CN205980868U - 换热器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种换热器，包括设置在通过钻机在地面垂直向下钻出的钻孔内的外管和套装在所述外管内的内管，低温循环介质经所述外管入口进入所述外管与所述内管之间的空间被注入从所述外管吸收热量后，变成高温循环介质经由内管流出，由此形成换热循环，其中所述内管的外壁具有使得所述内管和外管之间的流体产生紊流的紊流元件。

Description

换热器

技术领域

本公开涉及一种换热器，尤其是一种用于中深层地热采集换热器中的能够增强换热效率的换热器。

背景技术

在节能减排日益成为环境改善的主题今天，地热能作为一种成为了人们越来越认可的清洁能源。获取这些地热能的方式有两种，一种是直接抽取含地热能的地下热水，另一种是间接获取地下热水中地热能，即利通过换热器将中深层地下的地下水中的地热置换出来利用地热。很显然，直接抽取中深层地下热水不具有可持续性，因为这会由于地下水的大量开采导致一定程度地陷以及土地沙化，由此带来了难以恢复生态灾难。而间接利用地下热水中的地热，是通过向地下钻深井，随后在深井中插入含有内外换热管的套管。中深层地下的地热(地下热水或其它形式的熔岩中的热量)将会将外管加热。通过水泵将良好导热的低温循环介质(例如，低温水)注入外管和内管之间的夹层通道，注入的低温循环介质在向下流入的过程中，获取外管壁上传递来的热量，从而加温成中高温循环介质。高温循环介质在泵的作用下被抽取到地面，从而使得高温循环介质所携带的热量为人们所用于各种用途，例如，被广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门，用于保证工艺过程对介质所要求的特定温度、地板加热、空调取暖或制冷、发电、地面融雪等。这种间接地热利用方式不会抽取地下水，因此不会影响人们的生活环境，因此是一种可持续的地热采集方式。

然而，间接利用地热能这种方式存在的问题是，外管的内壁表面积有限，其能够从周围高温岩层和热水获取并存储在其管壁内的热量有限，而且循环介质在重力和泵送压力的作用下向下流动的速度极快，因此，循环介质流过外管进入内管的时间极短，循环介质在极短时间内很难被充分加热并获取更多的热量。因此，这种通常间接利用地热能的方式换热效率很低。

发明内容

因此，为了解决上述间接利用地热能的换热效率地下的问题，本公开提供了一种换热器，包括设置在通过钻机在地面垂直向下钻出的钻孔内的外管和套装在所述外管内的内管，低温循环介质经所述外管入口进入所述外管与所述内管之间的空间被注入从所述外管吸收热量后，变成高温循环介质经由内管流出，由此形成换热循环，其中所述内管的外壁具有使得所述内管和外管之间的流体产生紊流的紊流元件。

根据本公开的换热器，所述紊流元件为凸向所述外管内壁的突出部。所述突出部可以为翅片。尤其需要指出的是，所述翅片的顶端与所述外管的内壁之间有间隙。

根据本公开的换热器，所述翅片围绕所述内管的外壁呈螺旋条带状分布。所述螺旋条带状的翅片为整体螺旋翅片。

根据本公开的换热器，所述螺旋条带状的翅片为间断的螺旋翅片，相邻的螺旋翅片之间的围绕所述内管外壁柱面螺旋的间距不超过每个螺旋翅片的长度。

根据本公开的换热器，所述螺旋条带状的翅片的螺旋角在45°-60°之间。

根据本公开的换热器，所述翅片的高度5～15毫米，其与所述内管外壁连接的根部宽为2-5毫米，其顶端的厚为0.5-3毫米。

根据本公开的换热器，所述内管为一体注塑成型的PE或PPR管，每节长度在6-12米之间。

根据本公开的另一方面，提供了一种换热器，包括设置在通过钻机在地面垂直向下钻出的钻孔内的外管和套装在所述外管内的内管，低温循环介质经所述外管入口进入所述外管与所述内管之间的空间被注入从所述外管吸收热量后，变成高温循环介质经由内管流出，由此形成换热循环，其中所述外管的内壁具有使得所述内管和外管之间的流体产生紊流的紊流元件。

根据本公开的换热器，所述紊流元件为凸向所述内管外壁的突出部。所述突出部为翅片。所述翅片的顶端与所述内管的外壁之间有间隙。

根据本公开的换热器，所述翅片围绕所述外管的内壁呈螺旋条带状分布。所述螺旋条带状的翅片为整体螺旋翅片。

根据本公开的换热器，所述螺旋条带状的翅片为间断的螺旋翅片，相邻的螺旋翅片之间的围绕所述外管内壁柱面螺旋的间距不超过每个螺旋翅片的长度。

根据本公开的换热器，所述螺旋条带状的翅片的螺旋角在45°-60°之间。

根据本公开的的换热器，其中所述翅片的高度5～15毫米，其与所述内管外壁连接的根部宽为2-5毫米，其顶端的厚为0.5-3毫米。

根据本公开的换热器，其中所述外管为一体铸造成型的金属管，每节长度在6-12米之间。

由于诸如翅片状的紊流元件处于内管和外管之间的夹层中，因此提高了间接利用地热的换热效率。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1所示的是根据本公开的实施例的换热器的内管的结构示意图；

图2所示的是根据本公开的实施例的换热器的结构示意图；

图3所示的是根据本公开的另一个实施例的换热器的外管的结构示意图；

图4所示的是根据本公开的另一个实施例的换热器的结构示意图；以及

图5所示的是根据本公开的实施里的换热器内管或外管上的翅片的剖视图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述” 和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一翅片也可以被称为第二翅片，类似地，第二翅片也可以被称为第一翅片。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

为了使本领域技术人员更好地理解本公开，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细说明。

图1所示的是根据本公开的实施例的换热器的内管的结构示意图。如图1所示，换热器的内管1的外壁上具有紊流元件2。该紊流元件2为凸向所述外管内壁的突出部。在图1所示的结构中，紊流元件2呈围绕内管外壁螺旋状盘绕在所述内管的外壁上的翅片。紊流元件2的存在会增加内管1的强度。所述螺旋条带状的翅片2的螺旋角α在45°-60°之间，例如为50°、55°等。所述内管为一体注塑成型的PE或PPR管，每节长度在6-12米之间，长度可以根据具体施工地理环境和施工工艺进行调节。该螺旋翅片状的紊流元件2可以在内管注塑成形时一体注塑，也可以与内管分开独立注塑成型，之后通过粘结方式将螺旋翅片粘结到内管外部。

图2所示的是根据本公开的实施例的换热器内管套装在外管中的结构示意图。如图2所示，当由于带有螺旋翅片状的紊流元件2的内管被套装在换热器外管3内，所述紊流元件2位于处于内管1和外管3之间的夹层空间内。

当换热器工作时，换热器内一次充注好所需换热用内部循环介质水，换热器外管的金属管壁与地下中深层地热层进行热交换，使换热器外管内低温循环介质变成高温循环介质，换热器内管外螺旋形翅片充分使介质处于湍流强化传热后又变为高温循环介质换热器自内管流出，放热后低温介质再进入换热器外管与内管夹层经换热器外管金属管壁与地下中深层地热层进行热交换，循环使用。

当循环介质，例如凉水，流经该夹层时，会受到该紊流元件的阻碍。这 种阻碍一方面会减缓循环介质的流动速度，另一方面会在循环介质中产生紊流动或湍流。循环介质的流动速度的降低会增加循环介质与外管壁接触的时间，因此，增加了循环介质从外管壁获取的热量。而紊流或湍流就如循环介质被搅拌一样，这种搅拌的过程会加速流体从外管壁获取热量，同样也会增加循环介质从外管壁获取的热量。因此有效地提高了间接利用地热的换热效率。尽管采用紊流元件2的目的是使得内管1和外管3之间的夹层空间内流动的循环介质中产生紊流，但是为尽可能减少流体阻力，因此紊流元件2设置成螺旋形翅片，以便在换热效率和流动速度之间获得一种平衡。

所述翅片状的紊流元件2的顶端与所述外管的内壁之间有间隙。该间隙的大小可以根据具体情况进行调节。此外，所述螺旋条带状的翅片为整体螺旋翅片，即，所述螺旋条带状的翅片围绕所述内管的外壁连续地呈螺旋延伸。可选择地，也可以是间断的。所述螺旋条带状的翅片为间断的螺旋翅片，即，所述螺旋条带状的翅片围绕所述内管的外壁不连续地呈螺旋延伸，相邻的螺旋翅片之间的围绕所述内管外壁柱面螺旋的间距不超过每个螺旋翅片的长度。

所述换热器的外管采用特制无缝钢管φ178mm、φ219mm，壁厚8-15mm，换热器内管采用PE、PPR、PER等高强度，热阻大的管材φ110mm、φ150mm，壁厚5-8mm。

所述换热器设置为长度2000m以上的换热器，所述钻孔为钻机在地面垂直向下钻出直径200-300mm的钻孔，钻孔深达2000m以下。

图3所示的是根据本公开的实施例的换热器外管的结构示意图。如图3所示，换热器的外管4的内壁上具有紊流元件5。该紊流元件5为凸向所述内管外壁的突出部。在图4所示的结构中，紊流元件5呈围绕外管内壁螺旋状盘绕在所述外管的内壁上的翅片。所述螺旋条带状的翅片5的螺旋角α在45°-60°之间，例如为50°、55°等。所述内管为一体铸造成型的金属管，具有良好的热传导性能，每节长度在6-12米之间，长度可以根据具体施工地理环境和施工工艺进行调节。该螺旋翅片状的紊流元件5可以在外管铸造成形时一体铸造，也可以与内管分开独立铸造或拉延成型，之后通过焊接或其他方式将螺旋翅片粘结到外管内壁。

图4所示的是根据本公开的实施例的换热器套装有内管的外管的结构示 意图。如图4所示，当由于带有螺旋翅片状的紊流元件5的外管4被套装在换热器内管6内，所述紊流元件5位于处于内管4和外管6之间的夹层空间内。由于紊流元件5的存在，外管4的体积得以增加，因此能够在同一时间内从岩层或周围的地热水中获取并存储更多的热量。同时，紊流元件5的存在也会增加外管4的强度。而且，当循环介质，例如凉水，流经该夹层时，会受到该紊流元件5的阻碍。这种阻碍一方面会减缓循环介质的流动速度，另一方面会在循环介质中产生紊流动或湍流。循环介质的流动速度的降低会增加循环介质与外管壁以及紊流元件5接触的时间，因此，增加了循环介质从外管壁和紊流元件5获取的热量。而紊流或湍流就如循环介质被搅拌一样，这种搅拌的过程会加速流体从外管壁获取热量，同样也会增加循环介质从外管壁获取的热量。因此有效地提高了间接利用地热的换热效率。

所述翅片状的紊流元件5的顶端与所述内管的外壁之间有间隙。该间隙的大小可以根据具体情况进行调节。此外，所述螺旋条带状的翅片5为整体螺旋翅片，即，所述螺旋条带状的翅片围绕所述内管的外壁连续地呈螺旋延伸。可选择地，也可以是间断的。所述螺旋条带状的翅片5为间断的螺旋翅片，即，所述螺旋条带状的翅片5围绕所述内管的外壁不连续地呈螺旋延伸，相邻的螺旋翅片之间的围绕所述内管外壁柱面螺旋的间距不超过每个螺旋翅片的长度。

图5所示的是根据本公开的实施里的换热器内管或外管上的翅片的剖视图。如图5所示，翅片4或5的从其与所述管壁连接的根部到其顶端的高度H为5～15毫米，其与所述管壁连接的根部厚度T_B为2-5毫米，其顶端的厚度T_T为为0.5-3毫米。

尽管，图1和2中所示的所述紊流元件2为翅片状，但是其也可以是其他形状，例如断面呈X状，以阵列形式分布在内管的外管壁上。

综上所述，本公开提供了一种具有提高换热、增加强度、易于制程安装等性能良好的用于中深层地热换热器外螺旋翅片高效换热管材。根据本公开的换热器管在安装后换热管可达到2000-3000m,完全满足用于中深层地热开采。由于内管和外管之间具有强化管外流体扰动的紊流元件，因此能增强传热，提高换热效率。

根据本公开的中深层地热套管闭式换热器能广泛地适用于各个地区地下 中深层地热利用。由于每个建筑物下都有地热能，因此利用地热能在地面上具有普遍性，钻孔位置的选定比较灵活，一般不受场地条件制约。尤其是该换热器绿色环保，没有任何碳排放。采用本公开的换热器的地热采集系统系统与地下水隔离，仅通过换热器管壁与中深层高温岩层换热，不抽取地下热水，也不使用地下水。根据本公开的中深层地热套管闭式换热器每个(2000m深以上)可以解决1.5万m2左右建筑的能量需求。

根据本公开的中深层地热套管闭式换热器结构简单，结构紧凑，制作方便。该管闭式换热器孔径小(200～300mm)，深度在2000m以下，闭式换热对建筑地基无任何影响，地下无运动部件，大大增强了整体结构可靠性。外管采用特种钢材制造，耐腐蚀、耐高温、耐高压，因此寿命长。

以上对本公开的具体实施方式的描述，仅仅为了帮助理解本公开的发明构思，这并不意味着本公开所有应用只能局限在这些特定的具体实施方式。本领域技术人员应当理解，以上所述的具体实施方式，只是多种优选实施方式中的一些示例。任何体现本公开权利要求的具体实施方式，均应在本公开权利要求所要求保护的范围之内。本领域技术人员能够对上文各具体实施方式中所记载的技术方案进行修改或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本公开的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换或者改进等，均应包含在本公开权利要求的保护范围之内。

以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。

Claims (20)

1.一种换热器，包括设置在通过钻机在地面垂直向下钻出的钻孔内的外管和套装在所述外管内的内管，低温循环介质经所述外管入口进入所述外管与所述内管之间的空间被注入从所述外管吸收热量后，变成高温循环介质经由内管流出，由此形成换热循环，其中所述内管的外壁具有使得所述内管和外管之间的流体产生紊流的紊流元件。

2.如权利要求1所述的换热器，其中所述紊流元件为凸向所述外管内壁的突出部。

3.如权利要求2所述的换热器，其中所述突出部为翅片。

4.如权利要求3所述的换热器，其中所述翅片的顶端与所述外管的内壁之间有间隙。

5.如权利要求3所述的换热器，其中所述翅片围绕所述内管的外壁呈螺旋条带状分布。

6.如权利要求5所述的换热器，其中所述螺旋条带状的翅片为整体螺旋翅片。

7.如权利要求5所述的换热器，其中所述螺旋条带状的翅片为间断的螺旋翅片，相邻的螺旋翅片之间的围绕所述内管外壁柱面螺旋的间距不超过每个螺旋翅片的长度。

8.如权利要求5所述的换热器，其中所述螺旋条带状的翅片的螺旋角在45°-60°之间。

9.如权利要求3所述的换热器，其中所述翅片的高度5～15毫米，其与所述内管外壁连接的根部宽为2-5毫米，其顶端的厚为0.5-3毫米。

10.如权利要求1所述的换热器，其中所述内管为一体注塑成型的PE或PPR管，每节长度在6-12米之间。

11.一种换热器，包括设置在通过钻机在地面垂直向下钻出的钻孔内的外管和套装在所述外管内的内管，低温循环介质经所述外管入口进入所述外管与所述内管之间的空间被注入从所述外管吸收热量后，变成高温循环介质经由内管流出，由此形成换热循环，其中所述外管的内壁具有使得所述内管和外管之间的流体产生紊流的紊流元件。

12.如权利要求11所述的换热器，其中所述紊流元件为凸向所述内管外 壁的突出部。

13.如权利要求12所述的换热器，其中所述突出部为翅片。

14.如权利要求13所述的换热器，其中所述翅片的顶端与所述内管的外壁之间有间隙。

15.如权利要求13所述的换热器，其中所述翅片围绕所述外管的内壁呈螺旋条带状分布。

16.如权利要求15所述的换热器，其中所述螺旋条带状的翅片为整体螺旋翅片。

17.如权利要求15所述的换热器，其中所述螺旋条带状的翅片为间断的螺旋翅片，相邻的螺旋翅片之间的围绕所述外管内壁柱面螺旋的间距不超过每个螺旋翅片的长度。

18.如权利要求15所述的换热器，其中所述螺旋条带状的翅片的螺旋角在45°-60°之间。

19.如权利要求13所述的换热器，其中所述翅片的高度5～15毫米，其与所述内管外壁连接的根部宽为2-5毫米，其顶端的厚为0.5-3毫米。

20.如权利要求11所述的换热器，其中所述外管为一体铸造成型的金属管，每节长度在6-12米之间。