CN106940145A - 无热阻热管式高效换热器和换热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的无热阻热管式高效换热器及其换热方法，包括长方体状的换热器，换热器内部被换热器隔板隔为通过被加热介质的上层空间和通过加热介质的下层空间，上层空间和下层空间均设置与换热器外部连通的介质入口和介质出口，上层空间和下层空间均通过不少于一个换热器流道隔板将空间隔为连通该层空间的介质入口和介质出口的流道，上层空间的流道和下层空间的流道在空间上相对应，换热器隔板上沿流道方向固定多根热管，热管的蒸发端位于下层空间的流道内，热管的冷凝端位于上层空间的流道内。本发明属于无热阻换热器，具有热量流失少、换热效率高，几乎没有热阻。
Description
技术领域
本发明涉及换热器提取干热岩地热的技术领域，更具体地说涉及热管式高效智能换热器提取干热岩地热的方法。
背景技术
热管传热技术是利用封闭工作腔内工质的相变循环进行热量传输， 因而具有传输热量大及传输效率高等优点。 其工作原理是 ： 热管受热侧吸收废气热量， 并将热量传给管内工质， 工质吸热后以蒸发和沸腾的形式转变为蒸汽， 蒸汽在压差作用下上升至放热侧， 同时凝结成液态放出热量， 热量传给放热侧的冷流体， 冷凝液体依靠重力回流到受热侧。 由于热管内部抽成真空， 所以工质极易蒸发和沸腾， 热管启动迅速。由于热管具有超导热性和等温特性 , 被广泛应用于航天航空、 设备散热、 化工、 炼油等领域。
热管换热器因环境温度、工况、功能、使用要求不一，其种类繁多。暖通换热采用的均是传统换热器，其换热效率不高，热损大。而利用热管换热器提取地下干热岩热量的技术目前尚没出现。《地热能开发利用“十三五”规划》提出：开展高效换热技术攻关，扶持地热设备制造企业的发展，提高换热器等关键设备的技术水平。
发明内容
本发明提供一种无热阻热管式高效换热器和换热方法，以解决现有技术存在的问题。
本发明采用以下技术方案：
无热阻热管式高效换热器，包括长方体状的换热器，换热器内部被换热器隔板26隔为通过被加热介质的上层空间和通过加热介质的下层空间，上层空间和下层空间均设置与换热器外部连通的介质入口和介质出口，上层空间和下层空间均通过不少于一个换热器流道隔板4将空间隔为连通该层空间的介质入口和介质出口的流道，上层空间的流道和下层空间的流道在空间上相对应，换热器隔板26上沿流道方向固定多根热管2，热管2的蒸发端位于下层空间的流道内，热管2的冷凝端位于上层空间的流道内。
所述热管2设置至少一排，且热管2沿流道中心以设定间距固定在换热器隔板26上。
所述热管2的蒸发端和/或冷凝端安装有翅片。
所述上层空间的流道内被加热介质的流动方向和下层空间的流道内加热介质的流动方向相反。
所述下层空间加热介质的介质入口设置有与热源连接的管道，管道上设置有热源侧介质入口流量计8和热源侧介质入口压力传感器6，同时设置有热源侧介质入口温度传感器12；所述下层空间加热介质的介质出口同样设置有与热源连接的管道，管道上设置有热源侧介质出口流量计9和热源侧介质出口压力传感器7，同时设置有热源侧介质出口温度传感器13；
所述上层空间被加热介质的介质入口设置有与用户侧连接的管道，管道上设置有用户侧介质入口流量计19和用户侧介质入口压力传感器20，同时设置有用户侧介质入口温度传感器22；所述上层空间被加热介质的介质出口同样设置有与用户侧连接的管道，管道上设置有用户侧介质出口流量计18和用户侧介质出口压力传感器21，同时设置有用户侧介质出口温度传感器23。
所述热源侧介质入口流量计8、热源侧介质入口压力传感器6、热源侧介质入口温度传感器12、热源侧介质出口流量计9、热源侧介质出口压力传感器7、热源侧介质出口温度传感器13、用户侧介质入口流量计19、用户侧介质入口压力传感器20、用户侧介质入口温度传感器22、用户侧介质出口流量计18、用户侧介质出口压力传感器21、用户侧介质出口温度传感器23连接控制器，所述控制器还连接有设置在热源侧的管道泵、变频器和设置在用户侧的管道泵、变频器。
所述换热器包括换热器外壳，和周面与换热器外壳内壁密封固连在一起的换热器内壳，换热器外壳具有夹层，夹层为真空或者换热器外壳为由绝热材料制成的壳体，换热器外壳和换热器内壳均为长方体结构，换热器外壳和换热器内壳均设置可拆卸的上下盖。
所述被加热介质和加热介质分别为水和水、或水和汽、或汽和汽。
一种使无热阻热管式高效换热器提取干热岩地热的方法，
热源侧：干热岩地热热水通过从下层空间的介质入口进入换热管，在由换热器流道隔板4隔出的流道内流过，通过设置在流道内的热管2的蒸发段将热量转换给热管2位于上层空间的冷凝段以后，经换热器换过热的干热岩地热热水变为干热岩地热冷水，从下层空间的介质出口流出进入地下干热岩层进行加热，然后变成干热岩地热热水重新从下层空间的介质入口进入热管，如此循环；
用户侧：用户侧冷却水通过从上层空间的介质入口进入换热流道，在由换热器流道隔板4隔出的流道内流过，通过设置在流道内的热管2的冷凝端将冷凝端上的热量转换到用户侧冷却水中，将用户侧冷却水变为用户侧热水，用户侧热水从上层空间的介质出口流出进入用户侧进行供暖，使用户侧热水变为用户侧冷却水，重新从上层空间的介质入口进入热管，如此循环。
所述换热器不少于一个，且并联设置。
本发明的有益效果：本发明属于无热阻换热器，具有热量流失少、换热效率高，几乎没有热阻。
附图说明
图1为换热器下部热源侧横截面图。
图2为换热器上部用户侧横截面图。
图3为换热管节点截面图。
图4为换热器隔板横截面图。
图5为换热器隔板和流道隔板结构示意图。
图6为热管轴向截面图。
其中，1-换热器外壳外壁；2-热管；2-1：热管上部冷凝端；2-2：热管下部蒸发端；3-换热器外壳内壁；4-换热器流道隔板；5-流道；5-1：流道孔；6-热源侧介质入口压力传感器；7-热源侧介质出口压力传感器；8-热源侧介质入口流量计；9-热源侧介质出口流量计；10-热源侧进水接口；11-热源侧出水接口；12-热源侧介质入口温度传感器；13-热源侧介质出口温度传感器；14-介质流动方向；15-支架；16-用户侧进水接口；17-用户侧出水接口；18-用户侧介质出口流量计；19-用户侧介质入口流量计；20-用户侧介质入口压力传感器；21-用户侧介质出口压力传感器；22-用户侧介质入口温度传感器；23-用户侧介质出口温度传感器；24-上端盖；25-下端盖；26-换热器隔板；27-翅片。
具体实施方式
下面结合附图1~6和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种无热阻热管式高效换热器，包括长方体形状的换热器，换热器上设置有常规的接口及阀门，还连接有控制器，该控制器可以选用现有的换热器中使用的智能控制器。如图3所示，换热器内部被换热器隔板26隔为上下两层空间，其中上层空间通过被加热介质，下层空间通过加热介质，上层空间和下层空间均设置与换热器外部连通的介质入口和介质出口，上层空间和下层空间均通过不少于一个换热器流道隔板4将空间隔为连通该层空间的介质入口和介质出口的流道5，为了尽量增加换热效率，该流道为通过换热器流道隔板4隔成的多个S型串联的流道5。其中，上层空间的流道和下层空间的流道在空间上相应该相对应，以便安装热管，并且该种设计能够最大程度的利用热量，而换热器隔板26上沿流道方向固定多根热管2，热管2的热管下部蒸发端2-2位于下层空间的流道内，热管2的热管上部冷凝端2-1位于上层空间的流道内。
根据实际需求，热管2可也可选用热管束，且根据流道的宽度可设置至少一排，热管2沿流道中心以设定间距固定在换热器隔板26上。
为增大换热效率，热管2的蒸发端和/或冷凝端安装有翅片27。
其中上层空间的流道内被加热介质的流动方向和下层空间的流道内加热介质的流动方向相反。
被加热介质和加热介质分别为水和水、或水和汽、或汽和汽。当用于干热岩地热热水供暖时，采用水-水介质或汽-水介质。
换热器作为供暖使用时，下层空间加热介质的介质入口设置有与热源连接的管道，管道上设置有热源侧介质入口流量计8和热源侧介质入口压力传感器6，同时设置有热源侧介质入口温度传感器12；下层空间加热介质的介质出口同样设置有与热源连接的管道，管道上设置有热源侧介质出口流量计9和热源侧介质出口压力传感器7，同时设置有热源侧介质出口温度传感器13。
上层空间被加热介质的介质入口设置有与用户侧连接的管道，管道上设置有用户侧介质入口流量计19和用户侧介质入口压力传感器20，同时设置有用户侧介质入口温度传感器22；所述上层空间被加热介质的介质出口同样设置有与用户侧连接的管道，管道上设置有用户侧介质出口流量计18和用户侧介质出口压力传感器21，同时设置有用户侧介质出口温度传感器23。
热源侧介质入口流量计8、热源侧介质入口压力传感器6、热源侧介质入口温度传感器12、热源侧介质出口流量计9、热源侧介质出口压力传感器7、热源侧介质出口温度传感器13、用户侧介质入口流量计19、用户侧介质入口压力传感器20、用户侧介质入口温度传感器22、用户侧介质出口流量计18、用户侧介质出口压力传感器21、用户侧介质出口温度传感器23连接控制器，所述控制器还连接有设置在热源侧的管道泵、变频器和设置在用户侧的管道泵、变频器。
换热器包括换热器外壳，和周面与换热器外壳密封固连在一起的换热器内壳，换热器外壳和换热器内壳均为筒状结构。
筒状的换热器可以选择为矩形筒状体的换热器，热管2和换热器流道隔板4均与筒状体的筒壁平行。
其中，换热器外壳的形状为矩形筒状体，矩形筒状体的周围四面为由换热器外壳外壁1和换热器外壳内壁3形成的壳状夹层，夹层的周围四面密封固连，夹层内部为真空或这换热器外壳为绝热材料制成的壳体，上下盖可拆卸，方便维修。它的内侧周围四面与换热器内壳3固连为一体。换热器外壳的材料选用金属材料或者其它耐高温的材料。
换热器内壳形状为矩形筒状体，周围四面固连并与换热器外壳内壁密封固连或为一体，换热器内壳设置有上下盖，上下盖可拆卸，方便安装、维修。整个换热器内壳连接后呈长方形柱体，为密封状，根据钻井深度和地热温度可耐高温（过热水）、高压。
换热器隔板26的形状与换热器内壳的上下口形状、大小一致，厚度根据实际情况设定，材料为金属材料或其他耐高温材料等，在换热器内壳合适位置水平与换热器内壳四周密封固连。
换热器流道隔板4包括上流道隔板和下流道隔板上下流道隔板为N个分别在换热器隔板上面和下面对应位置与换热器隔板垂直设置的隔板。其形状可选择为矩形，根据流道规则，其中一端开有矩形或圆形或其他形状的孔洞，孔洞的大小略小于一端隔板的平面。上流道隔板其下端与换热器隔板26密封固连，其左右或前后端分别与换热器内壳密封固连，其上端在换热器内壳上盖固定后与换热器内壳上盖呈密封状。下流道隔板其上端与换热器隔板26密封固连，其左右或前后端分别与换热器内壳密封固连，其下端在换热器内壳下盖固定后与换热器内壳下盖为密封状。
由换热器流道隔板4隔成的流道5，为分别在换热器隔板上面和下面的两个水流通道，分别由换热器内壳、换热器隔板、上下流道隔板及其上下的前后或左右的内壳构成。上下流道的大小根据热源侧和用户侧换热量、水流量、管径等技术参数确定。热源侧流道即下层空间的流道两端分别与热源侧的进水口和出水口相连；用户侧流道即上层空间的流道两端则和热源侧流道连接方向呈反向分别与用户侧的出水口和进水口相连，即高温段对应高温段，低温段对应低温段。
上述的热管2或者热管束，根据换热量的大小，为一排或M排，若干个热管纵向和或横向以一定间距、沿流道中心位置，穿过并与换热器隔板密封连接的热管集成。热管与换热器隔板连接方式为丝接或焊接，都可拆卸，便于安装、维修。热管的下端即热源侧为蒸发端，热管的上端即用户侧为冷凝端；热管的粗细、长短可根据所需换热量定制。根据换热量，在工厂安装时，热管上下端的长短比例可以调节，可在蒸发段或冷凝端加装翅片，以提高蒸发段或冷凝端的换热量。热管承受压力不低于16Mp。
换热器流道隔板4与换热器隔板26呈垂直密封固连，沿流道方向开有与流道5相同截面积的流道孔5-1。
换热器的接口包括管道状的热源侧进水接口10、热源侧出水接口11、用户侧进水接口16、用户侧进水接口17，阀门包括设置热源侧进水接口10处的截止阀或者电动阀，设置在热源侧出水接口11处的截止阀或者电动阀，设置在用户侧进水接口16处的截止阀或者电动阀，设置在用户侧进水接口17处的截止阀或者电动阀。热源侧和用户侧的进水和出水流道轴向平行且沿介质流动方向14流动，并穿过换热器真空或绝热外壳的金属管接口，在此接口处内侧安装截止阀或电动阀，接口为丝接。
如图中所示，换热器呈立方体，设有真空保温或绝热上端盖24、下端盖25；中间合适位置设有换热器隔板26；换热器底部设有支架15。
整个换热器内壳连接后呈长方形柱体，为密封状，根据钻井深度和地热温度可耐高温（过热水）、高压。
根据项目大小，也可2个及以上热管换热器并联。
由于整个系统为两个封闭系统，在试运行前，注水、打压试验，在满足常规换热系统设计要求后，即可正常运行。
而使用上述的无热阻热管式高效换热器提取干热岩地热的方法，包括：
热源侧：干热岩地热热水通过从下层空间的介质入口进入换热器，在由换热器流道隔板4隔出的流道内流过，通过设置在流道内的热管2的蒸发端将热量交换给热管2位于上层空间的冷凝端以后，换过热的干热岩地热热水变为干热岩地热冷水，从下层空间的介质出口流出进入地下干热岩层进行加热，然后变成干热岩地热热水重新从下层空间的介质入口进入热管，如此循环；
用户侧：用户侧冷却水通过从上层空间的介质入口进入换热器，在由换热器流道隔板4隔出的流道内流过，通过设置在流道内的热管2的冷凝端将冷凝端上的热量吸走，将用户侧冷却水变为用户侧热水，用户侧热水从上层空间的介质出口流出进入用户侧进行供暖，用户侧热水变为用户侧冷却水后，重新从上层空间的介质入口进入换热器，如此循环。
综上所述，采用本发明的一种无热阻热管式高效换热器和换热方法是中深层及干热岩地热开发利用的关键设备和技术，《地热能开发利用“十三五”规划》明确提出：开展高效换热技术攻关，扶持地热设备制造企业的发展，提高热泵和换热器等关键设备的技术水平。因此，本专利技术属于无热阻换热器，具有热量流失少、换热效率高，几乎没有热阻。随着国家《地热能开发利用“十三五”规划》实施，其市场潜力巨大。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.无热阻热管式高效换热器，其特征在于：包括长方体状的换热器，换热器内部被换热器隔板（26）隔为通过被加热介质的上层空间和通过加热介质的下层空间，上层空间和下层空间均设置与换热器外部连通的介质入口和介质出口，上层空间和下层空间均通过不少于一个换热器流道隔板（4）将空间隔为连通该层空间的介质入口和介质出口的流道，上层空间的流道和下层空间的流道在空间上相对应，换热器隔板（26）上沿流道方向固定多根热管（2），热管（2）的蒸发端位于下层空间的流道内，热管（2）的冷凝端位于上层空间的流道内。
2.根据权利要求1所述的无热阻热管式高效换热器，其特征在于：所述热管（2）设置至少一排，且热管（2）沿流道中心以设定间距固定在换热器隔板（26）上。
3.根据权利要求1所述的无热阻热管式高效换热器，其特征在于：所述热管（2）的蒸发端和/或冷凝端安装有翅片。
4.根据权利要求1所述的无热阻热管式高效换热器，其特征在于：所述上层空间的流道内被加热介质的流动方向和下层空间的流道内加热介质的流动方向相反。
5.根据权利要求1所述的无热阻热管式高效换热器，其特征在于：所述下层空间加热介质的介质入口设置有与热源连接的管道，管道上设置有热源侧介质入口流量计（8）和热源侧介质入口压力传感器（6），同时设置有热源侧介质入口温度传感器（12）；所述下层空间加热介质的介质出口同样设置有与热源连接的管道，管道上设置有热源侧介质出口流量计（9）和热源侧介质出口压力传感器（7），同时设置有热源侧介质出口温度传感器（13）；
所述上层空间被加热介质的介质入口设置有与用户侧连接的管道，管道上设置有用户侧介质入口流量计（19）和用户侧介质入口压力传感器（20），同时设置有用户侧介质入口温度传感器（22）；所述上层空间被加热介质的介质出口同样设置有与用户侧连接的管道，管道上设置有用户侧介质出口流量计（18）和用户侧介质出口压力传感器（21），同时设置有用户侧介质出口温度传感器（23）。
6.根据权利要求5所述的无热阻热管式高效换热器，其特征在于：所述热源侧介质入口流量计（8）、热源侧介质入口压力传感器（6）、热源侧介质入口温度传感器（12）、热源侧介质出口流量计（9）、热源侧介质出口压力传感器（7）、热源侧介质出口温度传感器（13）、用户侧介质入口流量计（19）、用户侧介质入口压力传感器（20）、用户侧介质入口温度传感器（22）、用户侧介质出口流量计（18）、用户侧介质出口压力传感器（21）、用户侧介质出口温度传感器（23）连接控制器，所述控制器还连接有设置在热源侧的管道泵、变频器和设置在用户侧的管道泵、变频器。
7.根据权利要求1所述的无热阻热管式高效换热器，其特征在于：所述换热器包括换热器外壳，和周面与换热器外壳内壁密封固连在一起的换热器内壳，换热器外壳具有夹层，夹层为真空或者换热器外壳为由绝热材料制成的壳体，换热器外壳和换热器内壳均为长方体结构，换热器外壳和换热器内壳均设置可拆卸的上下盖。
8.根据权利要求1所述的无热阻热管式高效换热器，其特征在于：所述被加热介质和加热介质分别为水和水、或水和汽、或汽和汽。
9.一种使用权利要求1~8任一项所述的无热阻热管式高效换热器提取干热岩地热的方法，其特征在于：
热源侧：干热岩地热热水通过从下层空间的介质入口进入换热管，在由换热器流道隔板（4）隔出的流道内流过，通过设置在流道内的热管（2）的蒸发段将热量转换给热管（2）位于上层空间的冷凝段以后，经换热器换过热的干热岩地热热水变为干热岩地热冷水，从下层空间的介质出口流出进入地下干热岩层进行加热，然后变成干热岩地热热水重新从下层空间的介质入口进入热管，如此循环；
用户侧：用户侧冷却水通过从上层空间的介质入口进入换热流道，在由换热器流道隔板（4）隔出的流道内流过，通过设置在流道内的热管（2）的冷凝端将冷凝端上的热量转换到用户侧冷却水中，将用户侧冷却水变为用户侧热水，用户侧热水从上层空间的介质出口流出进入用户侧进行供暖，使用户侧热水变为用户侧冷却水，重新从上层空间的介质入口进入热管，如此循环。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述换热器不少于一个，且并联设置。
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