CN118031441A - 一种蓄能保温型套管式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蓄能保温型套管式换热器，包括设于埋管钻井中的换热器组件，所述换热器组件包括同心套设的外管和内管，所述外管的一端设为盲端、其另一端设有进液口，所述内管的一端设置于所述外管的盲端内、并与所述外管连通，所述内管的另一端设有出液口，所述外管与内管中填充循环水，所述内管的外侧包覆有蓄能保温层。本发明利用蓄能保温层提高套管式换热器蓄能能力和减少套管式换热器内管和套管式换热器外管之间的热短路，增强套管式换热器的换热性能。

Description

一种蓄能保温型套管式换热器

技术领域

本发明涉及地热能利用技术领域，具体涉及一种蓄能保温型套管式换热器。

背景技术

套管式地埋管换热器可有效利用地热能，与热泵技术相结合所组成的地源热泵可满足建筑供冷供热需求。以往的套管式换热器主要采用浅层埋管的型式，随着北方清洁供暖的时代要求提出，中深层套管式换热器也应用在建筑供暖中，为北方冬季供暖提供了一套低碳节能的解决方案，其既可避免浅层埋管因岩土体积比热容较小，热传输速度较低，在一段时间内不能提取或排放较多的热量而产生热失衡现象，又可以减少敷设地埋管的场地面积。

在套管式换热器循环换热过程中，循环水是从套管式换热器外管进入与周围岩土体换热后，从底部进入到套管式换热器内管中，并通过顶部出口进入到热泵机组中，从而为建筑供冷供热。在此过程中，无论是供冷工况还是供热工况，在套管式换热器上半段，特别是顶部，内管和外管均存在着较大的温差，容易形成热短路的不利情况。对于中深层套管式换热器，由于钻井深度大，其内管和外管之间的温差更大，更容易产生热短路。

目前提高套管式换热器性能的手段主要是单纯降低内管管壁的导热系数，实际对套管式换热器性能提升效果不理想。

发明内容

基于上述表述，本发明提供了一种蓄能保温型套管式换热器，以解决套管式换热器热性能难以提升的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种蓄能保温型套管式换热器，包括设于埋管钻井中的换热器组件，所述换热器组件包括同心套设的外管和内管，所述外管的一端设为盲端、其另一端设有进液口，所述内管的一端设置于所述外管的盲端内、并与所述外管连通，所述内管的另一端设有出液口，所述外管与内管中填充循环水，所述内管的外侧包覆有蓄能保温层。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步的，所述换热器组件外侧与埋管钻井的井壁之间间隙区域填充有回填材料。

进一步的，所述蓄能保温层包括蓄能保温管和蓄能保温材料，所述蓄能保温管套设在所述内管的外周，所述蓄能保温管与所述内管之间形成环状密闭空间，所述蓄能保温材料填充在所述环状密闭空间中。

进一步的，所述蓄能保温管为塑料管材。

进一步的，所述套管式换热器为浅层埋管型式或中深层埋管型式，所述中深层埋管型式的埋深H满足：1800m≤H≤3000m，所述浅层埋管型式的埋深h满足：h≤200m。

进一步的，所述蓄能保温材料为相变蓄能保温材料，依据套管式换热器埋深所要求的循环水温度，所述相变蓄能保温材料采用所述循环水温度要求对应的石蜡类或无机盐类材料。

进一步的，根据负荷需求设置有若干个埋管钻井，每个所述埋管钻井中分别设置有所述换热器组件，全部所述外管的进液口并联，全部所述内管的出液口并联。

进一步的，所述外管的有效长度L满足：

其中，Q为所述套管式换热器总换热量，n为所述埋管钻井数量，T_max为所述套管式换热器循环水的最高温度限值，T_s为所述套管式换热器内循环水初始温度，T_pcm为相变蓄能保温材料的相变温度，R_f1为所述套管式换热器内管对流换热热阻，R_f2为所述套管式换热器外管对流换热热阻，R_wn为所述套管式换热器内管管壁的导热热阻，R_ww为所述套管式换热器外管管壁的导热热阻，R_pcm为所述蓄能保温管和所述蓄能保温材料热阻，R_s为地层热阻，R_b为回填材料导热热阻。

与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下有益技术效果：

本发明提供的一种蓄能保温型套管式换热器，在原有套管式换热器型式中增设了蓄能保温层，一方面利用蓄能保温层存储热量，实现热量的转移蓄存利用，有利于满足短时尖峰负荷需求；另一方面蓄能保温层减少了套管式换热器的内管和外管之间的热短路现象，保障冬季出水温度高，夏季出水温度低，提升了套管式换热器的热性能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的蓄能保温型套管式换热器内部结构示意图；

图2为本发明实施例提供的蓄能保温型的套管式换热器的俯视角截面结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、埋管钻井，11、井壁，12、回填材料，2、换热器组件，21、外管，22、内管，23、进液口，24、出液口，3、蓄能保温层，4、蓄能保温材料，5、循环水。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。

请参阅图1～图2，图1所示为本发明实施例提供的一种蓄能保温型套管式换热器内部结构示意图，图2所示为本发明实施例提供的蓄能保温型的套管式换热器的俯视角截面结构示意图。

结合图1和图2所示，本发明实施例提供的一种蓄能保温型套管式换热器，包括设于埋管钻井1中的换热器组件2。所述换热器组件2包括同心套设的外管21和内管22，所述外管21的一端设为盲端、其另一端设有进液口23，外管21的进液口23与外部热泵机组的出口连接。所述内管22的一端同心套设于所述外管21的盲端内、并与所述外管21连通，外管21内的换热介质(例如水)可从外管21的盲端流入所述内管22内，所述内管22的另一端设有出液口24，内管22的出液口24与外部热泵机组的进口连接。所述外管21与内管22中填充循环水5，循环水5从外部热泵机组流出、经外管21的进液口23流入外管21，沿外管21的周向流至外管21的盲端，然后进入内管22；循环水5流过内管22后，从内管22的出液口24流出，回到外部热泵机组，以实现循环水5的循环。所述内管22的外侧包覆有蓄能保温层3。

可以理解的是，本发明实施例提供的一种蓄能保温型套管式换热器，置于埋管钻井1中，通过套管式换热器中的循环水5与岩土体换热。在原有套管式换热器型式中增设了蓄能保温层3，一方面利用蓄能保温层3存储热量，实现热量的转移蓄存利用，有利于满足短时尖峰负荷需求；另一方面蓄能保温层3减少了套管式换热器内管22和外管21之间的热短路现象，保障冬季出水温度高，夏季出水温度低，提升了套管式换热器的热性能。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

如图1和图2所示，在其中一种可能的实施方式中，所述换热器组件2外侧与埋管钻井1的井壁11之间间隙区域填充有回填材料12。

可以理解的是，外管21与钻井壁11之间的间隙填满回填材料12，可增强换热器组件2的外管21与埋管钻井1之间的连接紧密程度，一是利于提升蓄能保温型套管式换热器在埋管钻井1中的安装可靠性，二是可提升循环水5通过外管21与岩土体进行热交换的效率，提升该蓄能保温型套管式换热器整体的热性能。

在其中一种可能的实施方式中，所述蓄能保温层3包括蓄能保温管和蓄能保温材料4，所述蓄能保温管套设在所述内管22的外周，所述蓄能保温管与所述内管22之间形成环状密闭空间，所述蓄能保温材料4填充在所述环状密闭空间中。

可以理解的是，套管式换热器的内管22和外管21之间设置蓄能保温层3，蓄能保温层3紧贴在套管式换热器内管22的外壁上，可更好地提高套管式换热器蓄能能力和减少套管式换热器内管22和套管式换热器外管21之间的热短路，增强套管式换热器的换热性能。蓄能保温管与所述内管22的外壁之间形成的环状密闭空间始终保持密闭，在其内部预先填充蓄能保温材料4，可防止套管内的循环水5进入该环状密闭空间中对蓄能保温材料4的性能产生影响，以进一步提高套管式换热器蓄能能力和减少套管式换热器内管22和套管式换热器外管21之间的热短路，增强套管式换热器的换热性能。

在其中一种可能的实施方式中，所述蓄能保温管为塑料管材，如PE管、PB管、PVC管等，蓄能保温管的长度与套管式换热器的内管22长度一样，略短于套管式换热器外管21的有效长度，采用圆管状结构与套管式换热器内管22贴合布置。

在其中一种可能的实施方式中，所述套管式换热器为浅层埋管型式或中深层埋管型式，所述中深层埋管型式的埋深H满足：1800m≤H≤3000m，所述浅层埋管型式的埋深h满足：h≤200m。

在其中一种可能的实施方式中，所述蓄能保温材料4为相变蓄能保温材料，依据套管式换热器埋深所要求的循环水5温度，所述相变蓄能保温材料采用所述循环水5温度要求对应的石蜡类材料(石蜡族蓄热材料十八烷(C18H36)，其溶解潜热244J/g)或无机盐类材料(如无机盐磷酸氢钠十二水盐(Na2HPO4.12H2O)，其溶解潜热205J/g)。

在其中一种可能的实施方式中，根据负荷需求可设置若干个埋管钻井1，每个所述埋管钻井1中分别设置有所述换热器组件2，全部所述外管21的进液口23并联，全部所述内管22的出液口24并联。通过若干个蓄能保温型套管式换热器的并联，可实现大负荷需求以及大面积的地热能利用。

在其中一种可能的实施方式中，套管式换热器外管21有效长度L依据热阻网络模型，可按如下公式计算：

其中，Q为所述套管式换热器总换热量，n为所述埋管钻井数量，T_max为所述套管式换热器循环水的最高温度限值，T_s为所述套管式换热器内循环水初始温度，T_pcm为相变蓄能保温材料的相变温度，R_f1为所述套管式换热器内管对流换热热阻，R_f2为所述套管式换热器外管对流换热热阻，R_wn为所述套管式换热器内管管壁的导热热阻，R_ww为所述套管式换热器外管管壁的导热热阻，R_pcm为所述蓄能保温管和所述蓄能保温材料热阻，R_s为地层热阻，R_b为回填材料导热热阻。

热阻热阻网络模型中R_f1、R_f2、R_wn、R_ww、R_s、R_b等热阻值计算方法采用现有规范“地源热泵系统工程技术规范(GB50366-2009)”附录B的热阻计算方法。R_pcm参考管壁的导热热阻计算。

现采用两个具体实施场景进行和举例说明。

实施场景一：

本发明应用在中深层埋管型式的套管式换热器中，仅用于供热或供生活热水，根据负荷需要量和场地水文地质条件布置蓄能保温型的套管式换热器数量n和埋深H(1800m≤H≤3000m)，在套管式换热器的内管22外表面上布置密闭的保温蓄能管并在保温蓄能管内填充蓄能保温材料4，蓄能保温材料4的熔点温度在35℃，可采用石蜡类、无机盐类等低温相变蓄热材料，如无机盐磷酸氢钠十二水盐(Na2HPO4.12H2O)，溶解潜热205J/g。

实施场景二：

浅层埋管型式或中深层埋管型式，

本发明应用在浅层埋管型式的套管式换热器中，用于建筑供冷供热，根据负荷需要量和场地水文地质条件布置蓄能保温型的套管式换热器数量n和埋深h(h≤200m)，在套管式换热器的内管22外表面上布置密闭的保温蓄能管并在保温蓄能管内填充蓄能保温材料4，蓄能保温材料4的熔点温度在28℃，可采用石蜡类、无机盐类等低温相变蓄热材料，如石蜡族蓄热材料十八烷(C18H36)，溶解潜热244J/g。

经验证，上述实施场景一和实施场景二均获得了较佳的热性能。

本发明提供的一种蓄能保温型套管式换热器，置于埋管钻井1中，通过套管式换热器中的循环水5与岩土体换热。在原有套管式换热器型式中增设了蓄能保温层3，一方面利用蓄能保温层3存储热量，实现热量的转移蓄存利用，有利于满足短时尖峰负荷需求；另一方面蓄能保温层3减少了套管式换热器内管22和外管21之间的热短路现象，保障冬季出水温度高，夏季出水温度低，提升了套管式换热器的热性能。本发明利用蓄能保温层3提高套管式换热器蓄能能力和减少套管式换热器内管22和套管式换热器外管21之间的热短路，增强套管式换热器的换热性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种蓄能保温型套管式换热器，其特征在于，包括设于埋管钻井(1)中的换热器组件(2)，所述换热器组件(2)包括同心套设的外管(21)和内管(22)，所述外管(21)的一端设为盲端、其另一端设有进液口(23)，所述内管(22)的一端设置于所述外管(21)的盲端内、并与所述外管(21)连通，所述内管(22)的另一端设有出液口(24)，所述外管(21)与内管(22)中填充循环水(5)，所述内管(22)的外侧包覆有蓄能保温层(3)。

2.根据权利要求1所述一种蓄能保温型套管式换热器，其特征在于，所述换热器组件(2)外侧与埋管钻井(1)的井壁(11)之间间隙区域填充有回填材料(12)。

3.根据权利要求2所述一种蓄能保温型套管式换热器，其特征在于，所述蓄能保温层(3)包括蓄能保温管和蓄能保温材料(4)，所述蓄能保温管套设在所述内管(22)的外周，所述蓄能保温管与所述内管(22)之间形成环状密闭空间，所述蓄能保温材料(4)填充在所述环状密闭空间中。

4.根据权利要求3所述一种蓄能保温型套管式换热器，其特征在于，所述蓄能保温管为塑料管材。

5.根据权利要求3所述一种蓄能保温型套管式换热器，其特征在于，所述套管式换热器为浅层埋管型式或中深层埋管型式，所述中深层埋管型式的埋深H满足：1800m≤H≤3000m，所述浅层埋管型式的埋深h满足：h≤200m。

6.根据权利要求5所述一种蓄能保温型套管式换热器，其特征在于，所述蓄能保温材料(4)为相变蓄能保温材料，依据套管式换热器埋深所要求的循环水(5)温度，所述相变蓄能保温材料采用所述循环水(5)温度要求对应的石蜡类或无机盐类材料。

7.根据权利要求6所述一种蓄能保温型套管式换热器，其特征在于，根据负荷需求设置有若干个埋管钻井(1)，每个所述埋管钻井(1)中分别设置有所述换热器组件(2)，全部所述外管(21)的进液口(23)并联，全部所述内管(22)的出液口(24)并联。

8.根据权利要求7所述一种蓄能保温型套管式换热器，其特征在于，所述外管(21)的有效长度L满足：

其中，Q为所述套管式换热器总换热量，n为所述埋管钻井数量，T_max为所述套管式换热器循环水的最高温度限值，T_s为所述套管式换热器内循环水初始温度，T_pcm为相变蓄能保温材料的相变温度，R_f1为所述套管式换热器内管对流换热热阻，R_f2为所述套管式换热器外管对流换热热阻，R_wn为所述套管式换热器内管管壁的导热热阻，R_ww为所述套管式换热器外管管壁的导热热阻，R_pcm为所述蓄能保温管和所述蓄能保温材料热阻，R_s为地层热阻，R_b为回填材料导热热阻。