，國內外工程廣為使用的地下套管式換熱器，效果較好，埋設較簡便，平均每米埋深換熱能力為46～115w。其結構為在換熱管內套裝一根集流管，換熱管兩端密封。在其中一個端面上，開有進、出口，進口與換熱管相通，出口與集流管相通；在另一個端面處，換熱管與集熱管相通。介質由進口進入換熱管內，與大地土壤進行熱交換後，在換熱管的另一端面處，進入集流管，再經出口流出，送往熱泵空調機組使用。由於換熱管內介質流經的截面大於集流管內截面。介質換熱流速低，不利於與土壤的熱交換。並且存在著集流管內介質與換熱管內介質的熱短路問題，使換熱後降溫的介質流經集流管時溫度回升，降低了換熱效果。目前，建築每平方米空調面積約需這種地下套管式換熱器1.5～2.0m埋深。其埋管數量較大，造價較昂貴，難於廣泛推廣應用。
本實用新型是在現有的地下套管式換熱器的基礎上採取了在換熱管內設置導流支架和對集流管保溫絕熱兩個技術措施，達到強化換熱的目的。在集流管上安裝有保溫層，保溫層的厚度由進入與流出集流管的介質溫度差≤0.1℃確定，在保溫層與換熱管之間裝有與換熱管滑動配合的導流支架，介質在導流支架上的導流片間流動，導流片根部到換熱管內表面距離為3-50mm。
本實用新型的工作原理換熱器豎埋於地下，把介質進口端與熱泵空調機組的冷凝器冷卻介質出口相接，集流管的出口端與水泵入口相接，水泵出口與冷凝器冷卻介質進口相接。夏季，熱泵空調機組進行製冷運行時，在水泵推動作用下，熱泵空調機組的冷凝器排出的高溫熱介質從介質的進口進入換熱管與導流支架之間的換熱流道，在導流片作用下，熱介質以較高的流速橫向掠過換熱管內壁，並繞換熱管內壁園周向下作蛇形運動，或繞換熱管內壁園周向下作螺旋運動，強化了熱介質與土壤的換熱效果。換熱後，溫度較低的冷介質在集流管的入口端外匯集進入集流管，由於保溫層的絕熱作用，使導流支架外的熱介質與集流管內冷介質之間的傳熱降低到很小程度，減少了熱短路損失。使換熱管內熱介質與土壤的溫差得以保持，進一步強化了熱介質與土壤之間的換熱效果。冷介質經集流管、集流管的出口回流到熱泵空調機組的冷凝器使用，如此周而復始，將夏季熱量送入地下蓄存起來。冬季，熱泵空調機組進行供熱運行時，則通過上述方式，從地下取出夏季蓄存的熱量供冬季使用。當沉積有較多的沉渣時，可以通過介質反衝清渣，這時介質從介質的出口進入集流管，從集流管的入口端射出，形成清渣反衝，再以較高流速經換熱管與導流支架之間的流道，從介質的進口排出。
該地下套管式換熱器具有優點及效果如下
1.採用導流支架和集流管保溫，使熱介質橫向掠過換熱管，並向下作蛇形運動或螺旋形運動，增加了流道長度和介質流速，同時減少了集流管內介質與導流支架外介質間的熱短路，保持了換熱的溫差，強化了該換熱器的換熱效果。與目前採用的地下套管式換熱器相比，提高換熱性能18％左右，節省工程投資10-12％左右。
2.由於流道增長，流速增加，改變了目前普遍採用的地下套管式換熱器流阻偏低，阻力匹配不平衡，只宜串聯使用的缺點。該地下套管換熱器由於阻力適當，可並聯使用，在以等距錯排點陣方式埋設多根換熱器時，可使並聯的每根地下套管式換熱器進口介質溫度相同和穩定，有效地發揮每根地下套管式換熱器的換熱效果，可以用於較大規模的地下換熱。
3.由於本地下套管式換熱器採用大地耦合式換熱方式，既不破壞地下資源，又能有效利用地下蓄熱功能，還能避免大量使用空調而產生的「熱島現象」，具有可持續發展性，對建築節能效果明顯。
上述各圖中1-上端蓋；2-換熱管；3-導流支架；4-保溫層；5-集流管；6-管端套；7-下端蓋；8-帶缺口的環形導流片整體管；9-帶螺旋形導流片整體管；10-介質進口；11-介質出口；12-環形導流片上的扇形缺口；13-環形導流片上的曲邊矩形缺口；14-螺旋形導流片。
由於塑料成形技術的發展，本實用新型中的導流支架3，保溫層4和集流管5可以做成一整體，便於本實用新型的大批量生產。即導流支架、集流管分別為直通圓管形外、內硬皮層，在外、內硬皮層之間為閉孔泡沫保溫層，外、內硬皮層及保溫層構成一不可分離的整體。外硬皮層上均勻分布有帶缺口的環形導流片和或其上有單頭或其上有多頭螺旋形導流片，導流片的形狀與尺寸同前述。這樣本實用新型就有四種形式第一種形式是包括帶缺口的環形導流片的導流支架、保溫層、集流管、換熱管、上下端蓋、管端套組成的地下套管式換熱器。第二種形式是包括螺旋形導流片的導流支架、保溫層、集流管、換熱管、上下端蓋、管端套組成的地下套管式換熱器；第三種形式包括換熱管、上下端蓋、管端套、直通圓管形的外、內硬皮層與外硬皮層上帶的環形導流片和外、內硬皮層之間的保溫層構成一整體而組成的地下套管式換熱器；第四種形式是與第三種形式所不同的是外硬皮層上的導流片為單頭或多頭螺旋形導流片。這四種形式地下套管式換熱器中的保溫層，根據其流量和管長不同，其厚度為5-50mm。
具有內、外硬皮層，中間為閉孔泡沫保溫層構成的整體管從內硬皮層到外硬皮層之間的介質進入內硬皮層的端面上仍裝有密封的管端套6。
下端蓋7為底部帶支撐筋的半球面，裝在換熱管的下端，以便於介質中的雜質沉澱和反衝清洗。
權利要求1.一種地下套管式換熱器，包括兩端封閉的換熱管，與換熱管相通的介質入口，位於換熱管內的集流管，與集流管出口連通的介質出口，集流管的介質入口端與換熱器相通；其特徵在於集流管上裝有保溫層，保溫層的厚度由進入與流出集流管的介質溫度差≤0.1℃確定，在保溫層與換熱管之間裝有與換熱管滑動配合的導流支架，介質在導流支架上的導流片間流動，導流片根部到換熱管內表面距離為3～50mm。
2.根據權利要求1所述的地下套管換熱器管，其特徵在於保溫層的厚度為5-50mm。
3.根據權利要求1所述的地下套管式換熱器，其特徵是導流支架包括與保溫層配合的直通圓管形，圓管外表面上均勻分布帶缺口的環形導流片，導流片間的間距為20-400mm，相鄰的導流片的缺口相位相差180°，缺口面積等於導流支架與換熱管形成的介質換熱流道截面積的1.0～7.0倍，每一個環形導流片上的缺口為扇形缺口或曲邊矩形缺口，與介質入口最近的導流片缺口位於介質入口對面的斜下方。
4.根據權利要求1所述的地下套管式換熱器，其特徵是導流支架上包括與保溫層配合的直通圓管和其上的單頭螺旋形導流片，介質入口在螺旋上端頭，順螺旋方向設置。
5.根據權利要求1所述的地下套管式換熱器，其特徵是導流支架上包括直通圓管和其上的多頭螺旋形導流片，介質入口在螺旋上端頭，順螺旋方向設置。
6.根據權利要求1所述的地下套管式換熱器，其特徵在於導流支架，集流管分別為直通圓管形外內硬皮層，在外、內硬皮層之間為閉孔泡沫保溫層，三者構成一不可分離的整體，外硬皮層上均勻分布有帶缺口的環形導流片或其上有單頭螺旋形導流片或其上有多頭螺旋形導流片。
7.根據權利要求1所述的地下套管式換熱管，其特徵是換熱管下端裝有底部帶支撐筋的半球面下端蓋。
8.根據權利要求1所述的地下套管式換熱器，其特徵在於在位於集流管的介質入口處，從集流管的內表面到導流支架的圓管外表面之間的端面上裝有密封的管端套。
專利摘要地下套管式換熱器屬地熱源熱泵空調地下換熱器。它通過強化地下套管式換熱器的熱交換效果,提高了地下套管式換熱器的換熱效率和熱泵空調機組的能效比,降低熱泵空調能耗,提高了建築節能效果。解決的技術問題是建築物熱泵空調節能。該換熱器能有效降低地下套管式換熱器的工程應用成本10—12%,使地熱源熱泵空調技術應用得到有力的推動。它的主要技術特徵是在地下套管式換熱器內設置導流支架,並對集流管絕熱保溫。適用於水冷式熱泵中央空調系統,水冷式戶式熱泵空調系統或水冷式家用熱泵空調系統的地下換熱器及現有設備改進。
文檔編號F24J3/00GK2510817SQ0125683
公開日2002年9月11日 申請日期2001年12月7日 優先權日2001年12月7日
發明者黃忠, 付祥釗, 王勇, 魏唐棣, 孫純武, 丁勇 申請人:重慶大學