地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂及其制备方法和应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂，其由如下重量百分比的原料组成：鞍山式铁尾矿58％、低钙粉煤灰30％、钠质膨润土10％，聚羧酸缓凝剂2％。本发明还提供了所述地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂的制备方法及其应用。采用本发明所述的地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂能大幅提高换热率，试验数据表明比传统回填法(导热系数1.8-2.1w/m·℃)，提高的导热系数为20％，回填密度为1.9-2.2g/cm3。
【专利说明】地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种回填换热剂，特别是涉及一种地源热泵系统地下竖直换热器(即地藕管)埋设中用于填充换热器与地层之间提高换热效率的换热剂。
【背景技术】
[0002]传统的地源热泵地下竖直换热器与地层之间回填，是用水泥、细沙、膨润土加水调制或用钻孔出来的料原浆沉积回填，或用注浆泵注浆回填，即使再多次地沉积多次地补填也不能保证回填料在钻孔中失水后产生空鼓，导致的密实度不够换热效率低，从而降低了机组的效率，增加了电耗，致使浪费了能源提高了运行成本。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是提供一种地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂，其在地源热泵系统地下竖直换热器埋设中用于填充换热器与地层之间，可以提高换热效率。
[0004]一种地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂，由如下重量百分比的原料组成:鞍山式铁尾矿58%、低钙粉煤灰30%、钠质膨润土 10%，聚羧酸缓凝剂2%。
[0005]本发明所述的地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂，其中所述鞍山式铁尾矿由如下重量份的原料组成:Si0268.20-83.00 份、CaO0.50-3.70 份、A12030.58-2.51 份、Fe2033.54-12.59 份、TFe6.23-12.56 份、MgO0.11-3.93 份、S0.06-0.22 份;其中，TFe 指总铁或全铁的含量；
[0006]所述低钙粉煤灰由如下重量份的原料组成:Ca02.00-5.00份、A120313.00-40.00份、Fe2032.00-12.00 份、Si0235.00-60.00 份；
[0007]所述钠质膨润土由如下重量份的原料组成:Si0250.95份、Ca02.26份、A120316.54 份、FeO0.26 份、Fe2031.36 份、K200.47 份、Mg04.65 份。
[0008]本发明所述的地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂，其中将其与水以重量比1:1混合形成混合液后，24小时内所述地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂融化，所述混合液的体积膨胀为原体积的3-5倍。
[0009]本发明所述的地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂，其中所述地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂为直径Imm的球型颗粒。
[0010]本发明所述的地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂的制备方法，其包括如下步骤:
[0011]步骤一:分别将铁尾矿、粉煤灰、膨润土进行晾晒干燥，使含水量不大于10%，分别送入原料库、分别将原料进行化验记录；
[0012]步骤二、分别将合格原料按去除水分后的量秤取，进行配料；
[0013]步骤三、将搅拌均匀的配料，添加粉状聚羧酸缓凝剂，二次搅拌均匀，送入球磨机，进行破碎均化，破碎后的出料粒度为0.074-0.4mm ；
[0014] 步骤四、将粉碎细化好的配料，送入颗粒机，制成直径Imm的球型颗粒；[0015]步骤五、将球形颗粒送入烘干机烘干，完全脱水制成成品；
[0016]步骤六、将干燥后的成品，进行防潮包装入库。
[0017]一种所述的地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂进行沙土孔回填的方法，其包括如下步骤:将所述的地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂与原浆以体积比1:1的比例混合配制回填浆，采用注浆回填或沉积回填的方法一次注满孔径，其中，所述原浆由体积比1:1的泥沙和水组成，其中，所述原浆为钻孔时产生的泥浆，由体积比1:1的泥沙和水组成。
[0018]一种采用所述的地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂进行岩石孔回填的方法，其特征在于:包括如下步骤:将所述的地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂、石粉、水泥和水以30:20:10:40的质量比配制回填浆，采用注浆回填或沉积回填的方法一次注满孔径，其中，所述石粉为潜孔钻机钻孔产生的废料。
[0019]本发明所述地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂的反应机理:
[0020]高效回填换热剂与工地现场钻孔产生的石粉、水泥、水按30:20:10:40的质量比配制回填浆，水化的基本过程如下:首先是水泥里的水泥熟料主要为(硅酸三钙C3S，硅酸二钙C2S,铝酸三钙C3A以及铁铝酸钙C4AF)与水反应，生成水化硅酸钙、水化硫铝酸钙、水化铁酸钙和氢氧化钙。其化学反应如下:
[0021 ] C3S: C3S+n H — C-S-H+ (3_x) CH
[0022]C2S: C2S+mH — C-S-H+ (2_x) CH
[0023]C3A: C3A+27H — C4AH19+C2AH8
[0024]在Ca (OH) 2饱和溶液中:
[0025]C3A+CH+12H — CA4H3
[0026]C4AH13+3CSH2+14H — AF^CH
[0027]当水泥浆体中石膏消耗完毕，尚有C3A时:
[0028]复合激发剂各组分溶于水，生成木质素磺酸钠、还原物以及硫酸钠的混合溶液，使纯水变成多种离子的碱性溶液，发生的化学反应如下:
[0029]Na2S04+CH+2H20 — CaSO4.2H20+2Na0H
[0030]CaSO4.2H20+C3A+12H20 — 3Ca0.Al2O3.CaSO4.12H20
[0031]生成的CH、CaSO4.2H20作为碱性和硫酸盐激发剂与粉煤灰中的活性组分发生反应:
[0032]活性SiOJm1CH — Hi1Ca0.SiO2
[0033]活性Al203+m2CH — m2Ca0.Al2O3
[0034]活性Al203+3CH+3 (CaSO4.2H20) +23H20 — 3Ca0.Al2O3.3CaS04.32H20
[0035]水化初期，主要是C3A首先水化并与石膏化合形成钙矾石AF1，这一反应速度很快，同时逐渐形成水化硅酸钙、水化铝酸钙及CH等晶体，大量活性组分与CH发生反应，增加了水化硅酸钙、水化铝酸钙及水化硫铝酸钙的数量，减少了混合溶液中CH的含量，相应的加速了熟料中矿物的水化；同时，活性Si02、Al2O3离子因生产水化物而消耗，反过来又加速了粉煤灰和水泥熟料中矿渣的水化过程。这两种作用动态地相互促进。
[0036]水泥浆体混合溶液的碱性充分激发粉煤灰的活性的同时，使尾矿的潜在水硬性较充分地发挥出来；同时，激发剂中由Na2SO4反应生成的细粒CaSO4.2H20生成速度很快，形成硫铝酸钙，NaOH作为一种活性剂提高了 C3A和CaSO4的溶解度，加速了硫铝酸钙的形成和数量，是水泥石的早期强度得以较快提高；Na2S04的水化物一方面保证碱度，同时当生成的硅胶逐渐失水时，将成为固体性质的凝胶，最后发展为体型结构的高分子物质使胶材的强度得以提高。
[0037]本发明地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂与现有技术不同之处在于:本发明地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂采用特殊比例的四种原料(鞍山式铁尾矿58%、低钙粉煤灰30%、钠质膨润土 10%，聚羧酸缓凝剂2% )混合制备而成，通过特殊比例的三种材料制备得到的产品能达到土壤的粘度和密度，掺加水泥后在水泥里的活性成分催化作用下可水化凝固成低强度水泥强度和密度的混凝土孔柱，能大幅提高换热率，试验数据表明比传统回填法(导热系数1.8-2.lw/m.V )，提高导热系数为20%，回填密度为1.9-2.2g/cm3。由于在高效回填换热剂中添加了缓凝剂，给施工的具体实施提供了操作时间，调制好的回填料需在三小时内用完，既能保证效果。将此颗粒机直接按重量比1:1加水，24小时内颗粒剂融化膨胀为原体积的3到5倍。与传统回填料混合膨胀后，填补了传统回填料失水后收缩造成的空谷，增加了回填密实度，提高了换热效果。
[0038]本发明的原料及特殊比例(鞍山式铁尾矿58 %、低钙粉煤灰30 %、钠质膨润土10%，聚羧酸缓凝剂2% )的优势在于:1、搅拌回填前期，本本发明的材料不会快速吸水膨胀，保证了回填后的效果。2、吸水膨胀后，粘度、密度和导热系数最接近钻孔边缘的土壤，有利于维持地温。3、对于岩石孔来说，添加合理比例的水泥、钻孔废料石粉和水后，无需振捣就能形成密度、导热系数和强度适中，且紧密牢固结合岩石孔壁的孔柱。4、能够很好地保持回填孔和结合部位的水分，不会因水分的快速变化形成空隙，产生空谷。5、易于施工，可泵性好，无需多次反复补填，既节省人力，又保证了回填质量。5、鞍山式铁尾矿和粉煤灰为工业废料，成本低廉。采用其他比例加之操作差异就很难取得上述效果，快速吸水膨胀会造成无法施工或失效，过迟吸水膨胀，会造成回填料中物质的自然沉积分层，致使空谷产生。
[0039]本发明地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂用于泥沙孔时，能使回填料回填后其中的泥砂浆、铁尾矿和粉煤灰水化失水后产生微小的裂隙得以及时的修复，保证回填孔的密实。本发明地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂用于岩石孔时，能在颗粒剂溶化后水泥所含化学物质的作用下，形成较完全的水化反应，硬化成强度密实度较高的回填孔柱与岩石孔壁较好融合。
[0040]下面结合具体实施例对本发明的地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂作进一步说明。
【具体实施方式】
[0041]实施例1
[0042]一种地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂，其由如下重量百分比的原料组成:鞍山式铁尾矿58%、低钙粉煤灰30%、钠质膨润土 10%，聚羧酸缓凝剂2%。
[0043]所述鞍山式铁尾矿由如下重量份的原料组成:Si0268.20份、Ca03.70份、Al2O30.58 份、Fe20312.59 份、TFe6.23 份、Mg03.93 份、S0.06 份；其中，TFe 指总铁或全铁的含量；所述低钙粉煤灰由如下重量份的原料组成:Ca02.00份、Al20340.00份、Fe2032.00份、Si0260.00份；所述钠质膨润土由如下重量份的原料组成:Si0250.95份、Ca02.26份、Α120316.54 份、FeO0.26 份、Fe2O3L 36 份、K2O0.47 份、Mg04.65 份。[0044]将所述的地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂与水以重量比1:1混合形成混合液后，24小时内所述地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂融化，所述混合液的体积膨胀为原体积的3-5倍。所述地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂为直径Imm的球型颗粒。
[0045]一种所述的地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂的制备方法，其包括如下步骤:
[0046]步骤一:分别将铁尾矿、粉煤灰、膨润土进行晾晒干燥，使含水量不大于10%，分别送入原料库、分别将原料进行化验记录；
[0047]步骤二、分别将合格原料按去除水分后的量秤取，进行配料；
[0048]步骤三、将搅拌均匀的配料，添加粉状聚羧酸缓凝剂，二次搅拌均匀，送入球磨机，进行破碎均化，破碎后的出料粒度为0.074-0.4mm ；
[0049]步骤四、将粉碎细化好的配料，送入颗粒机，制成直径1_的球型颗粒；
[0050]步骤五、将球形颗粒送入烘干机烘干，完全脱水制成成品；
[0051 ] 步骤六、将干燥后的成品，进行防潮包装入库。
[0052]实施例2
[0053]与实施例1的区别在于:所述鞍山式铁尾矿由如下重量份的原料组成:Si0283.00份、CaO0.50 份、Α12032.51 份、Fe2033.54 份、TFel2.56 份、MgO0.11 份、S0.22 份；其中，TFe指总铁或全铁的含量；所述低钙粉煤灰由如下重量份的原料组成:Ca05.00份、Al20313.00份、Fe20312.00份、Si0235.00份，其他同实施例1。
[0054]实施例3
[0055]与实施例1的区别在于:所述鞍山式铁尾矿由如下重量份的原料组成:Si0275.80份、CaOl.70 份、Al2O3L 98 份、Fe2039.86 份、TFe8.29 份、Mg02.47 份、S0.13 份；其中，TFe指总铁或全铁的含量；所述低钙粉煤灰由如下重量份的原料组成:Ca04份、Al20328.00份、Fe2037.00份、Si0254.00份，其他同实施例1。
[0056]实施例4
[0057]将颗粒高效回填换热剂与工地现场取回的泥浆(泥沙与水比1:1)，按1:1的质量比混合好，灌到量筒里。24小时后量杯内的回填料完全溶解固化，目测没有失水后的没有蜂窝状孔和开裂的缝隙，但体积没有变化，而且没有多余的水析出。在阴凉通风处放置15日后，目测量筒内回填料依旧致密无裂痕和蜂窝状孔，从量筒内直接取样，回填料保水可塑性很好，实测导热系数值为2.75w/m.°C，密实度测试值孔隙率为3.5%，密度为2.75g/cm3。
[0058]工地现场按高效回填换热剂和泥浆质量(泥沙与水比1:1) 1:1混合沉积回填24小时后，用专业地源热泵热物性测试仪进行测试，导热系数为2.70w/m.°C。
[0059]实施例5
[0060](2)将高效回填换热剂与工地现场钻孔产生的石粉、水泥、水按30:20:10:40的质量比配制回填浆灌入量筒，24小时后量杯内的回填料硬化没有蜂窝状孔和裂痕，体积没有变化，而且没有多余的水析出。从量筒内直接取样实测导热系数值为2.85w/m.°C，抗压强度(7d) 21Mpa,密度为 2.45g/cm3。
[0061]工地现场按高效回填换热剂与现场钻孔产生的石粉、水泥、水按30:20:10:40的质量比配制回填浆沉积回填24小时后，用专业地源热泵热物性测试仪进行测试，导热系数为 2.70w/m.°C。
[0062]本发明在河北省迁安市马兰社区第三、五标段和河北省秦皇岛机场工程中的应用试验表明，对比其它标段地源热泵系统，换热效果明显，地温下降缓慢，地源侧出水温度高于传统回填料回填的1-1.5°C，节能效果明显，节电8%-10%。冬季地源出水达到了最低
8.9°C，提高了机组的效率0.014%，节省了运行费用平均每万平米3.7万元/年。
[0063]以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和 改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂，其特征在于:由如下重量百分比的原料组成:鞍山式铁尾矿58%、低钙粉煤灰30%、钠质膨润土 10%，聚羧酸缓凝剂2%。
2.根据权利要求1所述的地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂，其特征在于:所述鞍山式铁尾矿由如下重量份的原料组成:Si0268.20-83.00份、CaO0.50-3.70份、Al2O30.58-2.51 份、Fe2033.54-12.59 份、TFe6.23-12.56 份、MgO0.11-3.93 份、S0.06-0.22份；其中，TFe指总铁或全铁的含量； 所述低钙粉煤灰由如下重量份的原料组成:Ca02.00-5.00份、Al20313.00-40.00份、Fe2032.00-12.00 份、Si0235.00-60.00 份； 所述钠质膨润土由如下重量份的原料组成:Si0250.95份、Ca02.26份、Al20316.54份、FeO0.26 份、Fe2O3L 36 份、K2O0.47 份、Mg04.65 份。
3.根据权利要求1或2所述的地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂，其特征在于:将其与水以重量比1:1混合形成混合液后，24小时内所述地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂融化，所述混合液的体积膨胀为原体积的3-5倍。
4.根据权利要求3所述的地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂，其特征在于:所述地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂为直径1_的球型颗粒。
5.权利要求1-4中任一项所述的地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂的制备方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤一:分别将铁尾矿、粉煤灰、膨润土进行晾晒干燥，使含水量不大于10%，分别送入原料库、分别将原料进行化验记录； 步骤二、分别将合格原料按去除水分后的量秤取，进行配料； 步骤三、将搅拌均匀的配料，添加粉状聚羧酸缓凝剂，二次搅拌均匀，送入球磨机，进行破碎均化，破碎后的出料粒度为0.074-0.4mm ； 步骤四、将粉碎细化好的配料，送入颗粒机，制成直径Imm的球型颗粒； 步骤五、将球形颗粒送入烘干机烘干，完全脱水制成成品； 步骤六、将干燥后的成品，进行防潮包装入库。
6.一种采用权利要求1-4中任一项所述的地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂进行沙土孔回填的方法，其特征在于:包括如下步骤:将权利要求1-4中任一项所述的地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂与原浆以体积比1:1的比例混合配制回填浆，采用注浆回填或沉积回填的方法一次注满孔径，其中，所述原浆为钻孔时产生的泥浆，由体积比1:1的泥沙和水组成。
7.一种采用权利要求1-4中任一项所述的地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂进行岩石孔回填的方法，其特征在于:包括如下步骤:将权利要求1-4中任一项所述的地源热泵竖直地藕管高效回填换热剂、石粉、水泥和水以30:20:10:40的质量比配制回填浆，采用注浆回填或沉积回填的方法一次注满孔径，其中，所述石粉为潜孔钻机钻孔产生的废料。
【文档编号】C04B18/12GK104016605SQ201410232126
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年5月28日 优先权日:2014年5月28日
【发明者】付占一 申请人:付占一