CN103965533B - 地热管式收集器 - Google Patents

Abstract

提供了地热管式收集器。地热管式收集器由包含以下的聚合物组合物制成：大于50wt％聚乙烯、0.1wt％‑35wt％滑石和0.5wt％‑10wt％炭黑。

Description

地热管式收集器

技术领域

本申请涉及用于地热交换的管式收集器和用于改进地热管式收集器的性能的聚合物组合物。

背景

地热能是在地下以热的形式被储存的能量。该能量可以来源于热的地核或可以是由暴露于来自太阳的红外辐射的地球表面产生的热。现今，大部分地热设施使用第二类地热能，即在例如水、地面或基岩中以热的形式被储存的太阳能。

在使用循环流体的地热能系统中，使用地热管式收集器从地面(例如水或基岩)提取热。在地热管式收集器中，已知为传热介质或传热液体的流体被循环，使得通过地热能加热的流体在地热管式收集器的一端被提取，冷却的流体然后返回到地热管式收集器的另一端，使得产生封闭系统。

地热能系统的实例是地表热系统、海洋热系统和钻孔热系统(borehole heatsystem)。在地表热系统中，几百米长的地热管式收集器以防冻深度被埋在地下。在海洋热系统中，相似的管式收集器被放置在海水中和/或海床上/中。

在钻孔热系统中，将具有两个流体导管的地热管式收集器放置在钻孔中，使得流体可以在第一流体导管中被输送到钻孔中且在第二流体导管中被输送出钻孔。用于钻孔热系统的地热管式收集器可以是所谓的U形管式收集器。U形管式收集器包括单独的闭管，其被弯曲为使得其形成U形，使得被输送的流体的方向在钻孔的底部被改变。可选择的地热管式收集器是所谓的双U形管式收集器，其包括用于将传热液体向下输送至钻孔的两个管，其分叉成两个管，从钻孔输送回流体且进一步输送至热泵。

用于钻孔热系统的又一种类型的收集器是所谓的共轴收集器。在共轴收集器中，内管被布置在外管内。管被焊接在一起，使得形成单一组件，且随后将其安装在钻孔中。流体在外管中被向下输送到钻孔中且因此从钻孔吸收热。当流体到达钻孔的底部时，其又通过内管被向上输送。期望避免在加热的流体和冷却的流体之间的长表面积接触，这是为什么外管设置有较大的横截面面积，使得在内管中实现更快的流动的原因。

借助于上述收集器中的任一种收集的热或冷却用于蒸发或冷凝系统中的热泵的冷却剂，且由此从循环流体提取热或冷却。

由于其对被地面环境降解的抵抗力，聚乙烯(PE)是广泛用于制造地热管式收集器的材料。然而，PE通常被看作具有低热导率的绝热体，当该材料用于热交换应用时，这是缺点。为了降低管式收集器的热阻的目的，可以减小管式收集器的壁厚度。然而，降低壁厚度影响管的机械性质，这对于实现管标准的要求和管的处理来说可能是不利条件。在M.Ojala等人的EP 2195586中，描述了地热管式收集器的热导率可以如何通过在管式收集器内部产生流体的湍流来增加。然而，产生湍流涉及在地热管式收集器的壁中产生凹槽或凹部，这降低了地热管式收集器的壁的厚度，又影响一些管的机械性质。

为了能够减小地表热系统中使用的管的长度，和减小钻孔热系统中的钻孔的深度，得到具有减小的热阻和维持的机械性质的地热管式收集器的设计将是有利的。

概述

提供了地热管式收集器。地热管式收集器由包含以下的聚合物组合物制成：大于50wt％聚乙烯(PE)、0.1wt％-35wt％滑石和0.5wt％-10wt％炭黑(CB)。CB的加入使地热管式收集器免受自然环境影响但降低聚合物组合物的机械性质中的一些。滑石的加入增加热导率的性能，因此增加地热管式收集器的热交换能力，使采用较短的管式收集器但具有相同的热交换能力成为可能。滑石的加入还增加管式收集器的相关联的机械性质，这使具有较薄的壁成为可能，这还降低管式收集器的热阻并因此增加热交换。

根据一个实施方案，地热管式收集器由包含0.1wt％-3wt％滑石的聚合物组合物制成。

根据一个实施方案，地热管式收集器由包含8wt％-35wt％滑石的聚合物组合物制成。通过加入大于8％滑石，管式收集器的密度被增加为使得管式收集器得到比水高的密度且因此沉在钻孔中或沉在海水中。

根据一个实施方案，地热管式收集器由包含8wt％-15wt％滑石的聚合物组合物制成。该实施方案具有比水高的密度且仍具有足以容易地被盘绕的柔性。

根据一个实施方案，地热管式收集器由包含8wt％-12wt％滑石的聚合物组合物制成。在区间8wt％-12wt％滑石中，聚合物组合物具有与没有加入CB时的PE基本上相同的一些机械性质。

根据一个实施方案，地热管式收集器由包含0.5wt％-5wt％CB或1.5wt％-3wt％CB的聚合物组合物制成。两种组合物提供足以对抗自然环境的保护，但包含3wt％-5wt％CB的聚合物组合物具有较高的热稳定性。

在本文的实施方案中的任一个中，添加到聚合物组合物中的滑石可以是平均长宽比在1.2以上的滑石。具有高长宽比的滑石还增加聚合物组合物的热导率。

根据一个实施方案，地热管式收集器的内表面包括凹部或突出部，用于增加在管式收集器中流动的介质的湍流且因此增加管式收集器中的热交换。凹部或突出部可以在管式收集器的内表面上关于管式收集器的长度轴成螺旋形地延伸，使得在管式收集器的长度轴的方向产生湍流。在一个实施方案中，成螺旋形地延伸的凹部或突出部沿着管式收集器的长度轴至少在一些部分处改变方向，使得湍流的方向沿着管式收集器的长度轴被改变，这引起流体的进一步湍流。

管式收集器的内表面上的凹部或突出部可以在管式收集器的内表面上连续地延伸，使得管式收集器可以通过连续挤压来制造。

请注意，聚合物组合物中的任一种或本文提及的添加剂的任何组合可以与任何类型的地热管式收集器一起使用，而不偏离本发明的基本思想。

附图简述

现在通过实例，参考附图来描述本发明，在附图中：

图1示出钻孔中的地热U形管式收集器，

图2是已经对其进行实验的聚合物组合物的表，

图3是显示聚合物组合物的密度随填料含量变化的图，

图4是显示不同的聚合物组合物的拉伸强度的表，

图5是显示聚合物组合物的拉伸强度随该组合物中的填料含量而变化的图，

图6a是显示冲击阻力随聚合物组合物中的填料含量而变化的图，有缺口且沿边，

图6b是显示冲击阻力随聚合物组合物中的填料含量而变化的图，无缺口且平放，

图7是显示伸长率和冲击阻力随聚合物组合物中的填料含量而变化的图，

图8是聚合物组合物的热导率和热扩散率随该聚合物组合物中的填料含量而变化的图，

图9是聚合物组合物的体积热容和比热随该聚合物组合物中的填料含量而变化的图，

图10a是显示管式收集器的热阻随由其制造管的聚合物组合物的热导率而变化的图，

图10b是显示对于不同的管尺寸，管式收集器的热阻随由其制造管的聚合物组合物的热导率而变化的图，

图11是显示不同的聚合物组合物的重量损失的表，

图12是显示聚合物组合物的重量随该聚合物组合物所暴露于的温度而变化的图，

图13是聚合物组合物的粒度的图，其是通过显示由具有特定直径的颗粒构成的体积百分数，

图14a示出地热管式收集器的实施方案，其中管式收集器包括成螺旋形地延伸的凹部，

图14b示出地热管式收集器的实施方案，其中管式收集器包括沿着管式收集器的长度轴至少在一些部分处改变方向的成螺旋形地延伸的凹部。详细描述

在以下中，本发明的实施方案的详细描述将参考附图来给出。应明白，附图仅用于说明且不以任何方式限制本发明的范围。因此，对方向的任何提及，例如“向上”或“向下”，仅是指各图中示出的方向。

图1示出常规U形管式收集器的原理。根据该原理，连续的、密封的聚乙烯(PE)管1被布置在钻过的钻孔2中。管1优选地被制成在塑料挤压机中被挤出的单一连续管。管1在朝向钻孔的底部4的末端处形成U形弯曲部3，使得被输送到钻孔2中的流体在到达钻孔2的底部之后又被向上输送。这种特定的系统被称为“U形管式收集器”，因为弯曲部形成U形。图1仅示出原理，管式收集器的U形可以是单独部件，管的第一部分1’和第二部分1”被焊接至该单独部件。收集器系统的上部件5通常在人孔中在地平面6处终止，从该处将收集器管1、1'、1”连接于热泵(未示出)。在组装期间，手动地或借助于管加载装置(pipe feeder)将管送入钻孔2中。管加载装置通常包括供给管的滑轮(pulley)，且因此，加载装置使管弯曲，同时将管压入钻孔中。供给因此在管上给予相当大的应变，且因此，管需要是柔性的和能够经受相当大的应变。

为了经受住地面环境和由加载装置引起的应变，地热管式收集器由基于PE的聚合物组合物制成。聚合物组合物应被理解为包括一定量的至少一种聚合物材料的任何混合材料，且填料应被理解为聚合物组合物中不同于主要聚合物(本文PE)的材料。本文描述的填料是滑石和CB，且在未指定填料的图中的情况下，滑石是填料。

为了增加PE的户外稳定性且尤其是耐紫外性的目的，将炭黑(CB)添加到聚合物组合物中。CB是由石油产品的不完全燃烧产生的无定形碳的形式。CB是甚至在低浓度(例如在0.5％和3％之间)下有效地增加PE的耐紫外性的经济添加剂。CB还可以用于增加PE的热稳定性，这在管式收集器在高温应用中被使用时是重要的。然而，缺点是CB降低PE的机械性质中的一些，使材料是硬的和脆的。

滑石是主要由以三个圆盘形的层布置的水合硅酸镁组成的矿物。在中间，存在镁-氧/羟基八面体的层，而两个外层主要由硅-氧四面体组成。这些层仅通过范德华力保持在一起，且各层具有容易地在彼此之上滑动的能力，这使得滑石是最柔软的已知矿物，在莫氏硬度计上被计量为1。滑石的独特特征例如柔软、化学惰性、滑动、油和油脂吸收、白、可得性和其相当低的价格，使其成为用作填料的有希望的材料。

为了降低地热管式收集器的热阻和增强聚合物组合物的机械性质的目的，将滑石添加到聚合物组合物中。滑石填充的聚合物组合物通过增加材料的热导率和使得能够减小地热管式收集器的壁厚度来降低地热管式收集器的热阻，由此增加热交换。

在一个实施方案中，地热管式收集器由包含以下的基于PE的聚合物组合物制成：0.1wt％-35wt％滑石和0.5wt％-10wt％CB(以及剩下部分PE)。CB保护地热管式收集器对抗自然的因素，且为了具有足以抵抗紫外辐射的保护，至少0.5％应被包括在组合物中。CB的加入还改进聚合物组合物的热稳定性。然而，如前所述，CB不利地影响PE的机械性质中的一些，尤其是冲击阻力。加入的滑石增加聚合物组合物的热导率以及弹性模量和拉伸强度，并增加聚合物组合物的密度。除此之外，滑石的加入减少在加工期间的设备磨损，降低收缩率，并改进产品可加工性。此外，滑石的加入降低组合物的比热容，这使得增加生产速度成为可能。

在一些应用中，可能在聚合物组合物中需要另外的添加剂，用于进一步增加PE的热稳定性或机械性质。这样的添加剂可以包括高岭土、二氧化硅和碳酸钙、或用于获得特定颜色的管式收集器的染料。

在一个实施方案中，地热管式收集器由包含0.1wt％-3wt％滑石的聚合物组合物制成。在少量水平的滑石下可以增加聚合物组合物的传导率，因为聚合物组合物的结晶度增加。

在一个实施方案中，地热管式收集器由包含8wt％-35wt％滑石的聚合物组合物制成。高于8wt％滑石，聚合物组合物具有与没有加入CB时的PE(在本文的表和图中表示为PEn)基本上相同的冲击阻力。高于8％滑石，聚合物组合物将具有大于1(即高于水)的密度，这使地热管式收集器沉到钻孔的底部，这在需要无有源供给管式收集器时是明显的优点。并且，具有高于1的密度的管式收集器可以用在海洋热应用中，而不需要将管式收集器锚固至海床。

在聚合物组合物中加入大于35wt％的滑石将产生具有对于正常挤压机来说太高的弹性模量的聚合物组合物，且即使材料可以用高压来挤压，但最终的管式收集器将难以在没有破裂的风险的情况下被盘绕或供给到钻孔中，这将使材料非常难以运输和处理。并且，当滑石的量增加时，材料不被适当地混合的风险增加，产生了大面积的混合差的聚合物组合物将被产生的风险，这增加了破裂的风险。

根据一个实施方案，聚合物组合物包含8wt％-15wt％滑石。在该区间中，聚合物组合物(具有0.5wt％-3wt％CB)具有高于1的密度和与没有CB的PE基本上相同的冲击阻力。如可以在例如图7的图中看到的，高于15wt％滑石，聚合物组合物的冲击阻力显著降低，这使聚合物组合物较不适合于一些地热管式收集器应用。在受益于地热管式收集器的壁是薄的应用中，聚合物组合物可以包含8wt％-12wt％滑石，这是以下所述的区间(取决于组合物中的CB的量)：其中在密度高于1使得地热管式收集器沉在钻孔中或放入海中时下沉的同时，冲击强度是最高的。当聚合物组合物包含约2,5wt％CB时，冲击阻力，如通过却贝冲击试验(Charpy impact test)测量的，降低约30％(如可以在图6a的图中看到的)。为了恢复不含CB的PE(PEn)的冲击强度，在8wt％-12wt％之间的滑石需要被添加到组合物中，这如上所述，还增加材料的密度，使得材料将具有高于水的密度。

为了优化滑石对聚合物组合物的传导率的影响的目的，滑石可以具有高的长宽比。板样形状的高长宽比滑石增加冲击强度和热物理特性的增强，然而，当滑石被混合入聚合物组合物中时，颗粒的形状破裂或改变，这降低聚合物组合物中的滑石颗粒的长宽比。在一个实施方案中，包含高长宽比滑石的聚合物组合物意指滑石颗粒的长宽比平均高于1.2。在其他实施方案中，包含高长宽比滑石的聚合物组合物可以意指滑石颗粒的长宽比平均高于1.5，且在又一个实施方案中，包含高长宽比滑石的聚合物组合物可以意指滑石颗粒的长宽比平均高于2。

当滑石具有板样形状和高的长宽比且滑石层可以容易地在加工期间在彼此之上滑动时，该聚合物可以容易地填充在颗粒之间的空间，如果在管加工或混合期间具有足够的剪切应力，那么这将发生。因此，微粒可以在与管的轴平行的流向被定向，当然，颗粒定向取决于流场的性质，但从SEM图像相当明显的是，颗粒被充分分散并以注模方向定向。该独特的组织允许形成热通道类型，所产生的热可以被转移通过，虽然微粒确实完全地接触在一起以产生真正的热通道。

将CB加入聚合物组合物中增加聚合物的耐紫外性并增加热稳定性。然而，当高于5wt％CB已经被添加到聚合物组合物中时，机械性质已经显著降低，这使材料是非常脆的并增加材料将在处理期间破裂的风险，且使材料难以作为卷运输。因此，根据一个实施方案，聚合物组合物可以包含0.5wt％-5wt％CB(对于增加的热稳定性，多至5wt％)，且为了提供足够的紫外线保护的目的，包含1.5wt％-3wt％CB。

取决于聚合物组合物中的添加剂的量，尤其是CB和滑石的量，最终组合物中的PE的量不同。然而，聚合物组合物优选地包含大于75wt％PE。

虽然参考附图描述了U形管式收集器形状的单一管式收集器，但所描述的聚合物组合物可以同样用于其他类型的收集器，例如共轴收集器或双U形管式收集器中。地热管式收集器中的任一种都可以适合于钻孔热系统、地表热系统或海洋热系统或任何地热冷却系统。

对聚合物组合物进行的实验

在下文中，将呈现对材料组合物进行的测试。所测试的具体组合物应被视为例示支持本文呈现的组合物的发明益处的实施方案，且不应被视为限制本发明的范围。

在以下实验的实施方案中，高密度聚乙烯(HDPE)用作基质材料，其由UnipetrolRPA,Czech-Republic供应。HDPE具有0.4g/10min的熔体流动速率(MFI)、118℃的维卡软化温度和952kg/m314的密度。HDPE包含2.5wt％炭黑(CB)，其被供应商充分预混合。为了简单，从这里开始，该材料被称为“PEc”(含有CB的HDPE)。为了研究该量的CB的影响，还从相同的供应商处获得不含CB的相同的纯HDPE树脂样品，且该材料被称为“PEn”(纯HDPE)。纯HDPE具有0.4g/10min的MFI、122℃的维卡软化温度和942kg/m321的密度。PEn用作参照，以研究加入的CB对纯HDPE的影响，且PEc用作参照，以研究滑石对HDPE/CB/滑石复合材料的影响。

来自Luzenac,France的商业滑石HAR T84用作填料。

图2是显示不同的组合物并指明相应的组合物中的CB和滑石的量的表。表中示出的组合物通过在具有两个侧加载装置的双螺杆挤压机(ZSK25WLE；Cooperion Werner&Pfleiderer,Germany)中混合不同比率的PEc和滑石来制备。所使用的温度分布是从进料到模具，180-220℃(高于HDPE的熔化温度且充分低于其分解温度)。使用230rpm的螺杆速度将PEc进料到主给料斗中，而使用18 300rpm的螺杆速度将滑石进料到侧加载装置中。两个单独控制的重力K-tron加载装置用于控制树脂和填料两者的进料速率。对于主加载装置，通过量被设置为13.67kg/h，而对于侧加载装置，通过量被设置为获得所需的样品组合物。被挤出的线在水浴中冷却并被制粒。然后将颗粒烘干，随后根据ISO标准572-2/1A在Engel ES200/110HLVictory中使用30mm的螺杆直径来注射成型为拉伸-测试棒。这些测试棒还用于却贝冲击阻力测量、热导率测量和吸水测试。对于这些测试，根据测试标准，将样品切割成各种尺寸。

图3是显示比重随聚合物组合物中的滑石的重量分数而变化的图，清楚地显示了当聚合物组合物中的滑石的量增加时，比重增加。密度的增量与滑石含量成线性比例。点A表示具有1的密度的聚合物组合物，其是具有约8wt％滑石的组合物(以2,5wt％CB)。在高于8wt％的滑石水平，聚合物组合物因此比水重且因此沉在海、钻孔池中。

图4示出描述滑石装载量对拉伸强度、屈服伸长率和断裂伸长率以及E-模量的影响的表。可以看出，拉伸屈服强度随填料含量增加而逐渐增加。相反，相比于不含填料的HDPE(PEn)，具有2.5％CB的PEc在拉伸强度上显示出轻微降低。结合滑石后，拉伸强度的增加在较高的浓度下更明显。使用两种填料来增加刚度：在CB的存在下，E-模量显示微小增量—相比于不含填料的HDPE，约5％—而滑石的作用是更突出的。尽管存在两种添加剂CB和滑石在形状和大小方面完全不同的事实，但拉伸模量随每种类型的颗粒的含量增高而增加。为了评估在不同的复合材料配方之间观察到的差异显著性，通过单向ANOVA以95％置信水平来分析数据(5％至35％的六个滑石浓度且PEc作为对照)。拉伸屈服强度的P-值小于α＝0.05，我们推断，影响是统计学上显著的。

图5示出拉伸强度随填料含量而变化的图。可以注意到，拉伸屈服强度随填料含量增加而逐渐增加。相反，相比于不含填料的HDPE(PEn)，具有2.5％CB的PEc在拉伸强度上显示出轻微降低。结合滑石后，拉伸强度的增加在较高的浓度下更明显。为了评估在不同的复合材料配方之间观察到的差异显著性，通过单向ANOVA以95％置信水平来分析数据(5％至35％的六个滑石浓度且PEc作为对照)。拉伸屈服强度的P-值小于α＝0.05，我们推断，影响是统计学上显著的。对于断裂拉伸强度，获得等效结果，即拉伸强度随填料浓度增加而增加，这也在图5中示出。断裂拉伸强度的<0.05的P-值表明在各种复合材料之间存在显著性差异。关于屈服伸长率，如预期的，PEn(纯的HDPE)在所有化合物中具有最高值。通常，可能总是预期伸长率随填料含量增加而下降，这是由于以下事实：加入的填料造成链流动性(chain mobility)下降，导致断裂伸长率快速降低。然而，所有化合物(除了含有8％滑石的PEc)显示屈服应变的下降。使用两种填料来增加刚度：在CB的存在下，E-模量显示微小增量—相比于不含填料的HDPE，约5％—而滑石的作用是更突出的。尽管存在两种添加剂CB和滑石在形状和大小方面完全不同的事实，但拉伸模量随每种类型的颗粒的含量增高而增加。这表明，刚度的改进更多是由于刚性微粒限制大分子的链段的移动性的事实。因此，复合材料的刚度的改进仅微弱地取决于颗粒尺寸和形状。在一定程度上，复合材料的刚度依赖于颗粒在基质中的均一分散。通常预期，当颗粒量增加时，形成附聚物，导致模量下降。但在本情况中，即使在最高的滑石浓度下，模量也增加。这表明，即使在最高的浓度下，滑石颗粒被均匀地而不是任意地分布且也不是作为聚集体分布。

图6a和图6b示出在有缺口样本沿边(图6a)和无缺口平放(图6b)通过却贝冲击试验测量的，随填料含量而变化的冲击阻力。因为滑石颗粒是板样的，所以化合物不能被视为各向同性材料，这就是为什么以两个不同的方向(平放和沿边)研究冲击阻力是有意义的。有缺口样本包括小裂缝，使得样本在测试期间应破损。却贝冲击试验是确定材料在断裂期间吸收多少能量的试验。该被吸收的能量提供了给定材料的缺口韧度的量度。首先，在HDPE中结合2.5wt％CB，韧度急剧下降34％。然后，在滑石的存在下，韧度逐渐地增加，直到8wt％滑石装载量，其中达到冲击的最高值，这非常接近于纯HDPE的值(83kJ/m218)。在这之后，冲击阻力随填料装载量增加而逐渐下降。因为一些材料和复合材料比其他材料和复合材料对缺口更敏感，所以可取的是比较有缺口样本和无缺口样本的结果。却贝冲击试验还用无缺口的平放方向来进行且结果显示在图6b中。还在最近的情况中，可以注意到相同的趋势：相比于PEn，PEc显示出冲击阻力的适度下降(如对于有缺口、沿边情况)。随着滑石装载量增加，冲击强度增加。对于两个冲击方向，相比于PEc，使用单向ANOVA的统计分析还给出了滑石对冲击强度的显著效力。此外，根据Hsu的MCB方法(最佳多重比较)的ANOVA分析显示，使用95％置信区间，含有8wt％滑石的复合材料是所有中最好的。

图7示出冲击阻力(却贝测试)和拉伸伸长率随填料含量而变化的图。如可以看出的，拉伸伸长率和冲击阻力相关联。首先，在HDPE中结合2.5wt％CB，韧度急剧下降34％。然后，在滑石的存在下，韧度逐渐地增加，直到以8wt％装载量，达到冲击阻力的最高值，这非常接近于纯HDPE的值(83kJ/m218)。在这之后，冲击阻力随填料装载量增加而逐渐下降。

图8示出随填料含量而变化的热导率和热扩散率(恒压下，热导率除以密度和比热容)。发现，热导率和热扩散率逐渐地增加。热导率的增强表明没有形成渗透颗粒网络(percolated particle network)，因为我们不能实现纯滑石的热导率值。在较高的填料浓度，将预期填料会形成热传导渗透网络(而不是被基质围绕的分离的热传导颗粒)，且因此，热可以流过这些通道。在35wt％的滑石浓度下，最大热导率比未填充的PEc高多达70％。滑石颗粒被充分分散遍及基质，且颗粒不能形成渗透传导路径。所以，这些结果表明，根据分散机制发生传热，且没有渗透。

其他研究表明，用作填料的颗粒的热导率不总是相关的。如果我们比较铜颗粒的加入，已经表明虽然铜(Cu)具有比滑石的热导率高约20倍的热导率，但包含滑石的聚合物组合物的热导率高于相应的铜颗粒部分的热导率。由此，对于混合的聚合物组合物的热导率，填料和基质的互连性具有大的重要性。

图9是显示体积热容和比热容(Cp)的图。图9中可以看到的是，体积热容和比热容两者都随滑石增加而减小。从应用角度，这意味着通过引入滑石颗粒来改进熔体中的传热导致更快的生产速率，这在生产量和循环时间方面将是重要的。

图10a是显示地热管式收集器的热阻随由其制造管式收集器的聚合物组合物的热导率而变化的图。管式收集器的热阻取决于管的物理性质，例如直径、壁厚度和增加热交换的图案的存在。

图10b示出随具有不同的直径和壁厚度的四种管式收集器的热导率而变化的热阻。从该图，明显的是，当地热管式收集器的壁被制得更薄时，地热管式收集器的热阻下降(如还在图10a中示出的)，且材料的热导率增加。结果是通过增加聚合物组合物的机械性质和增加管的热导率，管式收集器的热阻可以显著地被降低，这使得使用较短的管式收集器从地面得到相同的热交换成为可能。

图11是显示热重分析的结果的表，显示了CB是用于增加热稳定性的有效添加剂。在395℃下发生5％的PEn分解，而在435℃下发生5％的PEc重量降解。另外，最大质量损失温度分别是448℃和462℃。对PEc的较高热稳定性的一个解释可能是热导率的适度增强和均一的热消散。除此之外，CB具有非极性表面特征，其在基质比如HDPE中是更相容的，因为基质也是非极性的。因此，界面传热可以被改进，减少了局部过热和热点，这可以延迟热降解。图11的表还示出，所有样品中的几乎100％聚乙烯在550℃下降解，且残留物包含CB和滑石。在600℃下，CB变得被氧化，这留下滑石作为残留物。因此，可以通过从600℃下的重量损失减去650℃下的重量损失来计算CB的量。最终残留物的量随填料比例相应地增加。每一种复合材料的经计算的CB和滑石残留物百分数与图2的表中给出的值一致。

图12示出PEn、PEc和含有不同量的滑石的PE的热降解(重量随温度而变化)的图。如可以看出的，PEn在395℃的温度下开始降解，且在570℃下发生几乎100％分解。如从图可以看出的，在高的装载量下，包含滑石的组合物具有比PEc低的热稳定性。可以以两种方式来解释加速降解的机制。首先，滑石颗粒表面吸收稳定剂的能力可以导致长期热稳定性下降。因此，当填料的比表面积增加时，该不利影响可以是更显著的。

除了增加热稳定性之外，CB增加光稳定性和对紫外线防护。然而，已经表明，包含滑石的聚合物组合物的紫外线降解被加速，意味着具有高装载量的滑石的组合物对自然环境更敏感。因此，当选择滑石装载的聚合物组合物用于地热管式收集器时，必须权衡热导率的增加同材料的加速降解的问题。

图13示出粒度分布相对于累积体积和每一大小分数中的体积的图(粒径随体积而变化)。平均粒度是11.14+/-0.02μm。

图14a示出根据一个实施方案的地热管式收集器12，其中管式收集器12的内表面14包括凹部或突出部16，凹部或突出部16关于管式收集器12的长度轴(图14b中的L)成螺旋形地延伸，使得在管式收集器的长度轴的方向产生湍流。凹部或突出部16在单一管式收集器12的纵向可以是连续的或不连续的。地热管式收集器12的普通尺寸在25-63mm直径的范围内。可以是凹槽18或切槽的凹口和/或隆起16的高度可以改变，但对于收集器管12的最普通的尺寸，通常可以在0.2-5mm的范围内(取决于管的尺寸和壁厚度)，且优选地在0.2-2mm的范围内。凹槽18被均匀地散布成围绕管的内圆周表面，如图14a的横截面中看到的。在管式收集器的内表面上产生凹槽使管式收集器的壁在一些部分处更薄，这可影响管式收集器12的机械性质中的一些。因此，当从管式收集器的壁除去材料时，增加由其制成管式收集器的材料的机械性质可能是必要的或有利的。

14b以纵截面示出地热管式收集器2的一个实施方案。地热管式收集器包括成螺旋形地延伸的凹部或突出部16，凹部或突出部16沿着管式收集器2的长度轴L至少在一些部分处改变方向。凹部或突出部16的螺旋形形状的方向可以在管的纵向L至少每隔一米或每米被适宜地改变。

湍流可以如何增加地热管式收集器中的热交换的实例可以见于例如M.Ojala等人的EP 2195586。

请注意，聚合物组合物中的任一种或本文提及的添加剂的任何组合可以与任何类型的地热管式收集器一起使用，而不偏离本发明的基本思想。

Claims (30)

1.一种地热管式收集器，由包含以下的聚合物组合物制成：

-大于50wt％聚乙烯，

-0.1wt％-35wt％滑石，和

-0.5wt％-10wt％炭黑。

2.根据权利要求1所述的地热管式收集器，其中所述聚合物组合物包含0.1wt％-3wt％滑石。

3.根据权利要求1所述的地热管式收集器，其中所述聚合物组合物包含8wt％-35wt％滑石。

4.根据权利要求1所述的地热管式收集器，其中所述聚合物组合物包含8wt％-15wt％滑石。

5.根据权利要求1所述的地热管式收集器，其中所述聚合物组合物包含8wt％-12wt％滑石。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的地热管式收集器，其中所述聚合物组合物包含0.5wt％-5wt％炭黑。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的地热管式收集器，其中所述聚合物组合物包含1.5wt％-3wt％炭黑。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的地热管式收集器，其中所述聚合物组合物包含大于75wt％聚乙烯。

9.根据权利要求6所述的地热管式收集器，其中所述聚合物组合物包含大于75wt％聚乙烯。

10.根据权利要求7所述的地热管式收集器，其中所述聚合物组合物包含大于75wt％聚乙烯。

11.根据权利要求1-5中任一项所述的地热管式收集器，其中所述滑石是平均长宽比在1.2以上的滑石。

12.根据权利要求6所述的地热管式收集器，其中所述滑石是平均长宽比在1.2以上的滑石。

13.根据权利要求7所述的地热管式收集器，其中所述滑石是平均长宽比在1.2以上的滑石。

14.根据权利要求8所述的地热管式收集器，其中所述滑石是平均长宽比在1.2以上的滑石。

15.根据权利要求9或10所述的地热管式收集器，其中所述滑石是平均长宽比在1.2以上的滑石。

16.根据权利要求1-5、9、10和12-14中任一项所述的地热管式收集器，其中所述管式收集器的内表面包括凹部或突出部，用于增加在所述管式收集器中流动的介质的湍流。

17.根据权利要求6所述的地热管式收集器，其中所述管式收集器的内表面包括凹部或突出部，用于增加在所述管式收集器中流动的介质的湍流。

18.根据权利要求7所述的地热管式收集器，其中所述管式收集器的内表面包括凹部或突出部，用于增加在所述管式收集器中流动的介质的湍流。

19.根据权利要求8所述的地热管式收集器，其中所述管式收集器的内表面包括凹部或突出部，用于增加在所述管式收集器中流动的介质的湍流。

20.根据权利要求11所述的地热管式收集器，其中所述管式收集器的内表面包括凹部或突出部，用于增加在所述管式收集器中流动的介质的湍流。

21.根据权利要求15所述的地热管式收集器，其中所述管式收集器的内表面包括凹部或突出部，用于增加在所述管式收集器中流动的介质的湍流。

22.根据权利要求16所述的地热管式收集器，其中所述凹部或突出部在所述管式收集器的所述内表面上关于所述管式收集器的长度轴成螺旋形地延伸，使得在所述管式收集器的所述长度轴的方向产生湍流。

23.根据权利要求17-21中任一项所述的地热管式收集器，其中所述凹部或突出部在所述管式收集器的所述内表面上关于所述管式收集器的长度轴成螺旋形地延伸，使得在所述管式收集器的所述长度轴的方向产生湍流。

24.根据权利要求22所述的地热管式收集器，其中所述成螺旋形地延伸的凹部或突出部沿着所述管式收集器的所述长度轴至少在一些部分处改变方向。

25.根据权利要求23所述的地热管式收集器，其中所述成螺旋形地延伸的凹部或突出部沿着所述管式收集器的所述长度轴至少在一些部分处改变方向。

26.根据权利要求16所述的地热管式收集器，其中所述凹部或突出部在所述管式收集器的所述内表面上连续地延伸。

27.根据权利要求17-22和24-25中任一项所述的地热管式收集器，其中所述凹部或突出部在所述管式收集器的所述内表面上连续地延伸。

28.根据权利要求23所述的地热管式收集器，其中所述凹部或突出部在所述管式收集器的所述内表面上连续地延伸。

29.权利要求1-15中任一项中所定义的聚合物组合物用于增加地热管式收集器的热导率的用途。

30.权利要求1-15中任一项中所定义的聚合物组合物用于增加地热管式收集器的机械性质的用途。