一种套管式地埋管换热器的简化计算方法技术

本发明专利技术涉及地热资源开发利用技术领域，且公开了一种套管式地埋管换热器的简化计算方法，包括以下步骤：1)回填材料、周边岩土的热物性均匀一致，其热物性参数不随径向和竖向尺寸的变化而变化，地下水渗流和土壤湿传递影响忽略不计；2)在竖直方向上不存在导热现象，即传热过程是一个沿着埋管径向的一个二维传热问题。该套管式地埋管换热器的简化计算方法，通过采用本计算方法，能够减少套管式地埋管换热器传热计算过程中的网格划分，同时将复杂的三维非稳态传热问题简化为二维非稳态传热问题，因此可以在不同情况下对套管式地埋管换热器进行简化计算，提高计算效率，具备一定的实际使用价值和推广价值。使用价值和推广价值。使用价值和推广价值。

【技术实现步骤摘要】
一种套管式地埋管换热器的简化计算方法


[0001]本专利技术涉及地热资源开发利用
，具体为一种套管式地埋管换热器的简化计算方法。

技术介绍

[0002]地热能是一种清洁环保的可再生能源，在清洁能源利用领域的竞争力越来越强，目前根据地热资源的开采形式，可以分为开式和闭式两种，开式地源热泵系统需提取地下水，其受水温、水量的稳定性以及政策保护的影响较大，在城市中难以开展；而闭式地源热泵系统采用地埋管换热器的形式，分为浅层埋管和中深层埋管，中深层地埋管地源热泵系统埋管深度能达到1500～2500m以上，充分利用地层中岩土层的温度，能够实现“取热不取水”，具有独特的优势，能够有效保证地下换热的稳定性，是一种新型清洁供暖技术。
[0003]中深层套管式地埋管地源热泵系统采用地埋管的形式开采中深层地热资源，通常为同轴套管式换热器的形式，冷水从外套管入口流入，冷水在外套管内下降过程中通过导热和对流换热与周围岩土层完成热量交换，在到达套管底部后再从内管通道向上流出到井口。
[0004]地埋管换热器是中深层地埋管地源热泵系统的重要组成部分，是计算套管式地埋管换热器换热性能的方法有数值法和解析法，构建传热模型，通过有限差分法对数值模型求解，将复杂的偏微分问题转化为线性方程组的求解问题，但计算过程需将地埋管换热器划分为数量庞大的网格，计算耗时长，而在工程运用中，需要根据不同地区的实际情况进行计算，故而提出一种套管式地埋管换热器的简化计算方法来解决上述问题。

技术实现思路

[0005](一)解决的技术问题
[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种套管式地埋管换热器的简化计算方法，具备提高计算效率等优点，解决了计算效率低的问题。
[0007](二)技术方案
[0008]为实现上述提高计算效率目的，本专利技术提供如下技术方案：一种套管式地埋管换热器的简化计算方法，包括以下步骤：
[0009]1)回填材料、周边岩土的热物性均匀一致，其热物性参数不随径向和竖向尺寸的变化而变化，地下水渗流和土壤湿传递影响忽略不计；
[0010]2)在竖直方向上不存在导热现象，即传热过程是一个沿着埋管径向的一个二维传热问题；
[0011]3)地埋管内部流体的温度均匀，不考虑套管式换热器内套管内外流体的热量回流问题；
[0012]4)各接触面之间不存在接触热阻，即认为材料与材料之间不存在接触间隙。
[0013]优选的，所述套管式地埋管换热器管内流体与岩土层之间单位长度的热阻R可以
采用以下公式计算：
[0014]壁面与循环工质对流换热热阻Rf：
[0015][0016]其中，r1为外套管内径，单位m，hf为壁面与循环工质的对流传热系数。
[0017]套管式外套管热阻R1:
[0018][0019]其中，r1为外套管内径，单位m；r2为外套管外径，单位m；λ1为外套管的导热系数，单位为W/(m
·
k)。
[0020]回填材料热阻R2:
[0021][0022]其中，r1为外套管内径，单位m；r2为外套管外径，单位m；λ2为外套管的导热系数，单位为W/(m
·
k)。
[0023]套管式外套管热阻R3:
[0024][0025]其中，r3为钻孔孔径，单位m；r4为地埋管影响半径，单位m；λ3为地层岩土的导热系数，单位W/(m
·
k)。
[0026]地埋管换热器的单位长度热阻为：
[0027]R＝R
f
+R1+R2+R3[0028]单位长度地埋管换热量为：
[0029][0030][0031]其中，Tw为初始地层温度，单位为℃；Ti1为管段入口温度，单位为℃； To1为管段出口温度，单位为℃。
[0032]各管段为连续流动的耦合换热过程，上一管段的出口温度为下一管段的入口温度，即：
[0033]T
o1
＝T
i2
[0034]地埋管换热负荷计算满足：
[0035]Q＝C
w
×
m
×
(T
o
‑
T
i
)
[0036]其中：Cw为循环工质比热容，单位kJ/(kg
·
℃)；m为流体的质量流量，单位kg/s。
[0037](三)有益效果
[0038]与现有技术相比，本专利技术提供了一种套管式地埋管换热器的简化计算方法，具备以下有益效果：
[0039]该套管式地埋管换热器的简化计算方法，通过采用本计算方法，能够减少套管式地埋管换热器传热计算过程中的网格划分，同时将复杂的三维非稳态传热问题简化为二维非稳态传热问题，因此可以在不同情况下对套管式地埋管换热器进行简化计算，提高计算效率，具备一定的实际使用价值和推广价值。
附图说明
[0040]图1为本专利技术提出的一种套管式地埋管换热器的简化计算方法模型示意图；
[0041]图2为本专利技术提出的套管式地埋管换热器传热模型图。
[0042]图中：1内管管路、2内管管壁、3外套管管路、4外套管管壁、5回填材料、6岩土层。
具体实施方式
[0043]下面将结合本专利技术的实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0044]本专利技术计算过程中根据地质岩土特性将套管式地埋管换热器简化为5个分层，每个分层看作二维非稳态传热过程进行计算。
[0045]由于套管式地埋管换热器的深度通常为200～3000m，而钻孔的孔径很小，故与钻井的深度相比，可以将地埋管换热器看作二维非稳态传热过程进行计算。
[0046]本专利将2500m的套管式地埋管换热器根据地层岩性简化为5个分层，冷水从外套管入口流入，冷水在外套管内下降过程中通过导热和对流换热与周围岩土层完成热量交换，在到达套管底部后再从内管通道向上流出到井口。
[0047]每个分层的出口温度为下一个分层的进口温度。
[0048]计算时主要考虑管内循环工质的对流换热、外套管管壁的导热、回填材料的导热和地层的导热对套管式地埋管换热器换热的影响。
[0049]一种套管式地埋管换热器的简化计算方法，包括以下步骤：
[0050]1)回填材料、周边岩土的热物性均匀一致，其热物性参数不随径向和竖向尺寸的变化而变化，地下水渗流和土壤湿传递影响忽略不计；
[0051]2)在竖直方向上不存在导热现象，即传热过程是一个沿着埋管径向的一个二维传热问题；
[0052]3)地埋管内部流体的温度均匀，不考虑套管式换热器内套管内外流体的热量回流问题；
[0053]4)各接触面之间不存在接触热阻，即认为材料与材料之间不存本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种套管式地埋管换热器的简化计算方法，其特征在于，包括以下步骤：1)回填材料、周边岩土的热物性均匀一致，其热物性参数不随径向和竖向尺寸的变化而变化，地下水渗流和土壤湿传递影响忽略不计；2)在竖直方向上不存在导热现象，即传热过程是一个沿着埋管径向的一个二维传热问题；3)地埋管内部流体的温度均匀，不考虑套管式换热器内套管内外流体的热量回流问题；4)各接触面之间不存在接触热阻，即认为材料与材料之间不存在接触间隙。2.根据权利要求1所述的一种套管式地埋管换热器的简化计算方法，其特征在于：所述套管式地埋管换热器管内流体与岩土层之间单位长度的热阻R可以采用以下公式计算：壁面与循环工质对流换热热阻Rf：其中，r1为外套管内径，单位m，hf为壁面与循环工质的对流传热系数；套管式外套管热阻R1:其中，r1为外套管内径，单位m；r2为外套管外径，单位m；λ1为外套管的导热系数，单位为W/(m
·
k)；回填材料热阻R2:其中，r1为外套管内径，单位m；r2为外套管外径，单位m；λ2为外套管的导热系数...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭磊，熊林涛，焦雅岚，
申请(专利权)人：万江新能源集团有限公司，
类型：发明
国别省市：