具有混合元件的地?zé)崽筋^的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種地?zé)崽筋^，在某些情況中也被稱為土地探頭，其用于傳熱流體與地?zé)崽筋^周圍的地面之間的熱交換，其中地?zé)崽筋^被設(shè)置為工作狀態(tài)。在此，本發(fā)明涉及一種大型同軸地?zé)崽筋^，其中流出管設(shè)置在流入管內(nèi)。
【背景技術(shù)】
[0002]地?zé)崽筋^可以構(gòu)造為同軸的或者U型的。U型地?zé)崽筋^包括流入管，該流入管向下通往地面里，并且在下游端在連接區(qū)與流出管流體連接。因此，傳熱流體，也被稱為傳熱液體，從流入管向下流動，在連接區(qū)匯入流出管，并且又沿著流出管向上流動。在同軸地?zé)崽筋^中，流入管為探頭外管，而流出管為設(shè)置在探頭外管內(nèi)的探頭內(nèi)管。在探頭內(nèi)管之外、探頭外管之內(nèi)存在環(huán)形空間，也被稱為傳熱空間，其形成了傳熱區(qū)。在這種情況中，探頭外管相對于探頭內(nèi)管被設(shè)置為同軸的。同軸地?zé)崽筋^的連接區(qū)由探頭內(nèi)管的開口形成，以使得在這種情況中，位于探頭外管或環(huán)形空間中的傳熱流體能夠流進(jìn)探頭內(nèi)管。
[0003]在穿過地?zé)崽筋^的時候，傳熱流體與地面之間發(fā)生熱傳遞。熱傳遞實(shí)質(zhì)上是通過對流發(fā)生的。熱量在哪里發(fā)出或吸收取決于地?zé)崽筋^是用于制冷過程還是加熱過程。有鑒于此，一般的地?zé)崽筋^被設(shè)置為深達(dá)地下100米，在個別情況中，甚至實(shí)現(xiàn)了更大的深度。
[0004]傳熱流體在入口處被引導(dǎo)至地?zé)崽筋^中。
[0005]當(dāng)傳熱流體在入口處被引導(dǎo)至地?zé)崽筋^時，傳熱流體通常由增壓推動以兩次穿過地?zé)崽筋^的整個長度，一次是沿流入方向向下流過流入管，另一次是沿著與流入方向相反的方向向上流過流出管。單位時間流經(jīng)地?zé)崽筋^的傳熱流體的量被稱為體積流速。在地?zé)崽筋^的下游端，傳熱流體再次向上穿過探頭內(nèi)部/外管，并且能夠通過排水管移除。探頭內(nèi)管也可以被連接至入口，而探頭外管被連接至排水管。
[0006]流入與流出地?zé)崽筋^的傳熱流體之間的溫度差在下文中被稱為溫度梯度。熱流或熱輸出，簡言之熱量，是從作為熱源的地面提取的。
[0007]在地?zé)崽筋^小于100米長或100米深的情況中，導(dǎo)入的傳熱流體和排出的傳熱流體之間的溫度梯度一般的量值為幾度。常見地，導(dǎo)入值介于_2°C至1°C之間，排出值介于2°C至5°C之間。溫度梯度相對較低，并且從地?zé)崽筋^離開的傳熱流體的溫度尚未符合所需的熱量要求，例如加熱住宅房間所需的熱量。然而，在熱栗的輔助下，熱輸出可以變得有利用價值，其中熱栗的效率表示了傳熱流體提供的熱輸出是如何有效地被轉(zhuǎn)化為加熱所需的熱量。在熱栗中，所提供的熱輸出在低溫水平被利用，從而在蒸發(fā)器中蒸發(fā)位于第二流體循環(huán)中的熱介質(zhì)。在這一情況中，蒸發(fā)器是這樣的組件，在其中從地?zé)崽筋^提取的熱量被供給處于低溫水平的熱栗。有鑒于此，從地?zé)崽筋^排出的傳熱液體流過熱交換器，將其熱量傳遞給第二流體循環(huán)。在此之后，熱介質(zhì)被提供給栗，該栗壓縮當(dāng)前為氣態(tài)的熱介質(zhì)，由此使其處于更高的壓力水平。在這一過程中，氣態(tài)的熱介質(zhì)升溫，并且這些熱量可以被用于加熱住宅房間。當(dāng)將其熱量傳遞給住宅房間后，熱介質(zhì)冷卻下來并且凝結(jié)。不用說，壓力再次擴(kuò)展到較低的壓力水平。這時，再次將其提供至熱栗的蒸發(fā)器中，從而提供熱栗循環(huán)。然而，也存在其他類型的熱栗，其并不是如上所述那樣運(yùn)行。這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是眾所周知的。當(dāng)熱介質(zhì)本身在地?zé)崽筋^中循環(huán)時，可以省略地?zé)崽筋^中的傳熱流體。本發(fā)明并不限于具有兩個單獨(dú)的循環(huán)的地?zé)釤嵫h(huán)。
[0008]通常，在地?zé)崽筋^熱循環(huán)中使用多個地?zé)崽筋^，因?yàn)榈責(zé)崽筋^的可用的溫度差通常不足以蒸發(fā)第二流體循環(huán)中的熱介質(zhì)。雖然地?zé)崽筋^非常適合吸收來自地面的熱量，以合并在熱栗的過程中，但是仍然需要增加溫度梯度，這可以通過傳熱流體的排出值來實(shí)現(xiàn)，這可以通過普通的地?zé)崽筋^來實(shí)現(xiàn)。一般地，可以說傳熱流體的排出值越高效率就會越高，因?yàn)檫@時熱栗僅需處理排出值之間的較低的溫度差，即，傳熱流體的溫度和所需的熱量。
[0009]例如，在德國，地下15米深處的溫度常年約為10°C，并且每加深30米該溫度增加約TC。特別是在長度小于70米的地?zé)崽筋^的情況中，所能達(dá)到的排出值往往是不夠的，因?yàn)闊峤粨Q并未充分有效地發(fā)生。此外，有利的是，傳熱流體能夠盡可能長時間的保持所達(dá)到的溫度而沒有損失，特別是多個地?zé)崽筋^串聯(lián)連接。特別是，大型地?zé)崽筋^適用于此。在大計量體積的儀器中，需要更多的熱量，以獲得更高的溫度。然而，一旦其達(dá)到某一溫度，基于相同的原因，就能夠有利地提供更長久的溫度穩(wěn)定性。
[0010]大型地?zé)崽筋^的特征在于，由流入管內(nèi)表面界定的流入管的內(nèi)徑以及由流出管外表面界定的流出管的外徑這樣選擇，以使得環(huán)形空間的計量體積>10升，并且未受到進(jìn)一步擾動的傳熱流體在環(huán)形空間中大致呈層流。流體是否為層流取決于流道的幾何結(jié)構(gòu)、傳熱流體的粘度以及流速。由此可以獲得雷諾茲數(shù)，所謂的雷諾茲數(shù)是關(guān)于流體中的湍流發(fā)生的點(diǎn)的尺寸。一般來說，流速越高，越快超出臨界的雷諾茲數(shù)。低流速確保(近似)層流。此夕卜，通過低流速，傳熱流體有更多的時間來吸收流入管內(nèi)表面上的熱量。然而，層流可能被看作缺點(diǎn)，因?yàn)樵?近似)層流中形成了不均勻的層溫。不均勻的層溫豎直分布，并且因此平行于流入管內(nèi)表面，其中溫度更高的層位于流入管內(nèi)表面附近，作為內(nèi)層的絕緣體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于，增進(jìn)地?zé)崽筋^中傳熱流體和熱源之間的熱交換，以及增進(jìn)地?zé)崽筋^熱循環(huán)的效率。此外，本發(fā)明使得在法律限制容許鉆孔深度的地區(qū)有效利用地?zé)崽筋^成為可能。
[0012]該目的通過具有權(quán)利要求1所述特征的地?zé)崽筋^來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)和特征可以由從屬權(quán)利要求獲得。此外，還要求保護(hù)地?zé)崽筋^的熱循環(huán)和用于運(yùn)行地?zé)崽筋^的熱循環(huán)的方法。必須指出的是，權(quán)利要求中單獨(dú)提到的特征可以通過任何技術(shù)上可行的方式相結(jié)合，并示出了本發(fā)明的其他結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的其他特征和詳細(xì)說明將結(jié)合附圖進(jìn)一步描述。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的地?zé)崽筋^被地面圍繞，其處于運(yùn)行狀態(tài)，并且用于地面和位于地?zé)崽筋^中的傳熱流體之間的熱交換。地?zé)崽筋^包括流入管和流出管，傳熱流體通過流入管被引導(dǎo)至地?zé)崽筋^，從而進(jìn)入地面，傳熱流體通過流出管又被排出。通常，傳熱流體通過入口被弓I導(dǎo)進(jìn)入流入管，并且由入口向土地內(nèi)部的方向被稱為流入方向(流動方向)。根據(jù)本發(fā)明，流出管被設(shè)置在流入管內(nèi)，以使得流入管內(nèi)表面與流出管外表面之間形成環(huán)形空間，傳熱流體流進(jìn)該環(huán)形空間。根據(jù)本發(fā)明的地?zé)崽筋^中的熱交換發(fā)生在流入管中。本發(fā)明涉及大型地?zé)崽筋^，其中由流入管內(nèi)表面界定的直徑具有這樣的尺寸，其通常使得層流出現(xiàn)。由流出管外表面界定的流出管的外徑這樣選擇，以使得一般地環(huán)形空間具有大于8升的計量體積。優(yōu)選地，由流入管內(nèi)表面界定的直徑大于120mm，并且環(huán)形空間的計量體積大于12升。
[0014]可以知道的是，特別地，近似層流與傳熱流體的混合反復(fù)更替會引起有效的熱交換。在根據(jù)本發(fā)明的地?zé)崽筋^中，傳熱流體以層流的狀態(tài)流進(jìn)流入管。地?zé)崽筋^進(jìn)一步包括至少兩個混合元件，其在環(huán)形空間內(nèi)沿著流出管的縱軸線彼此間隔設(shè)置。在這種情況中，混合元件之間的距離被選擇為使得經(jīng)過混合元件的傳熱流體再次平靜，并在其遇到下一個混合元件之前再次形成層流。通常，混合元件之間的距離為I至2.5m，優(yōu)選為1.5m至2m之間，其中必須注意的是，這些值應(yīng)視為量級，并且為了確定理想的距離，需要考慮流速、流入管的內(nèi)徑、流出管的外徑和傳熱流體的粘度。在此，可以注意到，實(shí)際中沒有流體是純粹的層流，即沒有湍流，這便是為什么在下文中使用近似層流或大致層流。對于本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容，混合元件之間的流體完全地再次穩(wěn)定并不是必須的，其穩(wěn)定并且又變得近似層流就足夠了。
[0015]混合元件包括至少兩個局部環(huán)狀盤，每個局部環(huán)狀盤具有外邊緣、內(nèi)邊緣和兩個自由端，界定了局部環(huán)狀表面。局部環(huán)狀盤可以通過任何方式連接至流出管，例如，焊接或者粘結(jié)。因此，混合元件的組件可以由與流出管相同的材料制成，優(yōu)選地，由熱塑性塑料制成，這樣確保了局部環(huán)狀盤與流出管容易連接。在有利的結(jié)構(gòu)中，混合元件能夠可變地設(shè)置在環(huán)形空間中，從而能夠與地?zé)崽筋^的個別具體任務(wù)中的混合元件的距離相匹配。例如，如果地?zé)崽筋^的傳熱流體不同，混合元件之間的理想距離也會不同。例如，混合元件可以包括套筒，局部環(huán)狀盤通過套筒設(shè)置在流出管外表面上。例如，此時，在流出管外表面上沿著流出管的縱軸線形成的具有內(nèi)螺紋的孔用于鎖定套筒。此時，可以利用平頭螺絲來固定混合元件。一旦確定混合元件之間的距離，這些部件也可以焊接在流出管上。
[0016]根據(jù)本發(fā)明，局部環(huán)狀盤的外邊緣與流入管內(nèi)表面相間隔設(shè)置，這樣形成了環(huán)形間隙，一部分傳熱流體可以從其中流過。一般地，該環(huán)形間隙為1-12_，優(yōu)選為4-8_。
[0017]局部環(huán)狀盤的每一個自由端與相鄰的局部環(huán)狀盤的其中一個自由端彼此間隔設(shè)置。此外，相鄰的局部環(huán)狀盤被設(shè)置為與流出管的縱軸線的正交平面具有不同的傾斜度。大致間隔意味著在相鄰的兩個局部環(huán)狀盤的其中一個自由端之間形成了開口，具有沿著流出管的縱軸線的豎直分量的流道引導(dǎo)經(jīng)過該開口。取決于局部環(huán)狀盤的結(jié)構(gòu)和布置，具有不同量級的豎直分量的流道的分量直接沿著流出管外表面引導(dǎo)。例如，局部環(huán)狀表面被配置為半環(huán)狀表面，以使得局部環(huán)狀盤的自由端在每種情況中彼此間都具有180°的角。然而，圓形片段部分的其他變體也是可以想到的。如果局部環(huán)狀盤的自由端所包含的角小于180°，那么直接沿著流出管外表面引導(dǎo)的具有豎直分量的流道的分量增加。
[0018]傾斜的直立局部環(huán)狀盤形成了另一個流道，其具有在局部環(huán)狀表面上圍繞流出管的旋轉(zhuǎn)分量。在俯視圖中，順著向混合元件的流動方向，傳熱流體圍繞流出管順時針方向流動或逆時針方向流動，取決于局部環(huán)狀盤的布置。優(yōu)選地，不同混合元件的局部環(huán)狀盤被設(shè)置為使得相鄰的混合元件的旋轉(zhuǎn)分量的方向不同。
[0019]上述流道彼此相交并引起混合，也被稱為傳熱流體的渦流。這樣的混合優(yōu)選地由渦狀件通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動作用于傳熱流體上。總之，在這一區(qū)域的流體也可以被描述為湍流或渦流，其中這一名稱僅用于表明在該區(qū)域里傳熱流體的不同熱量層的強(qiáng)烈混合。
[0020]通過有利的結(jié)構(gòu)，特別地，在流入管內(nèi)表面的區(qū)域以及流出管外表面的區(qū)域中引起混合，即，恰好在層流的層之間具有最大溫差的區(qū)域。在優(yōu)選的大型地?zé)崽筋^的情況中，在純粹的層流中存在這樣的風(fēng)險，即內(nèi)層幾乎不吸收任何熱量。出于這樣的原因，這樣的層構(gòu)造隨著傳熱流體的混合被消除。
[0021]流體之間的邊界層被打破。通過這樣的打破和其導(dǎo)致的混合，地面與傳熱流體之間發(fā)生了完全有效的熱交換。通過混合元件的特別布置，地