CN101849146A - 收集器 - Google Patents

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CN101849146A CN200880110370A CN200880110370A CN101849146A CN 101849146 A CN101849146 A CN 101849146A CN 200880110370 A CN200880110370 A CN 200880110370A CN 200880110370 A CN200880110370 A CN 200880110370A CN 101849146 A CN101849146 A CN 101849146A
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Abstract

本发明涉及用于热泵设备的单管收集器。所述收集器包括用于在热泵系统中安装的管(12)，在该管中热传输液在闭合回路中循环，用于将从热源吸收的热量传送到热泵以及将热传输液返回到热源。管的内表面(14)具有不平坦的表面结构，该表面结构包括凹槽和/或隆起(16)。本发明还涉及具有所述收集器的热泵系统。

Description

收集器
技术领域
本发明涉及用于热泵设备的单管收集器。本发明还涉及具有所述单管收集器的热泵系统。
背景技术
在水中、陆地中以及岩床下蕴含着天然的热源。使用海洋热能、地表热能以及岩床热能是安全、可靠并且环保的供热技术。所述热能可以传输到现有的传统水运供热系统并且也用于热水生产。
在地热供热系统中，从被称为能量钻井的钻孔中采集热量。收集器是管，所述管具有以所谓的热传输液形式的热传输介质，通过加热的热传输介质传送热量，并且还将冷却的热传输介质传送回闭合循环中。
在地表热能装置中，数百米长的管道埋置到防冻深度并设置在线圈中。收集器管道收集陆地中存在的热量并且将其用于蒸发热泵的冷却剂。
海洋热能以与地表热能基本上相同的方式使用。存在于海水中的现有能量以及在底层的能量被利用。收集器管道设置在河道的底部。
热泵收集器有很多种。目前最普遍的一种收集器是一种所谓的U型管收集器。根据习惯在钻孔中设置单独的闭合管。这例如操作如下，即将塑料的优选聚乙烯的连续长管在中间部分弯曲从而形成U型。U型管的最低部放置在钻孔上，随后使管向下进入到钻孔中。因此，在同一个管中，所述U型管形成了在从热泵向下进入到钻孔的方向以及从钻孔返回进而返回到热泵的方向上的单独的连续管线，用于闭合循环中的热传输液。
对于地热装置，还有一种所谓的三管收集器，该三管收集器是具有向下传送热传输液进入到钻孔中的管的收集器的变形，该管具有分支为有两个从钻孔向回传输热传输液并且进一步传输到热泵的管。本说明书中的术语“单管收集器”是一公知术语，其用于收集器的线圈和上述的适用海洋热能和地表热能的收集器管道。在所述单管收集器中，热传输液可以被导入到沿收集器的整体纵向延展具有基本相同横截面的管中。
现有技术中的另一个类收集器是所谓的同轴收集器。在外管中设置有内管。所述管一起焊接到一单元，该单元随后安装到钻孔中。这种“管中管”技术的目的是要避免向下引入到钻孔中的冷却的热传输液与将要向上传送到收集器中的加热的热传输液的混合时间过长。通过设置外管有大直径，实现了在大直径外管中的缓流，其中在达到热吸收性时实现正输出。目前，同轴收集器在一定程度上未见于市场上，这是因为该技术涉及到大规模安装以及较高生产成本。但是，同轴收集器通常比传统的单管收集器更有效。
DE 20 2004 007 567 U1公开了一种上述的同轴收集器。该同轴收集器包括连接管，该连接管用于热传输液流入到外管中，该连接管在外管的内侧具有不平坦的表面结构。加热的热传输液通过内管向上通过连接管返回。
US 2007/0023163A1公开了一种上述的同轴收集器。该同轴收集器包括连接管，该连接管用于热传输液流入到热传输液内管中，该连接管恰结束于外管的底部，并设置在内管的外侧。热传输液在循环期间在外管和内管之间的空间中被加热，同时通过设置在内管外侧的螺旋结构(“湍流发生器”或“湍流发生结构”)被导向并进一步通过泵传送到热交换器。
所述收集器管的壁厚优化为使热传输介质获得最大的热量吸收，管道容易把握，以及在能量钻井的情况下使返回重量尽量直接向下进入到钻孔中。其长度根据需要适当改变。
然而，现有传统的单管收集器的问题在于：从能量井中周围的水中的能量吸收不理想。非常需要对能量更有效的利用。该需求也应用到用于海洋系统以及地表热量装置的单管收集器。
发明内容
本发明的目的在于至少部分地消除上述现有技术的缺陷。而且，本发明的一个目的是改善单管收集器中热传输介质的能量吸收，所述能量吸收是在地表热能装置中从周围陆地吸收，或者是在地热系统的能量井中或在海洋热能系统中从周围的水吸收。
该目的可以通过根据本发明的热泵设备的单管收集器实现。收集器包括用于在热泵系统中安装的管，在该管中热传输液在闭合回路中循环，用于将从热源吸收的热量传送到热泵以及将热传输液返回到热源。管的内表面具有不平坦的表面结构，该表面结构包括凹槽和/或隆起。
通过本发明的单管收集器以及具有该单管收集器的热泵装置，可以改善能量吸收，因为现有技术的用于海洋热能、地表热能装置或能量井的收集器具有平滑的内表面，这提供了通过收集器的热传输介质的层流，与其相比，本发明的不平坦的表面结构产生了湍流。
本说明书中的术语“管”也指软管、导管等。
根据一个实施例，内表面的表面结构为凹槽形式，其中所述表面具有这样的凹槽，即在基本上沿着管的纵向方向延伸的表面中合适地形成连续的凹槽。如管的横截面所示，所述凹槽可以均匀地分布在管的内圆周表面上。
根据另一实施例，凹槽和/或隆起沿管的纵向方向螺旋状延伸。螺旋形的方向可以沿管的纵向方向至少在某些部分改变。螺旋形的方向适当地可以沿管的纵向方向至少每两米改变，优选地每一米改变。
本发明其他的有利特征、优点以及优选实施例可从从属权利要求、以及如下说明书的具体实施例中得知。
附图说明
以下将结合附图通过具体实施例对本发明进行详细说明，但不是对本发明的限制，其中：
图1示出了传统U型管收集器形状的单管收集器的原理。
图2A以单管收集器的截面图示出了根据本发明的实施例的收集器管内表面上的螺旋状凹槽和/或隆起。
图2B以纵向立体截面图示出了图2A所示的收集器的一部分。
图2C示意性地示出了图2A-2B所示的收集器的截面图中的伸长的管壁。
图3以纵向截面图示出了根据本发明的实施例的收集器的一部分。
具体实施方式
图1示出了传统U型管收集器的原理。根据该原理，一连续密封的管1设置在钻孔2中。例如按如下方式进行，将多个单个的管一起组装到一个连续的纵向的管1，该管1是塑料的，优选是聚乙烯的。由于连续管1在朝向钻孔2的底部4的端部形成U型弯曲部3，其中用于向下(见图中箭头)传送到钻孔的热传输液的管1’连接到用于向上(见箭头)传送且传送出钻孔的热传输液的管1”，所以系统被称为“U型管收集器”。换句话说，连续管1在中部弯曲从而形成U型。图1仅示出了原理。实际上，上述的U型管收集器系统是全体焊接的，以便满足安全操作的要求。因此，由于操作安全原因，成为U型下部或弯曲部3的折返弯曲件在工厂中组装。收集器系统的上部5通常截止到在平面6处的入口，在此收集器管1、1’、1”连接到热泵(未示出)。在收集器系统的组装期间，收集器系统的折返的弯曲部3位于钻孔2的上方，由此在钻孔中向下移动。由此，在同一个管中，所述U型管形成了在从热泵向下进入到钻孔的方向以及从钻孔返回进而返回到热泵的方向上的单独的连续管线，用于闭合循环中的热传输液。
根据本发明的实施例的用于地热系统的单管收集器的一部分在图2A中以截面图T示出，并且在图2B中以纵向截面图L示出。所述收集器包括管12，该管优选由聚乙烯制作，以用于组装到能量钻井中，在该管中热传输液在闭合回路中循环，用于将地热传送到热泵以及将热传输液返回到能量井。管12的内表面14具有不平坦的表面结构，该结构包括凹槽和/或隆起16。尽管以U型管收集器形状的单管收集器结合附图进行了描述，但是在本发明的范围内，这样的单管收集器也可以应用于海洋热能系统和地表热能装置以及三路收集器。
根据优选实施例，本发明的单管收集器是连续管12，其沿着管的整体纵向方向L具有基本相似的横截面积。
根据优选实施例，单管收集器的内表面14的表面结构为凹槽形式，其中内表面14设置成具有凹槽18，所述凹槽18在基本上沿管的纵向方向L延伸的表面中形成连续的凹槽。如管的横截面T所示，凹槽18均匀地分布在管的内圆周表面上。图2C以截面图示出了收集器管12的伸长管壁，其中凹槽18的凹槽形是明显的。
图3示出了根据本发明的实施例的单管收集器的一部分。凹槽和/或隆起16在管的纵向方向L上呈螺旋状延伸。螺旋形的方向(见图3中的箭头)至少可以沿管的纵向方向L在某些部分改变。螺旋形的方向适当地可以沿管的纵向方向L至少每两米改变，优选地每一米改变。
根据本发明，例如凹槽和/或隆起表面结构的形式在单管收集器的纵向方向上可以连续或非连续。如图3的实施例所示，可以在管的内表面上设置平坦部分，作为两个螺旋部分之间临时的但较短的过渡。
本发明的收集器管12的通常尺寸为直径在25-63mm的范围内。凹槽和/或隆起16的高度，选择性地凹槽18或切槽可以变化，但根据管的尺寸和壁厚通常在0.2-5mm的范围内，优选在0.2-2mm，以作收集器管12的最常用的尺寸。
实施例：
在热泵系统中进行实验，通过16kW和32kW两个热泵分别在建筑物中提供热水和加热，所述建筑物有19间房间，每一个房间面积为40m2。四个填充水的钻孔，其直径为140mm且深度为260mm，构成了系统的热源。所述四个钻孔在实验中使用。乙醇水溶液的浓度按体积计算为20％，其凝固点为-8℃。在实验中，四个钻孔的每一个分别装配了四个不同类型的单管收集器。各自的钻孔设计、尺寸以及设置如下表1所示。
表1
平均的未受干扰地面温度测量为8.7℃，并且平均地面热导率为3.75W/mK。应该说明的是，表中序号2的单管收集器(BH2)是3-管收集器，是收集器的一种变化，其包括一个将热传输液向下传送到钻孔中的管和两个将热传输液从钻孔中导出并进一步导到热泵的管。序号4的单管收集器(BH4)是传统的U型管收集器。序号5的单管收集器(BH5)是具有间隔器的传统U型管收集器，所述间隔器用于保持管相隔地在钻孔中，从而它们不互相接触。序号6的单管收集器(BH6)是根据本发明的U型管收集器，其在管的内表面包括凹槽和/或隆起，所述凹槽和/或隆起随管的纵向延伸呈螺旋状延伸。该螺旋形状随着管的纵向延伸周期性变化。
各个收集器中的液流被检测。每个钻孔热交换器配备有热电偶，用于在底部和出口点测量进入收集器的热传输液的温度。在测试期间还利用压力计在收集器入口和出口线处测量收集器中的总压差。已经在钻孔的不同液流条件下以及在热泵启动后条件稳定时进行了温度测量。在测定期间，流体密度、动粘滞率以及热容在测量的温度的基础上考量。因此，雷诺数、摩擦因数以及压差被考虑。最后，为每一个收集器计算热传输流体每米吸收的热量，这有被用于计算每一个收集器的钻孔热阻。借助光纤电缆测量钻孔壁的温度值，并且在本实验中假定为恒量7.2℃。
关于热提取(kW)，最好的热提取特性在BH6中获得，并且最差的特性在BH2中获得。然而，并不推荐通过观察提取热来比较收集器，这是因为并不是所有的测量同时进行，这会导致不同的入口和不同测量场合的地下水温度。关于热阻，我们注意到BH6具有全部收集器的最低值(例如在上升流为1.8m3/h时，BH6具有大约0.16K/(W/m)，而BH2有大约0.18，BH4有大约0.23，BH5有大约0.22)，除了一个测量值，此时BH5最好。因此，这在一方面上意味着本发明的单管收集器显示了最好的特性。压差的结果可见于如下的表2中。
表2
Figure GPA00001084474000071
总之，结果暗示出管尺寸有重要影响，间隔器(BH5中的收集器)很可能不会有助于增加热传输，而且管内侧的表面结构改善了收集器的特性。我们发现，除了BH6，其他计算的压差比实验数值稍小。这要归结于如肘型件、弯曲件、收集器底部这样的附件没有在计算中考虑。我们发现，BH6的计算数值高于实验数值，这意外地显示出本发明的在内表面有凹槽和/或隆起形的表面结构的单管收集器中的实际压差事实上较低。BH6具有所有收集器的最低压差，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。这是不可思议的。压差分析表明BH6是最好的选择，因为所需的用于热传输流体抽汲功率对于该收集器来说将会稍小一些。

Claims (9)

1.一种用于热泵设备的单管收集器，包括用于在热泵系统中安装的管(12)，在该管中热传输液在闭合回路中循环，用于将从热源吸收的热量传送到热泵以及将热传输液返回到热源，其特征在于，管(12)的内表面(14)具有不平坦的表面结构，该表面结构包括凹槽和/或隆起(16)。
2.根据权利要求1所述的单管收集器，其特征在于，所述表面结构为凹槽形式，其中所述内表面(14)具有如下的凹槽，该凹槽在基本上沿着管的纵向方向(L)延伸的内表面(14)中形成连续的凹槽(18)。
3.根据权利要求2所述的单管收集器，其特征在于，从管(12)的横截面上看，所述凹槽(18)均匀地分布在管的内圆周表面上。
4.根据上述权利要求中任意一项所述的单管收集器，其特征在于，凹槽和/或隆起(16)沿管的纵向方向(L)螺旋状延伸。
5.根据权利要求4所述的单管收集器，其特征在于，螺旋形的方向沿管的纵向方向(L)至少在某些部分改变。
6.根据权利要求5所述的单管收集器，其特征在于，螺旋形的方向沿管的纵向方向(L)至少每两米改变。
7.根据上述权利要求中任意一项所述的单管收集器，其特征在于，凹槽和/或隆起(16)在0.2-5mm的范围内，优选在0.2-2mm。
8.根据上述权利要求中任意一项所述的单管收集器，其特征在于，连续的管(12)沿着管的整体纵向方向(L)具有基本相似的横截面积。
9.一种热泵系统，其特征在于，包括权利要求1-8中任意一项所述的单管收集器。
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