CN107741170B - 一种用于土壤源热泵系统的双u形管换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于土壤源热泵系统的双U形管换热器，包括双U形管，其中的竖直管的外壁沿轴向均匀间隔设有数层热管组，热管组的内侧端穿过竖直管的外壁插入内部，与外壁的连接处密封处理，热管组可为环形热管，也可为数根热管。本发明利用热管良好的导热性质强化U形管内介质与土壤之间的换热，换热效率明显提升，从而可以减少钻井深度，进而节约投资，让大部分换热过程在浅地层完成。

Description

一种用于土壤源热泵系统的双U形管换热器
技术领域
本发明属于土壤源热泵的技术领域，尤其涉及一种用于土壤源热泵系统的双U形管换热器。
背景技术
现有土壤源热泵U形管土壤换热器，土壤导热系数为3.1w/㎡～7.8w/㎡，设计过程中为了安全因素，一般取值为3.1w/㎡，为了满足冷却水与土壤之间的传热要求，故需要较深的钻孔，对于垂直U形管换热器，一般需要80～110m深的钻孔，单口钻孔的价格约在1万元，相对较高的初投资对发展和推广土壤源热泵不利，其次在使用过程中土壤源热泵的换热效率往往达不到设计要求，夏季和冬季工况下：进出U形管的水温温差往往只有3℃左右。基于上述问题，如何提高U形管内介质与土壤之间的换热效率，成为了土壤源热泵研究的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种用于土壤源热泵系统的双U形管换热器，利用热管传热效率高的特点，从而让土壤成为换热效率更高的高温或者低温热源。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于土壤源热泵系统的双U形管换热器，包括双U形管，其特征在于，所述双U形管中的竖直管的外壁沿轴向均匀间隔设有数层热管组，热管组的内侧端穿过竖直管的外壁插入内部，与外壁的连接处密封处理。
按上述方案，所述双U形管中的竖直管的外壁套设有储油管，所述储油管的上下两端分别与竖直管外壁之间密封处理，储油管与竖直管外壁之间的空隙形成储油腔，所述储油腔内注满导热油，所述热管组包括数根热管，所述数根热管沿竖直管的周向均匀间隔设置，热管的内侧端插入竖直管内部。
按上述方案，所述热管组为环形热管，所述环形热管外套与双U形管中的竖直管外壁，环形热管的内环端插入竖直管内部。
按上述方案，所述数根热管水平设置与所述双U形管的竖直管轴向呈90°。
按上述方案，所述数根热管中相邻的两根热管分别上倾和下斜设置，上倾和下斜的热管与水平面的夹角相同。
按上述方案，所述储油管由聚乙烯材料制成。
按上述方案，所述热管组由碳钢制成，所述双U形管由聚乙烯材料制成。
本发明的有益效果是：1、提供一种用于土壤源热泵系统的双U形管换热器，无需额外动力，利用热管良好的导热性能，增大冷却介质与土壤的换热性能，达到增大土壤源热泵运行时的性能系数的目的，从而促进土壤源热泵机组更好地工作，能够有效解决现有技术中土壤源热泵运行的性能系数很难达到设计标准的问题；2、本发明并非利用简单的增加U形管与土壤的换热面积实现增加两者之间的换热量，而是冷却水中大部分的热量通过热管的相变将热量送到土壤中，因此增加了U形管内介质与土壤的换热效率，从而可以减少钻井深度，进而节约投资，让大部分换热过程在浅地层完成；3、对于土壤源热泵的换热效率大幅提高的同时，并没有增加其初投资，因为碳钢热管是一种易制作，构造简单的传热原件。
附图说明
图1为本发明第一个实施例的结构示意图。
图2为图1的局部放大图。
图3为图1的俯视图。
图4为本发明第二个实施例的结构示意图。
图5为本发明第三个实施例的结构示意图.
其中：1.双U形管，2.储油管，3.储油腔，4.热管，5.环形热管。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进一步的描述。
一种用于土壤源热泵系统的双U形管换热器，包括双U形管1，其中的竖直管的外壁沿轴向均匀间隔设有数层热管组，热管组的内侧端穿过竖直管的外壁插入内部，与外壁的连接处密封处理。
实施例一
如图1～图3所示，双U形管中的竖直管的外壁套设有储油管2，储油管的上下两端分别与竖直管外壁之间密封处理，储油管与竖直管外壁之间的空隙形成储油腔3，储油腔内注满导热油，导热油传热系数在150～200w/㎡，热管组包括数根热管，数根热管沿竖直管的周向均匀间隔设置，热管的内侧端插入竖直管内部，剩余部分均位于土壤中，数根热管水平设置与双U形管的竖直管轴向呈90°，在夏季和冬季分别可以将双U形管内介质的热量传入土壤，或者将土壤中的热量传入双U形管内的介质。
以U形管的中心为起点，由内至外，分别为热管的蒸发段、U形管外壁、储油腔、储油管壁、热管冷凝段，此处蒸发段与冷凝段仅针对夏季工况而言，若为冬季工况，此时土壤变为热源，U形管内的介质变为冷源，与U形管内介质换热的部分应该为冷凝段，与土壤接触部分为蒸发段。热管换热单元中，热管内部为低温热管的工作液体。热管一部分蒸发段位于储油腔内，使一部分热量传入储油腔内的导热油，从而避免U形管内介质直接与土壤换热，而是通过热管的相变进行热传递。
实施例二
如图4所示，热管组为环形热管，环形热管外套与双U形管中的竖直管外壁，环形热管的内环端插入竖直管内部，增加热管的工作长度，进一步增加热管的换热效率。在土壤换热特性较好的地区，或者地热资源丰富的地区，不需要设置储油管，使得构造更加简单，制作更加方便。
实施例三
如图5所示，作为实施例一的优化方案，将相邻的两根热管分别向上和向下移动一定角度，由于热管的角度对其热管的换热效率有巨大影响，因此向下倾斜的热管可以在冬季工况下使用，而向上倾斜的热管可以在夏季工况下使用，且在任何一种工况下两根热管的导热方向一致，例如夏季工况下向上倾斜的热管起主要作用，而向下倾斜的热管起次要作用。
本发明中的储油管和双U形管均由聚乙烯材料制成，热管组由碳钢制成。
在安装使用的可靠、便利性方面，本发明更为推荐采用模具一次成型制作，可以采用改造现有双U形管的方式制作，具体如下：先对原有双U形管进行套设储油管，制作储油腔，然后对原双U形管进行打孔嵌入热管，对储油管与热管的接触面进行密封，最后对储油腔加注导热油并完全密封储油腔的步骤进行试验。
此外，本发明用于土壤源热泵系统中新型双U管换热器，对于土壤源热泵的换热效率大幅提高的同时，并没有增加其初投资，因为碳钢热管是一种易制作，构造简单的传热原件。
本发明基于热管强化传热的新型双U管换热器，无需增加电力等其他资源，利用热管良好的导热性质强化U形管内介质与土壤之间的换热，增换热量以及进出U形管水温温差，达到增大土壤源热泵运行时性能系数的目的，从而节约运行时候的电能，更好地利用地热资源；相比于现有技术中仅利用U形管与土壤之间的导热而言，土壤与U形管内的介质换热效率能够明显提升，能够有效解决进出U形管水温温差过小等缺陷。同时，本发明非利用简单的增加U形管与土壤的换热面积实现增加两者之间的换热量，而是冷却水中大部分的热量通过热管的相变将热量送到土壤中，因此增加了U形管内介质与土壤的换热效率，从而可以减少钻井深度，进而节约投资，让大部分换热过程在浅地层完成。

Claims (7)

1.一种用于土壤源热泵系统的双U形管换热器，包括双U形管，其特征在于，所述双U形管中的竖直管的外壁沿轴向均匀间隔设有数层热管组，热管组的内侧端穿过竖直管的外壁插入内部，与外壁的连接处密封处理；双U形管中的竖直管的外壁套设有储油管，所述储油管的上下两端分别与竖直管外壁之间密封处理，储油管与竖直管外壁之间的空隙形成储油腔，所述储油腔内注满导热油。
2.根据权利要求1所述的一种用于土壤源热泵系统的双U形管换热器，其特征在于，所述热管组包括数根热管，所述数根热管沿竖直管的周向均匀间隔设置，热管的内侧端插入竖直管内部。
3.根据权利要求1所述的一种用于土壤源热泵系统的双U形管换热器，其特征在于，所述热管组为环形热管，所述环形热管外套于 双U形管中的竖直管外壁，环形热管的内环端插入竖直管内部。
4.根据权利要求2所述的一种用于土壤源热泵系统的双U形管换热器，其特征在于，所述数根热管水平设置与所述双U形管的竖直管轴向呈90°。
5.根据权利要求2所述的一种用于土壤源热泵系统的双U形管换热器，其特征在于，所述数根热管中相邻的两根热管分别上倾和下斜设置，上倾和下斜的热管与水平面的夹角相同。
6.根据权利要求1所述的一种用于土壤源热泵系统的双U形管换热器，其特征在于，所述储油管由聚乙烯材料制成。
7.根据权利要求1所述的一种用于土壤源热泵系统的双U形管换热器，其特征在于，所述热管组由碳钢制成，所述双U形管由聚乙烯材料制成。
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