[發明專利]U型地下換熱管預置橢圓抑制熱變形方法

有效

• 申請號: 201310287645.3
• 申請日: 2013-07-04
• 公開（公告）號: CN103423906A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發明（設計）人: 朱曉林;高青;于鳴;王有鏜
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: F24J3/08
• 分類號: F24J3/08;F25B30/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于地下蓄能和地源熱泵利用技術領域，特別涉及低于0℃溫度和大溫差工況中地下換熱管結構熱變形的抑制問題。?

背景技術

地下換熱管是地下蓄能和地源熱泵系統中的關鍵部分，在低于0℃或0℃以上大溫差工況中易出現地下換熱管結構變形的問題。對于鉆孔內U型地下換熱管的非對稱形式，進、回水換熱管體周圍土壤溫度形成非均勻分布狀態，使兩換熱管間的土壤區域溫度變化劇烈，在管體周圍形成由溫度引起的土壤非均膨脹力，擠壓管體出現橢圓化變形，特別是低于0℃以下工況中將出現換熱管凍脹變形的情況，具體表現為低于0℃以下工況中，換熱管周圍土壤中水分發生相變結晶，使土壤體積增大而出現凍脹現象，土壤擠壓換熱管體發生變形，使其流通面積減小、出現管土間隙甚至造成管體疲勞破壞，這些情況將制約地下換熱器長期應用的可靠性。針對以上狀況，目前采用高強度混凝土回填料實現換熱結構強化以抑制管體熱變形，但是其工程造價較高，制約其大規模應用.?

為此，本專利提出U型地下換熱管預制橢圓控制熱變形方法，實現對地下蓄能及地源熱泵運行過程中換熱管熱變形特別是凍脹變形的抑制，保證地下蓄能及地源熱泵系統長期運行的安全性及安裝施工的經濟性。?

發明內容

本發明的目的是提供一種抑制U型地下換熱管熱變形的方法，利用換熱管預制橢圓態增加管體結構剛度，實現抑制換熱管熱變形的發展特別是由土壤凍脹引起的換熱管擠壓變形的發展。?

本發明通過以下技術方案實現：?

1.為了抑制土壤低溫區對換熱管的預先凍脹擠壓或高溫區土壤膨脹擠壓，預置橢圓態換熱管，使進、回水換熱管橫截面的橢圓長軸處于同一直線，以增強管體承受凍脹方向的結構剛度，且進一步補償換熱管變形量。?

2.為了防止換熱管預置橢圓橫截面短軸方向的結構剛度過小，橢圓率范圍為：0＜e＜20％。?

3.針對換熱管不同的進、回水溫差，預置不同橢圓率的進、回水換熱管。?

4.針對不同溫度工況設置不同橢圓率和管間距取值范圍組合協同抑制管體變形。?

5.為了保持鉆孔內橢圓形進、回水換熱管間的相對位置及一定管中心間距，設計橢圓型固定支架。?

6.換熱管材質采用高密度聚乙烯材料。?

附圖說明

圖1換熱管凍脹形變過程示意。?

圖2預置換熱管橢圓態示意。?

圖3固定支架結構(圖3中，1-橢圓管夾、2-連接桿、3-圓柱頭、4-弧形開口、5-換熱管)。?

圖4固定支架尺寸。?

具體實施方式

下面結合附圖及具體實施方式對本發明進行詳細描述。?

U型換熱管的布置形式決定其進、回水管間土壤溫度與其他土壤區域存在較大溫差，在低于0℃以下?地下蓄能或地源熱泵冬季供暖工況中，進、回水換熱管之間的含水土壤出現低溫區，此區域溫度較其他土壤區域溫度低且更早達到土壤的凍結溫度，所以低溫區土壤預先發生凍脹現象。鉆孔內換熱管A、B區域首先受到低溫區土壤的凍脹擠壓作用，非均勻凍脹力擠壓管體橢圓化變形，使管體X方向的直徑減小，Y方向直徑增加。換熱管的這種橢圓化變形造成其承受X方向凍脹力的結構剛度急劇減小，當土壤凍結溫度降低或者凍結鋒面進一步擴展，靠近管體C、D區域的土壤凍脹區域增大，相應的土壤膨脹量增大，加之管體在X方向承受凍脹力的結構剛度減小，C、D區域沿X軸方向的變形將更加劇烈，這將進一步加速換熱管橢圓化變形。在0℃以上的大溫差工況中，進、回水換熱管之間的土壤高溫區受熱膨脹擠壓管體變形存在類似的變化過程。?

為了抑制換熱管間土壤低溫區先期凍脹或熱膨脹引起的管體X方向變形，預置換熱管初始橢圓態，使進、回水管橢圓截面長軸c、d沿X方向并處于同一直線，進、回水管橢圓截面的短軸a、b處于平行狀態，以增加X方向的初始結構剛度與可變形余量，抑制換熱管變形以及對低溫區土壤擠壓管體變形進行補償，其抑制和補償變形過程為：低溫區土壤預先凍脹沿X方向擠壓橢圓換熱管，受壓方向剛度的增加使其相對于初始圓形截面換熱管變形量減小而達到抑制效果；當0℃以下低溫持續或進一步降低時，換熱管橢圓長軸c、d減小，其橢圓形截面向圓形截面發展而起到變形補償作用，使換熱管體各方向的剛度趨于一致，同時隨著凍結鋒面向外擴展，換熱管體周圍溫度趨向均勻使其產生的凍脹力趨于均勻，從而抑制換熱管變形進一步的發展。?

換熱管預置橢圓程度的度量參數用橢圓度表示，如下式所示。為了防止管體短軸方向的初始結構剛度過小，橢圓率范圍為：0＜e＜20％。?