一种新型中深层地埋管换热器制造技术

本发明专利技术公开一种新型中深层地埋管换热器，包括换热器本体，依据钻井深度方向的温度分布，岩土体温度由上至下依次分为变温层，等温层和增温层，所述换热器本体由上至下依次连通的直管段、单螺旋段和双螺旋段；在直管段、单螺旋段和双螺旋段均设置有进水管和出水管，直管段的进水管、单螺旋段进水管和双螺旋段进水管依次连通，直管段的出水管、单螺旋段出水管和双螺旋段出水管依次连通；双螺旋段进水管底部与双螺旋段出水管底部连通；采用中空三角形支架，支撑棒和镂空导向安装头将直管段、单螺旋段和双螺旋段自然地组成整体换热结构。本发明专利技术具有换热效率高，承压能力强，热损失少，施工质量高等突出优点。量高等突出优点。量高等突出优点。

【技术实现步骤摘要】
一种新型中深层地埋管换热器


[0001]本专利技术属于地埋管换热器
，具体涉及一种新型的中深层地埋管换热器。

技术介绍

[0002]随着节能减排的持续推进和目标的提出，竖直地埋管热泵系统受到越来越多的重视，目前，竖直地埋管热泵系统可分为钻孔深度一般在50～200米之间的浅层地埋管热泵系统和钻孔深度一般在1000～3000米之间的中深层地埋管热泵系统，但无论是浅层还是中深层地埋管热泵系统，地埋管换热器都是其关键组成部分，其换热效率的高低直接决定着系统的初投资和系统效率。为提高地埋管换热器效率，众多研究者给出并研究了不同的地埋管换热器结构形式，常见浅层地埋管换热器的结构形式有单U型，双U型和W型，以及最新提出的螺旋型，这些结构形式的研究大大促进了浅层地埋管热泵系统的发展和应用。虽然浅层地埋管换热技术发展相对较早，技术比较成熟，但为了更好地实现清洁供暖和促进“双碳”目标的早日实现，中深层地埋管热泵系统具有占地面积少，热量输出多而稳定，不受室外气候影响，不存在浅层地埋管冷热不平衡现象等独特优势，故中深层地埋管换热系统近年来受到人们的格外青睐，其地埋管换热器结构及其热性能成为人们研究的热点。
[0003]中深层地埋管换热器属于新型技术，目前结构比较单一，主要为套管式换热器，起初套管式换热器的内/外管均采用钢管，但存在严重供、回水热短路现象，因而现在中深层套管式换热器的外管一般采用钢管，内管一般采用塑料管，在一定程度上减缓了热短路现象，但仍存在明显的不足：
①
套管式地埋管换热器只有外管壁与岩土体充分接触进行热量交换，且管径大，管壁厚，并且整个出水管不但不能与岩土体换热，而且还会将热量传递给进水管，热短路依然明显；
②
相对现行浅层地埋管换热器而言，套管式换热器的外径一般较大，虽可增加进水管与岩土体的换热，但在中深层钻孔的初始管井段，其向岩土体的散热也增多，即热损失也随之增多。虽然技术专利（CN 212299509 U）对套管式中深层地埋管换热器进行了改进，提高了进水在环形流道中的流速及外管的抗弯曲变形能力，但在提高流速加强与岩土体换热的同时，也提高了与内管之间的热量交换，即热短路也增强；再者，现有浅层地埋管换热器结构并不能较好地适用于中深层。
[0004]无论浅层地埋管换热器的单U型、双U型、W型和新型螺旋型（CN111536810B），还是套管式中深层地埋管换热器，其结构形式都是轴对称结构，其固有的缺陷是：在加大换热面积增强传热的同时，热短路和热损失也增加了，且对于中深层地埋管换热器而言，这种固有结构的缺陷更加突出。
[0005]因此需要对中深层地埋管换热器结构进行革新设计，只有这样，才能最大化地提升地埋管换热器的换热效率，增强钻孔管井的能量输出，减少钻井数量，进而减少初投资和占地面积。为进一步推进节能减排，促进“双碳”目标的早日实现，提出了一种中深层地埋管换热器。
[0006]综上所述，现有地埋管换热器的结构设计不能较好地适应钻孔温度分布，钻井深度的有效利用率不高，且中深层地埋管换热器存在明显的热短路和热损失现象。针对现有
地埋管换热器存在的不足，根据钻井竖向温度分布和传热过程分析，基于传热强化原理，创造性地给出了一种新型中深层地埋管换热器，该换热器具有换热效率高，热损失少，承压能力强，施工质量高等突出优点。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供一种新型中深层地埋管换热器，在钻井的不同深度段采用不同的换热器结构，沿钻井深度方向，换热结构依次为直管段，单螺旋段和双螺旋段组成。在直管段中设有3根进水直管和3根出水直管，同一水平面上，3根出水管位于等边三角形的3个顶点，即均布在等边三角形的外接圆上，3根进水管位于该等边三角形的3边中点，即均布在等边三角形的内接圆上；在单螺旋段中，出水管为直管，而进水管为螺旋管，出水管位于螺旋管的外侧；在双螺旋段中，进、出水管都为螺旋管，进水管为内螺旋，出水管为同轴的外螺旋；且进、出水管的管心位于同心不同半径的圆环上；进、出水管在双螺旋段的底部由U型弯管连通。位于等边三角形顶点的出水管与对边中点处的进水管相连接，且在U型弯处设有镂空导向安装头；为保证换热器的安装质量，采用中空三角形固定管距，采用中空三角形和支撑棒固定螺距，采用镂空导向安装头保护U型弯管，减少安装阻力。
[0008]本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：一种新型中深层地埋管换热器，包括换热器本体，所述换热器本体为由上至下依次连通的直管段、单螺旋段和双螺旋段。进水管沿管井由上到下依次为直管，螺旋管，螺旋管，且进水直管，进出中部螺旋管，进出下部螺旋管依次连通；出水管沿管井由下到上依次为出水螺旋管，出水直管，出水直管，且出水螺旋管、中部出水直管，上部出水直管依次连通；进水管和出水管在双螺旋段的底部通过U型弯管连通，且三角形顶点对应的出水管与该顶点对边中心位置对应的进水管连通。
[0009]上述新型中深层地埋管换热器，所述直管段、单螺旋段和双螺旋段均设置有三个进水管和三个出水管，所述直管段、单螺旋段和双螺旋段的三个出水管均分别设置在三角形的三个顶点A、B、C所在的外接圆上，三个进水管分别设置在三角形三条边的中点D、E、F所在内切圆上；为叙述方便，设D点为顶点A的对应边的中点，即D为顶点B和C连线的中点；E为顶点B的对应边的中点，即E为顶点A和C连线的中点；F为顶点C的对应边的中点，即F为顶点A和B连线的中点。其中位于三角形顶点对应边中点的每个进水管，流经直管段、单螺旋段和双螺旋段后流入管井底部，经过U型弯管流入位于对应顶点的出水管，然后依次经过双螺旋段中的外螺旋管，单螺旋段中的出水直管和直管段中外环上的出水直管流出。
[0010]在双螺旋段中，出水外螺旋管的水平投影位于顶点A、B、C所在的圆环上；单螺旋段中的出水直管和直管段中的出水直管的管心位于等边三角形的顶点A、B、C位置。直管段的进水管管心位于等边三角形中三边中点D、E、F位置；在单螺旋段中，进水管为螺旋管，该段进水螺旋管管心的水平投影位于该段出水直管所在等边三角形ABC的内接圆上；在双螺旋段中，进水管为内螺旋管，该段进水螺旋管管心的水平投影仍位于等边三角形ABC的内接圆上。进水管之间、出水管之间、以及进、出水管之间都不直接接触，且出水管管心到管井轴心的水平距离是进水管管心到管井轴心水平距离的两倍。
[0011]热媒从顶点正对的对边中点位置对应的进水管流入，依次流过直管段的进水直管、单螺旋段的进水螺旋管和双螺旋段的进水螺旋管后，经过U型弯管后流入出水管，依次
经过双螺旋段的出水螺旋管和单螺旋段的出水直管，最后由直管段中的出水直管排出。即热媒从所述D位置对应的进水管流入，经过直管段、单螺旋段和双螺旋段后，经过U型弯管折回，然后依次流过双螺旋段，单螺旋段和直管段后从A位置对应的出水管流出；热媒从所述E位置对应的进水管经过直管段、单螺旋段和双螺旋段后，经过U型弯管折回，然后依次流过双螺旋段，单螺旋段和直管段，最后从B位置对应的出水管流出；所述F位置对应的进水管经过双螺旋段、单螺旋段和直管段后，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型中深层地埋管换热器，包括换热器本体，其特征在于：所述换热器本体为由上至下依次连通的直管段、单螺旋段和双螺旋段组成，在直管段、单螺旋段和双螺旋段均设置有进水管和出水管，直管段的进水管、单螺旋段进水管和双螺旋段进水管依次连通，直管段的出水管、单螺旋段出水管和双螺旋段出水管依次连通；双螺旋段进水管底部与双螺旋段出水管底部连通。2.根据权利要求1所述的新型中深层地埋管换热器，其特征在于：所述直管段、单螺旋段和双螺旋段均设置有三个进水管和三个出水管，所述直管段、单螺旋段和双螺旋段的三个出水管均分别设置在三角形的三个顶点A、B、C对应的位置，三个进水管分别设置在三角形三条边的中点D、E、F的位置；其中每个三角形三边中点对应的进水管依次经过直管段、单螺旋段和双螺旋段后，再依次经该边正对的顶点位置对应的出水管的双螺旋段、单螺旋段和直管段排出。3.根据权利要求2所述的新型中深层地埋管换热器，其特征在于：所述单螺旋段的出水管为直管，出水管在三角形的外接圆上，进水管为螺旋管，且螺旋管均在三角形的内接圆上。4.根据权利要求2所述的新型中深层地埋管换热器，其特征在于：所述双螺旋段的进水管和出水管均为螺旋管，且进水管的螺旋管在三角形的内切圆上，而出水管的螺旋管在三角形的外接圆上。5.根据权利要求2所述的新型中深层地埋管换热器，其特征在于：还包括中空的三角形支架，在三角形支架顶点A、B、C和对应三条边的中心位置D、E、F的位置上均设置有通孔，所述直管段、单螺旋段和双螺旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：王梅杰，李盼盼，杨伟，袁天昊，刘伟杰，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：