CN102822582B - 管隔离器 - Google Patents

Abstract

本文件描述了一种用于分隔在例如垂直地热热交换器系统的管道系统内至少一个管(20)的管隔离器(10)，所述隔离器包括具有至少一个管接合支持部件(14)用于使接合管保持紧靠管道系统内的表面的手柄。还描述了一种用于分隔在例如垂直地热热交换器系统的管道系统内至少两个管(20)的方法。所述管隔离器容易安装、且维持至少两个接合管紧靠圆形钻孔的圆周表面，即使当所述接合管的其中一个从所述管隔离器脱离。在所述接合管和所述隔离器已经降低到所述钻孔内后，所述管隔离器具有对独立和不影响所述管隔离器的其他管的通道在所述“欧米茄”(Ω)外形内的一开放通路空间。

Description

管隔离器

相关申请的交叉引用

本申请主张于2010年3月16日在35USC§119(e)规定下提交的美国临时专利申请第61/314,224号的优先权，其说明通过引用而合并到本文中。

技术领域

本发明主题通常涉及地热垂直热交换器系统。更特别地，其涉及一种在管的安装期间用于分离在孔内的U形弯管的管隔离器。

背景技术

在此点上，在地热热交换器系统领域，使用闭合环状的地热热交换器(GHX)来抽取地下热能。众所周知的是，在现有技术中，通过循环在管或组成闭合环的管内的流体发生热交换。通常，该管同时具有供应部和返回部，其一般位于相同的钻孔内。供应管和返回管经由在钻孔的底部处的“U”形接合点(U形弯管)连接。实际上，因为垂直GHX通常由高密度聚乙烯3408(HDPE 3408)制成，管具有特定的容易伸缩的弹性，因此，在安装垂直地热交换器期间，重力倾向于强制管弯曲或弯折、彼此交错和斜靠或在其弯曲点或弯折点处抵靠钻孔。因此在现有技术中需要在安装管期间在钻孔内提供用于容易分离U形弯管的管隔离器。

地热场的规模由以下因素决定：

1.待处理的热负载(楼房和加工车间，等等)；

2.地下地质情况(泥土和岩石的类型、密度、水含量和平均温度)；

3.所使用GHX液体的设计温度；

4.钻孔的几何构形；以及

5.管和泥浆的热性能。

因为环境和技术的原因，通常需要用泥浆混合物填满U形环周围的空间。这泥浆是额外的热阻。位于管和钻孔壁之间的任何泥浆都导致热交换的降低，这一降低造成钻孔的能量效率的下降，因此需要提高钻孔的长度。

交错部以及U形环供应部和返回部的管道近端都促使地热交换效率的降低(通过地面实施的热交换)，该地热的交换效率都是通过提高钻孔的两个管(供应管和返回管)之间的热干扰以及通过在它们之间创建接触点来实现的，也就是说，热能部分地在管之间交换而不是完全通过地面进行交换。因此，这就降低了钻孔的能量效率从而需要增加其长度或增加所必需的钻孔的数量。

对于给定的具有特殊热负载的项目，在具有特殊地质情况已确定的地点处，存在很少人们可以影响的因素来优化地热场的设计和热效率。这些因素中的一个是隔开在钻孔内的管。

为了最大化热转移效率，需要尽可能地将供应管从返回管分隔开。这就降低了它们的相互热干扰同时降低了感应泥浆热阻。

在已知的现有技术中，题目为《U形弯管隔离器(“U-BEND PIPESPACER”)》的美国专利第6,000,459号在管之间建立了间隔。这一在北美洲使用的模型的已知名称是GeoClip^TM，该GeoClip^TM是弹性负载隔离器，其做为隔离器完成了其任务，以便经由将动压力施加到所述管上的弹性部来保留截然不同的管，因此，GeoClip^TM可以在管上推动。因为GeoClip^TM是由四个(4)主要移动部分组成：两个(2)接收管的保留腔或夹部；一个(1)施加推力的弹性部以及一个(1)支持住在其使用之前就闭合的弹簧的挡圈，诸如GeoClip^TM的现有技术的隔离器制造复杂。现有技术的GeoClip^TM隔离器的复杂度致使其很难利用且不够友好，此外，其特征在于其设计内本身存在的易碎性。

要想在地热系统构造场地上找到“破碎”的GeoClips^TM也是容易的，因为，弹簧部从其锚固点中的一个被释放，所以GeoClip^TM就变得没有用处了。虽然GeoClip^TM旨在在地热系统内在安装期间将U形弯管分隔开，但是安装非常困难，且大大地降低了管的安装速度，这使其更少有人有兴趣去使用它。

此外，所显示的是，现有技术的隔离器经常会导致在地热系统的施工现场有很大数量的隔离器被丢弃，虽然它们功能良好以及情况良好。例如，对于到GeoClip^TM的管的连接方式，在将GeoClip^TM插入到钻孔里面之前，两个管中的一个常常出现分离，GeoClip^TM的弹簧部然后完全地扩张，因此就打开了隔离器。重置弹簧部和将GeoClip^TM重新接到管上所需要的时间和工作量都大于GeoClip^TM本身的价值，因此，工人常常将GeoClip^TM搁置一旁，用新的来代替它。

另外一个方面，寻找现有技术的隔离器或分散在地热系统的施工场地上GeoClip^TM的扣环也是容易的，这些扣环一旦从GeoClip^TM移除就是无用的和不可以再使用的。这些非生物降解的环经常被发现掩埋在施工场地上，产生了不必要的污染。现存的，现有技术的其他弹簧负载的隔离器包括随时间流逝而会腐蚀的金属弹簧部，这种腐蚀就导致了微生物的生长。一旦内部有钻孔，这样的腐蚀就是污染含水层的传播介质，因此，在现有技术中就存在需要提供用于在安装管期间能容易地分隔在钻孔内的U形弯管的简单的管隔离器的器件。

此外，针对诸如GeoClip^TM的现有技术隔离器的外形以及其使用方法，钻孔必须在GHX插入的同时充满地热泥浆，应预见到GeoClip^TM的保留环不仅保留在适当位置直至地热交换器的供应管和返回管连接到GeoClip^TM，而且直至水下浇注管定位在GeoClip^TM上的其预限定位置处。在将转换器和钻孔之间的环形空间用地热泥浆充满时使用该水下浇注管。一旦保留环移除以及只要水下浇注管本身没有被取出，这一管就以这种方式连接到GeoClip^TM，从而防止GeoClip^TM弹簧部延伸。

在这样的配置中，如果水下浇注管没有与GeoClips^TM同时下降，则其就不可能下降，这就使钻孔的钻井产能下降，同时使所需要的协调费用增高，因为没有以类似的步调工作的钻机团队和灌浆团队仍然必须要为了各钻孔而等待彼此。例如，钻一个钻孔通常需要12个小时的工作量，而插入环和向钻孔灌浆通常需要4个小时的工作量。这就增加了任何安装项目的成本。诸如GeoClip^TM等其他现有技术的隔离器需要使用双手和几个处理步骤才能将隔离器定位和连接到交换器管上。因此，现有技术就需要在安装管期间提供易于快速地分离U形弯管的管隔离器器件。

最后，除了在将隔离器插入钻孔之前和之后将其从管上拆卸下来的风险外，还有诸如GeoClip^TM等现有技术的隔离器的复杂的处理要求，都使现有技术的隔离器的使用对一些热交换器安装工没有吸引力。

因此，需要管隔离器来满足用于降低热干扰同时降低感应泥浆热阻的要求。此外，针对隔离器，还需要通过降低风险和有利于一般的安装工作来提高钻孔机的产能。

对于这些所有的缺点，因此现有技术就需要提供在管的安装期间容易将在钻孔内的U形弯管进行分离的管隔离器，通过使用闭合环热交换器开发使用地热系统。更特别地，管隔离器需要维持GHX管使其尽可能地靠近交换器定位在其中的钻孔壁，这就提高了GHX的能量属性、降低了所需要管的长度以及充分地降低了安装时间和成本。

发明内容

根据一个实施例，提供了一种用于隔开在管道系统内至少一个管的管隔离器，所述管隔离器包括手柄，具有至少一个管接合支持部件，所述支持部件用于维持接合管靠近管道系统内的表面。

根据另外一个实施例，提供了一种用于隔开在管道系统内至少两个管的管隔离器，所述管隔离器包括手柄，所述手柄具有用于隔离接合管的至少两个管接合支持部件。

所述管隔离器的至少两个管接合支持部件可以从手柄的相对末端延伸。

所述管道系统可以是热交换器系统。在热交换器系统内，所述隔离器使用来将管彼此隔离开的同时为了最大化热交换将它们尽可能地维持靠近于钻孔壁。

所述管接合支持部件可以包括在所述管接合支持部件的自由端部处的管接合夹部。

所述管接合夹部可以包括用于接收管的凹面。

所述凹面可以由实质上高摩擦材料制成，以便降低在所述管上的隔离器的滑动。

所述管隔离器可以根据钻孔直径来设定尺寸。

所述管接合支持部件可以根据管直径来设定尺寸。

所述管隔离器的手柄和管接合支持部件可以由单片材制成。

所述手柄可以由聚合材料、塑料、ABS、金属材料或复合材料制成。

所述管接合支持部件可以由聚合材料、塑料、ABS、金属材料或复合材料制成。

所述管接合支持部件包括凹表面。

所述管隔离器具有几何形状，以允许沿着钻孔壁滑动。

根据另外的实施例，提供一种用于维护和分隔接合片材的管隔离器的使用。

所述片材选择自由管、杆、棍或柱组成的组群。

根据另外一个实施例，提供了一种用于分隔在管道系统内的至少两个管的方法，包括以下步骤：

a)将权利要求2所述的管隔离器的一个管接合支持部件与至少一个第一管接合；以及

b)将步骤a)中的所述管隔离器的第二管接合支持部件与至少第二管接合，以便将在诸如热交换器系统等的管道系统内的第一和第二管隔离开。

术语“隔离器”应理解为包括以下定义：连接到两个或多个其他片材上和维持已连接片材之间预确定分隔的刚性片材。这样的片材包括但不限制于管、杆、旗杆和天线。优先地，使用所述隔离器以将系统内的至少两个片材隔离开。

术语“热交换器”应理解为包括以下的定义：热交换器系统可以是建立用于从一个介质到另外一个介质的高效热传导的任何器件，所述器件包括其它的地热热交换器，包括但不限制于壳体和管热交换器、板翅式热交换器、枕头板式热交换器、流体热交换器、余热回收单元、动态刮面热交换器以及在其它中的相变热交换器。

本发明的主题的特点和优点通过参照以下所选择的实施例的详细描述将会更显而易见，如附图中所示出的。应该明白的是，所公开和所声称的主题能够在各方面进行修改，都不会背离权利要求书的范围。因此，附图和说明书本质上是视为示例性的而不是限制性的，本发明的主题的所有范围都在权利要求书中指出。

附图说明

本公开的进一步的特性和优点通过以下详细的描述并接合附图将变得更显而易见，其中：

图1是根据一个实施例包括安装在一对U形弯管上的隔离器的几个隔离器的透视图；

图2A是根据另外一个实施例的隔离器的透视图；

图2B是根据另外一个实施例的隔离器的俯视图；

图2C是根据另外一个实施例的隔离器的前视图；

图2D是根据另外一个实施例的隔离器的侧视图；

图2E是根据另外一个实施例的隔离器沿着图2D中的A-A轴线的横断面视图；

图3是详细说明关于图2A-图2E中所示的尺寸的隔离器的安装应用的大量不同可能性所需要的不同尺寸的图表，但不限于此。

图4A是根据另外一个实施例的隔离器的前视图；

图4B是根据另外一个实施例的隔离器的俯视图；

图4C是根据另外一个实施例的隔离器的底视图；

图4D是根据另外一个实施例的隔离器沿着图4A的D-D轴线的底视图；

图4E是根据另外一个实施例的隔离器沿着图4G的A-A轴线的横截面视图；

图4F是根据另外一个实施例的隔离器沿着图4A的B-B轴线的横截面视图；

图4G是根据另外一个实施例的隔离器的侧视图；

图4H是根据另外一个实施例的隔离器沿着C-C轴线的视图；

图4I和图4J示出隔离器的中间部的厚度保持不变但其宽度变；

图5A到图5G是根据一个实施例示出在用于最后安装在地面的钻孔内的U形弯管上的安装步骤的透视图。

应该注意的是，在全篇的附图中，相似的特性由相同的参考号识别。

具体实施方式

现在参考附图，更特别地参考图1，提供了一种用于隔离热交换器系统内一对管20(例如，U形弯管)的隔离器10。隔离器10包括手柄12和从手柄12的相对末端处延伸的一对管接合支持部件14。各管道接合支持部件14包括在管接合支持部件14的自由端部处的管接合夹部16，夹部16包括适合用于接收在其中的管20的凹面18。手柄12和管接合支持组件14可以形成单一整体构件。凹面18可以选择地内衬有使用在凹面18和管20之间的低摩擦情况下的高摩擦材料。

根据一个实施例，隔离器10设计旨在用于使用闭合环热交换器的地热系统内，更特别地，使用隔离器10以尽可能地将GHX管维持靠近于钻孔壁，以便最大化在管20的液体循环和钻孔壁之间的热交换。这一最大化的热交换提高了地热系统的能量性能、缩减了所需要管20的长度和实质上降低了安装时间和成本。另外一个方面，应该注意的是隔离器10可以设计为专门使用在许多其它热交换器的系统内，诸如：壳体和管热交换器、板翅式热交换器、枕头板式热交换器、流体热交换器、余热回收单元、动态刮面热交换器以及在其它中的相变热交换器。

还有，隔离器10可以使用在多种应用程序内，其中，需要充分地分离该管。虽然仍然处于地热应用阶段，但是有钻工使用隔离器10来暂时地把持对齐在水平部内的管20。虽然隔离器10的另外的应用与地热能量没有关联，但是与在安装期间维持管对齐的效益有关。通过实例，可以使用隔离器10用于在安装辐射采暖地面或安装在溜冰场内的冷却系统时将管20维持在适当位置。此外，隔离器10可以设计用于专门使用在许多其他的系统中，甚至是当时是不同的热交换器系统中。通过示例，可以使用两个隔离器10以暂时地将旗固定在杆上，或甚至是将无线天线固定在柱上。

根据一个实施例，隔离器10根据钻孔的直径和地热交换器管20的直径设定尺寸。接着，就提供几个隔离器尺寸以便满足不同配置的地热交换器的不同地热要求。

隔离器10没有将压力实施在管20上以便分离它们。隔离器10可以容纳不同直径的专门钻孔并可以被动地将隔离维持在管20之间。此外，管接合支持组件14的凹面18可以实质上由高摩擦材料制成或覆盖有大体地高摩擦材料，以便当外部温度下降为低于大约-20℃时减少隔离器10在管20上的滑动。在这样的温度下，当管20在钻孔中下降时，隔离器10可以更自由地在管20上滑动和移动。事实上，管接合支持部件14的凹面18的实质上高摩擦的材料提高了管20和隔离器10之间的摩擦水平，并在那种情况下降低了隔离器的滑动效果。还应该注意的是，整年都提供具有实质上高摩擦材料的管接合支持部件14的凹面18是不必要的。隔离器10的刚性维持了管20之间的距离。然而，管隔离器10还可以具有一定水平的弹性，使其能够适应于钻孔偶尔出现的地热非正常情况。

隔离器10可以由单片材制成。当隔离器10由单个防腐性或耐蚀性的片材组成时，在施工现场没有生成和余留废弃的物料。此外，隔离器可以由可回收的ABS制成，因此有助于保护环境。隔离器10的形状和设计都仔细开发以便满足坚固、耐用性和灵巧的要求。使用来制造隔离器10的材料可以是刚性材料和可以用于反复操作的弹性材料，隔离器10甚至在场地的恶劣施工条件下也要保持其完整性。

应该注意的是，隔离器10并不需要由单部件制成。隔离器10可以设计为两个片材单元，所述片材单元可以在保持隔离器的原始刚性和弹性的这样的方式下生成后进行装配。一个管接合支持部件14可以完全地滑入其它的管接合支持部件14内以便完成整个隔离器10的制造。在输送之前进行装配，成品的隔离器10不能由单片材制成。

无论在钻孔内在下降期间发生什么事情，隔离器10的形状都被设计来在适当位置处把持住管20。如果，因为钻工错误操作(例如，在将管20插入到钻孔内之前，管20与隔离器10分离)，所以隔离器10保持在适当位置，且管20可以容易地被连接。此外，隔离器10的边缘具有允许沿着钻孔壁滑行的几何形状。甚至如果在整个插入管期间都存在摩擦(这是可能的)，那么隔离器10设计为在整个下降期间保留其完整性直至其被放置在最终位置内。通过隔离器10的“欧米茄”外形，如果管20从其保留腔分离，则其将仍然保留在隔离器10和钻孔壁之间合适的位置内。

根据实施例，在其插入到钻孔和因此没有阻碍水下浇注管下降期间，隔离器10的使用不需要存在水下浇注管。在安装期间，即使不用对用于地热安装的典型工作方法做出任何的修改，生产力也可以维持不变。

设计隔离器10以最大化钻孔内的开放通路空间，是为了在水下浇注管不存在的情况下允许插入GHX。在向钻孔灌注地热泥浆之前，可以在几天甚至是几个星期内完成GHX的插入。此外，水下浇注管将在下降期间受到的干扰就算有也比较少，因此，即使独立于灌浆设备，钻工也可以将地热交换器尽可能早地插入到钻孔内，这同时因为现场设备处于待命状态所以降低了经济成本。隔离器10的独特外形可以允许水下浇注管沿着隔离器滑动而不是将其钩到上面。

现在参看图4A到图4J，显示的是，优选地，在制造隔离器10期间，为了在该零件的冷却期间保持隔离器10不折叠在其本身上，列表器元件30(如图2A所示的)可以在设计隔离器10期间考虑进去。实际上，在隔离器10制造过程中的冷却阶段，在手柄12和管接合支持部件14之间的角处，使用来制造隔离器的材料会收缩且有时候隔离器10会自行关闭，而不是预期地关闭。列表器元件30比隔离器零件12、14的剩余部冷却得更快，因此保证角不会过度地折叠。如果需要，列表器30可以在制造隔离器10后从零件上切除，因为其只在制造期间是有用的。对于用于使用来制造隔离器10的其它类型的材料，可以不需要本列表器。

此外，可以使用管隔离器10以只将一个管20从管道系统内的特定表面隔开。在这种情况下，隔离器10由手柄12和从手柄12的一个端部延伸的仅仅一个的管接合支持部件14制成，其中，管接合支持部件14是用来分隔接合管20的。

正如图5A至图5G中更好地示出的，为了将其连接到GHX管20上，对EZ-SNAPS^TM隔离器10的处理是以单姿态来完成的。工人可以定位隔离器(图5C)，并以猛然的一个冲击运动将其插进适当的位置(图5D)内。没有为了促动隔离器而需要移除的额外的零件，也没有弹簧部和移动零件。隔离器没有可以移除或下卸的额外零件。如图5A至5G所显示的，将隔离器10连接到交换器管20使用单个手就可以完成。

针对环境原因和技术原因，将U形环周围的空间填满泥浆混合物是正常需要的。这泥浆表示的是额外的热阻。任何定位在管和钻孔壁之间的泥浆都会导致热交换的下降，其导致了钻孔能量效率的下降，以及因此需要提高钻孔的长度。交错以及U形环供应部和返回部的管道邻近端通过提高钻孔的两个管(供应管和返回管)之间的热阻以及通过在所述管之间创建接触点导致了热转换效率(通过地表面进行的热交换)的降低，即热能在所述管之间部分地转换，而没有完全与地下交换。因此，这减小了该钻孔的能源效率和需要增加钻孔的长度或增加必要钻孔的数量。

虽然优选的实施例已经在以上描述并通过附图示出了，但是对本领域的技术人员来说明显的是，所做出的修改并没有背离本公开，这样的修改被视为可能的包括在本公开的范围内的变型。

Claims (13)

1.一种用于分隔在管道系统内两个基本平行的管的管隔离器，所述隔离器包括：

手柄，其形成基本凸和圆的表面以便符合和邻接钻孔的圆周表面；

两个管接合支持部件，其连接到在每个管接合支持部件的第一末端处的所述手柄并从所述手柄的相对末端向内延伸；

所述两个管接合支持部件基本地与所述手柄共面并具有从每个管接合支持部件的第二末端延伸的管接合夹部，所述管接合夹部形成基本凹的表面，用于接合一个管子；

其特征在于，所述手柄的所述基本凸和圆的表面、所述共面的管接合支持部件以及所述管接合夹部都由弹性材料制成，使所述管隔离器具有基本为“欧米茄”(Ω)的外形，所述外形把接合管维持在与在所述管道系统中基本圆形的所述钻孔的所述圆周表面相隔一段热交换距离，甚至当所述接合管中的一个从所述管接合支持部件中的一个中脱离时。

2.根据权利要求1所述的管隔离器，其特征在于，所述管道系统是地热的热交换器系统。

3.根据权利要求1所述的管隔离器，其特征在于，所述隔离器根据所述钻孔的直径将尺寸设置为插入到所述钻孔内。

4.根据权利要求1所述的管隔离器，其特征在于，所述管接合夹部根据所述管的直径将尺寸设置为接合所述管。

5.根据权利要求1所述的管隔离器，其特征在于，所述手柄和所述管接合支持部件由单一片材制成。

6.根据权利要求1所述的管隔离器，其特征在于，所述手柄由聚合材料、金属材料或复合材料制成。

7.根据权利要求1所述的管隔离器，其特征在于，所述管接合支持部件由聚合材料、金属材料或复合材料制成。

8.根据权利要求1所述的管隔离器，其特征在于，所述管接合支持部件包括外部凸表面，以便允许至少所述两个管沿着钻孔壁滑行。

9.根据权利要求1所述的管隔离器，其特征在于，所述凹表面由高摩擦材料制成，以便减少在所述管上的所述隔离器的滑移。

10.根据权利要求1所述的管隔离器，其特征在于，从所述手柄向内延伸的所述两个管接合支持部件防止从所述管脱离。

11.一种权利要求1的管隔离器的使用，用于维持在所述两个管接合支持部件的所述管接合夹部内接合的两个片材的隔离，其特征在于，所述片材是管、杆、棍或柱。

12.一种用于隔离在管道系统内的两个管的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)将权利要求2所述的管隔离器的一个管接合支持部件与第一管接合；以及

b)将步骤a)的所述管隔离器的第二管接合支持部件与第二管接合，以便将在管道系统中的所述第一管和所述第二管隔开。

13.一种用于将在管道系统内两个基本平行的管隔离开的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)将沿着其纵轴定位的权利要求1的管隔离器插入到两个基本平行的管之间；以及

b)将所述隔离器旋转到基本垂直于两个基本平行的所述管的位置，以及猛然地以单一冲击运动将所述隔离器的相应管接合支持部件移动到相应的管上，以便将所述管隔离器安装到两个所述管上。