一种套管式换热器的取-补热切换装置

技术领域

本发明涉及一种换热器控制切换装置，尤其是一种套管式换热器的取-补热切换装置，属于中深层地源热泵供暖技术领域。

背景技术

中深层地源热泵作为一种清洁、高效、低碳的绿色供暖方式，成为了供暖改造的重要选择。该技术通过套管式换热器提取地下热能，深度1500～3500m，热源稳定，井底温度可达80℃。套管式换热器置于钻孔内，取热工况下，流体从外管环腔进入，内管流出，通过取热不取水的闭式循环提取热能，可有效保护地下水。

但是随着运行年限的增加，岩土体会出现热衰减现象，即热源井周围岩土储存的热量逐年减少，岩土温度降低，导致套管式换热器的进出水平均温度降低或取热量下降，降低系统的长期运行能效。现有工程大多没有采取补热措施，造成系统长期运行面临能效下降甚至失效的风险。因此，为维持地下岩土的温度，有必要在非供暖期进行补热，以促进岩土体的热恢复。

系统可采用夏季制冷机组冷凝器侧废热作为补热热源，实现废热利用与节能，补热与取热工况的流向通常相反：在取热工况下，套管式换热器流体为外进内出，而补热工况为内进外出。制冷机组冷凝器侧出水温度大多高于35℃，而深层岩土温度一般高于35℃，因此仅能在地埋管换热器上半部分将热量释放到岩土体中。而目前流体的流向与路径切换通常设置多组阀门和管道来实现，管路系统会非常复杂，调节繁琐，成本高，且可靠性低。因此，亟需对新的取-补热切换方式进行研究，找到一种简单可靠、经济可行的方式，提升中深层地源热泵系统的长期运行效率。

发明内容

为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种套管式换热器的取-补热切换装置，它通过换向阀和可移动式单向阀的设置，能够实现取热和补热工况不同流向和流动路径的切换，促进岩土体热恢复，提高长期运行能效，增强系统可靠性，提高经济性。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种套管式换热器的取-补热切换装置，包括换向阀、内管与换向阀连接管、可移动式单向阀、换热器内管、换热器外套管、外套管与换向阀连接管、换向阀与机组进口连接管、换向阀与机组出口连接管以及循环泵，所述换热器外套管上下两端均封闭设置并深入热源井内，所述换热器内管同轴布置在换热器外套管内，其上端伸出换热器外套管，下端与换热器外套管之间留有间隔，所述可移动式单向阀包括热循环孔、内管薄壁段、活动阀芯、阀轴、单向闸板及限位环，换热器内管中间位置外径不变而内径增大使其壁厚减小形成所述内管薄壁段，所述热循环孔的开口数量若干并竖向间隔开设在内管薄壁段上半部，所述活动阀芯为圆管结构能够上下移动的贴合设置于内管薄壁段内部控制热循环孔是否封闭，所述阀轴横向设置在活动阀芯内部，所述单向闸板为两瓣半圆形板铰接在阀轴两侧，所述限位环设置在活动阀芯内壁上并位于单向闸板底部限制其向下翻转，所述换向阀与机组进口连接管和所述换向阀与机组出口连接管与制冷机组冷凝器侧或热泵机组蒸发器侧连接，所述内管与换向阀连接管与换热器内管上端连通设置，所述外套管与换向阀连接管与换热器外套管位于热源井外侧的管壁连通设置，所述换向阀连接在内管与换向阀连接管、外套管与换向阀连接管、换向阀与机组进口连接管和换向阀与机组出口连接管之间能够切换流体在换热器内管和换热器外套管之间的流向，所述循环泵设置在换向阀与机组出口连接管中间段驱动流体循环。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、便捷可靠：通过本发明装置实现取热和补热工况不同流向和流动路径的切换，相比于传统采用多组阀门和管道进行切换，系统更简洁，控制和调节更方便，系统可靠性更高；

2、高能效：通过本发明装置将制冷机组冷凝器侧废热注入套管式换热器，可以有效利用废热，并能够促进岩土体热恢复，系统能效更高，延长系统使用寿命；

3、经济性：采用本发明装置可以显著提高中深层地源热泵系统的经济性。

附图说明

图1是本发明套管式换热器的取-补热切换装置的补热工况原理图；

图2是本发明套管式换热器的取-补热切换装置的取热工况原理图；

图3是本发明的换向阀的结构示意图；

图4是本发明的可移动式单向阀在图1中的A-A剖视图；

图5是本发明的可移动式单向阀在图2中的B-B剖视图。

图中：1换向阀、1.1阀体外壳、1.2切换闸板、1.3阀杆、1.4手柄、2内管与换向阀连接管、3可移动式单向阀、3.1热循环孔、3.2内管薄壁段、3.3活动阀芯、3.4阀轴、3.5单向闸板、3.6限位环、4换热器内管、5换热器外套管、6外套管与换向阀连接管、7换向阀与机组进口连接管、8换向阀与机组出口连接管、9循环泵。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～图5所示，一种套管式换热器的取-补热切换装置，包括换向阀1、内管与换向阀连接管2、可移动式单向阀3、换热器内管4、换热器外套管5、外套管与换向阀连接管6、换向阀与机组进口连接管7、换向阀与机组出口连接管8以及循环泵9。

结合图1～图3所示，所述换向阀1包括阀体外壳1.1、切换闸板1.2、阀杆1.3及手柄1.4。所述阀体外壳1.1内部为圆柱状空腔，其外侧壁环向均匀设置四个管口并分别通过法兰连接内管与换向阀连接管2、外套管与换向阀连接管6、换向阀与机组进口连接管7和换向阀与机组出口连接管8，阀体外壳1.1采用不锈钢材质，尺寸根据流量和压力确定，四个管口口径与对应的连接管一致。所述切换闸板1.2为矩形板并设置于阀体外壳1.1内部中心位置，切换闸板1.2同样采用不锈钢材质，长度等于阀体外壳1.1的内径，宽度等于阀体外壳1.1的内高度，厚度根据流体压力确定，保证切换闸板1.2能够将阀体外壳1.1的圆柱状空腔分隔为密闭不连通的两部分。所述阀杆1.3与阀体外壳1.1顶部同轴旋转密封连接并与切换闸板1.2连接固定，切换闸板1.2能够以阀杆1.3为轴心旋转，通过阀杆1.3控制切换闸板1.2的旋转能够切换流体在换热器内管4和换热器外套管5之间的流向。所述手柄1.4固定在阀杆1.3端部可以通过手动旋转控制切换闸板1.2进行转动，当然，也可以采用电动控制机构替换手柄1.4通过电动旋转控制切换闸板1.2进行转动，从而实现角度调节和流向切换；

结合图1～图2所示，所述内管与换向阀连接管2一端与换热器内管4上端连通设置，内管与换向阀连接管2另一端与换向阀1对应的管口通过法兰连接；

结合图1～图2和图4～图5所示，所述可移动式单向阀3包括热循环孔3.1、内管薄壁段3.2、活动阀芯3.3、阀轴3.4、单向闸板3.5及限位环3.6。换热器内管4中间位置外径不变而内径增大使其壁厚减小为原来的1/2形成所述内管薄壁段3.2，所述内管薄壁段3.2上端距离热源井井口为热源井深度的1/2，内管薄壁段3.2高度为0.4～1.0m。所述热循环孔3.1的开口数量若干并竖向间隔开设在内管薄壁段3.2上半部区域，热循环孔3.1的总开口面积等于换热器内管4的截面积。所述活动阀芯3.3为圆管结构设置于内管薄壁段3.2内部，活动阀芯3.3选择为PE材质，活动阀芯3.3高度为内管薄壁段3.2高度的一半，活动阀芯3.3内径比换热器内管4内径小2～3mm，活动阀芯3.3外径比内管薄壁段3.2内径小0.5mm，保证活动阀芯3.3与内管薄壁段3.2贴合并能够上下移动。所述阀轴3.4横向设置在活动阀芯3.3内部中央用于单向闸板3.5的安装。所述单向闸板3.5为两瓣半圆形板并铰接在阀轴3.4两侧，能够分别以阀轴3.4为轴心向上翻转90°。所述限位环3.6设置在活动阀芯3.3内壁上并位于单向闸板3.5底部，限制单向闸板3.5向下翻转。换热器内管4内的流体在供暖期即取热工况下自下而上流动，可移动式单向阀3的活动阀芯3.3在流体压力和浮力作用下移动至内管薄壁段3.2上端，此时单向闸板3.5开启，热循环孔3.1被活动阀芯3.3封闭。而换热器内管4内的流体在热恢复期即补热工况下自上而下流动，可移动式单向阀3的活动阀芯3.3在流体压力作用下移动至内管薄壁段3.2下端，此时单向闸板3.5关闭，热循环孔3.1未被活动阀芯3.3封闭，流体经由热循环孔3.1进入换热器内管4和换热器外套管5之间的环腔内；

结合图1～图2所示，所述换热器内管4同轴布置在换热器外套管5内，换热器内管4上端伸出换热器外套管5，换热器内管4下端与换热器外套管5之间留有间隔；

结合图1～图2所示，所述换热器外套管5下端封闭设置并深入热源井内，换热器外套管5上端封闭设置对换热器内管4连接固定；

结合图1～图2所示，所述外套管与换向阀连接管6一端与换热器外套管5位于热源井外侧的管壁连通设置，外套管与换向阀连接管6另一端与换向阀1对应的管口通过法兰连接；

结合图1～图2所示，所述换向阀与机组进口连接管7和所述换向阀与机组出口连接管8一端分别与换向阀1对应的管口通过法兰连接，换向阀与机组进口连接管7和换向阀与机组出口连接管8另一端在补热工况下与制冷机组冷凝器侧连接，在取热工况下与热泵机组蒸发器侧连接；

结合图1～图2所示，所述循环泵9设置在换向阀与机组出口连接管8中间段用于驱动热源侧的流体循环。

本发明的具体原理如下：

通过转动换向阀1上的手柄1.4能够调节切换闸板1.2的角度，改变内管与换向阀连接管2、外套管与换向阀连接管6、换向阀与机组进口连接管7和换向阀与机组出口连接管8之间的连通状态，同时改变可移动式单向阀3的启闭状态，从而改变流动路径和方向。

系统采用制冷机组冷凝器侧的废热作为补热热源，由于制冷机组冷凝器侧热水大多高于35℃，而深层岩土的温度通常高于35℃，如果热水从换热器内管4底端进入环腔，则会导致热水的热量无法释放到地下岩土，而本发明在换热器内管4中部设置热循环孔3.1，使流体仅在浅层循环，将热量释放到浅层岩土中，实现岩土体的补热。

在补热工况下，切换闸板1.2的角度如图1所示，流体流动路径如箭头所示：在循环泵9的驱动下，来自制冷机组冷凝器侧的热水依次经过换向阀与机组出口连接管8、换向阀1、内管与换向阀连接管2注入换热器内管4，换热器内管4内的流体向下流动，可移动式单向阀3的活动阀芯3.3在流体压力的作用下移动至内管薄壁段3.2下端，热循环孔3.1开启，单向闸板3.5的两瓣半圆形板在重力和压力作用以阀轴3.4为轴心旋转下落至限位环3.6处，单向闸板3.5处于关闭状态，换热器内管4内的流体经由热循环孔3.1返回至环腔，在向上流动过程中将热量释放到周围岩土，然后再依次流经外套管与换向阀连接管6、换向阀1、换向阀与机组进口连接管7返回冷机组冷凝器侧，期间热源井下半部的流体不参与循环，深层岩土温度高，待其自然恢复即可，这样形成一个上半部的补热循环促进地下岩土体的温度恢复。

在取热工况下，通过转动手柄1.4使切换闸板1.2旋转90°，切换闸板1.2的角度如图2所示，流体流动路径如箭头所示：在循环泵9的驱动下，来自热泵机组蒸发器侧的冷流体依次经过换向阀与机组出口连接管8、换向阀1、外套管与换向阀连接管6注入换热器外套管5，换热器外套管5内的流体向下流动，并提取周围岩土的热量而温度升高，之后从底部进入换热器内管4，换热器内管4中的流体自下而上流动，可移动式单向阀3的活动阀芯3.3在流体压力和浮力作用下移动至内管薄壁段3.2上端，热循环孔3.1被封闭，单向闸板3.5的两瓣半圆形板在流体压力作用下以阀轴3.4为轴心向上翻转开启，换热器内管4的流体再依次流经内管与换向阀连接管2、换向阀1、换向阀与机组进口连接管7返回热泵机组蒸发器侧，从而形成一个取热循环在供暖期提取地下热能。

综上，仅通过换向阀1内切换闸板1.2的角度切换即可实现流体流向和路径的改变，从而切换取热和补热工况，主要应用于中深层地源热泵的岩土体的取-补热工况切换，系统简洁，操作便捷，可靠性更高。同时，在非供暖期将利用废热进行补热，促进了地下岩土的热恢复，保证了系统长期运行能效。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。