CN113280655A - 一种高效同轴套管换热器 - Google Patents

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CN113280655A CN202110503337.4A CN202110503337A CN113280655A CN 113280655 A CN113280655 A CN 113280655A CN 202110503337 A CN202110503337 A CN 202110503337A CN 113280655 A CN113280655 A CN 113280655A
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陈振乾
陈鹏旭
许波
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/12—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically the surrounding tube being closed at one end, e.g. return type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
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Abstract

本发明涉及一种高效同轴套管换热器，包括内管和套设在所述内管外部且一端封闭的外管，所述外管内壁与所述外管外壁之间形成入流通道，所述内管中形成与所述入流通道连通、截面积减小的出流通道；所述外管内壁上设有沿轴向均匀分布的波纹结构。本发明套管换热器外管采用内壁设波纹的不锈钢金属管，有利于减少了流体与土壤的传热热阻，强化了外管与土壤的换热，液体工质也不易在管壁上结垢，同时提高了防震性能良好，具有较高的承压能力和抗腐蚀性能。内管内设截面接较小的流体通道有利于增大流体出口速度，减少了换热器内管的热损失。

Description

一种高效同轴套管换热器
技术领域
本发明涉及套管换热器技术领域，尤其是一种高效同轴套管换热器。
背景技术
套管换热器是地源热泵系统的关键部件，其换热效率的高低直接影响到了整个系统的能效。随着地源热泵的不断推广，对地源热泵系统整体能效的要求越来越苛刻，这就对套管换热器地换热效率、承压能力、抗震能力等各项指标提出了更高地要求。
现有的套管换热器结构包括内管和外管，流体从外层套管流入，与土壤充分换热之后从内管流出。现有换热器的内管多采用导热系数较低的塑料作为材料，但其内部的出流流体在对应于入流流体的位置处的热损失依然很大。外管由于承压、抗震能力有限，难以适应复杂的地形条件，整个换热器很难适应当前应用需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种高效同轴套管换热器，以达到减少换热后流体在内管中的热损失的目的。
本发明采用的技术方案如下：
一种高效同轴套管换热器，包括内管和套设在所述内管外部且一端封闭的外管，所述外管内壁与所述外管外壁之间形成入流通道，所述内管中形成与所述入流通道连通、截面积减小的出流通道；所述外管内壁上设有沿轴向均匀分布的波纹结构。
其进一步技术方案为：
所述出流通道平行间隔设置至少两条，所述出流通道的截面积总和小于所述入流通道的截面积。
所述内管为实心软塑料柱状结构，所述出流通道设置在所述柱状结构靠近中心的区域内，出流通道的进、出口分别位于所述内管底部、顶部端面上。
所述外管具有开口端和封闭端，所述封闭端位于所述出流通道的进口位置下方，所述封闭端内壁上设有增加流阻的扰流结构。
所述扰流结构呈波纹状、锯齿状或凸起状。
所述内管外壁敷设有纳米介孔保温材料层。
所述纳米介孔保温材料层采用纳米二氧化硅微颗粒、玻璃纤维毡制备而成。
所述内管底部通过挡块与外管连接；所述挡块沿周向均匀设置至少三个，使所述内管悬空固定，并与所述外管同轴。
所述外管固定在换热介质中，外壁与所述换热介质相接触，同时所述外管的开口端用于向所述入流通道导入需要换热的工质。
所述内管和所述外管之间银钎焊接。
本发明的有益效果如下：
本发明减少了换热器内管的热损失，强化了外管与土壤的换热同时提升了外管的承压能力。本发明具体具有如下优点：
1.本发明外管采用内壁设置波纹结构的不锈钢金属管，有利于改变管内工质流体滞留层的状态，提高了换热系数，减少了工质流体与土壤的传热热阻，液体工质也不易在管壁上结垢。同时防震性能良好，具有较高的承压能力。不锈钢材料在与土壤长期接触的过程中也不易腐蚀。
2.本发明工质流体通过两个截面积狭小的出流通道流出内管，由于流速增加，与入流流体传热时间较短，且位置远离内管的管壁，可有效减少热量损失。
3.本发明内管管壁敷设纳米介孔保温材料，进一步减少了出口流体与进口流体的换热损失，提升了换热器的换热效率。同时纳米介孔保温材料还有防火等级高、防水性强、绿色环保等特点。内管采用软塑料作为材料，不仅隔热效果好，而且成本低。
4.本发明外管底部加工成向内凸起等扰流结构，有利于增大外管内流体的阻力，减慢流体的速度，延长流体和土壤的换热时间。
5.本发明通过挡块便于内管在安装过程中的轴向定位和在外管内部的悬空固定。将挡块的纵截面设计为三角形有利于提升挡块的力学性能。
附图说明
图1为本发明具体实施例的结构示意图。
图2为图1中A-A截面剖视图。
图3为本发明具体实施例的挡块的结构示意图。
图4为图1中B-B截面剖视图。
图中：1、内管；2、外管；3、纳米介孔保温材料层；4、挡块；5、扰流结构；6、出流通道；7、入流通道；8、波纹结构。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
本实施例的高效同轴套管换热器，如图1所示，包括内管1和套设在内管1外部且一端封闭的外管2，外管2内壁与外管2外壁之间形成入流通道7，内管1中形成与入流通道7连通、截面积减小的出流通道6；外管2内壁上设有沿轴向均匀分布的波纹结构8。
上述实施例中，外管2固定在换热介质中，外壁与换热介质相接触，外管2的结构包括开口端和封闭端。外管2的开口端用于向入流通道7导入需要换热的工质流体。工质流体沿图1中箭头所示方向，从入流通道7流入，通过外管2管壁与换热介质换热，然后从底端进入出流通道6，从顶端流出，形成换热循环回路。
上述换热介质为土壤，工质流体为水。例如从入流通道7流入的冷水通过外管2管壁吸收换热介质的热量升温后，从内管1内部所限定的出流通道6流出。
上述实施例中，外管2采用金属管，具体为不锈钢金属管，内壁设有金属材质的波纹结构8，有利于改变入流通道7内流体滞留层的状态，提升了换热系数，减少流体与土壤等换热介质的传热热阻，工质也不易在管壁上结垢。并且，波纹结构8增加了结构的稳定性，提高了外管2的防震性能和承压能力。
优选地，波纹结构8呈环状凸起结构沿外管2内壁沿轴向均匀分布的；或者波纹结构8呈螺旋状沿轴向延伸。
上述实施例中，出流通道6平行间隔设置至少两条。
每条出流通道6的截面积小于入流通道7的截面积，且出流通道6的截面积总和小于入流通道7的截面积。
作为优选，内管1为实心软塑料柱状结构，出流通道6设置在柱状结构中靠近中央的区域中，出流通道6的进、出口分别位于内管1底部、顶部端面上。
作为优选，内管1为大空心软塑料管，两根小空心软塑料分布在大空心管内远离大空心管壁的区域中，形成上述出流通道6，小空心管外壁与大空心管内壁之间填充隔热介质。出流通道6的进、出口分别位于内管1底部、顶部端面上。
作为优选，如图4所示，出流通道6截面为圆形。
至少两个出流通道6截面积小于入流通道7的截面积，当待换热工质从入流通道7流入出流通道6内时，由于流通面积减小，流体流速增加，从而缩短了与入流通道7中流体，特别是入流通道7内刚流入的冷流体的换热时间，从而有效地减小了热损失。
外管2具有开口端和封闭端，封闭端位于出流通道6的进口位置下方，封闭端内壁上设有增加流阻的扰流结构5。
作为优选，扰流结构5呈波纹状、锯齿状或如图1所示的向上凸起状。
外管2封闭端位于底部，与换热介质(土壤)直接接触，将其内壁通过机械加工成内凸起等结构，有利于增大外管2内流体的阻力，减慢流体的速度，延长流体和土壤的换热时间。
出流通道6原理内管1外壁，进一步减少热损失。
作为优选，内管1采用的软塑料具体说是聚丙烯(Polypropylene，PP)或者聚氨基甲酸酯(Polyurethane，PU)。
作为优选，内管1外壁敷设有纳米介孔保温材料层3，用于与管内外的工质隔热，提高保温性。
内管1采用软塑料材料，管壁敷设纳米介孔保温材料，有效地减少入流通道内7内流体与出流通道6特别是的出口区域内流体之间的换热损失。软塑料成本低，且纳米介孔保温材料还具有防火等级高、防水性强、绿色环保等特点。
具体地，纳米介孔保温材料层3采用纳米二氧化硅微颗粒、玻璃纤维毡制备而成。
具体地，纳米介孔保温材料层3的制备方法包括用将各种原材料按照比例混合、干燥，利用均匀分散方法通过催化剂将超效纳米二氧化硅绝热颗粒与玻璃纤维毡复合形成纤维绝热复合材料，再将纤维绝热复合材料浸渍粘合剂并干燥后处理，最终得到纳米介孔保温材料。
上述实施例，内管1底部通过挡块4与外管2连接；挡块4沿周向均匀设置至少三个，使内管1悬空固定，并与外管2同轴。
具体地，内管1底部布置如图2所示的4个挡块4，挡块4的纵截面(沿与轴向平行方向的截面)为如图3所示的三角形，四个挡块4沿圆周均匀分布，相邻两挡块4之间的夹角为90°。挡块4便于内管1安装过程中的轴向定位和在外管2内部的悬空固定。将挡块4的纵截面设计为三角形有利于提升挡块的力学性能，使得支撑结构更加稳定。
具体地，内管1和外管2之间银钎焊接。
本实施例的同轴套管换热器，具有换热效率高、体积小、故障低、便于维护、组装方便等特点。可根据现有技术中的套管换热器进行改装，其改装过程简单，改装成本较低，可操作性较强。

Claims (10)

1.一种高效同轴套管换热器，其特征在于，包括内管(1)和套设在所述内管(1)外部且一端封闭的外管(2)，所述外管(2)内壁与所述外管(2)外壁之间形成入流通道(7)，所述内管(1)中形成与所述入流通道(7)连通、截面积减小的出流通道(6)；所述外管(2)内壁上设有沿轴向均匀分布的波纹结构(8)。
2.根据权利要求1所述的高效同轴套管换热器，其特征在于，所述出流通道(6)平行间隔设置至少两条，所述出流通道(6)的截面积总和小于所述入流通道(7)的截面积。
3.根据权利要求1所述的高效同轴套管换热器，其特征在于，所述内管(1)为实心软塑料柱状结构，所述出流通道(6)设置在所述柱状结构靠近中心的区域内，出流通道(6)的进、出口分别位于所述内管(1)底部、顶部端面上。
4.根据权利要求3所述的高效同轴套管换热器，其特征在于，所述外管(2)具有开口端和封闭端，所述封闭端位于所述出流通道(6)的进口位置下方，所述封闭端内壁上设有增加流阻的扰流结构(5)。
5.根据权利要求4所述的高效同轴套管换热器，其特征在于，所述扰流结构(5)呈波纹状、锯齿状或凸起状。
6.根据权利要求3所述的高效同轴套管换热器，其特征在于，所述内管(1)外壁敷设有纳米介孔保温材料层(3)。
7.根据权利要求6所述的高效同轴套管换热器，其特征在于，所述纳米介孔保温材料层(3)采用纳米二氧化硅微颗粒、玻璃纤维毡制备而成。
8.根据权利要求1所述的高效同轴套管换热器，其特征在于，所述内管(1)底部通过挡块(4)与外管(2)连接；所述挡块(4)沿周向均匀设置至少三个，使所述内管(1)悬空固定，并与所述外管(2)同轴。
9.根据权利要求8所述的高效同轴套管换热器，其特征在于，所述外管(2)固定在换热介质中，外壁与所述换热介质相接触，同时所述外管(2)的开口端用于向所述入流通道(7)导入需要换热的工质。
10.根据权利要求1所述的高效同轴套管换热器，其特征在于，所述内管(1)和所述外管(2)之间银钎焊接。
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CN113665316A (zh) * 2021-08-24 2021-11-19 浙江吉利控股集团有限公司 同轴管、汽车空调系统及车辆
CN114508775A (zh) * 2022-02-22 2022-05-17 河北工程大学 一种基于中深层地热能的钻孔供热系统

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