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CN111426085A - 一种用于防治路基冻胀的垂直式地埋管换热器 - Google Patents

一种用于防治路基冻胀的垂直式地埋管换热器 Download PDF

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CN111426085A
CN111426085A CN202010401439.0A CN202010401439A CN111426085A CN 111426085 A CN111426085 A CN 111426085A CN 202010401439 A CN202010401439 A CN 202010401439A CN 111426085 A CN111426085 A CN 111426085A
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Abstract

本发明公开了一种用于防治路基冻胀的垂直式地埋管换热器，包括升热机构、分别连接在升热机构两端的放热组件以及通过输热管道连接在升热机构下端且与放热组件连通的制冷换热机构；放热组件包括分别连接在升热机构两端的双层换热管组件、连接在双层换热管组件上的气液分离器以及连接在气液分离器与制冷换热机构之间的分支管；该换热器结构简单，整体为组装式结构，便于运输及施工需要，且制作成本低，使用可靠，散热均匀，换热效果好，换热效率高。

Description

一种用于防治路基冻胀的垂直式地埋管换热器
技术领域
本发明涉及地源热泵换热器技术领域，具体涉及一种用于防治路基冻胀的垂直式地埋管换热器。
背景技术
在我国，多年冻土达215万平方公里，对铁路或公路修建和后期运行有重要影响。在冬季，由于水的密度比冰大，在冻结的状态下，冻土就像冰一样，凝结的过程中体积发生膨胀，上部的路基或钢轨由于膨胀作用被顶起。在夏季，冻土融化，体积缩小，在冬季被顶起的路基或钢轨随着冻土消融而下降。冻土的反复冻结、融化交替出现，就会造成路基严重变形或破坏，甚至会翻浆、冒泥，钢轨会出现波浪形高低起伏，对道路运营安全造成威胁。而在这些地区，浅层地热能较为丰富，且储量大，开采难度低，稳定性和连续性好，可以进一步地开发利用。地源热泵换热器主要是在内部填充液态工质，通过液化和气化进行吸热和放热，从而实现热量的交换，主要由蒸发器、冷凝器和压缩机组成。
目前地埋管换热器材质一般采用聚乙烯(PE管)，但是其导热系数低，为0.42W/(m.K)，且耐高温、高压能力弱，为了满足需要，相应地源井的数量多，埋管数量多，工程造价高。除此之外常见的换热器还有金属换热器、搪瓷换热器、石墨换热器等，但在运行过程中由于金属本身不具备完全的抗腐蚀能力，在面对不同的环境介质时可能遭到腐蚀，影响工作寿命；搪瓷和石墨材料存在强度低、安全性能差(爆瓷、脆性断裂)、耐高温高压能力弱等问题，从而难以推广。近几年碳化硅材料因其耐腐蚀、耐高温、高热导、高硬度、耐磨等特性逐渐引起人们重视，在热泵领域发展迅猛。石墨烯是近年来出现的“超级材料”，其中它的导热系数高达5300W/(m·K)，且坚硬，是一种适宜材料，但目前其成本较高，难以大面积推广使用。另外，地埋管换热器中的制冷剂在与土壤接触过程中，存在着换热效率低且不均匀的现象，有时甚至会导致二次冻胀，需要进一步优化换热器中的机构避免出现此问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于防治路基冻胀的垂直式地埋管换热器，以解决现有换热器换热效果差的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于防治路基冻胀的垂直式地埋管换热器，包括升热机构、分别连接在升热机构两端的放热组件以及通过输热管道连接在升热机构下端且与放热组件连通的制冷换热机构；
放热组件包括分别连接在升热机构两端的双层换热管组件、连接在双层换热管组件上的气液分离器以及连接在气液分离器与制冷换热机构之间的分支管。
采用上述技术方案的有益效果为：该换热器结构简单，整体为组装式结构，便于运输及施工需要，且制作成本低，使用可靠；通过制冷换热机构与外界岩土体中的热源进行持续热量交换，在换热器内形成低温低压气体进而进入到升热机构内形成高温高压气体，该高温高压气体再经过双层换热管组件进行放热，并通过气液分离器将经过双层换热管组件中的气体与液体进行分流，避免影响散热效果，散热均匀，提高换热效果，换热效率高。
进一步，双层换热管组件包括连接在升热机构的出口端的上层波纹管以及连接在上层波纹管下方的下层波纹管，气液分离器设置在上层波纹管和下层波纹管之间，下层波纹管的出口端与制冷换热机构连通。
采用上述技术方案的有益效果为：上层波纹管与下层波纹管形成双重换热组管结构，当升热机构将气体制成高温高压气体后经过上层波纹管进行放热，此时上层波纹管内为气液共存状态，液体经过气液分离器将液体回流至制冷换热机构内，气体则通入至下层波纹管内继续放热，放热后的气体进入制冷换热机构内，实现循环工作，工作可靠，换热效率高。
进一步，升热机构包括外壳、设置在外壳内的压缩机机组，上层波纹管的进口端贯穿外壳并与压缩机机组的出口连通，输热管道的顶端贯穿外壳并与压缩机机组的入口连通。
采用上述技术方案的有益效果为：通过压缩机机组对进入到升热机构内的气体进行升温压缩形成高温高压气体，提高通入到上层波纹管内气体的换热状态，有助于提高换热效果。
进一步，下层波纹管的出口端处设置有节流器，分支管远离气液分离器的端部与节流器连接。
采用上述技术方案的有益效果为：通过节流器将经过下层波纹管的气体变为低压湿蒸汽进而传送至制冷换热机构内，提高重复循环利用率，保证与制冷换热机构工作状态的洽合程度，提高换热器使用的可靠性。
进一步，分支管与气液分离器之间设置有流量调节阀。
采用上述技术方案的有益效果为：通过流量控制阀调节上层波纹管与下层波纹管之间的气体流量输入，通过流量控制阀的调节保证管内的气体流量处于匀速状态，有助于提高散热的均匀性，提高换热效果。
进一步，上层波纹管表面与所述下层波纹管表面均涂覆有石墨烯涂层。
采用上述技术方案的有益效果为：通过石墨烯涂层提高防腐、耐磨损及导热性能。
进一步，上层波纹管和下层波纹管均包括多个呈连续性连接的U型管。
采用上述技术方案的有益效果为：通过对上层波纹管和下层波纹管特有的螺旋盘管结构，进一步的有效扩大散热效率。
进一步，制冷换热机构包括碳化硅外筒体、设置在碳化硅外筒体内的内筒体以及呈轴向螺旋设置在碳化硅外筒体内的螺旋内管，螺旋内管的上端与下层波纹管的出口端相连通，内筒体与输热管道的下端相连通，内筒体上半部表面开设有多个均匀分布的气孔；
碳化硅外筒体与内筒体之间具有空隙，空隙与螺旋内管内部均填充有制冷层。
采用上述技术方案的有益效果为：碳化硅外筒体具有良好的导热性能和高效的传热散热效果，有助于提高与土壤之间的导热效果；通过内筒体与螺旋内管构成复层结构，使得换热更加均匀，提升换热效率；且通过制冷层持续的与土壤进行热交换便于筒体内形成低温低压气体，通过气孔设置便于换热气体间的可靠流通。
进一步，螺旋内管轴向截面为半圆形结构。
采用上述技术方案的有益效果为：螺旋内管的特有结构，有效的增大了壳程，加大扰动，进一步的使制冷剂与土壤充分接触，实现了传热效果的提升，提高螺旋内管的使用性能。
进一步，输热管道上设置有法兰。
采用上述技术方案的有益效果为：通过法兰设置，在使装置拆卸方便的前提下，有效地提高密封性能，避免热量散失，有助于提高换热效果。
本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种垂直式地埋换热器，该换热器结构简单，整体为组装式结构，便于运输及施工需要，且制作成本低，使用可靠；通过制冷换热机构与外界岩土体中的热源进行持续热量交换，在换热器内形成低温低压气体进而进入到升热机构内形成高温高压气体，该高温高压气体再经过双层换热管组件进行放热，并通过气液分离器将经过双层换热管组件中的气体与液体进行分流，避免影响散热效果，散热均匀，提高换热效果，换热效率高。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明剖视图；
图3为本发明中制冷换热机构剖视图；
图4为图3中A处结构放大示意图；
图1至图4中所示附图标记分别表示为：1-升热机构，2-放热组件，3-输热管道，4-制冷换热机构，20-双层换热管组件，21-气液分离器，22-分支管，201-上层波纹管，202-下层波纹管，10-外壳，12-压缩机机组，23-节流器，203-流量调节阀，40-碳化硅外筒体，41-内筒体，42-螺旋内管，43-气孔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1至图2所示，一种用于防治路基冻胀的垂直式地埋管换热器，包括升热机构1、分别连接在升热机构1两端的放热组件2以及通过输热管道3连接在升热机构1下端且与放热组件2连通的制冷换热机构4；放热组件2包括分别连接在升热机构1两端的双层换热管组件20、连接在双层换热管组件20上的气液分离器21以及连接在气液分离器21与制冷换热机构4之间的分支管22。
该换热器结构简单，整体为组装式结构，便于运输及施工需要，且制作成本低，使用可靠；通过制冷换热机构4与外界岩土体中的热源进行持续热量交换，在换热器内形成低温低压气体进而进入到升热机构1内形成高温高压气体，该高温高压气体再经过双层换热管组件20进行放热，并通过气液分离器21将经过双层换热管组件20中的气体与液体进行分流，避免影响散热效果，散热均匀，提高换热效果，换热效率高。
双层换热管组件20包括连接在升热机构1的出口端的上层波纹管201以及连接在上层波纹管201下方的下层波纹管202，气液分离器21设置在上层波纹管201和下层波纹管202之间，下层波纹管202的出口端与所述制冷换热机构4连通。上层波纹管201与下层波纹管202形成双重换热组管结构，当升热机构1将气体制成高温高压气体后经过上层波纹管201进行放热，此时上层波纹管201内为气液共存状态，液体经过气液分离器21将液体回流至制冷换热机构4内，气体则通入至下层波纹管202内继续放热，放热后的气体进入制冷换热机构4内，实现循环工作，工作可靠，换热效率高。
升热机构1包括外壳10、设置在外壳10内的压缩机机组12，上层波纹管201的进口端贯穿外壳10并与压缩机机组12的出口连通，输热管道3的顶端贯穿外壳10并与压缩机机组12的入口连通。通过压缩机机组12对进入到升热机构1内的气体进行升温压缩形成高温高压气体，提高通入到上层波纹管201内气体的换热状态，有助于提高换热效果。
上层波纹管201与下层波纹管202均采用“波纹管”材质，其与一般光滑直管相比，传热效率高2至4倍，且采用螺旋盘管形式进一步提高散热效率。
下层波纹管202的出口端处设置有节流器23，分支管22远离气液分离器21的端部与节流器23连接。通过节流器23将经过下层波纹管202的气体变为低压湿蒸汽进而传送至制冷换热机构4内，提高重复循环利用率，保证与制冷换热机构4工作状态的洽合程度，提高换热器使用的可靠性。
分支管22与气液分离器21之间设置有流量调节阀203。通过流量控制阀调节上层波纹管201与下层波纹管202之间的气体流量输入，通过流量控制阀的调节保证管内的气体流量处于匀速状态，有助于提高散热的均匀性，提高换热效果。
如图3至图4所示，制冷换热机构4包括碳化硅外筒体40、设置在碳化硅外筒体40内的内筒体41以及呈轴向螺旋设置在碳化硅外筒体40内的螺旋内管42，螺旋内管42的上端与下层波纹管202的出口端相连通，内筒体41与输热管道3的下端相连通，内筒体41上半部表面开设有多个均匀分布的气孔43；碳化硅外筒体40与内筒体41之间具有空隙，空隙与螺旋内管42内部均填充有制冷层。
碳化硅外筒体40具有良好的导热性能和高效的传热散热效果，有助于提高与外界岩土体中的热源之间的导热效果。通过内筒体41与螺旋内管42构成复层结构，使得换热更加均匀，提升换热效率；且通过制冷层持续的与土壤进行热交换便于筒体内形成低温低压气体，通过气孔43设置便于换热气体间的可靠流通。
螺旋内管42轴向截面为半圆形结构。螺旋内管42的特有结构，有效的增大了壳程，加大扰动，进一步的使制冷剂与土壤充分接触，实现了传热效果的提升，提高螺旋内管42的使用性能。
上层波纹管201表面与下层波纹管202表面均涂覆有石墨烯涂层。通过石墨烯涂层提高防腐、耐磨损及导热性能。
上层波纹管201和下层波纹管202均包括多个呈连续性连接的U型管。通过对上层波纹管201和下层波纹管202特有的螺旋盘管结构，进一步的有效扩大散热效率。
输热管道3上设置有与内筒体41相配合的法兰5。通过法兰5设置，在实现拆卸方便的前提下，有效地提高密封性能，避免热量散失，有助于提高换热效果。
在工作时，首先对地面进行钻孔施工，由于冻胀层一般深度在地下0.5m-1.5m之间，所以钻孔的深度应满足使散热段距离地表不超过1.5m。将连接好的换热器下入到地面孔中。制冷剂层在经过螺旋内管42与碳化硅外筒体40充分接触后交换一部份热量，制冷层也在持续的与外界岩土体中的热源进行热交换，形成低温低压气体从气孔43进入内筒体41内部，再通过PPR管进入压缩机组件，经过压缩机组将低温低压气体变为高温高压气体，高温高压气体流经上层波纹管201进行放热，此时管内为气液共存状态，液体经过气液分离器21先行流入节流器23中，而上层波纹管201中的气体再流入下层波纹管202中继续放热，下层波纹管放热后的气体通过节流器23后变为低压湿蒸汽通入到下端的碳化硅外筒体40内，随后又顺着附着在碳化硅外筒体40内壁上的的螺旋内管42流入罐底，从而又开始循环工作。该制冷剂在气态和液态之间不断进行转换，再结合“波纹管”、“碳化硅”、“石墨烯”三者者优越的导热性和高效的传热和散热效率，从而源源不断带走路基的热量，保持路基的稳定。
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 (10)

1.一种用于防治路基冻胀的垂直式地埋管换热器，其特征在于，包括升热机构(1)、分别连接在所述升热机构(1)两端的放热组件(2)以及通过输热管道(3)连接在所述升热机构(1)下端且与所述放热组件(2)连通的制冷换热机构(4)；
所述放热组件(2)包括分别连接在所述升热机构(1)两端的双层换热管组件(20)、连接在所述双层换热管组件(20)上的气液分离器(21)以及连接在所述气液分离器(21)与所述制冷换热机构(4)之间的分支管(22)。
2.根据权利要求1所述的一种用于防治路基冻胀的垂直式地埋管换热器，其特征在于，所述双层换热管组件(20)包括连接在所述升热机构(1)的出口端的上层波纹管(201)以及连接在所述上层波纹管(201)下方的下层波纹管(202)，所述气液分离器(21)设置在所述上层波纹管(201)和下层波纹管(202)之间，所述下层波纹管(202)的出口端与所述制冷换热机构(4)连通。
3.根据权利要求2所述的用于防治路基冻胀的垂直式地埋管换热器，其特征在于，升热机构(1)包括外壳(10)、设置在所述外壳(10)内的压缩机机组(12)，所述上层波纹管(201)的进口端贯穿所述外壳(10)并与所述压缩机机组(12)的出口连通，所述输热管道(3)的顶端贯穿所述外壳(10)并与所述压缩机机组(12)的入口连通。
4.根据权利要求2所述的用于防治路基冻胀的垂直式地埋管换热器，其特征在于，所述下层波纹管(202)的出口端处设置有节流器(23)，所述分支管(22)远离所述气液分离器(21)的端部与所述节流器(23)连接。
5.根据权利要求4所述的用于防治路基冻胀的垂直式地埋管换热器，其特征在于，所述分支管(22)与所述气液分离器(21)之间设置有流量调节阀(203)。
6.根据权利要求2至4任一项所述的用于防治路基冻胀的垂直式地埋管换热器，其特征在于，所述上层波纹管(201)表面与所述下层波纹管(202)表面均涂覆有石墨烯涂层。
7.根据权利要求6所述的用于防治路基冻胀的垂直式地埋管换热器，其特征在于，所述上层波纹管(201)和下层波纹管(202)均包括多个呈连续性连接的U型管。
8.根据权利要求2所述的用于防治路基冻胀的垂直式地埋管换热器，其特征在于，所述制冷换热机构(4)包括碳化硅外筒体(40)、设置在所述碳化硅外筒体(40)内的内筒体(41)以及呈轴向螺旋设置在所述碳化硅外筒体(40)内的螺旋内管(42)，所述螺旋内管(42)的上端与所述下层波纹管(202)的出口端相连通，所述内筒体(41)与输热管道(3)的下端相连通，所述内筒体(41)上半部表面开设有多个均匀分布的气孔(43)；
所述碳化硅外筒体(40)与所述内筒体(41)之间具有空隙，所述空隙与所述螺旋内管(42)内部均填充有制冷层。
9.根据权利要求8所述的用于防治路基冻胀的垂直式地埋管换热器，其特征在于，所述螺旋内管(42)轴向截面为半圆形结构。
10.根据权利要求9所述的用于防治路基冻胀的垂直式地埋管换热器，其特征在于，所述输热管道(3)上设置有法兰(5)。
CN202010401439.0A 2020-05-13 2020-05-13 一种用于防治路基冻胀的垂直式地埋管换热器 Active CN111426085B (zh)

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