一种可跨季节变流量变管径的同轴套管式地埋管换热器仿真方法技术

本发明专利技术公开了针对可跨季节、变流量、变管径的中深层同轴套管式地埋管换热器的仿真方法，可以在不同工作环境下快速计算流体、换热器内管管壁、土壤的温度分布情况。首先假设流体温度不变，将其作为第三类边界条件求解土壤和内管管壁温度场；根据内、外管壁面温度和流体温度计算土壤传递给流体的热流量以及内管流体与内外管间流体通过内管管壁传递的热流量；将热流量作为源项加入到流体一维流动传热方程中，求解流体温度场；向前推进一个时层，根据流体温度场再次计算土壤温度场，如此循环往复直至预定时间。这个方法可以准确高效的模拟长周期同轴套管式地埋换热器的工作过程，具有适用范围广、计算效率高、精确性好等特点。精确性好等特点。精确性好等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种可跨季节变流量变管径的同轴套管式地埋管换热器仿真方法


[0001]本专利技术属于地热资源高效利用
，涉及数值传热计算方法，特别涉及一种可跨季节变流量变管径的同轴套管式地埋管换热器仿真方法。

技术介绍

[0002]地热能是近些年备受关注的一种清洁能源，可与地源热泵技术相结合，为建筑物提供制冷、供暖等服务。与其它清洁能源相比，地热能具有资源丰富、分布广、可循环利用、高稳定性等优点。因此，地热资源的开采受越来越多研究所和企业的关注。
[0003]由于城市土地资源有限，为了解除埋管用地不足的制约，衍生出了中深层地埋管换热器。与较为常见的单U型和双U型浅层地埋管换热器相比，中深层地埋管换热器大多为同轴套管式，利用地面深处的较高温度加热循环水，实现地热资源的开采；同时这也避免了开采地下水所造成水位下降、地面下沉、热储寿命缩短以及环境污染等一系列问题。中深层地埋管换热器可采用变管径同轴管，在深地层增大外管管径，从而延长循环水在深地层处的滞留时间，同时根据冬季供暖、夏季供热水的用户需求，采用变流量的方法使地热资源合理利用。
[0004]目前地热资源的开采过程中仍存在技术不完善、成本高等难题，为解决这一难题，获取整个地热开采周期中温度场的演变规律是基础工作之一。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，更好地分析深层地埋管换热器的传热性能，提高环境适应性，本专利技术的目的在于提供一种可跨季节变流量变管径的同轴套管式地埋管换热器仿真方法，可实现跨季节、变流量、变管径的中深层同轴套管式地埋管换热器数值模拟，准确高效地计算不同工况下地层、换热器内管管壁、流体的温度场的分布情况，为地热资源的开采提供技术支持，降低实际开采成本。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种可跨季节变流量变管径的同轴套管式地埋管换热器仿真方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1、建立沿半径方向包括土壤、换热器内管管壁、换热器内流体三个区域的物理模型；
[0009]步骤2、对物理模型进行简化，并根据其结构特点进行网格划分，在径向上采用非均匀结构化网格，在轴向上采用均匀结构化网格；
[0010]步骤3、通过Excel导入土壤、换热器内管管壁及换热器内流体的物性参数，换热器几何参数以及流量随时间变化情况；
[0011]步骤4、建立土壤、换热器内管管壁的导热方程以及换热器内流体流动的能量方程，并进行离散化处理，得到土壤区域、换热器内管管壁区域、换热器内流体区域的离散方
程；
[0012]步骤5、设置土壤区域边界条件；
[0013]步骤6、假设换热器内流体温度不变，根据初始土壤温度场求解换热器外管外壁面对流换热系数，并得出离散方程的系数，根据方程系数对土壤温度场进行更新，迭代至换热器外管外壁面温度不变时输出土壤温度场；
[0014]步骤7、设置换热器内管管壁区域边界条件；
[0015]步骤8、保持换热器内流体温度不变，根据初始换热器内管管壁内部的温度分布情况分别求解换热器内管内外壁面对流换热系数，得出离散方程的系数，由方程系数对换热器内管管壁温度场进行更新，迭代至内管内壁面温度不变时输出换热器内管管壁的内部温度场；
[0016]步骤9、设置流体区域边界条件；
[0017]步骤10、根据内管流体温度与内管内壁面温度计算内外流体间热流q1，根据内外管间流体温度和外管外壁面温度计算土壤热流q
f
，求解流体温度场；
[0018]步骤11、在达到目标时间后将所获结果输出。
[0019]与现有技术相比，本专利技术可准确高效的模拟不同工况下地埋管换热器开采地热的完整生命周期过程，并按季节需求对进水流量进行调整，实现对换热器换热效果的预测，满足工程的现实需要。
附图说明
[0020]图1为本专利技术实例提供的流固耦合传热数值模拟方法的流程示意图。
[0021]图2为本专利技术实施例所述的物理模型的整体示意图。
[0022]图3为本专利技术实施例所述的长周期运行时出口水温随时间的变化情况。
[0023]图4为本专利技术实施例所述的内管和内外管间中流体温度分布示意图。
[0024]图5为本专利技术实施例所述的土壤温度分布图。
[0025]图6为本专利技术实施例所述的1500
‑
1600m局部土壤温度分布情况。
具体实施方式
[0026]下面结合附图和实施例详细说明本专利技术的实施方式。
[0027]本专利技术为一种可跨季节变流量变管径的同轴套管式地埋管换热器仿真方法，该同轴套管式地埋管换热器应可用于供暖供热水，其运行周期一般为一年以上，且针对各季节用户需求不同，在冬季进行供暖，夏季供热水；采用变流量的方式实现地热资源的合理利用，即冬季进水流量大，夏季进水流量小；换热器上部的外管管径小于下部的外管管径，即通过增大深地层处外管管径，延长流体在深地层滞留时间。
[0028]如图1所示，以流固耦合传热数值模拟方法为例，本专利技术的仿真方法具体包括如下步骤：
[0029]步骤1、建立沿半径方向包括土壤、换热器内管管壁、换热器内流体三个区域的物理模型。
[0030]在该步骤中，上述同轴套管式地埋换热器实际中是一个三维模型。低温水从同轴管的一个管口流入，与地层充分换热后由另一个管口流出。流动方式有两种：内进外出(从
内管流入，从外管流出)、外进内出(从外管流入，从内管流出)。在流动过程中流体通过强制对流的方式与管壁进行换热，从而使流体获得地层的热量而使温度上升。
[0031]步骤2、对物理模型进行简化，并根据其结构特点进行网格划分，根据高效的经验公式，在径向上采用非均匀结构化网格，在轴向上采用均匀结构化网格。
[0032]示例地，本专利技术中，在沿半径方向包括土壤、换热器内管管壁、换热器内流体三个区域的物理模型中，在地下0～500m时外管内径为0.25m，在地下 500～2500m时外管内径为0.30m，其中由于外管壁厚为0.01m，相较于土壤径向计算范围很小，因此忽略换热器外管管壁厚度。
[0033]为了简化模型，由于内管和外管在各个计算区域均为圆柱形，且在周围的土壤的包裹下进行传热，土壤影响的区域为对称区域，因此可将三维流固耦合传热问题简化为圆柱坐标系下的二维平面问题。从轴向来看，同一深度的管道截面上的土壤在周向上对流体均匀加热，且其径向宽度远小于轴向长度，因而可认为同一截面上流体温度均一，将流体的管内的流动传热问题简化为一维问题。
[0034]为减小不相关因素的影响，对模型进行进一步简化，作基本假设如下：(1) 将换热管周围的土壤看作均匀介质，忽略地下水对换热的影响，把地下土壤的导热视为纯导热。(2)忽略外管管壁的厚度。(3)地表空气温度视为恒定。
[0035]具体实现中，温度在水平方向上变化不均匀，在温度变化剧烈的区域(靠近井孔壁面处)适当加密网格，而在距离井孔足够远、温度变化小的径向外边界处，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可跨季节变流量变管径的同轴套管式地埋管换热器仿真方法，所述换热器应用于供暖供热水，其特征在于，仿真方法包括以下步骤：步骤1、建立沿半径方向包括土壤、换热器内管管壁、换热器内流体三个区域的物理模型；步骤2、对物理模型进行简化，并根据其结构特点进行网格划分，在径向上采用非均匀结构化网格，在轴向上采用均匀结构化网格；步骤3、通过Excel导入土壤、换热器内管管壁及换热器内流体的物性参数，换热器几何参数以及流量随时间变化情况；步骤4、建立土壤、换热器内管管壁的导热方程以及换热器内流体流动的能量方程，并进行离散化处理，得到土壤区域、换热器内管管壁区域、换热器内流体区域的离散方程；步骤5、设置土壤区域边界条件；步骤6、假设换热器内流体温度不变，根据初始土壤温度场求解换热器外管外壁面对流换热系数，并得出离散方程的系数，根据方程系数对土壤温度场进行更新，迭代至换热器外管外壁面温度不变时输出土壤温度场；步骤7、设置换热器内管管壁区域边界条件；步骤8、保持换热器内流体温度不变，根据初始换热器内管管壁内部的温度分布情况分别求解换热器内管内外壁面对流换热系数，得出离散方程的系数，由方程系数对换热器内管管壁温度场进行更新，迭代至内管内壁面温度不变时输出换热器内管管壁的内部温度场；步骤9、设置流体区域边界条件；步骤10、根据内管流体温度与内管内壁面温度计算内外流体间热流q1，根据内外管间流体温度和外管外壁面温度计算土壤热流q
f
，求解流体温度场；步骤11、在达到目标时间后将所获结果输出。2.根据权利要求1所述可跨季节变流量变管径的同轴套管式地埋管换热器仿真方法，其特征在于，所述同轴套管式地埋管换热器的运行周期为一年以上，且针对各季节用户需求不同，在冬季进行供暖，夏季供热水；采用变流量的方式实现地热资源的合理利用，即冬季进水流量大，夏季进水流量小；换热器上部的外管管径小于下部的外管管径，即通过增大深地层处外管管径，延长流体在深地层滞留时间；所述步骤2，在沿半径方向包括土壤、换热器内管管壁、换热器内流体三个区域的物理模型中，在地下0～500m时外管内径为0.25m，在地下500～2500m时外管内径为0.30m。3.根据权利要求1所述可跨季节变流量变管径的同轴套管式地埋管换热器仿真方法，其特征在于，所述步骤2，在以换热器外管外壁面为起始位置的径向土壤区域，近外管管壁处网格密度大，远外管管壁处网格密度小，网格线相交处为节点，径向网格划分依据为：径向网格划分依据为：式中r
j
为径向网格中第j个节点所在的位置；N为径向上总节点的个数；a为网格变化的调节参数，为中间变量，R为土壤径向计算范围；
在轴向上，网格均匀分布，轴向网格划分依据为：式中z为轴向网格中第j个网格所在的位置；depth为计算区域轴向深度；N
z
为轴向上总节点的个数。4.根据权利要求1所述可跨季节变流量变管径的同轴套管式地埋管换热器仿真方法，其特征在于，所述步骤3，物性参数包括土壤密度、土壤热容、土壤导热系数、不同土壤层深度和初始温度、换热器内管管壁密度、换热器内管管壁热容、换热器内管管壁导热系数、流体密度、流体热容、流体导热系数、流体入口温度；换热器几何参数包括换热器内管和外管的管壁厚度、内外管管径；流量随时间变化情况指不同季节所采用的不同入口流量。5.根据权利要求1所述可跨季节变流量变管径的同轴套管式地埋管换热器仿真方法，其特征在于，所述步骤4，土壤的导热方程如下：式中ρ为土壤密度，c
p
为土壤的比热容，T为温度，t为时间，r为径向坐标，λ为土壤导热系数，z为轴向坐标；土壤区域的离散方程为：即：a
P
T
P
＝a
E
T
E
+a
W
T
W
+a
S
T
S
+a
N
T
N
+b其中，r
n
、r
s
为与P节点相邻的两个节点的径向坐标，λ
e
、λ
w
、λ
s
、λ
n
为P节点处相邻四个节点的导热系数，Δr为P节点处径向空间步长，Δz为P节点处轴向空间步长，(ρc)
P
为体积比热容，Δt为时间步长，(δz)
e
、(δz)
w
为P节点在轴向上相邻两节点处的轴向空间步长，(δr)
s
、(δr)
n
为P节点在径向上相邻两节点处的径向空间步长，表示各节点第n+1时层的温度，表示P节点第n时层的温度；a
P
、a
E
、a
W
、a
N
、b为系数：b为系数：换热器内管管壁区域的导热方程如下：
换热器内管管壁区域的离散方程为：即：a
′
P
T
P
＝a
′
E
T
E
+a
′
W
T
W
+a
′
S
T
S
+a
′
N
T
N
+b
′
其中a
′
P
、a
′
E
、a
′
W
、a
′
S
、a
′
N
、b...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴艳俊，郭镇源，王云刚，陈宇杰，赵杰，何迎旗，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：