CN111578543A - 含辐射隔热膜的中深层套管式地热换热器装置 - Google Patents

含辐射隔热膜的中深层套管式地热换热器装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含辐射隔热膜的中深层套管式地热换热器装置，由多节套管式地热换热器连接而成。单节套管式地热换热器包括内管和外管，内管管壁中有真空绝热夹层，真空绝热夹层内设有一层与内管同轴的环形辐射隔热膜。相邻两节换热器的内、外管均采用焊接连接。辐射隔热膜设置于真空绝热夹层中间位置。本发明通过在中深层套管式地热换热器内管管壁中增设含辐射隔热膜的真空绝热夹层，有效降低内外流道间管壁中夹层两壁面间的热辐射能力，减小套管内外流道间“热短路”，提高中深层套管式地热换热器的取热效率。

Description

含辐射隔热膜的中深层套管式地热换热器装置
技术领域
本发明涉及一种套管式中深层地热换热器技术，尤其是一种含辐射隔热膜的中深层套管式地热换热器装置。
背景技术
近几年，由于能源发展、环境治理、改善民生的需要，地热能供热技术正面临重大发展契机，其在供暖行业中的应用比例越来越高。地埋管地源热泵是地热供暖中应用最广泛的技术。按埋管深度不同，地埋管地源热泵可分为浅层地埋管地源热泵和中深层地埋管地源热泵。其中，中深层地埋管地源热泵近几年在我国刚刚兴起，它的地下换热器埋深可达1500-3000m,取热温度高，取热量大，占地面积小，可有效解决浅层地埋管地源热泵应用中出现的取热少，占地面积大，以及在北方严寒、寒冷和用地紧张地区应用受限等问题，为中深层地热能在我国北方地区的推广应用开辟了新的路径。
中深层地热换热器埋管方式主要有套管式和U形管两种。目前在中深层地热换热器中最常用的是套管式地热换热器。由于套管式地热换热器内管和外管中的循环液温度不同，若不采取措施，热量很容易从温度高的流道传向温度低的流道，造成“热短路”，从而影响套管式换热器的取热能力。为减少套管式地热换热器内、外管间“热短路”产生的损失，工程上主要采用两种方法：一是套管内管管材要选用导热系数相对较低的材料制作。这种方法虽简单易行，但是内外流道之间的管壁导热热阻依然不够大；二是在套管内管壁设一夹层，并对夹层进行抽真空处理，以隔绝内、外管内流体间的热交换。这种方法虽然可通过降低夹层内气相热传导有效降低内、外管流体之间的热传递，但夹层内两壁面间还存在显著的辐射换热。研究表明当真空夹层的绝对压力降至2KPa或更低时，真空夹层换热以辐射换热为主。因此，对于含夹层的中深层套管式地热换热器，进一步降低套管内的“热短路”损失必须考虑降低辐射热损失。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种含辐射隔热膜的中深层套管式地热换热器装置，通过降低内外流道间管壁中夹层两壁面间的热辐射能力，减小套管内外流道间“热短路”，提高中深层套管式地热换热器的取热效率。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
含辐射隔热膜的中深层套管式地热换热器装置，根据工程实际需要，由若干节长度为9-12m的套管式地热换热器组合而成，单节套管式地热换热器包括内管和外管，内管管壁设有含辐射隔热膜的真空绝热夹层，辐射隔热膜为环形且与内管同轴。单节换热器长度为9-12m，便于施工时降低工艺难度，且便于长距离运输。
所述内管和外管均采用耐高压、耐高温、耐腐蚀的无缝镀锌钢管,其中，内管由于管壁内真空绝热夹层为中空的空腔，真空绝热夹层的两个壁面一侧基本无压力，一侧静水压很大，两侧压差大壁面承压要求就高，因此，内管内、外壁都承压，内管钢材承压要求不低于15MPa。由于外管两侧均有压力，因此其钢管的承压要求可根据内管的要求适当降低。
所述内管壁中的真空绝热夹层，是位于内管壁内的环形空腔，夹层内经抽真空处理。考虑抽真空流通空间和运行要求，夹层厚度小于10mm。真空绝热夹层轴向长度与外管等长。为保持绝热效果，要求真空绝热夹层内保持低于10Pa的真空度。
所述真空绝热夹层内部设有一层辐射隔热膜和吸气剂。
所述辐射隔热膜为低发射率、高反射率的辐射隔热膜。辐射隔热膜与内管呈同轴布置。
所述辐射隔热膜材质为铝箔，铝箔不但发射率较低、反射率高、光泽保持时间长且成本较低。铝箔厚度不超过0.5mm，常温条件下，法向发射率小于0.05，反射率可达0.9以上，在常温至320℃铝的发射率和反射率变化都很小。辐射隔热膜距内管外壁面二分之一真空绝热夹层厚度，有利于降低夹层两壁面的热辐射换能力，抑制内外管流道间“热短路”。为抽真空的空间需求和吸气剂的作用需要，当辐射隔热膜顶端与夹层内部顶端平齐时，其底端需留有一定空间；当辐射隔热膜两端均与夹层内部上下两端平齐时，辐射隔热膜上需设有通气孔。
所述辐射隔热膜采用吊装设置，有两种吊装形式：第一种辐射隔热膜顶端与夹层内部顶端平齐，底端位于夹层内部底端以上约100mm处；第二种辐射隔热膜顶端与夹层内部顶端平齐，底端与夹层内部底端平齐。
所述真空绝热夹层内辐射隔热膜第一种吊装形式，真空绝热夹层顶端向下10mm处设有厚度为5mm承台，承台径向长度为二分之一真空绝热夹层厚度。带有环形垫圈的辐射隔热膜紧贴承台边缘，其垫圈下侧紧贴承台上表面并搁置于承台之上，以保证辐射隔热膜能垂直置于真空绝热夹层中。环形垫圈宽为二分之一真空绝热夹层厚度，厚5mm，以保证辐射隔热膜悬于真空绝热夹层中间固定不动。辐射隔热膜长度较真空绝热夹层长度小100mm。
所述真空绝热夹层内辐射隔热膜第二种吊装形式，真空绝热夹层顶端向下10mm处设有厚度为5mm承台，承台径向长度为二分之一真空绝热夹层厚度。带有环形垫圈的辐射隔热膜紧贴承台边缘，其垫圈下侧紧贴承台上表面并搁置于承台之上，以保证辐射隔热膜能垂直置于真空绝热夹层中。环形垫圈宽为二分之一真空绝热夹层厚度，厚5mm，以保证辐射隔热膜悬于真空绝热夹层中间固定不动。辐射隔热膜长度与真空绝热夹层长度相同。辐射隔热膜的轴向下端向上设轴向等距、前后对称的不少于20个通气孔，每个通气孔直径20mm，轴向间距50mm。通气孔总面积大于等于真空绝热夹层上部的环形面积，即可满足抽真空的流通需要。
所述的单节套管式地热换热器内管内壁顶端和底端较夹层顶端和底端稍长，以备焊接连接之用，一般情况下长约50-100mm。
所述的单节套管式地热换热器兼顾考虑保护夹层真空度和降低施工技术难度，其内管壁的真空绝热夹层采用工厂加工方式完成，现场安装只需分别完成外管和内管的连接、下管即可。其中外管和内管的连接均采用焊接工艺。
与既有技术相比，本发明的优点在于：
1）中深层套管式地热换热器的内管管壁真空夹层内增设了辐射隔热膜，且选用的铝箔隔热膜表面具有很低发射率和高反射率，可显著降低内外流道间管壁夹层两壁面间的热辐射能力，减小套管内外流道间“热短路”，提高中深层套管式地热换热器的取热效率。
2）含辐射隔热膜的中深层套管式地热换热器，既有利于保证产品性能稳定、可靠，又可有效缩短施工周期。
3）含辐射隔热膜的中深层套管式地热换热器，现场安装连接工序简易可行，施工技术难度小、可靠性高。
附图说明
图1是实施例1和实施例2的横断面示意图；
图2是实施例1的侧剖面示意图；
图3是实施例2的侧剖面示意图；
图4是实施例2辐射隔热膜打孔示意图；
图5是实施例和现有技术相比的降低辐射热损失对比图；
其中，1.内管；2.外管；3.真空绝热夹层；4.辐射隔热膜；5.吸气剂；6.承台；7.环形垫圈；8.通气孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1：
参见图1，图2，图5。
如图1所示，含辐射隔热膜的中深层套管式地热换热器装置，包括内管1和外管2，内管1管壁内设有真空绝热夹层3，其中真空绝热夹层3为内部中空的空腔，其内设置有辐射隔热膜4。内管1、外管2及辐射隔热膜4均为同轴布置。
如图1所示，内管1、外管2均采用耐高温、耐高压、耐腐蚀的无缝镀锌钢管。内管1的承压能力要求大于15MPa，外管2承压能力可适当降低。
如图2所示的单节中深层套管式地热换热器，其长度为9-12m。
如图2所示，单节套管式地热换热器顶部，内管1内壁顶部较真空绝热夹层3顶部稍长，长约50-100mm。
如图2所示，单节套管式地热换热器底部，内管1内壁底部较真空绝热夹层3底部稍长，长约50-100mm。
如图2所示的真空绝热夹层3厚度小于10mm。真空绝热夹层3中的辐射隔热膜4距离内管外壁二分之一真空绝热夹层厚度。
如图2所示，真空绝热夹层3中的辐射隔热膜4，其材质为铝箔，铝箔厚度不超过0.5mm，常温下法向发射率为0.02-0.04，反射率大于0.9，在常温至320℃铝的发射率和反射率变化都很小。
如图2所示，真空绝热夹层3中的辐射隔热膜4采用吊装设置。真空绝热夹层3顶端向下10mm处设有厚度为5mm承台6，承台6径向长度为二分之一真空绝热夹层3厚度。带有环形垫圈7的辐射隔热膜紧贴承台6边缘，其垫圈7下侧紧贴承台6上表面并搁置于承台6之上，以保证辐射隔热膜4能垂直置于真空绝热夹层3中。环形垫圈7宽为二分之一真空绝热夹层3厚度，厚5mm，以保证辐射隔热膜4悬于真空绝热夹层3中间固定不动。辐射隔热膜4长度较真空绝热夹层3长度小100mm。
如图2所示，真空绝热夹层3内绝对压力低于10Pa，真空绝热夹层3下部设有吸气剂5。
如图2所示在含辐射隔热膜的套管式地热换热器的安装中，上、下两节地热换热器的连接需分两步进行。步骤一，将相邻两节地热换热器的外管2进行焊接连接，完成下管；步骤二，外管全部下管完成后，将相邻两节地热换热器的内管1进行焊接连接，与外管2同轴下放，完成下管。
图5显示添加辐射隔热膜4后，中深层套管式地热换热器夹层两壁面间的热辐射损失比无辐射隔热膜的真空绝热套管式地热换热器的夹层两壁面间的热辐射损失降低了98%。
实施例2：
参见图1，图3，图4，图5。
如图1所示，含辐射隔热膜的中深层套管式地热换热器装置，包括内管1和外管2，内管1管壁中设有真空绝热夹层3，真空绝热夹层3为内部中空的空腔，其中设置有辐射隔热膜4。内管1、外管2及辐射隔热膜4均为同轴布置。
如图1所示，辐射隔热膜的中深层套管式地热换热器装置，内管1、外管2均采用耐高温、耐高压、耐腐蚀的无缝镀锌钢管。内管1的承压能力要求大于15MPa，外管2承压能力可适当降低。
如图3所示的单节中深层套管式地热换热器，其长度为9-12m。
如图3所示，单节套管式地热换热器顶部，内管1内壁顶部较真空绝热夹层3顶部稍长，长约50-100mm。
如图3所示，单节套管式地热换热器底部，内管1内壁底部较真空绝热夹层3底部稍长，长约50-100mm。
如图3所示的真空绝热夹层3厚度小于10mm。真空绝热夹层3中的辐射隔热膜4距离内管外壁二分之一真空绝热夹层厚度。
如图3所示真空绝热夹层中的辐射隔热膜4，其材质为铝箔，铝箔厚度不超过0.5mm，常温下法向发射率为0.02-0.04，反射率大于0.9，在常温至320℃铝的发射率和反射率变化都很小。
如图3所示，真空绝热夹层3中的辐射隔热膜采用吊装设置。真空绝热夹层3顶端向下10mm处设有厚度为5mm承台6，承台6径向长度为二分之一真空绝热夹层厚度。带有环形垫圈7的辐射隔热膜4紧贴承台6边缘，其垫圈下侧紧贴承台上表面并搁置于承台6之上，以保证辐射隔热膜4能垂直置于真空绝热夹层3中。环形垫圈7宽为二分之一真空绝热夹层3厚度，厚5mm，以保证辐射隔热膜4悬于真空绝热夹层中间固定不动。辐射隔热膜4长度与真空绝热夹层长度相同。
如图4所示，真空绝热夹层中的辐射隔热膜4，其轴向下端向上设轴向等距、前后对称的不少于20个通气孔8，每个通气孔8直径20mm，轴向间距50mm。通气孔8总面积大于等于真空绝热夹层端部的环形面积。
如图3所示，真空绝热夹层3内绝对压力低于10Pa，真空绝热夹层3下部设有吸气剂5。
如图3所示在含辐射隔热膜的套管式地热换热器的安装中，上、下两节地热换热器的连接需分两步进行。步骤一，将相邻两节地热换热器的外管2进行焊接连接，完成下管；步骤二，外管全部下管完成后，将相邻两节地热换热器的内管1进行焊接连接，与外管2同轴下放，完成下管。
图5显示添加辐射隔热膜4后，中深层套管式地热换热器夹层两壁面间的热辐射损失比无辐射隔热膜的真空绝热套管式地热换热器的夹层两壁面间的热辐射损失降低了98%。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种含辐射隔热膜的中深层套管式地热换热器装置，由多节套管式地热换热器连接而成，其特征是，单节套管式地热换热器包括内管和外管，内管壁内有真空绝热夹层，真空绝热夹层为内部中空的空腔，内设有一层与内管同轴的环形辐射隔热膜，相邻两节换热器的内、外管均采用焊接连接。
2.如权利要求1所述的含辐射隔热膜的中深层套管式地热换热器装置，其特征是，所述内管内壁顶端比真空绝热夹层顶端长出50-100mm，所述内管内壁底端比真空绝热夹层底端长出50-100mm。
3.如权利要求1所述的含辐射隔热膜的中深层套管式地热换热器装置，其特征是，所述换热器内管和外管均采用无缝镀锌钢管，其中内管的承压高于15MPa。
4.如权利要求1所述的含辐射隔热膜的中深层套管式地热换热器装置，其特征是，所述真空绝热夹层厚度小于10mm，真空绝热夹层的真空度要求低于10Pa。
5.如权利要求1所述含辐射隔热膜的中深层套管式地热换热器装置，其特征是，所述辐射隔热膜的材质为铝箔，铝箔厚度小于等于0.5mm，常温条件下，法向发射率小于0.05，反射率大于0.9。
6.如权利要求1所述含辐射隔热膜的中深层套管式地热换热器装置，其特征是，所述辐射隔热膜设置于真空绝热夹层中间位置，距内管外壁二分之一真空绝热夹层厚度。
7.如权利要求1或5所述含辐射隔热膜的中深层套管式地热换热器装置，其特征是，辐射隔热膜采用吊装设置，有两种吊装形式：第一种辐射隔热膜顶端与夹层内部顶端平齐，底端位于夹层内部底端以上100mm处；第二种辐射隔热膜顶端与夹层内部顶端平齐，底端与夹层内部底端平齐。
8.如权利要求7所述含辐射隔热膜的中深层套管式地热换热器装置，其特征是，所述辐射隔热膜采用第一种吊装形式，真空绝热夹层顶端向下10mm处设有厚度为5mm承台，承台径向长度为二分之一真空绝热夹层厚度；带有环形垫圈的辐射隔热膜紧贴承台边缘，其垫圈下侧紧贴承台上表面并搁置于承台之上；环形垫圈宽为二分之一真空绝热夹层厚度，厚5mm。
9.如权利要求7所述含辐射隔热膜的中深层套管式地热换热器装置，其特征是，所述辐射隔热膜采用第二种吊装形式，真空绝热夹层顶端向下10mm处设有厚度为5mm承台，承台径向长度为二分之一真空绝热夹层厚度；带有环形垫圈的辐射隔热膜紧贴承台边缘，其垫圈下侧紧贴承台上表面并搁置于承台之上；环形垫圈宽为二分之一真空绝热夹层厚度，厚5mm，辐射隔热膜长度与真空绝热夹层长度相同。
10.如权利要求9所述含辐射隔热膜的中深层套管式地热换热器装置，其特征是，所述辐射隔热膜上设有若干通气孔，通气孔面积总和大于等于真空绝热夹层顶部的环形面积，以满足抽真空的流通需要。
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