專利名稱：地源熱泵專用加筋塑料管成型機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地源熱泵專用加筋塑料管成型機(jī)。
背景技術(shù)：
宇宙是在100 150億年前，一次大碰撞中產(chǎn)生的。根據(jù)科學(xué)測算，地 球已形成45億年，地球表面凝結(jié)成的地殼也有40億年的歷史。無數(shù)高度壓縮的太空物質(zhì)和 內(nèi)部放射性物質(zhì)的衰變加熱了這個(gè)環(huán)繞太陽運(yùn)動的巖團(tuán)(地球)，熔化了的鐵、鎳等元素往 地球中心下沉，輕的物質(zhì)上浮，最終形成了地殼、地幔和地核。地殼是地球最外面的表層，其 厚度不一。海洋下的地殼厚3 15km，平均8 IOkm ；大陸地殼厚20 65km，平均40km。 地殼表面5km(占地殼厚度的1/8)以內(nèi)，是目前國際上公認(rèn)的淺層地?zé)崮荛_發(fā)區(qū)。廣泛存 在于大地的近表層中，其溫度水平略高于當(dāng)?shù)氐钠骄鶜鉁兀诓煌赜?、不同氣候條件下， 淺層地?zé)岬臏囟茸兓淮?，相對穩(wěn)定。人類生活的大氣環(huán)境，隨著季節(jié)的變化，溫度有很大的差異。有些地方夏季炎熱， 氣溫達(dá)40°C ；冬季寒冷，氣溫有時(shí)在-30°C以下。為了避免嚴(yán)寒與酷暑的煎熬，人類發(fā)明了 用火取暖，科技發(fā)達(dá)以后出現(xiàn)了“空調(diào)”?？照{(diào)以電為動力，夏天制冷調(diào)節(jié)溫度，冬天制熱供 暖。電能是一種高位能，它由煤、石油及可再生能源產(chǎn)生，而煤和石油等是不可再生能源，能 源是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著人類文明進(jìn)步和社會發(fā)展，人類對能源的消耗 越來越多，會導(dǎo)致能源枯竭、環(huán)境惡化等嚴(yán)重后果。地源熱泵技術(shù)是隨著全球性的能源危機(jī)和環(huán)境問題的出現(xiàn)，逐漸興起的一門熱泵 技術(shù)。它是一種通過輸入少量的高位能(電能)，實(shí)現(xiàn)從淺層地?zé)崮?土壤熱能、地下水中 的低位熱能或地表水中的低位熱能)向高位熱能轉(zhuǎn)移的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。它是減少CO2排放 的低碳技術(shù)，是低碳生活中低碳住宅的重要組成部分。地源熱泵系統(tǒng)主要由四部分組成① 淺層地?zé)崮懿杉到y(tǒng)、②水源熱泵機(jī)組(水/水熱泵或水/空氣熱泵)、③室內(nèi)采暖空調(diào)系 統(tǒng)、④控制系統(tǒng)。所謂淺層地?zé)岵杉到y(tǒng)，是指通過水或添加防凍劑的水溶液，將巖土體或地下水、 地表水中的熱能采集出來并輸送給熱泵系統(tǒng)。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)的主要區(qū)別在 于增加了一個(gè)地?zé)釗Q熱器，即地下埋管環(huán)路。無論是采用地源熱泵空調(diào)還是采用傳統(tǒng)的鍋 爐和制冷機(jī)，對建筑物內(nèi)部空調(diào)系統(tǒng)來說，在設(shè)計(jì)上沒有大的差別。因此，地源熱泵技術(shù)的 應(yīng)用，其關(guān)鍵和難點(diǎn)也就在于對地?zé)釗Q熱器進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)、施工與安裝，使其與熱泵機(jī)組 和空調(diào)末端系統(tǒng)優(yōu)化匹配。地下埋管換熱器可分為水平埋管和豎直埋管兩大類。水平埋管 的優(yōu)點(diǎn)是埋在軟土地區(qū)，造價(jià)較低，但傳熱條件受外界冬、夏氣候的影響，主要缺點(diǎn)是占地 面積大，不適合中國地少人多的國情。豎直埋管是在若干豎直孔內(nèi)設(shè)置地下埋管換熱器。由 于豎直埋管換熱器具有占地少，工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已成為工程應(yīng)用中的主導(dǎo)形式。豎直埋管換熱器豎直孔，鉆孔的深度一般為60 100m，孔直徑150 200mm，孔與 孔的間距4 6m。豎直孔中的埋管與通常的換熱器不同，它不是兩種流體之間的換熱，而是 埋管中流體與固體(地層)的換熱。這種換熱過程涉及的物理模型很復(fù)雜，涉及的因素也 很多，它是非穩(wěn)態(tài)的，時(shí)間跨度很長。因此，要求地下埋管有良好的導(dǎo)熱性，有較高的強(qiáng)度， 有極高的耐腐蝕性以保證50年以上的使用壽命(中間不維修、也無法維修)。經(jīng)過詳細(xì)計(jì) 算，多次試驗(yàn)和工程實(shí)用對比(鍍鋅管、鑄鐵管、鋼塑復(fù)合管、鋁塑復(fù)合管、PI3R管、PE管等)，從工藝性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性等多方面分析，最后公認(rèn)聚乙烯(PE)作為埋地?fù)Q熱器管子的材 質(zhì)最為合適。這種PE管的內(nèi)徑為^mm,壁厚3mm，外徑32mm，其優(yōu)點(diǎn)是耐腐蝕，造價(jià)適中，缺 點(diǎn)是強(qiáng)度低，熱阻大。無論是國內(nèi)還是國外、無論是北方還是南方，所有設(shè)計(jì)單位都是選用 Φ32*3的PE管作為地源熱泵換熱器的埋管。這也是不得已而為之，因?yàn)榈侥壳盀橹?，全?界還沒有找到一種綜合性能優(yōu)于現(xiàn)有PE管的埋地?fù)Q熱器用管。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是提供一種與傳統(tǒng)Φ32*3的PE管比較，導(dǎo)熱系數(shù)提 高3 4倍、強(qiáng)度提高2 3倍，成本降低1/3，使用壽命在50年以上的地源熱泵埋地專用 加筋塑料管。傳統(tǒng)的Φ32*3的PE管，是用螺桿擠出機(jī)，將改性PE顆粒料加熱熔融，通過圓模 機(jī)頭擠出成型，經(jīng)冷卻定徑后成為產(chǎn)品。本發(fā)明是將改性PE顆粒料加熱熔融用擠出機(jī)加 壓，通過平板機(jī)頭擠出高彈態(tài)的塑料帶材，纏繞到Φ^πιπι的芯棒上，一邊纏繞(圓周運(yùn)動) 一邊用撥網(wǎng)軸使其作軸向直線移動(直線運(yùn)動)，圓周運(yùn)動和直線運(yùn)動合成螺旋運(yùn)動，高彈 態(tài)下的塑料帶材就卷成了管子。調(diào)節(jié)螺距則可以調(diào)節(jié)壁厚(纏繞的層數(shù)多，壁厚就相應(yīng)增 大)。在幾層塑料帶材的中間(例如共6層纏到第3層后)，從另一方向纏入鋼絲網(wǎng)帶，鋼 絲網(wǎng)帶的螺距也可以調(diào)節(jié)，后面的塑料帶材覆蓋到鋼絲網(wǎng)帶上，經(jīng)壓緊后，鋼絲網(wǎng)帶就熱嵌 在塑料管壁中間，形成加筋塑料管。本發(fā)明生產(chǎn)的地源熱泵專用加筋塑料管，導(dǎo)熱系數(shù)提高3 4倍是根據(jù)下面列出 的半經(jīng)驗(yàn)性計(jì)算公式計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的。地埋換熱器的傳熱分析，迄今為止還沒有國 際上普遍公認(rèn)的模型和規(guī)范。土壤多孔介質(zhì)中傳熱傳質(zhì)問題的復(fù)雜性，國際上現(xiàn)有的地埋 管換熱器傳熱模型大多采用純導(dǎo)熱模型，忽略了多孔介質(zhì)的影響。以熱阻概念為基礎(chǔ)的半 經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)計(jì)算公式，主要用來根據(jù)冷、熱負(fù)荷估算地埋管換熱器所需埋管的長度。這類方 ^43 ￠11 ! '^^ (International Ground Source Heat Pump Association) (IGSHPA)推薦的方法影響最大，我國在2005年制定的《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》中基 本參考了 IGSHPA方法。供熱和供冷所需的地埋管換熱器鉆孔總長度按下式計(jì)算
Lh二CAPh (Rp+RsFc) / (T°o-Tmin) * (C0Ph-1/C0Ph) \
(1)
Lc=CAPc (Rp+RsFc) / (Tmax-Too) * (C0Pc+1 /COPc) /式中H--供熱；C--供冷；L-鉆孔的長度；CAP-熱泵的在設(shè)計(jì)進(jìn)水溫度下的額定出力(制熱或制冷量)；COP-熱泵的性能系數(shù)；F-運(yùn)行份額；RP和Rs-分別是管壁的熱阻和巖土的熱阻；T00-地下未受干擾是的平均溫度；Tfflax和Tmin-最高和最低進(jìn)水溫度。從上式可以看出，要減少鉆孔的總長度L (即減少PE管的用量)，最重要的措施是
減少管壁的熱阻和巖土的熱阻。減少巖土的熱阻，可以對回填材料進(jìn)行細(xì)致研究，例如回填
的滲透系數(shù)、滲透比率、回填材料與PE管之間的粘合力、抗壓和抗折強(qiáng)度、彈性模量、切變模量及泊松比等力學(xué)特性，對熱壓變形的有限元分析，用有限元分析法來估計(jì)界面接觸熱 阻對傳熱的影響等等，減少巖土的熱阻在精心設(shè)計(jì)和精心施工中完成，減少管壁的熱阻由 本發(fā)明完成。本發(fā)明生產(chǎn)的地源熱泵專用加筋塑料管，導(dǎo)熱系數(shù)提高3 4倍，主要是減少管壁 的熱阻。減少管壁的熱阻有兩個(gè)途徑一是在管壁中增加了鋼絲網(wǎng)，在強(qiáng)度不減(只會提 高)的前提下，壁厚從3mm變?yōu)?mm，減薄1mm，熱阻相應(yīng)減少；二是在管壁中增加了鋼絲網(wǎng)， 相當(dāng)于在管壁中架起“熱橋”，鋼的熱導(dǎo)率為48w/(m. k)，聚乙烯(PE)的熱導(dǎo)率在IOw/(m. k) 左右，可見減少管壁的熱阻(提高熱導(dǎo)率)是非常明顯的。本發(fā)明生產(chǎn)的地源熱泵專用加筋塑料管，強(qiáng)度提高2 3倍是基于以下理論和實(shí) 驗(yàn)得出的。與鋼質(zhì)管道的應(yīng)力分析及管道壁厚計(jì)算不同(鋼質(zhì)管道壁厚計(jì)算從約)，埋地塑 料管設(shè)計(jì)中，ISO、英國、芬蘭等國家廣泛應(yīng)用環(huán)剛度概念，環(huán)剛度SK，Kpa Se = EI/Dm3(2)式中E-管子材料的彈性模量，Kpa ；I-單位長度管壁的慣性矩，對于實(shí)壁管，I = e3/12e-實(shí)壁管壁厚，mDm-管平均直徑，m。上式寫為& = E(e3/12)/Dm3(3)從式C3)可以看出，管徑相同，壁厚相等的管子，管材彈性模量(E)越大的管子，環(huán) 剛度就越大。本發(fā)明在塑料管壁中嵌入纏繞鋼絲網(wǎng)，鋼的彈性模量是塑料的580倍，顯著增 加了管壁的彈性模量，經(jīng)壓扁試驗(yàn)得知，加筋塑料管的強(qiáng)度提高了 2 3倍。從式C3)還可以看出，管徑相同(Dm)，環(huán)剛度(Sk)要求一樣的管子，管材彈性模量 (E)大的管子，壁厚就可以做得較薄。壁厚減薄，PE料用量減少，這是本發(fā)明每米單價(jià)降低 1/3的原因。由于本發(fā)明纏繞鋼絲網(wǎng)是PE料在高彈狀態(tài)下，熱嵌在塑料管壁中，不同于其他加 筋方法。2009年8月沈HCCTV新聞聯(lián)播報(bào)道某廠生產(chǎn)的加筋塑料管供不應(yīng)求，該廠生產(chǎn)加 筋塑料管的工藝是先用圓模機(jī)頭擠出內(nèi)管，待內(nèi)管冷卻后，在內(nèi)管外表面纏單根鋼絲(螺 旋纏繞)，對特殊要求者還要加縱向鋼絲。再在纏繞上去的鋼絲外面纏繞膠帶，以保護(hù)鋼絲 不松散、不銹蝕。此種方法很難保證從纏繞的膠帶搭接處不進(jìn)水，所以整個(gè)管子的使用壽命 也得不到保證。本發(fā)明是熱嵌狀態(tài)下纏繞鋼絲網(wǎng)，塑料與鋼絲網(wǎng)為無縫搭接，水汽根本無法 進(jìn)入管壁，根據(jù)改性PE料的壽命測算，所以能保證管子的使用壽命在50年以上。
以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明附

圖1是地源熱泵專用加筋塑料管成型機(jī)主視圖。它由機(jī)架1、芯棒齒輪2、減速 器齒輪3、撥網(wǎng)軸4、芯棒5、壓光撥出軸6、塑料平板機(jī)頭7、鋼絲網(wǎng)8等組成。機(jī)架1由型鋼組焊而成，芯棒齒輪2固定在機(jī)架1中間的支承座上。芯棒5套在 芯棒齒輪2上，芯棒齒輪2轉(zhuǎn)動芯棒5亦能隨之轉(zhuǎn)動。撥網(wǎng)軸4能在氣缸動力作用下，上下 運(yùn)動并能在電動減速機(jī)帶動下轉(zhuǎn)動。壓光撥出軸6在液壓缸的作用下，能向上壓緊芯棒5， 也能向下離開，壓光撥出軸6能在自身電減速機(jī)帶動下轉(zhuǎn)動。塑料擠出機(jī)平板機(jī)頭7可以 擠出帶寬可以調(diào)整的高彈態(tài)PE帶。鋼絲網(wǎng)8有合適的幅寬，成卷套在小軸上，可隨小軸的轉(zhuǎn)動松開放長。
具體實(shí)施方式
檢查加筋塑料管成型機(jī)各部件安裝是否牢固，運(yùn)動是否靈活，壓縮 空氣、冷卻水、電源是否接通，檢查完畢后準(zhǔn)備開機(jī)。將螺桿擠出機(jī)預(yù)熱并從料斗中加入改 性PE料，從擠出機(jī)螺桿擠出的PE料，經(jīng)平板機(jī)頭7形成約300mm寬、0. 4mm厚高彈態(tài)的熱 PE帶材。啟動減速器齒輪3的減速機(jī)，此減速機(jī)的動力為三相異步電動機(jī)，用變頻調(diào)速將 減速器齒輪3調(diào)到合適的轉(zhuǎn)速，帶動芯棒齒輪2轉(zhuǎn)動，套在芯棒齒輪2上的芯棒5也隨之轉(zhuǎn) 動。將連續(xù)不斷的PE帶材搭在芯棒5上，同時(shí)將鋼絲網(wǎng)帶也搭在芯棒上，鋼絲網(wǎng)的幅寬為 100 150mm，鋼絲網(wǎng)位于PE料帶材的中間，PE料帶材幅寬完全能蓋住鋼絲網(wǎng)。此時(shí)，PE料 蓋住鋼絲網(wǎng)在芯棒5上作圓周運(yùn)動，用手(帶石棉手套)推動PE鋼絲網(wǎng)圈(向出管方向)， 到達(dá)撥網(wǎng)軸4下方以后，開動氣缸使撥網(wǎng)軸4壓到PE鋼絲網(wǎng)圈上(即壓到芯棒5上)，同時(shí) 讓撥網(wǎng)軸4轉(zhuǎn)動(附圖1中為反時(shí)針旋轉(zhuǎn))，使PE鋼絲網(wǎng)圈在芯棒5上作軸向直線運(yùn)動，與 原有芯棒5的圓周運(yùn)動合成螺旋運(yùn)動。不斷的供料，不斷的螺旋運(yùn)動，就可以生產(chǎn)螺旋纏繞 的加筋塑料管。為了消除螺旋纏繞搭接處的痕跡，并且使PE料與鋼絲網(wǎng)嵌合得更緊密，故 增設(shè)壓光撥出軸6，壓光撥出軸6的操作與撥網(wǎng)軸4相同，但旋轉(zhuǎn)方向相反，以便于脫模(脫 芯棒)。生產(chǎn)出來的加筋塑料管離開成型機(jī)后，立即用水冷卻定型，當(dāng)生產(chǎn)到一定長度 (80m或100m)后，用無齒鋸切斷，然后上卷、包裝出廠。關(guān)于80m或IOOm長加筋塑料管尚未 切斷前，生產(chǎn)線上的傳送機(jī)構(gòu)，將另行申請專利。
權(quán)利要求
1.一種地源熱泵專用加筋塑料管成型機(jī)，其特征在于它由機(jī)架、芯棒齒輪、減速器齒 輪、撥網(wǎng)軸、芯棒、壓光撥出軸、塑料擠出機(jī)平板機(jī)頭、鋼絲網(wǎng)等組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地源熱泵專用加筋塑料管成型機(jī)，其特征在于機(jī)架由型鋼 組焊而成，芯棒齒輪被支承在機(jī)架中間，減速器齒輪帶動芯棒齒輪轉(zhuǎn)動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地源熱泵專用加筋塑料管成型機(jī)，其特征在于芯棒用螺栓 連接在芯棒齒輪上，在芯棒齒輪的帶動下可以作勻速圓周運(yùn)動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地源熱泵專用加筋塑料管成型機(jī)，其特征在于平板機(jī)頭擠 出的高彈態(tài)塑料帶材搭在芯棒上纏繞，鋼絲網(wǎng)帶也搭在芯棒上纏繞，鋼絲網(wǎng)帶的幅寬小于 塑料帶材的幅寬，鋼絲網(wǎng)能被塑料包裹在其中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地源熱泵專用加筋塑料管成型機(jī)，其特征在于撥網(wǎng)軸轉(zhuǎn)動 使纏繞在芯棒上的鋼絲網(wǎng)帶沿芯棒作軸向直線運(yùn)動，芯棒還自身轉(zhuǎn)動作圓周運(yùn)動，就合成 了鋼絲網(wǎng)的螺旋運(yùn)動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地源熱泵專用加筋塑料管成型機(jī)，其特征在于壓光撥出軸 轉(zhuǎn)動并壓緊已螺旋成型的加筋塑料管，迫使其脫離芯棒，脫離芯棒的加筋塑料管用水冷卻， 經(jīng)定尺寸后切斷便可收卷、包裝出廠。
全文摘要
人類居住的地表以下(約＞5m)是恒溫層，其溫度相當(dāng)于當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?20℃左右)。于是就出現(xiàn)了利用高位能(電能)將地?zé)徇@種低位能與房間空氣進(jìn)行熱交換的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，冬季可以利用地下恒溫層供暖，夏季可以利用地下恒溫層降溫。地源熱泵的關(guān)鍵和難點(diǎn)在于埋地?fù)Q熱管，目前普遍采用的是D32*3mm的聚乙烯(PE)材質(zhì)換熱管。本發(fā)明生產(chǎn)的地源熱泵專用埋地?fù)Q熱管，是用平板機(jī)頭擠出高彈態(tài)的塑料帶材在芯棒上螺旋纏繞，同時(shí)螺旋纏繞鋼絲網(wǎng)帶，熱嵌在塑料帶材之中，經(jīng)壓光、冷卻后形成嵌入式加筋塑料管。這種加筋塑料管與普通聚乙烯管比較，導(dǎo)熱系數(shù)提高3～4倍，強(qiáng)度提高2～3倍，成本降低1/3，使用壽命在50年以上。
文檔編號B29L23/00GK102101356SQ20091026352
公開日2011年6月22日 申請日期2009年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月22日
發(fā)明者徐中全, 徐洋, 徐海 申請人:徐中全