一种具有绝热构造的多腔绝热导流管及其制备方法与流程

1.本发明涉及绝热导流相关技术领域，具体涉及一种具有绝热构造的多腔绝热导流管及其制备方法。


背景技术：

2.目前常规地热能利用一般均采用热泵系统，分为以下主要方式：1、地表水源利用，以利用地表水为冷热源的地表水热泵系统；2、土壤源利用，以利用土壤蓄能作为冷热源的土壤源热泵系统；3、浅层地能利用，以利用浅层地下水为冷热源的水源热泵系统。这三种技术形式基本上都是浅层或表层地能利用，并结合热泵技术形成新能源利用系统。
3.现有的常规地热能利用存在以下缺点：1、利用存在于地壳表面、暴露于大气的水，如江水、河水、湖水、水库水等，对于利用地点约束较大；抽取热水，排入冷水会导致局部水体温度上升或下降，对特定区域的水体温度场分布产生影响，进而对水环境造成一定的污染。存在于地表的水热资源其温度相对较低，加上传统导流管具有较大的热损失，所以地表水源系统热利用值较低，需要其他能源辅助工作。2、浅层的土壤热能温度低，为提供定量的热能，需要大面积埋设管线；土壤源热泵占地面积大，工程量大，投资大效益低；采热过程会导致地域热不平衡问题；浅层土壤温度相对较低，加上传统导流管具有较大的热损失，所以地表水源系统热利用值较低，需要其他能源辅助工作。3、受地下热资源的限制，应用受限；大部分采用了抽出、提取、回灌方式，是一个地下水源利用的开放系统，利用率不高，且会带来地下水氧化问题，影响地下生态环境，容易造成地下水资源的污染；由于无法实现地下水完全回灌，采水量大于回灌量，造成地面沉降等问题；浅层地下水温度无法满足生活热水要求，加上传统导流管具有较大的热损失，所以地表水源系统热利用值较低，需要其他能源辅助工作。
4.另外，现有的地热能利用系统所用地埋管按材质主要分为两种：一种为聚乙烯(pe)管材，另外一种为钢管；管线分为直接取水构造和密闭管材构件专用导热液体闭合循环构造。现有的地热能利用系统将地下热水直接抽取，在地面换热器内换热，提取能源后的余水回灌。使用密闭管材构件，在构件中注入专用导热液体，通过液体在管材内的循环，将地热能带至地面换热器内换热，提取能源后的导热液体回流至地下，闭合循环。一般的密闭管材构件的双腔体地埋管只设有提取管和回流管，管材起到的作用只是导热液体密闭循环，不直接抽取地下水，管材本身不具备保温性能，为减少热能流失，会在管材外侧包裹柔性保温材料。一般的密闭管材构件保温材料使用岩棉、玻璃棉、橡塑海绵等，在管材外侧将密闭管材构件包裹，这些保温材料的导热系数λ在0.034
‑
0.040w/(m
·
k)之间，导热系数相对较大。若有受压需求，需要在保温层外侧增设抗压构造层。一般只会将冻土层中的管道进行保温包裹，但实际上地热是从深到浅逐渐降温，深层地热到冻土层以下的提升过程中，热损失一直在持续。


技术实现要素：

5.本发明为了解决上述技术问题中的一种或几种，提供了一种具有绝热构造的多腔绝热导流管及其制备方法。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种具有绝热构造的多腔绝热导流管，包括外管和内管，所述外管的底部为密封结构，所述内管的顶部以及底部均为敞口结构；所述内管与所述外管之间形成第一腔体，所述内管中部具有轴向贯通的第二腔体，所述内管套设在所述外管内，所述内管的底部与所述外管的底部之间预留有连通区域，所述第一腔体通过所述连通区域与所述第二腔体连通；所述内管的内侧壁与外侧壁之间形成第三腔体，所述第三腔体为真空腔，所述第三腔体内密封有保温材料。
7.本发明的有益效果是：本发明采用三层腔室构造，利用内管和外管之间的第一腔体作为采热腔体，内管自身带有的第三腔体作为绝热腔体，内管中心的第二腔体作为热输送腔，绝热腔体在整体导流管的中间位置，位于采热腔体和热输送腔之间，绝热腔体自身为独立封闭构造，与其他两个腔没有任何连通，利用绝热腔体可以很好的隔绝采热腔体和热输送腔之间的热量传递。本发明的多腔绝热导流管能够用于中深层地热能利用系统，实现占地面积小、地热能低损耗、对生态环境零影响的综合利用效果，且无需使用高品位能源进行补热，就能达到建筑及农业的采暖需求，对地热能达到最大利用效率。
8.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
9.进一步，所述第三腔体内密封的保温材料包括气凝胶颗粒或/和超细玻璃纤维。
10.采用上述进一步方案的有益效果是：采用气凝胶颗粒作为保温材料，气凝胶颗粒在真空状态下，其导热系数λ会从0.014w/(m
·
k)降低到0.004w/(m
·
k)，具有很好的保温效果。
11.进一步，所述第三腔体为环形腔。
12.采用上述进一步方案的有益效果是：可以将第一腔体和第二腔体进行隔热。
13.进一步，所述第一腔体为环形腔。
14.采用上述进一步方案的有益效果是：利用通过连通区域连通的第一腔体和第二腔体，形成类u型的循环流道，可以在一根导流管内进行不同温度流体的循环导流。
15.进一步，所述内管的顶部从所述外管的顶部伸出，所述外管的顶部与所述内管的外侧壁密封连接，所述外管的顶部侧壁上开设有回水口，所述内管的顶部敞口为出水口。
16.采用上述进一步方案的有益效果是：将内管和外管有效连接在一起，回水口和出水口分别用于连接换热器，整体结构紧凑可靠。
17.进一步，所述第一腔体内设有隔热支撑圈，所述隔热支撑圈套设在所述内管的外侧壁上，所述隔热支撑圈分别与所述内管的外侧壁以及所述外管的内侧壁抵接。
18.采用上述进一步方案的有益效果是：为保证作为采热腔体的第一腔体的尺寸，可以在内管与外管之间的第一腔体内设置隔热支撑圈，隔热支撑圈可以设置多个，多个隔热支撑圈沿导流管的轴向间隔排布，隔热支撑圈的材料使用具有一定力学性能和导热系数较低的材料，尽可能避免热传递。
19.进一步，所述隔热支撑圈包括圈本体以及支撑脚，所述圈本体套设在所述内管的外侧壁上，所述圈本体的外环侧壁上一体连接有多个支撑脚，多个所述支撑脚沿所述圈本体的周向间隔排布，所述支撑脚与所述外管的内侧壁抵接。
20.采用上述进一步方案的有益效果是：利用圈本体和支撑脚配合形成的隔热支撑圈，保证支撑强度的同时，尽量少占用第一腔体内的流通空间。
21.一种上述具有绝热构造的多腔绝热导流管的制备方法，包括以下步骤：将两根钢管套设在一起形成双层钢管，将双层钢管的一端焊接密封，双层钢管之间的腔体为第三腔体；将保温材料填入到所述第三腔体内，然后将双层钢管的另一端边焊接边抽真空，焊接完成后，形成具有密封真空腔的内管；将内管套设在外管内，并使内管的底部与外管的底部之间预留有连通区域。
22.本发明的有益效果是：本发明的制备方法，采用两根钢管套设在一起形成双层钢管，方便密封且结构强度稳定。边焊接边对双层钢管抽真空，保证第三腔体的真空度满足绝热需求。
23.进一步，将内管套设在外管内之前，先将隔热支撑圈套设在内管的外侧壁上，然后再将内管整体插入到外管内。
24.采用上述进一步方案的有益效果是：先将隔热支撑圈套设在内管外侧壁上，方便隔热支撑圈的安装，也有利于后续内管装配入外管。
25.进一步，将保温材料填入到所述第三腔体内，具体为，将气凝胶颗粒压制成圆环形状的保温材料，再将圆环形状的保温材料装入第三腔体内。
26.采用上述进一步方案的有益效果是：先将气凝胶颗粒压制成圆环形状，有利于填充第三腔体，保温效果好，也方便后续的抽真空操作。
附图说明
27.图1为本发明多腔绝热导流管轴向剖面的整体结构示意图；
28.图2为本发明多腔绝热导流管轴向剖面的局部放大结构示意图；
29.图3为本发明多腔绝热导流管径向剖面的结构示意图；
30.图4为本发明隔热支撑圈的结构示意图。
31.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
32.1、外管；11、回水口；
33.2、内管；21、钢管；22、出水口；
34.3、第一腔体；4、第二腔体；5、第三腔体；6、连通区域；
35.7、隔热支撑圈；71、圈本体；72、支撑杆；73、支撑板；74、半圆环；75、螺栓；
36.8、保温材料；
37.9、换热器；10、自然地面；101、浅层地热区；102、中深层地热区。
具体实施方式
38.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。
39.实施例1
40.如图1～图3所示，本实施例的一种具有绝热构造的多腔绝热导流管，包括外管1和内管2，所述外管1的底部为密封结构，所述内管2的顶部以及底部均为敞口结构；所述内管2与所述外管1之间形成第一腔体3，所述内管2中部具有轴向贯通的第二腔体4，所述内管2套
设在所述外管1内，所述内管2的底部与所述外管1的底部之间预留有连通区域6，所述第一腔体3通过所述连通区域6与所述第二腔体4连通；所述内管2的内侧壁与外侧壁之间形成第三腔体5，所述第三腔体5为真空腔，所述第三腔体5内密封有保温材料8。
41.其中，所述第三腔体5内密封的保温材料8为气凝胶颗粒。采用气凝胶颗粒作为保温材料，气凝胶颗粒的导热系数λ为0.014w/(m
·
k)。第三腔体5为独立密封构造，通过抽真空处理，形成带有气凝胶颗粒保温层的真空腔，气凝胶颗粒在真空状态下，其导热系数λ会从0.014w/(m
·
k)降低到0.004w/(m
·
k)，具有很好的保温效果。由于保温材料8填充在整个第三腔体5内，且位于整个多腔绝热导流管的中间位置，所以保温的深度基本与整体管材相同，保温连贯且为整个内管全保温，而不是只有在冻土层中设置，大大降低了地热从深到浅的热损失。
42.如图1～图3所示，本实施例的所述第三腔体5为环形腔。采用环形的第三腔体可以将第一腔体和第二腔体进行隔热。
43.如图1～图3所示，本实施例的所述第一腔体3为环形腔。利用连通区域连通的第一腔体和第二腔体，形成类u型的循环流道，可以在一根导流管内进行不同温度流体的循环导流。
44.如图1所示，本实施例的所述内管2的顶部从所述外管1的顶部伸出，所述外管1的顶部与所述内管2的外侧壁密封连接，所述外管1的顶部侧壁上开设有回水口11，所述内管2的顶部敞口为出水口22。将内管2和外管1有效连接在一起，回水口11和出水口22分别用于连接换热器9，整体结构紧凑可靠。
45.如图3和图4所示，本实施例的所述第一腔体3内设有隔热支撑圈7，所述隔热支撑圈7套设在所述内管2的外侧壁上，所述隔热支撑圈7分别与所述内管2的外侧壁以及所述外管1的内侧壁抵接。为保证作为采热腔体的第一腔体的尺寸，可以在内管与外管之间的第一腔体内设置隔热支撑圈，隔热支撑圈可以设置多个，多个隔热支撑圈沿导流管的轴向间隔排布，隔热支撑圈的材料使用具有一定力学性能和导热系数较低的材料，尽可能避免热传递。
46.如图3和图4所示，本实施例的所述隔热支撑圈7包括圈本体71以及支撑脚，所述圈本体71套设在所述内管2的外侧壁上，所述圈本体71的外环侧壁上一体连接有多个支撑脚，多个所述支撑脚沿所述圈本体71的周向间隔排布，所述支撑脚与所述外管1的内侧壁抵接。利用圈本体和支撑脚配合形成的隔热支撑圈，保证支撑强度的同时，尽量少占用第一腔体内的流通空间。
47.本实施例关于隔热支撑圈7的一个具体方案为，如图4所示，本实施例的圈本体71包括两个半圆环74，可以将两个半圆环74对接后形成一个完整的圆环形的圈本体71，可以在两个半圆环74上分别设置一个完整的支撑脚，也可以在半圆环的两端分别设置半个支撑脚，当两个半圆环74对接后，两个半圆环74两端的半个支撑脚相互对接，再通过螺栓75连接形成一个完整的支撑脚。采用两个半圆环74连接形成圈本体71，方便将圈本体71套设在内管2和外管之间。
48.本实施例关于支撑脚的一个具体方案为，支撑脚包括支撑杆72和支撑板73，支撑杆72沿径向固定在所述圈本体71的外侧壁上，然后再将支撑板73固定在支撑杆72的自由端。支撑板73可以采用弧形板，并与外管的内侧壁相适配。
49.本实施例所有管材均采用高强度钢材，在潮湿环境下具有良好的耐腐蚀性能。
50.如图1和图2所示，将具有绝热构造的多腔绝热导流管埋入自然地面10以下，使多腔绝热导流管穿过浅层地热区101(自然地面10以下200m以内，温度低于25℃)，伸入到中深层地热区102(自然地面10以下3000m以内，温度高于25℃)。将外管1的回水口11与换热器9的出水口连通，将内管2的出水口22与换热器9的进水口连通，使换热器9内的水经过第一腔体3进入到外管1底部的连通区域6，再经过连通区域6从内管2底部进入到第二腔体4，经过地热加热的水沿内管2的第二腔体4进入换热器9。
51.本实施例的具有绝热构造的多腔绝热导流管采用三层腔室构造，利用内管和外管之间的第一腔体作为采热腔体，内管自身带有的第三腔体作为绝热腔体，内管中心的第二腔体作为热输送腔，绝热腔体在整体导流管的中间位置，位于采热腔体和热输送腔之间，绝热腔体自身为独立封闭构造，与其他两个腔没有任何连通，利用绝热腔体可以很好的隔绝采热腔体和热输送腔之间的热量传递。本实施例的具有绝热构造的多腔绝热导流管集采热、保温、热传输为一体，只需要将成品的导流管直接沿钻孔埋入至中深层地热区域，并与换热器连接，即完成连接，具有高度集成性。
52.本实施例的多腔绝热导流管能够用于中深层地热能利用系统，实现占地面积小、地热能低损耗、对生态环境零影响的综合利用效果，且无需使用高品位能源进行补热，就能达到建筑及农业的采暖需求，对地热能达到最大利用效率。
53.实施例2
54.一种实施例1中所述的具有绝热构造的多腔绝热导流管的制备方法，包括以下步骤：将两根钢管21套设在一起形成双层钢管，将双层钢管的一端焊接密封，双层钢管之间的腔体为第三腔体5；将保温材料8填入到所述第三腔体5内，然后将双层钢管的另一端边焊接边抽真空，焊接完成后，形成具有密封真空腔的内管2；将内管2套设在外管1内，并使内管2的底部与外管1的底部之间预留有连通区域6。
55.具体的，双层钢管的一端使用同样材质的钢板，通过激光焊接使工件熔化，形成特定的熔池，进而形成底部密封的第二腔体。
56.其中，边焊接边抽真空具体为，使用抽真空设备进行多级抽真空处理，最后焊接密封，制成的内管热损失量可由50％降低到5％。
57.将内管2套设在外管1内之前，先将隔热支撑圈7套设在内管2的外侧壁上，然后再将内管2整体插入到外管1内。先将隔热支撑圈套设在内管外侧壁上，方便隔热支撑圈的安装，也有利于后续内管装配入外管。
58.将保温材料8填入到所述第三腔体5内，具体为，将气凝胶颗粒压制成轴向长度为300
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500mm的圆环形状的保温材料8，再将圆环形状的保温材料8装入第三腔体5内。先将气凝胶颗粒压制成圆环形状，有利于填充第三腔体，保温效果好，也方便后续的抽真空操作。
59.本实施例的制备方法，采用两根钢管套设在一起形成双层钢管，方便密封且结构强度稳定。边焊接边对双层钢管抽真空，保证第三腔体的真空度满足绝热需求。
60.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
61.此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
62.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
63.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
64.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
65.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。