U型地下换热管预置椭圆抑制热变形方法与流程

本发明属于地下蓄能和地源热泵利用技术领域，特别涉及低于0℃温度和大温差工况中地下换热管结构热变形的抑制问题。

背景技术：
地下换热管是地下蓄能和地源热泵系统中的关键部分，在低于0℃或0℃以上大温差工况中易出现地下换热管结构变形的问题。对于钻孔内U型地下换热管的非对称形式，进、出水换热管周围土壤温度形成非均匀分布状态，使两换热管间的土壤区域温度变化剧烈，在管体周围形成由温度引起的土壤非均膨胀力，挤压管体出现椭圆化变形，特别是低于0℃以下工况中将出现换热管冻胀变形的情况，具体表现为低于0℃以下工况中，换热管周围土壤中水分发生相变结晶，使土壤体积增大而出现冻胀现象，土壤挤压换热管体发生变形，使其流通面积减小、出现管土间隙甚至造成管体疲劳破坏，这些情况将制约地下换热器长期应用的可靠性。针对以上状况，目前采用高强度混凝土回填料实现换热结构强化以抑制管体热变形，但是其工程造价较高，制约其大规模应用。为此，本专利提出U型地下换热管预制椭圆控制热变形方法，实现对地下蓄能及地源热泵运行过程中换热管热变形特别是冻胀变形的抑制，保证地下蓄能及地源热泵系统长期运行的安全性及安装施工的经济性。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种抑制U型地下换热管热变形的方法，利用换热管预制椭圆态增加管体结构刚度，实现抑制换热管热变形的发展，特别是由土壤冻胀引起的换热管挤压变形的发展。本发明通过以下技术方案实现：1.为了抑制土壤低温区对换热管的预先冻胀挤压或高温区土壤膨胀挤压，预置椭圆态换热管，使进、出水换热管横截面的椭圆长轴处于同一直线，以增强管体承受冻胀方向的结构刚度，且进一步补偿换热管变形量。2.为了防止换热管预置椭圆横截面短轴方向的结构刚度过小，椭圆率范围为：0＜e＜20％。3.针对换热管不同的进、出水温差，预置不同椭圆率的进、出水换热管。4.针对不同温度工况设置不同椭圆率和管间距取值范围组合协同抑制管体变形。5.为了保持钻孔内椭圆形进、出水换热管间的相对位置及一定管中心间距，设计椭圆型固定支架。6.换热管材质采用高密度聚乙烯材料。附图说明图1换热管冻胀形变过程示意。图2预置换热管椭圆态示意。图3固定支架结构(图3中，1-椭圆管夹、2-连接杆、3-圆形柱头、4-弧形开口、5-换热管)。图4固定支架尺寸。具体实施方式下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细描述。U型换热管的布置形式决定其进、出水换热管间土壤温度与其他土壤区域存在较大温差，在低于0℃ 以下地下蓄能或地源热泵冬季供暖工况中，进、出水换热管之间的含水土壤出现低温区，此区域温度较其他土壤区域温度低且更早达到土壤的冻结温度，所以低温区土壤预先发生冻胀现象。钻孔内换热管A、B区域首先受到低温区土壤的冻胀挤压作用，非均匀冻胀力挤压管体椭圆化变形，使管体X方向的直径减小，Y方向直径增加。换热管的这种椭圆化变形造成其承受X方向冻胀力的结构刚度急剧减小，当土壤冻结温度降低或者冻结锋面进一步扩展，靠近管体C、D区域的土壤冻胀区域增大，相应的土壤膨胀量增大，加之管体在X方向承受冻胀力的结构刚度减小，C、D区域沿X轴方向的变形将更加剧烈，这将进一步加速换热管椭圆化变形。在0℃以上的大温差工况中，进、出水换热管之间的土壤高温区受热膨胀挤压管体变形存在类似的变化过程。为了抑制换热管间土壤低温区先期冻胀或热膨胀引起的管体X方向变形，预置换热管初始椭圆态，使进、出水换热管椭圆截面的长轴c、d沿X方向并处于同一直线，进、出水换热管椭圆截面的短轴a、b处于平行状态，以增加X方向的初始结构刚度与可变形余量，抑制换热管变形以及对低温区土壤挤压管体变形进行补偿，其抑制和补偿变形过程为：低温区土壤预先冻胀沿X方向挤压椭圆换热管，受压方向刚度的增加使其相对于初始圆形截面换热管变形量减小而达到抑制效果；当0℃以下低温持续或进一步降低时，换热管椭圆长轴c、d减小，其椭圆形截面向圆形截面发展而起到变形补偿作用，使换热管体各方向的刚度趋于一致，同时随着冻结锋面向外扩展，换热管周围温度趋向均匀使其产生的冻胀力趋于均匀，从而抑制换热管变形进一步的发展。换热管预置椭圆程度的度量参数用椭圆度表示，如下式所示。为了防止管体短轴方向的初始结构刚度过小，椭圆率范围为：0＜e＜20％。0＜e＜20％，其中，Dmax为长轴长度，Dmin为短轴长度。进、出水存在一定温差，特别是换热管0℃以下运行工况，进水温度如果低于出水温度，则进水换热管周围土壤温度变化剧烈且冻结范围大，挤压出水换热管发生较大变形，所以出水换热管预置椭圆率要大于进水换热管，即温度相对高的换热管需要预置较大椭圆率。当进、出水换热管间温差每增加1℃，相应的椭圆率差值增加1％；当0℃以上运行工况，进、出水换热管间温差每增大10℃，相应的椭圆率差值增加1％，椭圆率差值随温差的增大而增大。进、出水换热管间距L是影响管体周围土壤温度的分布及变化的重要因素，较小的管间距导致两管间较快地出现低温区或高温区，使管体承受单向挤压力出现椭圆化变形，而管间距越大越能减小进、出水换热管温度的相互影响，使管体周围土壤温度分布趋向均匀，从而使管体承受的初始挤压力趋于均匀，抑制管体非均匀变形，所以在同一温度工况下增大管间距L，可以减小管体变形。对于换热管0℃以上大温差运行工况，土壤热膨胀量较冻胀量小，当温差小于50℃时无需预置换热管椭圆，当温差为50～90℃时，椭圆率取值范围为：2％＜e＜5％，温差越大椭圆率取值越大。对于换热管0℃以下运行工况，椭圆率取值范围为：5％≤e＜20％，低温运行温度T范围为-5℃＜T＜0℃时，管间距L范围为c＜L＜R/2，椭圆率取值范围为：5％≤e＜10％。运行工况温度T范围为-15℃＜T＜-5℃时，管间距L范围为R/2≤L＜R-(c+d)，椭圆率取值范围为：10％≤e＜20％，运行工况所能达到的温度越低，椭圆率取值越大。其中，R为钻孔直径，d、c为进、出水管椭圆截面长轴长度，c＞d。椭圆管体固定支架采用具有弹性、韧性的工程塑料制成，两端带有弧形开口4，换热管通过弧形开口4卡入，由椭圆管夹1加紧固定，在管卡开口处设计圆形柱头3便于换热管顺利卡入；固定支架沿管体轴向每隔一定距离安装。实施例低于0℃温度工况中，进水温度为-4℃时，回水温度为-3℃，换热管壁厚δ＝3mm，进、出水换热管预置椭 圆率分别为e＝9％、e＝8％。出水换热管：Dmax＝36mm，Dmin＝30mm，进水换热管：Dmax＝35mm，Dmin＝30mm，钻孔直径为150mm时，管间距为60mm。固定支架尺寸：尺寸1、2均为5.0mm，尺寸3为5.0mm，尺寸4为8mm，尺寸5为10.0mm，尺寸6为24mm，尺寸6′为23mm，尺寸7为50mm，尺寸8为102mm；固定支架沿管体轴向每隔2m距离安装于U型换热管。需要注意：以上仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。