CN2510817Y - 地下套管式换热器 - Google Patents

Abstract

地下套管式换热器属地热源热泵空调地下换热器。它通过强化地下套管式换热器的热交换效果,提高了地下套管式换热器的换热效率和热泵空调机组的能效比,降低热泵空调能耗,提高了建筑节能效果。解决的技术问题是建筑物热泵空调节能。该换热器能有效降低地下套管式换热器的工程应用成本10—12%,使地热源热泵空调技术应用得到有力的推动。它的主要技术特征是在地下套管式换热器内设置导流支架,并对集流管绝热保温。适用于水冷式热泵中央空调系统,水冷式户式热泵空调系统或水冷式家用热泵空调系统的地下换热器及现有设备改进。

Description

地下套管式换热器

技术领域：

本实用新型属地热源热泵空调地下换热器。

背景技术：

地热源热泵空调技术是一门利用土壤的蓄热特性，降低空气调节能耗的建筑节能实用综合技术，是上世纪70年代的石油危机使发达国家加强建筑节能的研究方向之一。从那时到现在一直受到欧美各国的重视，先后开展了多种形式的地下换热器试验和大量工程研究。80年代后期，该技术才在商业、民用建筑的空调工程得到应用。近年来，我国城镇建筑空调工程不断兴建，建筑能耗迅速增加，建筑节能的重点就落在了降低建筑采暖空调能耗上。地热源热泵空调技术的研究和应用是实现建筑节能的重要手段之一，已在国内各高校和科研机构引起重视，并已开展了一些研究和工程试验。目前国内外常用的地热源热泵空调地下换热器形式有：直接换热式，地下水循环式和大地耦合式等。其中大地耦合式是将介质送入埋于地下的换热器内换热后，送入空调机组使用，然后再次送入地下换热的地热利用方式，它由于技术要求较低，易于安装，不会破坏地下资源而广为应用，但这种地下换热器的换热效率较低，体积较大，因此，如何强化其换热效果是这种地下换热器的发展方向。

目前大地耦合式地下换热器按结构形式分为：水平埋管式、套管式、U型管式等，其中，国内外工程广为使用的地下套管式换热器，效果较好，埋设较简便，平均每米埋深换热能力为46～115w。其结构为：在换热管内套装一根集流管，换热管两端密封。在其中一个端面上，开有进、出口，进口与换热管相通，出口与集流管相通；在另一个端面处，换热管与集热管相通。介质由进口进入换热管内，与大地土壤进行热交换后，在换热管的另一端面处，进入集流管，再经出口流出，送往热泵空调机组使用。由于换热管内介质流经的截面大于集流管内截面。介质换热流速低，不利于与土壤的热交换。并且存在着集流管内介质与换热管内介质的热短路问题，使换热后降温的介质流经集流管时温度回升，降低了换热效果。目前，建筑每平方米空调面积约需这种地下套管式换热器1.5～2.0m埋深。其埋管数量较大，造价较昂贵，难于广泛推广应用。

发明内容：

本实用新型的目的：通过提高介质流速强化地下套管式换热器与大地土壤的换热效果，减少换热管中介质与集流管中介质的热短路，从而提高换热管的整体换热性能，减少工程应用成本，使地热源热泵空调得到推广应用，达到建筑节能目的，而提供的一种地下套管式换热器。

本实用新型是在现有的地下套管式换热器的基础上采取了在换热管内设置导流支架和对集流管保温绝热两个技术措施，达到强化换热的目的。在集流管上安装有保温层，保温层的厚度由进入与流出集流管的介质温度差≤0.1℃确定，在保温层与换热管之间装有与换热管滑动配合的导流支架，介质在导流支架上的导流片间流动，导流片根部到换热管内表面距离为3-50mm。

本实用新型的工作原理：换热器竖埋于地下，把介质进口端与热泵空调机组的冷凝器冷却介质出口相接，集流管的出口端与水泵入口相接，水泵出口与冷凝器冷却介质进口相接。夏季，热泵空调机组进行制冷运行时，在水泵推动作用下，热泵空调机组的冷凝器排出的高温热介质从介质的进口进入换热管与导流支架之间的换热流道，在导流片作用下，热介质以较高的流速横向掠过换热管内壁，并绕换热管内壁园周向下作蛇形运动，或绕换热管内壁园周向下作螺旋运动，强化了热介质与土壤的换热效果。换热后，温度较低的冷介质在集流管的入口端外汇集进入集流管，由于保温层的绝热作用，使导流支架外的热介质与集流管内冷介质之间的传热降低到很小程度，减少了热短路损失。使换热管内热介质与土壤的温差得以保持，进一步强化了热介质与土壤之间的换热效果。冷介质经集流管、集流管的出口回流到热泵空调机组的冷凝器使用，如此周而复始，将夏季热量送入地下蓄存起来。冬季，热泵空调机组进行供热运行时，则通过上述方式，从地下取出夏季蓄存的热量供冬季使用。当沉积有较多的沉渣时，可以通过介质反冲清渣，这时介质从介质的出口进入集流管，从集流管的入口端射出，形成清渣反冲，再以较高流速经换热管与导流支架之间的流道，从介质的进口排出。

该地下套管式换热器具有优点及效果如下：

1.采用导流支架和集流管保温，使热介质横向掠过换热管，并向下作蛇形运动或螺旋形运动，增加了流道长度和介质流速，同时减少了集流管内介质与导流支架外介质间的热短路，保持了换热的温差，强化了该换热器的换热效果。与目前采用的地下套管式换热器相比，提高换热性能18％左右，节省工程投资10-12％左右。

2.由于流道增长，流速增加，改变了目前普遍采用的地下套管式换热器流阻偏低，阻力匹配不平衡，只宜串联使用的缺点。该地下套管换热器由于阻力适当，可并联使用，在以等距错排点阵方式埋设多根换热器时，可使并联的每根地下套管式换热器进口介质温度相同和稳定，有效地发挥每根地下套管式换热器的换热效果，可以用于较大规模的地下换热。

3.由于本地下套管式换热器采用大地耦合式换热方式，既不破坏地下资源，又能有效利用地下蓄热功能，还能避免大量使用空调而产生的“热岛现象”，具有可持续发展性，对建筑节能效果明显。

附图说明：

图1目前常用的地下套管式换热器结构图，

图2第一种形式的地下套管式换热器结构图，

图3第二种形式的地下套管式换热器结构图，

图4为图2中A-A剖面图，

图5为图2中B-B剖面图，

图6为图3中C-C剖面图，

图7第三种形式的地下套管式换热器结构图，

图8第四种形式的地下套管式换热器结构图，

图9为图7中D-D剖面图，

图10为图7中E-E剖面图，

图11为图8中F-F剖面图，

图12下端盖的正视图，

图13下端盖的左视图，

图14环形导流片缺口为曲边矩形的地下套管式换热器断面图。

上述各图中：1-上端盖；2-换热管；3-导流支架；4-保温层；5-集流管；6-管端套；7-下端盖；8-带缺口的环形导流片整体管；9-带螺旋形导流片整体管；10-介质进口；11-介质出口；12-环形导流片上的扇形缺口；13-环形导流片上的曲边矩形缺口；14-螺旋形导流片。

具体实施方式：

本实用新型包括换热器2，导流支架3，保温层4，集流管5，管端套6，上端盖1，下端盖7。上端盖1上设有介质进、出口，进口与换热管2相通，出口与集流管5相通；导流支架3有两种形式：第一种导流支架包括与保温层配合的直通圆管，圆管外表面上均匀分布着带缺口的环形导流片，导流片间距为20～400mm，导流片根部到换热管内表面距离为3～50mm，每一环形导流片上缺口的形状为扇形或曲边矩形，缺口面积等于介质换热流道截面积的1.0～0.7倍，相邻的导流片缺口相位相差180°，介质换热流道内介质流速是集流管内流速3倍以上，与介质入口最近的导流片缺口位于介质入口对面斜下方；第二种导流支架包括与保温层配合的直通圆管，圆管外表面上的导流片为螺旋形导流片，螺旋为单头或2头及2头以上的多头，螺距在10～200mm范围。导流片根部到换热管内表面距离在3～50mm，螺旋流道内介质流速是集流管内流速的3倍以上，介质进口在螺旋上端头，顺螺旋方向设置。第一种导流支架和第二种导流支架的导流片断面形状均为梯形，梯形下底边在导流支架的直通园筒形外表面上，下底宽2～3mm，上底与换热管内表面滑动配合，上底宽0.5～0.8mm；导流支架3与集流管5之间有保温层4，材料为闭孔橡胶软泡沫，保温层的厚度由进入与流出集流管的介质温度差≤0.1℃确定；在位于集流管的介质进口处，从集流管的内表面到导流支架的圆管外表面之间的端面上有密封的管端套6，用以封闭保温层的端面；换热管的下端装有底部带支撑筋的半球面下端盖，封闭换热管下端，换热管2与集流管5在此处相通；导流支架3，集流管5和管端套6形成封闭硬质外壳保护着保温层4；集流管5的介质出口端与上端盖1的介质出口相连接，这样就形成一个完整的换热流程。

由于塑料成形技术的发展，本实用新型中的导流支架3，保温层4和集流管5可以做成一整体，便于本实用新型的大批量生产。即导流支架、集流管分别为直通圆管形外、内硬皮层，在外、内硬皮层之间为闭孔泡沫保温层，外、内硬皮层及保温层构成一不可分离的整体。外硬皮层上均匀分布有带缺口的环形导流片和或其上有单头或其上有多头螺旋形导流片，导流片的形状与尺寸同前述。这样本实用新型就有四种形式：第一种形式是包括带缺口的环形导流片的导流支架、保温层、集流管、换热管、上下端盖、管端套组成的地下套管式换热器。第二种形式是包括螺旋形导流片的导流支架、保温层、集流管、换热管、上下端盖、管端套组成的地下套管式换热器；第三种形式包括换热管、上下端盖、管端套、直通圆管形的外、内硬皮层与外硬皮层上带的环形导流片和外、内硬皮层之间的保温层构成一整体而组成的地下套管式换热器；第四种形式是与第三种形式所不同的是外硬皮层上的导流片为单头或多头螺旋形导流片。这四种形式地下套管式换热器中的保温层，根据其流量和管长不同，其厚度为5-50mm。

具有内、外硬皮层，中间为闭孔泡沫保温层构成的整体管从内硬皮层到外硬皮层之间的介质进入内硬皮层的端面上仍装有密封的管端套6。

下端盖7为底部带支撑筋的半球面，装在换热管的下端，以便于介质中的杂质沉淀和反冲清洗。

Claims (8)

1.一种地下套管式换热器，包括两端封闭的换热管，与换热管相通的介质入口，位于换热管内的集流管，与集流管出口连通的介质出口，集流管的介质入口端与换热器相通；其特征在于集流管上装有保温层，保温层的厚度由进入与流出集流管的介质温度差≤0.1℃确定，在保温层与换热管之间装有与换热管滑动配合的导流支架，介质在导流支架上的导流片间流动，导流片根部到换热管内表面距离为3～50mm。

2.根据权利要求1所述的地下套管换热器管，其特征在于保温层的厚度为5-50mm。

3.根据权利要求1所述的地下套管式换热器，其特征是导流支架包括与保温层配合的直通圆管形，圆管外表面上均匀分布带缺口的环形导流片，导流片间的间距为20-400mm，相邻的导流片的缺口相位相差180°，缺口面积等于导流支架与换热管形成的介质换热流道截面积的1.0～7.0倍，每一个环形导流片上的缺口为扇形缺口或曲边矩形缺口，与介质入口最近的导流片缺口位于介质入口对面的斜下方。

4.根据权利要求1所述的地下套管式换热器，其特征是导流支架上包括与保温层配合的直通圆管和其上的单头螺旋形导流片，介质入口在螺旋上端头，顺螺旋方向设置。

5.根据权利要求1所述的地下套管式换热器，其特征是导流支架上包括直通圆管和其上的多头螺旋形导流片，介质入口在螺旋上端头，顺螺旋方向设置。

6.根据权利要求1所述的地下套管式换热器，其特征在于导流支架，集流管分别为直通圆管形外内硬皮层，在外、内硬皮层之间为闭孔泡沫保温层，三者构成一不可分离的整体，外硬皮层上均匀分布有带缺口的环形导流片或其上有单头螺旋形导流片或其上有多头螺旋形导流片。

7.根据权利要求1所述的地下套管式换热管，其特征是换热管下端装有底部带支撑筋的半球面下端盖。

8.根据权利要求1所述的地下套管式换热器，其特征在于在位于集流管的介质入口处，从集流管的内表面到导流支架的圆管外表面之间的端面上装有密封的管端套。

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