一种拓扑优化结构地埋管换热器
阅读说明：本技术 一种拓扑优化结构地埋管换热器 (Buried pipe heat exchanger with topology optimization structure ) 是由 张玉瑾 张连连 王雪锦 李娟娟 孙勇 马宏雷 李联友 王玉坤 田亚男 任佳艺 于 2020-12-07 设计创作，主要内容包括：本发明属于地埋管换热器技术领域,尤其是一种拓扑优化结构地埋管换热器,针对地埋管换热器在施工埋管时,需要钻孔施工,而且多个地埋式换热器单体之间相连通时不够便捷,施工成本较高和目前的地埋管的换热低的技术问题,现提出以下方案,包括至少两个地埋循环器以及用于连接两个地埋循环器的连通件。本发明提出的一种拓扑优化结构地埋管换热器在施工埋管时,无需额外钻孔施工,而且还能保证其与土层的接触效果,可降低施工成本,可进一步提高其内部的换热介质与土层之间的热传导面积,从而具有更高的换热速率,而且能够使多个地埋式换热器单体之间的连通工作更加快捷。(The invention belongs to the technical field of buried pipe heat exchangers, in particular to a buried pipe heat exchanger with a topology optimization structure, which aims at the technical problems that the buried pipe heat exchanger needs drilling construction when a buried pipe is constructed, a plurality of buried pipe heat exchanger monomers are not convenient and fast to communicate, the construction cost is higher and the heat exchange of the existing buried pipe is low. When the buried pipe heat exchanger with the topological optimization structure is used for construction of buried pipes, extra drilling construction is not needed, the contact effect of the buried pipe heat exchanger and a soil layer can be guaranteed, the construction cost can be reduced, the heat conduction area between a heat exchange medium in the buried pipe heat exchanger and the soil layer can be further increased, the heat exchange rate is higher, and the communication work among a plurality of buried heat exchanger units can be faster.)
技术领域
本发明涉及地埋管换热器技术领域，尤其涉及一种拓扑优化结构地埋管换热器。
背景技术
地埋管换热器是利用地下土壤具有温度较为稳定的特性，通过深埋于建筑物周围土壤中的管路系统与土壤之间进行热交换的装置。土壤中的管路系统与建筑物内的管路系统内分别通有循环流体，在冬天，土壤作为热源，循环流体吸收土壤中的热量，通过热泵机组提供给建筑物进行供暖；在夏天，土壤作为冷源，循环流体吸收建筑物内的热量，通过热泵机组向土壤排放。与传统的燃煤、燃气供暖方式和空调制冷方式相比，地埋管换热器仅需要消耗少量的电能，即可达到相同的供暖或制冷效果，运行费用低，且不产生任何有害物质，节能环保。
目前，在已有的地源热泵换热器的研究中，地埋管主要采用五种形式：单U型、W型、并联双U型、并联三U型和螺旋型。参照中国专利申请公开说明书CN104807253A中公开的“地埋管连接件、地埋管换热器及换热系统”，和中国专利申请公开说明书CN 104819601B中公开的“地埋管连接件、地埋管换热器及换热系统”，可知，上述两种地埋管换热器的都是将两条管道埋入土地中，并利用连接两根地埋管底部的U形端头构成回路，以实现导热介质的循环功能，需要两条管道才能实现导热介质的循环能力，所以在施工埋管时，需要钻孔施工，施工成本较高，而且多个地埋式换热器单体之间相连通时的操作不够便捷。
参照中国专利申请公开说明书CN110455099A中公开的“一种桩基埋管地源热泵套管式换热器”，其外管采用导热系数较大的经防腐防锈处理的无缝钢管，强化了换热器与桩基之间的换热，外层内管与里层内管采用导热系数较小的PVC管，外层内管与里层内管之间填充绝热材料，减弱了内、外层循环流体之间的热短路，进一步提升了换热器的换热性能；换热器外管下部与底座采用螺纹连接，可以有效地承担换热器底部的超高压力，换热器布置在建筑物桩基内，节省了普通地源热泵所需的钻孔时间和费用。但是其结构简单，相对同等单位体积的地埋式换热器来说，其内部的换热介质与土层之间的热传导面积较小，换热速率低。
发明内容
基于地埋管换热器在施工埋管时，需要钻孔施工，而且多个地埋式换热器单体之间相连通时不够便捷，施工成本较高，和目前的地埋管的换热低的技术问题，本发明提出了一种拓扑优化结构地埋管换热器。其优点在于在施工埋管时，无需额外钻孔施工，而且还能保证其与土层的接触效果，可降低施工成本，可进一步提高其内部的换热介质与土层之间的热传导面积，从而具有更高的换热速率，而且能够使多个地埋式换热器单体之间的连通工作更加快捷。
本发明提出的一种拓扑优化结构地埋管换热器，包括：至少两个地埋循环器以及用于连接两个地埋循环器的连通件；
所述地埋循环器包括金属外管，所述金属外管的底部固定连通有锥形端头，所述金属外管的外表面固定连接有呈辐射状分布的导热翅，所述金属外管的内壁固定套接有红铜管，所述红铜管的内部套设有内筒，所述红铜管的内壁固定连接有一组关于红铜管的圆心呈辐射状分布的S型导热片，每个所述S型导热片靠近红铜管的圆心的一端均与内筒的外表面固定连接，每两个相邻的S型导热片与红铜管的内侧壁和内筒的外表面之间形成回流腔，所述金属外管的顶端固定连通有回流罩，所述回流罩的内部设有掏料腔，所述掏料腔与回流腔相连通，所述内筒的顶端固定连通有集流管，所述集流管远离内筒的一端延伸至掏料腔的内部并贯穿回流罩的侧壁延伸至回流罩的外部，且集流管的外表面与回流罩的侧壁密封连接，所述回流罩的外部设有回流管，所述回流管的靠近回流罩的固定镶嵌于回流罩的侧壁并与掏料腔相连通；
所述集流管的内径值和回流管的内径值相同，所述集流管的外径值和回流管的外径值相同，所述连通件与集流管和回流管相适配，两个所述地埋循环器之间组合连通时，所述集流管和回流管之间通过连通件相连通。
优选地，所述连通件包括衔接块，所述衔接块的内部固定镶嵌有衔接筒，所述衔接筒的两端分别延伸至衔接块的左右两侧，所述衔接块的左右两侧面均固定连接有一组卡条，每组所述卡条均关于衔接筒的圆心呈辐射状分布，且每两个相邻的卡条与衔接筒的圆心的夹角值均相等，每个所述卡条靠近衔接筒的一侧面均固定连接有一组金属倒刺。
优选地，所述衔接筒两端的外表面均设置有一组凸环，且每组凸环的数量至少为两个。
优选地，所述衔接块的外表面开设有防滑纹，所述衔接块的外表面固定连接有两个辅助杆，且两个辅助杆关于衔接块相对称。
优选地，所述内筒包括支撑管、橡塑泡沫管和内流管，所述内流管套设于支撑管的内部，所述内流管固定套接于支撑管和橡塑泡沫管之间。
优选地，所述支撑管的材质为尼龙，所述橡塑泡沫管的材质为无规共聚聚丙烯。
优选地，所述锥形端头的内部设有单向阀，所述单向阀的输入端与内筒固定连通，所述单向阀的输出端与锥形端头的内腔相连通。
优选地，所述锥形端头、导热翅和回流罩均为金属材质，且金属外管的外表面、锥形端头的外表面和导热翅的外表面均设置有防锈涂层。
本发明中的有益效果为：
1、该拓扑优化结构地埋管换热器，通过锥形端头、导热翅和回流罩共同组成地埋循环器的外部支撑结构，该地埋循环器内外两层循环通路，可单独实现导热介质的循环能力，可利用振动锤等打桩装置直接将该地埋循环器打入较为柔软的土层中，在施工埋管时，无需额外钻孔施工，而且还能保证其与土层的接触效果，从而降低施工成本。
2、该拓扑优化结构地埋管换热器，通过金属外管、锥形端头、导热翅、以及金属外管内部红铜管、S型导热片、内筒内部的结构设计，并结合回流罩、集流管、回流管共同组成地埋循环器，该地埋循环器内外两层之间形成循环通路，可单独实现导热介质的循环能力，其中，通过金属外管的外表面固定连接的呈辐射状分布的导热翅，加大该地埋循环器与土层之间的导热接触面积，并通过及金属外管和内筒之间设置的红铜管和S型导热片，可进一步提高其内部的换热介质与土层之间的热传导面积，从而具有更高的换热速率。
3、该拓扑优化结构地埋管换热器，通过设置的连通件，多个地埋循环器单体之间组合连通时，其中一个地埋循环器单体的回流管可利用连通件与另一个地埋循环器单体的集流管实现快速连接，能够使多个地埋式换热器单体之间的连通工作更加快捷。
该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
附图说明
图1为本发明地埋循环器的立体结构示意图；
图2为本发明金属外管及其内部结构示意图；
图3为本发明金属外管的截面结构示意图；
图4为本发明中地埋循环器正视图的剖视结构示意图图；
图5为本发明连通件的立体结构示意图；
图6为本发明连通件正视图的剖视结构示意图。
图中：1、金属外管；2、锥形端头；3、导热翅；4、红铜管；5、S型导热片；6、内筒；61、支撑管；62、橡塑泡沫管；63、内流管；7、回流罩；8、集流管；9、回流管；10、连通件；101、衔接块；102、衔接筒；103、卡条；104、金属倒刺；105、凸环；106、辅助杆；11、单向阀；k、回流腔；r、掏料腔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。
参照图1-6，一种拓扑优化结构地埋管换热器，包括：至少两个地埋循环器以及用于连接两个地埋循环器的连通件10；
地埋循环器包括金属外管1，金属外管1的底部固定连通有锥形端头2，金属外管1的外表面固定连接有呈辐射状分布的导热翅3，金属外管1的内壁固定套接有红铜管4，红铜管4的内部套设有内筒6，内筒6包括支撑管61、橡塑泡沫管62和内流管63，内流管63套设于支撑管61的内部，内流管63固定套接于支撑管61和橡塑泡沫管62之间，支撑管61的材质为尼龙，橡塑泡沫管62的材质为无规共聚聚丙烯，能够保证内筒6的结构强度，并能够使内筒6的导热系数金科能小，以减少内筒6内的导热介质与内筒6外部的热传导速率，红铜管4的内壁固定连接有一组关于红铜管4的圆心呈辐射状分布的S型导热片5，每个S型导热片5靠近红铜管4的圆心的一端均与内筒6的外表面固定连接，每两个相邻的S型导热片5与红铜管4的内侧壁和内筒6的外表面之间形成回流腔k，当导热介质流经回流腔k时，能够提高导热介质与红铜管4、金属外管1、导热翅3和土层之间的热传导面积，提高导热介质与土层之间的换热效果，金属外管1的顶端固定连通有回流罩7，回流罩7的内部设有掏料腔r，掏料腔r与回流腔k相连通，内筒6的顶端固定连通有集流管8，集流管8远离内筒6的一端延伸至掏料腔r的内部并贯穿回流罩7的侧壁延伸至回流罩7的外部，且集流管8的外表面与回流罩7的侧壁密封连接，回流罩7的外部设有回流管9，回流管9的靠近回流罩7的固定镶嵌于回流罩7的侧壁并与掏料腔r相连通；
集流管8的内径值和回流管9的内径值相同，集流管8的外径值和回流管9的外径值相同，连通件10与集流管8和回流管9相适配，连通件10包括衔接块101，衔接块101的内部固定镶嵌有衔接筒102，衔接筒102两端的外表面均设置有一组凸环105，且每组凸环105的数量至少为两个，衔接筒102的两端分别延伸至衔接块101的左右两侧，衔接块101的左右两侧面均固定连接有一组卡条103，每组卡条103均关于衔接筒102的圆心呈辐射状分布，且每两个相邻的卡条103与衔接筒102的圆心的夹角值均相等，每个卡条103靠近衔接筒102的一侧面均固定连接有一组金属倒刺104，衔接块101的外表面开设有防滑纹，衔接块101的外表面固定连接有两个辅助杆106，且两个辅助杆106关于衔接块101相对称，当两个地埋循环器之间组合连通时，集流管8和回流管9之间通过连通件10相连通，操作时，衔接筒102的两端分别套进集流管8和回流管9的内部，然后握住集流管8和回流管9相向用力，直至衔接筒102的两端分别完全套进集流管8和回流管9的内部，两组卡条103分别位于集流管8和回流管9的外表面，并利用金属倒刺104对集流管8和回流管9起到限位作用，能够使多个地埋循环器单体之间快速连接。
进一步的，锥形端头2的内部设有单向阀11，单向阀11的输入端与内筒6固定连通，单向阀11的输出端与锥形端头2的内腔相连通。该方案用于避免导热介质倒流。
进一步的，锥形端头2、导热翅3和回流罩7均为金属材质，且金属外管1的外表面、锥形端头2的外表面和导热翅3的外表面均设置有防锈涂层，防锈涂层可选用防锈漆，目的在于实现金属外管1、锥形端头2和导热翅3的防锈目的，以提高该换热器的使用寿命。
本发明中，通过金属外管1、锥形端头2、导热翅3、以及金属外管1内部红铜管4、S型导热片5、内筒6内部的结构设计，并结合回流罩7、集流管8、回流管9共同组成地埋循环器，在进行埋管施工时，首先将土地上层的硬质土层刨去，然后利用振动锤等打桩装置安装于回流罩7的顶端，将该地埋循环器打入较为柔软的土层中，无需额外钻孔施工，而且还能保证其与土层的接触效果，从而降低施工成本，待多个地埋循环器打入地下之后，将其中一个地埋循环器单体的回流管9通过连通件10与另一个地埋循环器单体的集流管8相连通，使多个地埋循环器单体之间串联，然后把最首端地埋循环器单体的集流管8与热泵的输出端相连通，把最末端的地埋循环器单体的回流管9与建筑内换热器的输入端相连通，同时，热泵的输入端与建筑内换热器的输出端相连通，启动热泵，就能使导热介质在该地埋循环器的内部循环，在导热介质循环的过程中，利用热泵提供的压力，导热介质通过集流管8依次流经内筒6、单向阀11、锥形端头2、回流腔k、掏料腔r并通过回流管9流出，当导热介质流经回流腔k的过程中，通过金属外管1、导热翅3以及金属外管1内设置的红铜管4和S型导热片5，可进一步提高其内部的换热介质与土层之间的热传导面积，使导热介质快速吸收土层内的热量，实现高效的换热能力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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