CN204373473U - 一种模块化复合式热交换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了模块化复合式热交换装置，其包括由下向上设置的回流头模块、复合热交换管模块、复合保温管模块和外连接头模块，各相邻模块间通过连接块连接。所述回流头模块包括一回流管；所述复合热交换管模块由内到外设有内隔热管一和外交换管一，所述内隔热管一和外交换管一做成定尺寸长度，复合热交换管模块可由多个定尺寸长度的内隔热管一和外交换管一连接成不同的长度；所述复合保温管模块由内到外设有内隔热管二、外交换管二和外隔热层一；所述外连接头模块包括接头本体、内隔热管三和外隔热层二；所述连接件包括配对的公、母接头。本热交换装置满足对不同温度层温度的吸取，且热交换效率高，各功能部件外形尺寸相同，制造与安装更方便。

Description

一种模块化复合式热交换装置

技术领域

本实用新型涉及地热资源的应用领域，具体来说是一种模块化复合式热交换装置。

背景技术

地热资源世界上最古老的能源之一。据测算，地球内部的总热能量，约为全球煤炭储量的1.7亿倍。每年从地球内部经地表散失的热量，相当于1000亿桶石油燃烧产生的热量。地表常温夏天在20度，冬天在5度，地表面下14-25米在14度，地表面下200米在22度，地表常温层（距地面约15米）以下约15公里范围内，地温随深度增加而增高。地热平均增温率约为3°C/100米。而地表浅层又是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳能量，是人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。

地热的应用又几种，一：高温地热井；二：地表水与地下水；三：土壤热源。高温地热井因地域的局限，不具有应用的广泛性。水是很理想的热源，由于水具有热容量大、传热性能好、温度变化范围比较小的优点，因而水源热泵换热设备紧凑，运行工况稳定。但水源热泵换热设备对水质要求比较高，PH值小于7的水都不宜使用。如果大量取用，还会造成地面下沉和水源枯竭。虽然可以采用回灌的方法解决，但也有对环境污染的可能。再者，水是理想的热源，也是宝贵的生活用水，在生活用水缺乏的地区，大量利用水源热，也是不妥的行为。而对于土壤热源，有人居住的地方几乎都有土壤，所以土壤热源具有广泛利用的前景。土壤是一种低位热源，可以通过土壤耦合地热交换器来达到提取热量。土壤耦合地热交换器的工作原理与水源热泵换热设备很相似，就是多了一道热传换，通过传热介质，一般是水、盐水或乙二醇等，将地热能传换为水热能。它的优点是1：土壤的温度比较稳定，常年的温度波动比较小。夏季土壤温度比空气低，冬季土壤温度又比空气高，所以热泵的制冷系数和供热系数比较空气源热泵高。2：地热交换器埋于地下，不需要除霜，也不需要风机强化换热。3：地热交换器冬季从土壤中取出热量，在夏季可通过热传导由热泵系统排热到土壤，土壤就起到了储能作用。

目前，地热交换装置有水平埋管式和竖直埋管式。水平埋管式因占地面积大，埋设成本高，是土壤热源利用装置的最大缺点，因而不推荐。竖直埋管式又分单管竖直埋管式与U型竖直埋管式（CN 202869060U），在单管竖直埋管式里（CN 202420031U、CN 2510817Y等），国内的中外申请者的专利就有十几个，它的优势就可知了。但其中所有的专利都有一特点，要现场制造安装，使整个过程耗时较长，而质量又无法保证。因地表常温层下，不同的深度有不同的温度，想要提取不同的温度，就要有不同长度的热交换管，要现场安装，灵活性不是很好，效率不高。管子未按功能要求区分结构。因此热交换管的热交换率也不高。而且对热交换管的结构和原理都有不完善的地方。

发明内容

为了完善竖直埋管式地热交换管在实际中的应用，更好地发挥它的优势，本实用新型通过模块化的设计，优化和简化结构，发挥各种材料的特性，使热交换达到较好的交换效率；工厂化的制造，质量更有保证，制造成本更低，长度选择更灵活，安装操作也更高效与简便。

为解决上述技术中存在的技术问题，采用的具体技术方案是：

模块化复合式热交换装置由下向上设有回流头模块、复合热交换管模块、复合保温管模块和外连接头模块；回流头模块与复合热交换管模块之间通过连接件一连接，复合热交换管模块与复合保温管模块之间通过连接件二连接，复合保温管模块与外连接头模块之间通过连接件三连接，所述连接件一、连接件二和连接件三为同尺寸的部件，且可互换。

所述回流头模块包括一下部为半球形、上部开口的中空回流管，所述回流管长度大于或等于外径4倍以上；所述复合热交换管模块由内到外设有内隔热管一和外交换管一；所述复合保温管模块由内到外设有内隔热管二、外交换管二和外隔热层一；所述外连接头模块包括接头本体、内隔热管三和外隔热层二，所述内隔热管三设于接头本体内，所述外隔热层二包裹于接头本体外；所述内隔热管一、内隔热管二、内隔热管三均为同尺寸的双层壁的中空塑料管。

所述连接件一、连接件二、连接件三均包括与之对应的公接头和母接头，以上所述各公接头、母接头均采用高强度的复合塑料制作，所述各配对的公接头与母接头为中空的管状，所述各公接头套设于与之配对的母接头内部，所述各公接头、各母接头上均设有多个通孔，所述各母接头通孔的下部正对与之配对的各公接头通孔的上部，所述各公接头通孔和与之配对的各母接头通孔的中心线不在同一直线上，所述各母接头上部与各公接头下部设有多个梅花凸台，所述各公接头与各母接头外部为六角形。

所述复合热交换管模块中的内隔热管一和外交换管一做成定尺寸长度，复合热交换管模块可以由多个定尺寸长度的内隔热管一和外交换管一通过连接件连接而成。

所述各配对的公接头与母接头连接面为锥形面，各对公接头与母接头之间采用螺纹连接，并在公接头和与之配对的母接头配合的锥形面上采用两道以上的O型圈密封。

所述连接件一下部与回流管上部之间、连接件一上部与外交换管一的下部之间、连接件二下部与外交换管一的上部之间、连接件二上部与外交换管二的下部之间、连接件三下部与外交换管二的上部之间、连接件三上部与接头本体的下部之间均设有两道以上的O型圈密封、密封胶密封和机械压紧密封三道密封装置。

所述各公接头、各母接头和与之相连的各内隔热管之间用梅花凸台和密封胶合剂连接。

所述接头本体为中空管状结构，管内下部设有多个梅花凸台，内隔热管三与接头本体之间通过梅花凸台和密封胶合剂连接，所述接头本体顶部设有一出液接口，接头本体上部沿圆周方向也设有多个出液接口，接头本体下端沿圆周方向设有多个进液接口。

所述外交换管一的内面积比内隔热管一的内面积大两倍以上。

所述模块化复合式热交换装置可采用不同的载热介质。

通过采用上述方案，本实用新型的模块化复合式热交换装置与现有技术相比，其技术效果在于：

外交换管一和内隔热管一做成定尺寸长度，通过选择不同的支数，就可得到不同的长度，形成不同的热交换功率，满足对不同温度层温度的吸取，使用更方便灵活。

为了更好的传导热量，外交换管一的内面积比内隔热管一的内面积大两倍以上，因此外交换管一内的载热液体流速要比内隔热管一慢，也就增加了热交换时间。再加上各公、母接头的热交换通道的有效截面积的改变，使流液紊流，提高了载热液温度的均匀性，使热交换更有效。

因地表常温夏天在20度，冬天在5度，地表面下14-25米在14度。如要交换地表面下14-25米在14度温度，就要避免地表面下10米内的地表温度对热交换装置的温度影响。所以热交换装置近地表面部分，就要与地层隔热，本热交换装置通过在外交换管二的外层包裹导热系数低的发泡塑料（导热系数为0.04W/(m·k)，而导热系数在0.05 W/(m.K)以下的材料称为高效保温材料），实现了热交换装置与近地面的隔热。

模块化复合式热交换装置中各隔热管都为双层壁的中空塑料管，其两端都用复合塑料的公、母接头密封，隔热效果更好，经久耐用；各公、母接头的外形采用六角形，方便管子间的旋紧连接。

在各公、母接头和与之对应的各隔热管的连接中，采用各公、母接头做成梅花凸台，插入与之相连的隔热管的中空壁中，并用密封胶合剂连接，即起到密封作用，又提高了扭转强度。而各公、母接头和与对应的各热交换管的密封，采用O型圈+密封胶+机械压紧的三重密封方法，以保证长期使用的密封性和连接强度。在各公、母接头的连接上，则采用螺纹连接，使连接方便可靠，在密封上，采用O型圈+锥形面的双重密封，保证了密封性和可靠性。

在回流头部分，采用增长的回流管，以免在长期工作中，沉积物的沉积，造成回流头的堵塞，使整个热交换装置的报废。

 在进出水部分的接头本体上开设有多个进液接口和出液接口，除为了方便接管外，还可安装传感器，为自动控制提供方便。接头本体的外层，也包覆了一层发泡塑料，作为隔热层，提高了隔热效果。

模块化复合式热交换装置中的所有零部件，都可在工厂大批量生产和组装，工业化生产，使成本降低，产品的质量有了保证，工作效率也有很大提高。

附图说明

图1为本实用新型模块化复合式热交换装置的整体结构示意图；

图2为本实用新型模块化复合式热交换装置中外交换管一和内隔热管一的配合形式一的放大图；

图3为本实用新型模块化复合式热交换装置中外交换管一和内隔热管一的配合形式二放大图；

图4为本实用新型模块化复合式热交换装置A部放大图。

具体实施方式

以下结合图1至图4所示的实施例对本实用新型作进一步的说明：

如图1至图4所示：

一种模块化复合式热交换装置，包括由下向上设置的回流头模块1、复合热交换管模块2、复合保温管模块3和外连接头模块4；回流头模块1与复合热交换管模块2之间通过连接件一5连接，复合热交换管模块2与复合保温管模块3之间通过连接件二6连接，复合保温管模块3与外连接头模块4之间通过连接件三7连接，所述连接件一5、连接件二6和连接件三7为相同部件，可互换。所述回流头模块1包括一下部为半球形、上部开口的中空回流管11，所述回流管11长度大于1米；所述复合热交换管模块2由内到外设有内隔热管一21和外交换管一22，所述复合热交换管模块2中的内隔热管一21和外交换管一22做成定尺寸长度，复合热交换管模块2可以由多个定尺寸长度的内隔热管一21和外交换管一22通过连接件连接而成，就可得到不同长度，及不同的热交换功率与温度；所述复合保温管模块3由内到外设有内隔热管二31、外交换管二32和外隔热层一33；所述外连接头模块4包括接头本体41、内隔热管三42和外隔热层二43；所述内隔热管三42设于接头本体41内，所述外隔热层二43包裹于接头本体41外，外隔热层二43为发泡塑料，增加隔热作用；所述内隔热管一21、内隔热管二31、内隔热管三42均为双层壁的中空塑料管。所述连接件一5、连接件二6、连接件三7均包括与之对应的公接头51、61、71和母接头52、62、72，以上所述各公接头51、61、71和母接头52、62、72均采用高强度的复合塑料制作，所述各配对的公接头51、61、71与母接头52、62、72为中空的管状，所述各公接头51、61、71套设于与之配对的母接头52、62、72内部，所述各公接头51、61、71和各母接头52、62、72上均设有多个通孔，所述各母接头52、62、72通孔的下部正对与之配对的各公接头51、61、71通孔的上部，所述各公接头51、61、71通孔和与之配对的各母接头52、62、72通孔的中心线不在同一直线上，所述各母接头52、62、72上部与各公接头51、61、71下部均设有多个梅花凸台，所述各公接头51、61、71与各母接头52、62、72外部为六角形。所述各配对的公接头与母接头的连接面为锥形面，各对公接头与母接头之间采用螺纹连接，并在公接头和与之配对的母接头配合的锥形面上均采用两道以上的O型圈密封63A和63B。所述连接件一5下部与回流管11上部之间、连接件一5上部与外交换管一22的下部之间、连接件二6下部与外交换管一22的上部之间、连接件二6上部与外交换管二32的下部之间、连接件三7下部与外交换管二32的上部之间、连接件三7上部与接头本体41的下部之间均设有两道以上的O型圈密封64、密封胶密封和机械压紧密封65三道密封装置，通过三重密封提高连接的强度与密封性。所述各公接头51、61、71、各母接头52、62、72和与之相连的各内隔热管21、31、42之间用梅花凸台和密封胶合剂连接。所述接头本体41为中空管状结构，管内下部设有多个梅花凸台，内隔热管三42与接头本体41之间通过梅花凸台和密封胶合剂连接，所述接头本体41顶部设有一出液接口44，接头本体41上部沿圆周方向也设有多个出液接口45，接头本体41下端沿圆周方向设有多个进液接口46。所述外交换管一22的内面积比内隔热管一21的内面积大两倍以上。所述模块化复合式热交换装置可采用不同的载热介质。

如图2所示，内隔热管一21与外交换管一22的配合方法可以为外交换管一22加工成内加强条幅与内隔热管一21光滑的外圆配合。

如图3所示，内隔热管一21与外交换管一22的配合方法可以为内隔热管一21加工成外加强条幅与外交换管一22光滑的内圆配合。

在使用现场，根据需要的热交换温度，选择合理的深度和相配合复合管式热交换装置的长度。打好相应深度和大于复合式热交换外管管径的地下孔，并将模块化复合式热交换装置的部件，按设计要求旋合在一起，放入打好地下孔，用黄沙填实地下孔。然后将进、出液管，连接到进出水接头上。通过水泵使导热液在本复合管式热交换装置中循环流动，就可对导热液实现热交换工作了。当然如要自动控制，还可将传感器，接到进出水接头上的进、出液管口上。

因复合管式热交换装置本身就是类U型管，利用U型管原理，只要使用低功率的循环水泵，克服水在管线中的流动阻力，就可使热交换液的产生循环，实现节能的效果。

本实用新型一种模块化复合式热交换装置的具体应用有：

应用1：利用本热交换装置，外接自来水管（所有外接管路要双层保温），利用虹吸原理，不用任何动力。就可实现夏、冬天都可用到18度的温水。还可用于冬天水和其它液体的预加温，减少加热能量。如用不锈钢导热管，可对化学液预加温，当然也可以冷却，如电镀液的恒温。

应用2：利用本热交换装置，外接增压泵（利用虹吸原理，不需要很大的功率）,通过管道与导热液导热，对地面或空间传热。可用在融雪、草皮的冬天土壤加温和夏天降温、水产养殖和饲养牲畜的保温与降温、沼气池的加温，以及电机、电气箱的降温和模具或机构的冷却，其中在模具的冷却应用，可使生产的零件，质量更稳定，而且占地少，用电也省。

应用3：利用本热交换装置，外接增压泵，通过保温管道与导热液导热，与高效散热器连接，可做冷热空调使用。它比现使用的空调，用电可少1/3还多，而且对大自然无热排放。

应用4：利用本热交换装置，外接增压泵，通过保温管道与导热液导热，与高效水幕式散热器连接，可做带加湿的冷空调使用。它比现使用的空调，用电可少1/3还多，而且对大自然无热排放。

应用5：利用本热交换装置，外接增压泵，通过保温管道与导热液导热，地源热泵的作用，能送上摄氏60度的热水和摄氏8度的冷水。与高效散热器连接，可做冷热空调使用。比在冬天0度制热到60度和夏天30度制冷到8度，要少用很多能量。它比现使用的空调，用电可少1/2还多，而且对大自然无热排放。

应用6：如有工程废井，可把本模块化复合式热交换装置放入，通过应用1-5，省去打井的费用。只要想利用地热的地方，都有可能用到本模块化复合式热交换装置。

应用7：除了想利用地热的地方外，本模块化复合式热交换装置还可用于其他有热交换的场所。

本实用新型利用的工作原理是：地下结构一般以岩石与泥沙为主，它们的热传导系数在1.7~5.53 W/m·K之间，以水作载热液时，水的热传导系数在0.5~0.7 W/m·K之间。而中间的热交换管的热传导系数在230~160 W/m·K之间，超过前述两类物质热传导系数的百倍以上，可不考虑热交换管的影响因素。因岩石与泥沙的热传导系数大于水的热传导系数数倍，所以外部的供热大于内部的吸热，所以不可能因长期吸热，而使热交换管周围温度明显提高的可能，热交换装置长期工作成立。

Claims (10)

1.一种模块化复合式热交换装置，其特征在于：其由下向上设有回流头模块、复合热交换管模块、复合保温管模块和外连接头模块；回流头模块与复合热交换管模块之间通过连接件一连接，复合热交换管模块与复合保温管模块之间通过连接件二连接，复合保温管模块与外连接头模块之间通过连接件三连接，所述连接件一、连接件二和连接件三为可互换的同尺寸部件。

2.根据权利要求1所述的一种模块化复合式热交换装置，其特征在于：所述回流头模块包括一下部为半球形、上部开口的中空回流管，所述回流管长度大于等于其4倍外径尺寸；所述复合热交换管模块由内到外设有内隔热管一和外交换管一；所述复合保温管模块由内到外设有内隔热管二、外交换管二和外隔热层一；所述外连接头模块包括接头本体、内隔热管三和外隔热层二，所述内隔热管三设于接头本体内，所述外隔热层二包裹于接头本体外；所述内隔热管一、内隔热管二、内隔热管三均为同尺寸的双层壁的中空塑料管。

3.根据权利要求1所述的一种模块化复合式热交换装置，其特征在于：

所述连接件一、连接件二、连接件三均包括与之对应的公接头和母接头，以上所述各公接头、母接头均采用高强度的复合塑料制作，所述各配对的公接头与母接头为中空的管状，所述各公接头套设于与之配对的母接头内部，所述各公接头、各母接头上均设有多个通孔，所述各母接头通孔的下部正对与之配对的各公接头通孔的上部，所述各公接头通孔和与之配对的各母接头通孔的中心线不在同一直线上，所述各母接头上部与各公接头下部设有多个梅花凸台，所述各公接头与各母接头外部为六角形。

4.根据权利要求2所述的一种模块化复合式热交换装置，其特征在于：

所述复合热交换管模块中的内隔热管一和外交换管一做成定尺寸长度，复合热交换管模块可以由多个定尺寸长度的内隔热管一和外交换管一通过连接件连接而成。

5.根据权利要求3所述的一种模块化复合式热交换装置，其特征在于：

所述各配对的公接头与母接头连接面为锥形面，各对公接头与母接头之间采用螺纹连接，并在公接头和与之配对的母接头配合的锥形面上采用两道以上的O型圈密封。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的一种模块化复合式热交换装置，其特征在于：所述连接件一下部与回流管上部之间、连接件一上部与外交换管一的下部之间、连接件二下部与外交换管一的上部之间、连接件二上部与外交换管二的下部之间、连接件三下部与外交换管二的上部之间、连接件三上部与接头本体的下部之间均设有两道以上的O型圈密封、密封胶密封和机械压紧密封三道密封装置。

7.根据权利要求2或权利要求3所述的一种模块化复合式热交换装置，其特征在于：各公接头、各母接头和与之相连的各内隔热管之间用梅花凸台和密封胶合剂连接。

8.根据权利要求2所述的一种模块化复合式热交换装置，其特征在于：所述接头本体为中空管状结构，管内下部设有多个梅花凸台，内隔热管三与接头本体之间通过梅花凸台和密封胶合剂连接，所述接头本体顶部设有一出液接口，接头本体上部沿圆周方向也设有多个出液接口，接头本体下端沿圆周方向设有多个进液接口。

9.根据权利要求2所述的一种模块化复合式热交换装置，其特征在于：

所述外交换管一的内面积比内隔热管一的内面积大两倍以上。

10.根据权利要求1所述的一种模块化复合式热交换装置，其特征在于：

所述模块化复合式热交换装置可采用不同的载热介质。