CN102748979A - 一种板状热交换元件及其水媒热交换装置和制造方法 - Google Patents

Abstract

一种板状热交换元件及其水媒热交换装置和制造方法，涉及一种有增加传热面积结构的板状热交换或传热元件及其组件，尤其适用于闭式地表水源热泵系统的换热装置。板状热交换元件包括进、出水口和对合并周边焊接的换热板，设有与进水口和出水口连通的流通腔体，换热板上设有冲压拉伸成型的导流带结构和强化换热结构；流通腔体分隔为S型的热媒水通道，强化换热结构构成换热板之间的支撑结构。换热流道设计合理，流程短，水阻力低，可明显节约闭式地表水源热泵系统的地表水源侧的循环水泵电耗；使用冲压成型周边焊接取代了髙压胀形，简化了制造工艺，避免因焊接高温造成换热板表面局部粗糙变形，容易结垢的问题，同模换热板可减少冲压模具的制造成本。

Description

一种板状热交换元件及其水媒热交换装置和制造方法

技术领域

本发明涉及一种有增加传热面积结构的板状热交换或传热元件及其组件，尤其适用于闭式地表水源热泵系统的换热装置。

背景技术

地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的高效节能环保的新型空调技术。地源热泵是利用地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，通过深埋于建筑物周围或地板下的管路系统，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移，使地下岩土体与建筑物完成热交换的一种技术。闭式地表水源热泵系统是地源热泵系统的一种形式，闭式地表水源热泵系统主要分为三个部分：室外地表水换热系统、热泵机组系统和室内采暖空调末端系统。闭式地表水换热系统是将封闭的热交换装置放入具有一定深度的地表水源中，热交换装置中的热媒通过热交换元件表面与地表水进行热交换。通过室外地表水换热系统，冬季，热泵机组从地表水体中吸收热量，向建筑物供暖；夏季，热泵机组从室内吸收热量并转移释放到地表水体中，实现建筑物空调制冷。闭式地表水源热泵相较传统空调供暖系统能够显著节约能源，而地表水换热系统的性能，对于整个闭式地表水源热泵的节能效果和经济效益，有着关键性的影响。

传统的地表水换热系统主要使用PE盘管换热器，现场安装工作量大，占地面积较大，不易清洗维护。中国发明专利“一种不锈钢板式换热器及其加工成型方法”（中国发明专利号：ZL200910191020.0公开号：CN101691961）公开了一种不锈钢板式换热器及其加工成型方法，包括：蛇形流道型与蜂窝流道型蒸发板或冷凝板,板式换热器采用不锈钢板材，由不锈钢上板、不锈钢下板、进口管和出口管构成，两块不锈钢板重叠通过特种焊接方法连接在一起，进口管和出口管插于两块不锈钢板之间的上下两端，使用电弧焊接方法与不锈钢板式换热器本体相连,再通过模具和髙压胀形工艺使板式换热器最后成型。该换热器灌注冷媒和冷凝机油作为传热介质，一方面其运行成本高昂，并且换热面积受冷媒灌注量的限制，不能满足闭式地表水源热泵系统对室外地表水换热装置需要低温大面积换热的要求。另一方面，该换热器采用蜂窝焊点以及构成蛇形中空流道的隔离焊道焊接，并经髙压胀形工艺成型，制作工艺复杂，生产效率低，制造成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于闭式地表水源热泵系统室外地表水换热装置的板状热交换元件，解决闭式地表水源热泵系统对室外地表水低温大面积高效换热，以及换热装置抗污易清洗维护的技术问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种板状热交换元件，包括进水口、出水口和两块对合并周边焊接的换热板，在所述的两块换热板之间，设有与进水口和出水口连通的流通腔体，其特征在于：

所述的换热板上设有冲压拉伸成型的导流带结构和强化换热结构；

所述的导流带结构是换热板上的截面形状为U型或V型的条状凸起，所述两块换热板上的条状凸起的拱顶互相贴合对正，把流通腔体分隔为S型的热媒水通道；

所述的强化换热结构是分布在换热板上的半球面或乳钉状凸起，所述半球面或乳钉状凸起在所述的热媒水通道内构成扰流元件。

本发明的板状热交换元件的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的半球面或乳钉状凸起，按照行列对齐分布在所述换热板的平面上，两块换热板上的半球面或乳钉状凸起的拱顶相对，构成两块换热板之间的支撑结构。

本发明的板状热交换元件的一种更好的技术方案，其特征在于所述的半球面或乳钉状凸起，按照蜂窝状交错分布在所述换热板的平面上，两块换热板上的半球面或乳钉状凸起的拱顶相对，构成两块换热板之间的支撑结构。

本发明的板状热交换元件的一种改进的技术方案，其特征在于所述的换热板为两块由相同的冲压模具冲压成型的同模换热板；所述的同模换热板上的导流带结构和强化换热结构，沿换热板的中线上下对称分布；所述的两块同模换热板一正一反对合，周边焊接构成板状热交换元件。

本发明的另一个目的是提供一种使用上述板状热交换元件的水媒热交换装置，解决闭式地表水源热泵系统的换热装置体积大，不便安装维护的问题。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种地表水源热泵系统的水媒热交换装置，包含供水总管、回水总管和至少两块上述板状热交换元件，其特征在于所述板状热交换元件的进水口并联连接到所述的供水总管，板状热交换元件的出水口并联连接到所述的回水总管；所述并联连接的板状热交换元件的流通腔体内注有热媒水；所述的热媒水通道通过供水总管和回水总管连接到地表水源热泵系统的热媒水循环回路。

本发明的再一个目的是提供一种上述板状热交换元件的制造方法，解决现有板状热交换元件的制造工艺复杂，生产效率低，制造成本高的技术问题。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供的制造上述板状热交换元件的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

S11）确定板状热交换元件的有效换热面积，确定换热板上的导流带结构和强化换热结构的形状布局，制作换热板冲压加工模具；

S12）将制造换热板的金属板材冲压拉伸成型，形成带有导流带结构和强化换热结构的换热板；

S13）将两块换热板对合，沿对合后的换热板周边接缝处将两块换热板焊接为一体；

S14）在两块换热板对合形成的流通腔体的热媒水通道两端，分别焊接进水口和出水口。

本发明还有另外一个目，就是提供一种用于上述水媒热交换装置的制造安装方法，解决现有闭式地表水换热系统的热交换装置，体积庞大，制造组装困难，安装维护成本高的技术问题。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种用于制造上述水媒热交换装置的制造方法，其特征是包含以下步骤：

S21）根据地表水源热泵系统的热负荷，确定板状热交换元件的有效换热面积和板状热交换元件的块数；

S22）根据上述板状热交换元件的制造方法，制造板状热交换元件；

S23）根据地表水源热泵系统的热媒水循环流量，确定供水总管和回水总管的管径；

S24）将制造完成的板状热交换元件以及供水总管和回水总管，运抵地表水源热泵系统的地表水源现场，将各板状热交换元件的进水口通过进水管并联连接到供水总管，将各板状热交换元件的出水口通过出水管并联连接到回水总管，组装构成所述的水媒热交换装置；

S25）将组装完成尚未注入热媒水的水媒热交换装置，拖放至沉放位置的水面上，通过供水总管向各板状热交换元件灌注热媒水，使所述的水媒热交换装置沉入地表水源水面之下的预定沉放位置。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供的用于闭式地表水源热泵系统室外地表水换热装置采用板状热交换元件，实现闭式地表水源热泵系统采用室外地表水低温大面积高效换热的问题，该换热装置结构简单，抗污易清洗维护；换热流道设计合理，流程短，水阻力低，可明显节约闭式地表水源热泵系统的地表水源侧的循环水泵电耗，热媒水通道内的强化换热结构不但增加了换热面积，还具有扰流作用，在热媒水通道内形成紊流，进一步提高换热效果。

2.本发明省略了现有板状换热器的蜂窝焊点和构成蛇形中空流道的隔离焊道，使用冲压成型周边焊接工艺取代了髙压胀形工艺，不仅简化了制造工艺，还可以避免因焊接高温造成换热板表面局部粗糙变形，容易结垢的问题，换热板采用两块由相同的冲压模具冲压成型的同模换热板，进一步减少了冲压模具的制造成本；

3.本发明的水媒热交换装置在安装时先不注热媒水，利用未注水的水媒热交换装置在地表水体上的浮力，漂浮到预定安装位置后再注水下沉，便于安装维护。

附图说明

图1是本发明的板状热交换元件的结构示意图；

图2是板状热交换元件的换热板局部结构剖视放大图；

图3是板状热交换元件的A-A局部结构剖视放大图；

图4是本发明的水媒热交换装置的结构示意图。

以上图中的各部件的标号：1和1’-换热板，2-焊缝，3-强化换热结构，4-导流带结构，6-进水管，7-出水管，8-供水总管，9-回水总管，10-板状热交换元件，11-进水口，12-出水口，13-热媒水通道，14和15-连接管件，31-强化换热结构的拱顶，41-导流带结构的拱顶。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。

本发明的用于地表水源热泵系统的水媒热交换装置的板状热交换元件10的结构如图1所示，包含包括进水口11、出水口12和两块对合并周边焊接的换热板1和1’，在两块换热板1和1’之间，设有与进水口11和出水口12连通的流通腔体，换热板1和1’上设有冲压拉伸成型的导流带结构4和强化换热结构3；导流带结构4是换热板上的截面形状为U型或V型的条状凸起。在图1中、在图2中导流带结构4的截面形状为U型，在图3中流带结构4的截面形状为V型。两块换热板1和1’上的条状凸起的拱顶41，也就是图3中V形凸起的尖顶，互相贴合对正，把流通腔体分隔为S型的热媒水通道13。

强化换热结构3是分布在换热板1和1’上的半球面或乳钉状凸起，半球面或乳钉状凸起在流通腔体分隔成的热媒水通道13内，构成扰流元件。热媒水在热媒水通道13内受到半球面或乳钉状凸起的扰流元件的干扰，形成紊流，从而提高换热效果。

在图1和图3所示的本发明的板状热交换元件的实施例中，强化换热结构3为半球面凸起，按照行列对齐分布在所述换热板1和1’的平面上，两块换热板1和1’上的半球面凸起的拱顶31相对，构成两块换热板1和1’之间的支撑结构。当板状热交换元件10随本发明的水媒热交换装置沉放到地表水源水面之下时，受到分布在其表面的强化换热结构3和导流带结构4的支撑，两块换热板1和1’不会在外部地表水源的压力之下压瘪变形。相反，在外部地表水源的压力之下，两块换热板1和1’上的强化换热结构3的拱顶31紧密压合，互相贴合对正的导流带结构4的拱顶41也紧密压合，并由此带来了要素省略的技术效果：本发明省略了现有板状换热器的蜂窝焊点和构成蛇形中空流道的隔离焊道，使用冲压成型工艺取代了髙压胀形工艺，不仅简化了制造工艺，还可以避免因焊接高温造成换热板1和1’表面局部粗糙变形，容易结垢。

根据本发明的板状热交换元件的另外的实施例，强化换热结构3也可以采用乳钉状凸起，强化换热结构3还可以按在换热板1和1’的平面上，两块换热板1和1’上的半球面或乳钉状凸起的拱顶31相对，构成两块换热板之1和1’间的支撑结构。照蜂窝状交错分布的强化换热结构3，可以产生更好的支撑效果和扰流效果。

根据图1所示的本发明的板状热交换元件10的实施例，换热板1和1’为两块由相同的冲压模具冲压成型的同模换热板1；同模换热板1上的导流带结构4和强化换热结构3，沿换热板1的中线上下对称分布；两块同模换热板1一正一反对合，周边焊接构成板状热交换元件10。

图1中用双点划线表示S形的热媒水通道13；图3中使用波纹线阴影表示板状热交换元件流通腔体的热媒水通道13中的热媒水；图4中用虚线表示周边焊接的焊缝2。

图4展示了本发明的使用上述板状热交换元件10的地表水源热泵系统的水媒热交换装置，包含供水总管8、回水总管9和至少两块板状热交换元件10，板状热交换元件10的进水口11并联连接到供水总管8，板状热交换元件10的出水口12并联连接到的回水总管9；并联连接的板状热交换元件10组装为整体的水媒热交换装置，沉放到地表水源水面之下；板状热交换元件10的热媒水通道13内灌注热媒水；热媒水通道13通过供水总管8和回水总管9连接到地表水源热泵系统的热媒水循环回路。热媒水通道13中的热媒水，通过板状热交换元件10两侧换热板1和1’及其强化换热结构3，与外部的地表水源形成对流热交换接触。热媒水通道13中的热媒水最好是采用纯洁的软化水，在寒冷的地区冬季还可以在热媒水中添加防冻剂。

本发明提供一种制造板状热交换元件10的制造方法，包括以下步骤：

S11）确定板状热交换元件10的有效换热面积，确定换热板上的4导流带结构和强化换热结构3的形状布局，制作换热板冲压加工模具；若采用本发明的同模换热板结构，则只需制作一套换热板冲压加工模具。

S12）将制造换热板1的金属板材冲压拉伸成型，形成带有导流带结构4和强化换热结构3的换热板1；冲压拉伸成型的换热板1的局部剖面形状如图2所示。制作换热板1的金属板材可以采用不锈钢或者钛板，优选采用钛板制作。相对于不锈钢板，钛板的密度低、耐腐蚀性更好。且强度高，机械加工性能好，易于冲压成型。

S13）将两块换热板1和1’对合，沿对合后的换热板周边接缝2将两块换热板1和1’焊接为一体。

S14）在两块换热板对合形成的流通腔体的热媒水通道13两端，分别焊接进水口11和出水口12。

从以上本发明的制造板状热交换元件10的制造方法可以看出，由于充分考虑了板状热交换元件10沉放在地表水源中的受力状态，以及强化换热结构3和的导流带结构4的设计布局，除了状热交换元件10的四周密封焊接之外，强化换热结构和的导流带结构不需要焊接，加工方法简单，生产效率高。需要特别说明的是，在本发明中导流带结构的作用就是导流，冲压成型的导流带结构靠外部压力互相压紧贴合，两块换热板之间不需要完全密闭，允许对合缝隙中有微量水通过。这种结构设计对冲压工艺的要求不高，可以进一步降低加工成本。

本发明还提供一种使用板状热交换元件10制造水媒热交换装置的制造方法，包含以下步骤：

S21）根据地表水源热泵系统的热负荷，确定板状热交换元件10的有效换热面积和板状热交换元件的块数。

S22）根据步骤S11至S14提供的板状热交换元件10的制造方法，制造板状热交换元件10。

S23）根据地表水源热泵系统的热媒水循环流量，确定供水总管8和回水总管9的管径。

S24）将制造完成的多块板状热交换元件10以及供水总管8和回水总管9，运抵地表水源热泵系统的地表水源现场，将各板状热交换元件的进水口11，通过连接管件14和进水管6并联连接到供水总管8，将各板状热交换元件的出水口12，通过连接管件15和出水管7并联连接到回水总管9，组装构成本发明的水媒热交换装置。根据本发明的实施例，供水总管8和回水总管9采用PE管，连接管件14和15采用钢塑转换接头。

S25）将组装完成尚未注入热媒水的水媒热交换装置，拖放至沉放位置的水面上，通过供水总管8向各板状热交换元件灌注热媒水，使所述的水媒热交换装置沉入水面之下的预定沉放位置。

根据上述本发明的使用板状热交换元件10制造水媒热交换装置的制造方法可知，为方便安装，本发明的水媒热交换装置在安装时先不注热媒水，利用未注水的水媒热交换装置在地表水体上的浮力，漂浮到预定安装位置后再注水下沉。

本发明处于工作状态时，各板状热交换元件10的流通腔体和供水总管8与回水总管9内部均注满热媒水，本发明的水媒热交换装置完全沉没在水中。当需要检修除垢时，可使用空压机将压缩空气充入供水总管8、回水总管9和各板状热交换元件10的流通腔体内，水媒热交换装置充气排水后就自然上浮，除垢检修比较方便。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的技术方案，而并非用作为对本发明的限定，任何基于本发明的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种板状热交换元件，包括进水口、出水口和两块对合并周边焊接的换热板，在所述的两块换热板之间，设有与进水口和出水口连通的流通腔体，其特征在于：

所述的换热板上设有冲压拉伸成型的导流带结构和强化换热结构；

所述的导流带结构是换热板上的截面形状为U型或V型的条状凸起，所述两块换热板上的条状凸起的拱顶互相贴合对正，把流通腔体分隔为S型的热媒水通道；

所述的强化换热结构是分布在换热板上的半球面或乳钉状凸起，所述半球面或乳钉状凸起在所述的热媒水通道内构成扰流元件。

2.根据权利要求1所述的板状热交换元件，其特征在于所述的半球面或乳钉状凸起，按照行列对齐分布在所述换热板的平面上，两块换热板上的半球面或乳钉状凸起的拱顶相对，构成两块换热板之间的支撑结构。

3.根据权利要求1所述的板状热交换元件，其特征在于所述的半球面或乳钉状凸起，按照蜂窝状交错分布在所述换热板的平面上，两块换热板上的半球面或乳钉状凸起的拱顶相对，构成两块换热板之间的支撑结构。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的板状热交换元件，其特征在于所述的两块换热板为相同的冲压模具冲压成型的同模换热板；所述的同模换热板上的导流带结构和强化换热结构，沿换热板的中线上下对称分布；所述的两块同模换热板一正一反对合，周边焊接构成板状热交换元件。

5.一种地表水源热泵系统的水媒热交换装置，包含供水总管、回水总管和至少两块权利要求1至4之任一项所述的板状热交换元件，其特征在于所述板状热交换元件的进水口并联连接到所述的供水总管，板状热交换元件的出水口并联连接到所述的回水总管；所述并联连接的板状热交换元件组装为整体的水媒热交换装置，沉放到地表水源水面之下；板状热交换元件的热媒水通道内灌注热媒水；所述的热媒水通道通过供水总管和回水总管连接到地表水源热泵系统的热媒水循环回路。

6.根据权利要求1至4之任一项所述的板状热交换元件的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

S11）确定板状热交换元件的有效换热面积，确定换热板上的导流带结构和强化换热结构的形状布局，制作换热板冲压加工模具；

S12）将制造换热板的金属板材冲压拉伸成型，形成带有导流带结构和强化换热结构的换热板；

S13）将两块换热板对合，沿对合后的换热板周边接缝处将两块换热板焊接为一体；

S14）在两块换热板对合形成的流通腔体的热媒水通道两端，分别焊接进水口和出水口。

7.一种用于制造权利要求5所述的水媒热交换装置的制造安装方法，其特征在于包含以下步骤：

S21）根据地表水源热泵系统的热负荷，确定板状热交换元件的有效换热面积和板状热交换元件的块数；

S22）根据权利要求6所述的板状热交换元件的制造方法，制造板状热交换元件；

S23）根据地表水源热泵系统的热媒水循环流量，确定供水总管和回水总管的管径；

S24）将制造完成的板状热交换元件以及供水总管和回水总管，运抵地表水源热泵系统的地表水源现场，将各板状热交换元件的进水口通过进水管并联连接到供水总管，将各板状热交换元件的出水口通过出水管并联连接到回水总管，组装构成所述的水媒热交换装置；

S25）将组装完成尚未注入热媒水的水媒热交换装置，拖放至沉放位置的水面上，通过供水总管向各板状热交换元件灌注热媒水，使所述的水媒热交换装置沉入地表水源水面之下的预定沉放位置。

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