專利名稱：收集器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于熱泵設(shè)備的單管收集器。本發(fā)明還涉及具有所述單管收集器的熱 泵系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在水中、陸地中以及巖床下蘊(yùn)含著天然的熱源。使用海洋熱能、地表熱能以及巖床 熱能是安全、可靠并且環(huán)保的供熱技術(shù)。所述熱能可以傳輸?shù)浆F(xiàn)有的傳統(tǒng)水運(yùn)供熱系統(tǒng)并 且也用于熱水生產(chǎn)。在地?zé)峁嵯到y(tǒng)中，從被稱為能量鉆井的鉆孔中采集熱量。收集器是管，所述管具 有以所謂的熱傳輸液形式的熱傳輸介質(zhì)，通過加熱的熱傳輸介質(zhì)傳送熱量，并且還將冷卻 的熱傳輸介質(zhì)傳送回閉合循環(huán)中。在地表熱能裝置中，數(shù)百米長(zhǎng)的管道埋置到防凍深度并設(shè)置在線圈中。收集器管 道收集陸地中存在的熱量并且將其用于蒸發(fā)熱泵的冷卻劑。海洋熱能以與地表熱能基本上相同的方式使用。存在于海水中的現(xiàn)有能量以及在 底層的能量被利用。收集器管道設(shè)置在河道的底部。熱泵收集器有很多種。目前最普遍的一種收集器是一種所謂的U型管收集器。根 據(jù)習(xí)慣在鉆孔中設(shè)置單獨(dú)的閉合管。這例如操作如下，即將塑料的優(yōu)選聚乙烯的連續(xù)長(zhǎng)管 在中間部分彎曲從而形成U型。U型管的最低部放置在鉆孔上，隨后使管向下進(jìn)入到鉆孔 中。因此，在同一個(gè)管中，所述u型管形成了在從熱泵向下進(jìn)入到鉆孔的方向以及從鉆孔返 回進(jìn)而返回到熱泵的方向上的單獨(dú)的連續(xù)管線，用于閉合循環(huán)中的熱傳輸液。對(duì)于地?zé)嵫b置，還有一種所謂的三管收集器，該三管收集器是具有向下傳送熱傳 輸液進(jìn)入到鉆孔中的管的收集器的變形，該管具有分支為有兩個(gè)從鉆孔向回傳輸熱傳輸液 并且進(jìn)一步傳輸?shù)綗岜玫墓?。本說明書中的術(shù)語“單管收集器”是一公知術(shù)語，其用于收集 器的線圈和上述的適用海洋熱能和地表熱能的收集器管道。在所述單管收集器中，熱傳輸 液可以被導(dǎo)入到沿收集器的整體縱向延展具有基本相同橫截面的管中?，F(xiàn)有技術(shù)中的另一個(gè)類收集器是所謂的同軸收集器。在外管中設(shè)置有內(nèi)管。所述 管一起焊接到一單元，該單元隨后安裝到鉆孔中。這種“管中管”技術(shù)的目的是要避免向下 引入到鉆孔中的冷卻的熱傳輸液與將要向上傳送到收集器中的加熱的熱傳輸液的混合時(shí) 間過長(zhǎng)。通過設(shè)置外管有大直徑，實(shí)現(xiàn)了在大直徑外管中的緩流，其中在達(dá)到熱吸收性時(shí)實(shí) 現(xiàn)正輸出。目前，同軸收集器在一定程度上未見于市場(chǎng)上，這是因?yàn)樵摷夹g(shù)涉及到大規(guī)模安 裝以及較高生產(chǎn)成本。但是，同軸收集器通常比傳統(tǒng)的單管收集器更有效。DE 20 2004 007 567 U1公開了一種上述的同軸收集器。該同軸收集器包括連接 管，該連接管用于熱傳輸液流入到外管中，該連接管在外管的內(nèi)側(cè)具有不平坦的表面結(jié)構(gòu)。 加熱的熱傳輸液通過內(nèi)管向上通過連接管返回。US 2007/0023163A1公開了一種上述的同軸收集器。該同軸收集器包括連接管，該 連接管用于熱傳輸液流入到熱傳輸液內(nèi)管中，該連接管恰結(jié)束于外管的底部，并設(shè)置在內(nèi)管的外側(cè)。熱傳輸液在循環(huán)期間在外管和內(nèi)管之間的空間中被加熱，同時(shí)通過設(shè)置在內(nèi)管 外側(cè)的螺旋結(jié)構(gòu)(“湍流發(fā)生器”或“湍流發(fā)生結(jié)構(gòu)”)被導(dǎo)向并進(jìn)一步通過泵傳送到熱交 換器。所述收集器管的壁厚優(yōu)化為使熱傳輸介質(zhì)獲得最大的熱量吸收，管道容易把握， 以及在能量鉆井的情況下使返回重量盡量直接向下進(jìn)入到鉆孔中。其長(zhǎng)度根據(jù)需要適當(dāng)改變。然而，現(xiàn)有傳統(tǒng)的單管收集器的問題在于從能量井中周圍的水中的能量吸收不 理想。非常需要對(duì)能量更有效的利用。該需求也應(yīng)用到用于海洋系統(tǒng)以及地表熱量裝置的 單管收集器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于至少部分地消除上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。而且，本發(fā)明的一個(gè)目 的是改善單管收集器中熱傳輸介質(zhì)的能量吸收，所述能量吸收是在地表熱能裝置中從周圍 陸地吸收，或者是在地?zé)嵯到y(tǒng)的能量井中或在海洋熱能系統(tǒng)中從周圍的水吸收。該目的可以通過根據(jù)本發(fā)明的熱泵設(shè)備的單管收集器實(shí)現(xiàn)。收集器包括用于在熱 泵系統(tǒng)中安裝的管，在該管中熱傳輸液在閉合回路中循環(huán)，用于將從熱源吸收的熱量傳送 到熱泵以及將熱傳輸液返回到熱源。管的內(nèi)表面具有不平坦的表面結(jié)構(gòu)，該表面結(jié)構(gòu)包括 凹槽和/或隆起。通過本發(fā)明的單管收集器以及具有該單管收集器的熱泵裝置，可以改善能量吸 收，因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)的用于海洋熱能、地表熱能裝置或能量井的收集器具有平滑的內(nèi)表面，這 提供了通過收集器的熱傳輸介質(zhì)的層流，與其相比，本發(fā)明的不平坦的表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了湍 流。本說明書中的術(shù)語“管”也指軟管、導(dǎo)管等。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，內(nèi)表面的表面結(jié)構(gòu)為凹槽形式，其中所述表面具有這樣的凹槽， 即在基本上沿著管的縱向方向延伸的表面中合適地形成連續(xù)的凹槽。如管的橫截面所示， 所述凹槽可以均勻地分布在管的內(nèi)圓周表面上。根據(jù)另一實(shí)施例，凹槽和/或隆起沿管的縱向方向螺旋狀延伸。螺旋形的方向可 以沿管的縱向方向至少在某些部分改變。螺旋形的方向適當(dāng)?shù)乜梢匝毓艿目v向方向至少每 兩米改變，優(yōu)選地每一米改變。本發(fā)明其他的有利特征、優(yōu)點(diǎn)以及優(yōu)選實(shí)施例可從從屬權(quán)利要求、以及如下說明 書的具體實(shí)施例中得知。


以下將結(jié)合附圖通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但不是對(duì)本發(fā)明的限 制，其中圖1示出了傳統(tǒng)U型管收集器形狀的單管收集器的原理。圖2A以單管收集器的截面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的收集器管內(nèi)表面上的 螺旋狀凹槽和/或隆起。圖2B以縱向立體截面圖示出了圖2A所示的收集器的一部分。
圖2C示意性地示出了圖2A-2B所示的收集器的截面圖中的伸長(zhǎng)的管壁。圖3以縱向截面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的收集器的一部分。
具體實(shí)施例方式圖1示出了傳統(tǒng)U型管收集器的原理。根據(jù)該原理，一連續(xù)密封的管1設(shè)置在鉆 孔2中。例如按如下方式進(jìn)行，將多個(gè)單個(gè)的管一起組裝到一個(gè)連續(xù)的縱向的管1，該管1 是塑料的，優(yōu)選是聚乙烯的。由于連續(xù)管1在朝向鉆孔2的底部4的端部形成U型彎曲部 3，其中用于向下(見圖中箭頭)傳送到鉆孔的熱傳輸液的管1’連接到用于向上(見箭頭) 傳送且傳送出鉆孔的熱傳輸液的管1”，所以系統(tǒng)被稱為“U型管收集器”。換句話說，連續(xù)管 1在中部彎曲從而形成US。圖1僅示出了原理。實(shí)際上，上述的U型管收集器系統(tǒng)是全體 焊接的，以便滿足安全操作的要求。因此，由于操作安全原因，成為U型下部或彎曲部3的折 返彎曲件在工廠中組裝。收集器系統(tǒng)的上部5通常截止到在平面6處的入口，在此收集器 管1、1’、1”連接到熱泵(未示出)。在收集器系統(tǒng)的組裝期間，收集器系統(tǒng)的折返的彎曲部 3位于鉆孔2的上方，由此在鉆孔中向下移動(dòng)。由此，在同一個(gè)管中，所述U型管形成了在從 熱泵向下進(jìn)入到鉆孔的方向以及從鉆孔返回進(jìn)而返回到熱泵的方向上的單獨(dú)的連續(xù)管線， 用于閉合循環(huán)中的熱傳輸液。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于地?zé)嵯到y(tǒng)的單管收集器的一部分在圖2A中以截面圖 T示出，并且在圖2B中以縱向截面圖L示出。所述收集器包括管12，該管優(yōu)選由聚乙烯制 作，以用于組裝到能量鉆井中，在該管中熱傳輸液在閉合回路中循環(huán)，用于將地?zé)醾魉偷綗?泵以及將熱傳輸液返回到能量井。管12的內(nèi)表面14具有不平坦的表面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括 凹槽和/或隆起16。盡管以U型管收集器形狀的單管收集器結(jié)合附圖進(jìn)行了描述，但是在 本發(fā)明的范圍內(nèi)，這樣的單管收集器也可以應(yīng)用于海洋熱能系統(tǒng)和地表熱能裝置以及三路 收集器。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明的單管收集器是連續(xù)管12，其沿著管的整體縱向方向L 具有基本相似的橫截面積。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，單管收集器的內(nèi)表面14的表面結(jié)構(gòu)為凹槽形式，其中內(nèi)表面14 設(shè)置成具有凹槽18，所述凹槽18在基本上沿管的縱向方向L延伸的表面中形成連續(xù)的凹 槽。如管的橫截面T所示，凹槽18均勻地分布在管的內(nèi)圓周表面上。圖2C以截面圖示出 了收集器管12的伸長(zhǎng)管壁，其中凹槽18的凹槽形是明顯的。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的單管收集器的一部分。凹槽和/或隆起16在 管的縱向方向L上呈螺旋狀延伸。螺旋形的方向(見圖3中的箭頭)至少可以沿管的縱向 方向L在某些部分改變。螺旋形的方向適當(dāng)?shù)乜梢匝毓艿目v向方向L至少每?jī)擅赘淖?，?yōu) 選地每一米改變。根據(jù)本發(fā)明，例如凹槽和/或隆起表面結(jié)構(gòu)的形式在單管收集器的縱向方向上可 以連續(xù)或非連續(xù)。如圖3的實(shí)施例所示，可以在管的內(nèi)表面上設(shè)置平坦部分，作為兩個(gè)螺旋 部分之間臨時(shí)的但較短的過渡。本發(fā)明的收集器管12的通常尺寸為直徑在25_63mm的范圍內(nèi)。凹槽和/或隆起 16的高度，選擇性地凹槽18或切槽可以變化，但根據(jù)管的尺寸和壁厚通常在0. 2-5mm的范 圍內(nèi)，優(yōu)選在0. 2-2mm,以作收集器管12的最常用的尺寸。
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實(shí)施例在熱泵系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過16kW和32kW兩個(gè)熱泵分別在建筑物中提供熱水 和加熱，所述建筑物有19間房間，每一個(gè)房間面積為40m2。四個(gè)填充水的鉆孔，其直徑為 140mm且深度為260mm，構(gòu)成了系統(tǒng)的熱源。所述四個(gè)鉆孔在實(shí)驗(yàn)中使用。乙醇水溶液的濃 度按體積計(jì)算為20%，其凝固點(diǎn)為-8°C。在實(shí)驗(yàn)中，四個(gè)鉆孔的每一個(gè)分別裝配了四個(gè)不 同類型的單管收集器。各自的鉆孔設(shè)計(jì)、尺寸以及設(shè)置如下表1所示。表 1 平均的未受干擾地面溫度測(cè)量為8. 7°C，并且平均地面熱導(dǎo)率為3. 75W/mK。應(yīng)該 說明的是，表中序號(hào)2的單管收集器(BH2)是3-管收集器，是收集器的一種變化，其包括一 個(gè)將熱傳輸液向下傳送到鉆孔中的管和兩個(gè)將熱傳輸液從鉆孔中導(dǎo)出并進(jìn)一步導(dǎo)到熱泵 的管。序號(hào)4的單管收集器(BH4)是傳統(tǒng)的U型管收集器。序號(hào)5的單管收集器(BH5)是 具有間隔器的傳統(tǒng)U型管收集器，所述間隔器用于保持管相隔地在鉆孔中，從而它們不互 相接觸。序號(hào)6的單管收集器(BH6)是根據(jù)本發(fā)明的U型管收集器，其在管的內(nèi)表面包括 凹槽和/或隆起，所述凹槽和/或隆起隨管的縱向延伸呈螺旋狀延伸。該螺旋形狀隨著管 的縱向延伸周期性變化。各個(gè)收集器中的液流被檢測(cè)。每個(gè)鉆孔熱交換器配備有熱電偶，用于在底部和出 口點(diǎn)測(cè)量進(jìn)入收集器的熱傳輸液的溫度。在測(cè)試期間還利用壓力計(jì)在收集器入口和出口線 處測(cè)量收集器中的總壓差。已經(jīng)在鉆孔的不同液流條件下以及在熱泵啟動(dòng)后條件穩(wěn)定時(shí)進(jìn) 行了溫度測(cè)量。在測(cè)定期間，流體密度、動(dòng)粘滯率以及熱容在測(cè)量的溫度的基礎(chǔ)上考量。因 此，雷諾數(shù)、摩擦因數(shù)以及壓差被考慮。最后，為每一個(gè)收集器計(jì)算熱傳輸流體每米吸收的 熱量，這有被用于計(jì)算每一個(gè)收集器的鉆孔熱阻。借助光纖電纜測(cè)量鉆孔壁的溫度值，并且 在本實(shí)驗(yàn)中假定為恒量7.2°C。關(guān)于熱提取(kW)，最好的熱提取特性在BH6中獲得，并且最差的特性在BH2中獲 得。然而，并不推薦通過觀察提取熱來比較收集器，這是因?yàn)椴⒉皇撬械臏y(cè)量同時(shí)進(jìn)行， 這會(huì)導(dǎo)致不同的入口和不同測(cè)量場(chǎng)合的地下水溫度。關(guān)于熱阻，我們注意到BH6具有全部 收集器的最低值(例如在上升流為1. 8m3/h時(shí)，BH6具有大約0. 16K/ (ff/m)，而BH2有大約0. 18，BH4有大約0. 23，BH5有大約0. 22)，除了一個(gè)測(cè)量值，此時(shí)BH5最好。因此，這在一方 面上意味著本發(fā)明的單管收集器顯示了最好的特性。壓差的結(jié)果可見于如下的表2中。表2 總之，結(jié)果暗示出管尺寸有重要影響，間隔器(BH5中的收集器)很可能不會(huì)有助 于增加熱傳輸，而且管內(nèi)側(cè)的表面結(jié)構(gòu)改善了收集器的特性。我們發(fā)現(xiàn)，除了 BH6，其他計(jì)算 的壓差比實(shí)驗(yàn)數(shù)值稍小。這要?dú)w結(jié)于如肘型件、彎曲件、收集器底部這樣的附件沒有在計(jì)算 中考慮。我們發(fā)現(xiàn)，BH6的計(jì)算數(shù)值高于實(shí)驗(yàn)數(shù)值，這意外地顯示出本發(fā)明的在內(nèi)表面有凹 槽和/或隆起形的表面結(jié)構(gòu)的單管收集器中的實(shí)際壓差事實(shí)上較低。BH6具有所有收集器 的最低壓差，所述的所有收集器包括具有相同尺寸的普通U型管收集器BH4和BH5。這是不 可思議的。壓差分析表明BH6是最好的選擇，因?yàn)樗璧挠糜跓醾鬏斄黧w抽汲功率對(duì)于該 收集器來說將會(huì)稍小一些。
權(quán)利要求
一種用于熱泵設(shè)備的單管收集器，包括用于在熱泵系統(tǒng)中安裝的管(12)，在該管中熱傳輸液在閉合回路中循環(huán)，用于將從熱源吸收的熱量傳送到熱泵以及將熱傳輸液返回到熱源，其特征在于，管(12)的內(nèi)表面(14)具有不平坦的表面結(jié)構(gòu)，該表面結(jié)構(gòu)包括凹槽和/或隆起(16)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單管收集器，其特征在于，所述表面結(jié)構(gòu)為凹槽形式，其中所 述內(nèi)表面(14)具有如下的凹槽，該凹槽在基本上沿著管的縱向方向(L)延伸的內(nèi)表面(14) 中形成連續(xù)的凹槽(18)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單管收集器，其特征在于，從管(12)的橫截面上看，所述凹槽 (18)均勻地分布在管的內(nèi)圓周表面上。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的單管收集器，其特征在于，凹槽和/或隆起 (16)沿管的縱向方向(L)螺旋狀延伸。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單管收集器，其特征在于，螺旋形的方向沿管的縱向方向(L) 至少在某些部分改變。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單管收集器，其特征在于，螺旋形的方向沿管的縱向方向(L) 至少每?jī)擅赘淖儭?br> 7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的單管收集器，其特征在于，凹槽和/或隆起 (16)在0. 2-5mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0. 2_2mm。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的單管收集器，其特征在于，連續(xù)的管(12)沿著 管的整體縱向方向(L)具有基本相似的橫截面積。
9.一種熱泵系統(tǒng)，其特征在于，包括權(quán)利要求1-8中任意一項(xiàng)所述的單管收集器。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于熱泵設(shè)備的單管收集器。所述收集器包括用于在熱泵系統(tǒng)中安裝的管(12)，在該管中熱傳輸液在閉合回路中循環(huán)，用于將從熱源吸收的熱量傳送到熱泵以及將熱傳輸液返回到熱源。管的內(nèi)表面(14)具有不平坦的表面結(jié)構(gòu)，該表面結(jié)構(gòu)包括凹槽和/或隆起(16)。本發(fā)明還涉及具有所述收集器的熱泵系統(tǒng)。
文檔編號(hào)F24J3/08GK101849146SQ200880110370
公開日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2008年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月5日
發(fā)明者卡里·奧賈拉, 尤哈·奧賈拉, 海莫·奧賈拉, 米卡·奧賈拉 申請(qǐng)人:穆奧維技術(shù)公司