一种针对中深层地埋套管换热器内自循环换热量的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种针对中深层地埋套管换热器内自循环换热量的计算方法，包含初始参数设置部分及计算部分；一，根据初始参数设置部分确定岩土热物性参数确定，设置计算初值条件；二，设置循环迭代中所需的最大循环次数及时间步长和静置总时长、系统静置工质的初始温度以及各控制单元体的坐标，最终完成迭代条件设置；三、迭代参数初始化设置及循环迭代求解；四、循环迭代收敛判断并输出各个时刻所对应的工质温度及换热量的收敛计算结果。本发明专利技术基于传热学的导热规律，对超大管长、管径比的地埋换热器进行计算，从而获得换热器在静置情况下温差引起的管内工质自然循环与周围岩土的换热量，为地热井静置期的工程应用提供设计参数。

A Method for Calculating the Self-Circulating Heat Transfer Volume in the Heat Exchanger with Medium and Deep Buried Casings

The invention discloses a method for calculating the self-circulating heat transfer quantity in the middle and deep buried casing heat exchanger, which includes the initial parameter setting part and the calculation part; first, the geothermal physical parameters are determined according to the initial parameter setting part, and the initial value conditions are set; second, the maximum cycle number and time step required in the cycle iteration are set, and the total static time step is set, and the system is stationary. The initial temperature of working fluid and the coordinates of each control unit are set to complete the iteration condition. Third, the initialization of iteration parameters and the solution of iteration cycle are completed. Fourth, the convergence of iteration cycle is judged and the convergence calculation results of temperature and heat transfer of working fluid corresponding to each time are output. Based on the heat conduction law of heat transfer, the buried heat exchanger with super-large tube length and tube diameter ratio is calculated to obtain the heat transfer quantity between the natural circulation of working substance in the tube and surrounding rock and soil caused by the temperature difference of the heat exchanger under the static condition, and to provide design parameters for the engineering application of geothermal well during the static period.

【技术实现步骤摘要】
一种针对中深层地埋套管换热器内自循环换热量的计算方法
本专利技术涉及换热器设计
，特别涉及一种针对中深层地埋套管换热器内自循环换热量的计算方法。
技术介绍
随着能源问题的日益突出，清洁能源的利用越来越受到人们的重视。地热能作为一种清洁、可持续的能源，目前已经受到越来越广泛的利用。地埋管换热器通常在冬季需要供暖时开启，而相当一部分时间段内处于静置状态。静置过程中，换热器与周围岩土依然持续不断地进行着热交换，其自循环换热影响着周围岩土的温度场。而岩土的温度场对地埋管换热系统的性能有着至关重要的作用，因此在静置期对地埋管换热器内循环换热量进行分析计算，具有很重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，采用二维计算方法，在换热器静置期对其与周围岩土的换热情况进行模拟计算，为后续系统开启后运行性能的评估提供参考，以期达到更好的运行效果。本专利技术提供一种结构清晰、功能完善、方便修改的针对中深层地埋套管换热器内自循环换热量的计算方法，为系统开启后运行性能的评估提供参考。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种针对中深层地埋套管换热器内自循环换热量的计算方法，包含初始参数设置部分及计算部分；所述初始参数设置部分包括：获得地埋套管换热器尺寸参数和热物性参数以及换热器所在地点的岩土热物性参数；所述计算部分采用循环迭代的方式计算，具体步骤包括：步骤一，根据初始参数设置部分确定岩土热物性参数确定，根据实际地热井结构确定中深层地埋换热器结构尺寸，同时根据初始参数设置部分设置计算初值条件；步骤二，设置循环迭代中所需的最大循环次数及时间步长和静置总时长、系统静置工质的初始温度以及各控制单元体的x方向与y方向的坐标，并限定迭代次数，最终完成迭代条件设置；步骤三、迭代参数初始化设置及循环迭代求解：先后对t时刻地埋套管换热器中静止的工质逐段进行y方向与x方向热阻、能量方程的求解，得到工质温度与当前计算管段的换热量；将所得结果与t-1时刻迭代计算的对应结果值进行比较，若误差小于所述用于判断误差的小量，则所得到的温度的值即为t时刻下满足要求的结果；否则继续进行下一轮迭代计算；步骤四、循环迭代收敛判断并以各个时刻所对应的工质温度及换热量的收敛计算结果即为最终结果。作为本专利技术的进一步改进，初始参数设置部分具体包括：获得井内换热器所拥有的不同结构管段的管段数、各管段自身的长度以及相应的内管内径、内管外径、外管内径、外管外径以及内外管热物性参数；获得地热井所在地点的岩土热物性参数，包括岩层主要成分、地温梯度、导热系数、比热容、密度及含水层分布。作为本专利技术的进一步改进，步骤一中，中深层地埋换热器结构参数包括深度、内外径及材料热物性；计算初值条件包括入口工质温度、工质流量、管道尺寸及岩土热物性参数。作为本专利技术的进一步改进，步骤二中，各控制单元体的坐标的确定方法如下：x方向坐标，根据实际管段长度，确定总控制单元体数及相邻控制单元体的长度之比，根据所述管段数及长度比例对地埋套管换热器进行分段，并以套管开口端为坐标原点，依次确定各控制单元体中心点所在位置及具体坐标；y方向坐标，以套管轴线为原点，沿径向向y轴正方向延伸；根据管道直径及岩土远边界位置，将远边界至套管中心部分长度根据需要划分为若干控制单元体，并根据所述控制单元体数及长度比例依次计算各段中心所在位置坐标。作为本专利技术的进一步改进，步骤二中，静置总时长即为所需计算换热器的静置时间，所述时间步长根据总体计算时间及计算精度综合考虑，最终通过优化后确定，在保证精度的前提下缩短计算时间。作为本专利技术的进一步改进，步骤三中，迭代参数初始化设置包括为地埋套管换热器工质温度、压力及流速设置初始值，其中流速初始值为0。作为本专利技术的进一步改进，循环迭代求解的具体步骤为：a、根据t时刻当前控制单元体工质温度计算工质的热物性参数；b、由套管换热器材料的导热系数计算综合热阻；c、根据岩土t时刻温度分布计算岩土的热物性参数；d、在y方向由管内工质向远边界处依次计算各控制单元体的综合热阻，并根据热平衡计算出t时刻当前控制单元体的温度；e、在x方向对能量方程进行离散并求解，得到控制单元体温度值，并由此得出t时刻当前控制单元体的换热量；f、将e所求得的温度值与t-1迭代计算结果比较，若二者之差小于预先给定的用于判断误差的小量，则当前控制单元体收敛，进行下一控制单元体计算，否则继续进行下一轮迭代计算；g、t时刻x、y方向所有控制单元体均计算完毕时，若当前时间已达到预设时间，则输出结果即为最终工质温度及换热量结果，否则进入t+1时刻的迭代计算，直至到达所需时间；h、将各控制单元体的换热量累计即可得到t时刻系统的总换热量。作为本专利技术的进一步改进，步骤e中，能量方程为：其中：ρ为密度，φ为通用变量，t为时间，Γφ为广义扩散系数，Sφ为源项。作为本专利技术的进一步改进，循环迭代收敛判断条件为计算时长达到预先限定迭代次数。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术的计算方法基于传热学的基本理论，根据实际工程中所采用的地埋套管换热器的参数和运行工况等参数，对超大管长-管径比的地埋换热器进行控制体划分，避免了传统网格划分计算方式在应用于管长、管径比过大的换热器时所带来的计算困难；根据换热器静置时管道内工质的初始温度及周围岩土的温度分布、热物性参数，依据各控制单元体的热平衡进行迭代计算，从而获得换热器在静置情况下，由于温差引起的管内工质自然对流与周围岩土的换热量。通过对岩土管壁间导热与管内对流传热的耦合计算，获得换热器对周围岩土温度场的影响，为地热井静置期的工程应用提供设计参数，同时为系统运行时的岩土温度场的评估提供数据参考。由于核心计算过程可以通过计算机编程的方式实现，因此在正式实施前可以通过调试确定时间步长、迭代次数。在实际使用过程中，当地埋套管换热器的尺寸参数及地点、静置时间发生改变时，只需要更改参数设置部分的输入参数，即可通过计算得到所需要的换热量和静置工质温度等物理量，无需对其他计算部分进行更改，从而大大节省计算时间，为后续换热系统的运行提供了参考。附图说明图1为本专利技术所针对的地埋套管式换热器的系统示意图；图2为本专利技术所针对的地埋套管式换热器内部结构图；图3为本专利技术的计算方法的计算流程图；其中，1为水泵，2为热泵机组，3为地埋套管式换热器，4为控制单元体，5为外管，6为内管。具体实施方式为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本专利技术的具体实施情况做进一步的说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。图1位所针对的地埋套管式换热器的系统示意图，管道内的工质在系统停止运行期间静置于地埋套管式换热器的管道中，在此期间会与周围岩土的进行持续的热交换，从而改变周围岩土的温度场(距离系统一定距离的远边界处温度未受到影响)，对后续系统运行产生一定的影响。因此，对静置期间系统的自循环换热量进行模拟计算，具有很重要的作用。图2为所针对的地埋套管式换热器内部结构图，在系统运行过程中，换热流体由外管与内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对中深层地埋套管换热器内自循环换热量的计算方法，其特征在于，包含初始参数设置部分及计算部分；所述初始参数设置部分包括：获得地埋套管换热器尺寸参数和热物性参数以及换热器所在地点的岩土热物性参数；所述计算部分采用循环迭代的方式计算，具体步骤包括：步骤一，根据初始参数设置部分确定岩土热物性参数确定，根据实际地热井结构确定中深层地埋换热器结构尺寸，同时根据初始参数设置部分设置计算初值条件；步骤二，设置循环迭代中所需的最大循环次数及时间步长和静置总时长、系统静置工质的初始温度以及各控制单元体的x方向与y方向的坐标，并限定迭代次数，最终完成迭代条件设置；步骤三、迭代参数初始化设置及循环迭代求解：先后对t时刻地埋套管换热器中静止的工质逐段进行y方向与x方向热阻、能量方程的求解，得到工质温度与当前计算管段的换热量；将所得结果与t‑1时刻迭代计算的对应结果值进行比较，若误差小于所述用于判断误差的小量，则所得到的温度的值即为t时刻下满足要求的结果；否则继续进行下一轮迭代计算；步骤四、循环迭代收敛判断并以各个时刻所对应的工质温度及换热量的收敛计算结果即为最终结果。

【技术特征摘要】
1.一种针对中深层地埋套管换热器内自循环换热量的计算方法，其特征在于，包含初始参数设置部分及计算部分；所述初始参数设置部分包括：获得地埋套管换热器尺寸参数和热物性参数以及换热器所在地点的岩土热物性参数；所述计算部分采用循环迭代的方式计算，具体步骤包括：步骤一，根据初始参数设置部分确定岩土热物性参数确定，根据实际地热井结构确定中深层地埋换热器结构尺寸，同时根据初始参数设置部分设置计算初值条件；步骤二，设置循环迭代中所需的最大循环次数及时间步长和静置总时长、系统静置工质的初始温度以及各控制单元体的x方向与y方向的坐标，并限定迭代次数，最终完成迭代条件设置；步骤三、迭代参数初始化设置及循环迭代求解：先后对t时刻地埋套管换热器中静止的工质逐段进行y方向与x方向热阻、能量方程的求解，得到工质温度与当前计算管段的换热量；将所得结果与t-1时刻迭代计算的对应结果值进行比较，若误差小于所述用于判断误差的小量，则所得到的温度的值即为t时刻下满足要求的结果；否则继续进行下一轮迭代计算；步骤四、循环迭代收敛判断并以各个时刻所对应的工质温度及换热量的收敛计算结果即为最终结果。2.根据权利要求1所述的针对中深层地埋套管换热器内自循环换热量的计算方法，其特征在于，初始参数设置部分具体包括：获得井内换热器所拥有的不同结构管段的管段数、各管段自身的长度以及相应的内管内径、内管外径、外管内径、外管外径以及内外管热物性参数；获得地热井所在地点的岩土热物性参数，包括岩层主要成分、地温梯度、导热系数、比热容、密度及含水层分布。3.根据权利要求1所述的针对中深层地埋套管换热器内自循环换热量的计算方法，其特征在于，步骤一中，中深层地埋换热器结构参数包括深度、内外径及材料热物性；计算初值条件包括入口工质温度、工质流量、管道尺寸及岩土热物性参数。4.根据权利要求1所述的针对中深层地埋套管换热器内自循环换热量的计算方法，其特征在于，步骤二中，各控制单元体的坐标的确定方法如下：x方向坐标，根据实际管段长度，确定总控制单元体数及相邻控制单元体的长度之比，根据所述管段数及长度比例对地埋套管换热器进行分段，并以套管开口端为坐标原点，依次确定各控制单元体...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾国圣，蔡志强，金立文，孟祥兆，赵民，杨肖虎，陶泽宇，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61