考虑地下水渗流的中深层制造技术

本发明专利技术提供一种考虑地下水渗流的中深层

【技术实现步骤摘要】
考虑地下水渗流的中深层U型地埋管数值传热模型及其快速求解方法


[0001]本专利技术属于中深层地源热泵
，具体涉及一种考虑地下水渗流的中深层
U
型地埋管数值传热模型及其快速求解方法
。

技术介绍

[0002]随着钻井技术的发展，开采地热能的深度由浅层
(<200m)
增加到中深层
(500
‑
3000m)
，所对应的系统由传统浅层地源热泵系统发展至中深层地源热泵系统
。
中深层地埋管换热器是中深层地源热泵系统的核心部件，其与岩土之间耦合传热过程影响系统的取热性能
。
中深层地埋管换热器按照结构形式可分为中深层同轴套管式地埋管换热器和中深层
U
型地埋管换热器
。
[0003]与中深层同轴套管式地埋管换热器，中深层
U
型地埋管换热器的结构更加简单，减小了流体在管道内的阻力
,
并且避免了同轴套管式地埋管换热器内管流体与外部环腔内流体之间的热损失
,
提高了系统的换热效率
。
此外，中深层
U
型地埋管换热器包括下降管
、
水平管和上升管，由于水平管附近岩土温度较高
,
增强了管内流体与周围岩土的换热
,
提升了中深层
U
型地埋管换热器提取地热能的能力
。
为探究中深层
U
型地埋管换热器的长期取热性能，现有技术公开了一种简化计算方法，将中深层
U
型地埋管换热器的下降管
、
水平管和上升管视为三个独立的部分，但是忽略了三个管道之间的耦合传热
。
现有技术还简化了中深层
U
型地埋管换热器传热过程，提出了半解析传热模型
。
进一步的还采用商用软件
Fluent
量化了埋深及连接管长度对
U
型深埋管换热的影响
。
[0004]然而，上述对中深层
U
型地埋管换热器的研究均未考虑岩土中的地下水渗流
。
地下水渗流使得岩土中的传热方式在纯导热的基础上增加了地下水的对流传热，有利于将远处高品位的地热能输运至中深层
U
型地埋管换热器附近，形成高温热羽流区域
。
因此，地下水渗流会增强地埋管与岩土的传热，提升中深层
U
型地埋管换热器的取热功率
。
此外，在采用商用软件
Fluent
研究岩土中的地下水渗流对中深层
U
型地埋管换热器取热性能的影响时，需要建立物理模型
、
网格划分以及求解模型
。
由于中深层
U
型地埋管换热器埋管深度往往达数千米，下降管和上升管之间距离达数百米，而钻孔尺寸在毫米级，造成建立物理模型与网格划分的难度及工作量较大，并且计算成本较高
。
因此，亟需提出考虑地下水流渗流并且能够保证计算精度，可以实现快速求解的中深层
U
型地埋管换热器数值传热模型
。
经仔细检索公开的文献及专利，尚无文献或专利提出考虑地下水渗流的中深层
U
型地埋管换热器数值传热模型及快速求解方法
。

技术实现思路

[0005]为量化岩土中的地下水流渗流对中深层
U
型地埋管换热器的影响，本专利技术提出了考虑地下水流渗流的中深层
U
型地埋管换热器与岩土瞬时耦合数值传热模型；并且，为实现模型的快速求解，本专利技术还提出了新型网格离散形式；本专利技术为中深层
U
型地埋管供热系统
在渗流速度较大地区的工程实践提供了设计依据
。
[0006]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0007]一种考虑地下水渗流的中深层
U
型地埋管数值传热模型，所述数值传热模型包括以下步骤，
[0008]步骤1：分析地下岩土中的热渗耦合传热过程，得出多孔介质的能量方程；得出多孔介质的能量方程；
[0009]步骤2：基于步骤1的能量方程，得到当中深层
U
型地埋管换热器处于从岩土中取热的阶段能量方程；
[0010]步骤3：基于步骤2的能量方程，得到热容量之和与热阻；
[0011]步骤4：基于步骤3的热阻，得到导热系数
、
对流换热系数
、
无量刚温度梯度与
Darcy
阻力数；
[0012]步骤5：基于步骤1‑4得到考虑地下水渗流的中深层
U
型地埋管换热器取热阶段的控制方程组，用于揭示岩土中的地下水流渗流对中深层
U
型地埋管换热器长期取热性能的影响
。
[0013]进一步的，所述步骤1具体为，岩土为各向同性的均匀多孔介质，由固体和流体两部分组成，其孔隙率为
ε
，多孔介质中的固体岩土部分只有导热过程，而对于多孔介质中的流体部分既有导热过程，同时还有对流换热过程，岩土部分导热过程为，
[0014][0015]流体部分导热过程和对流换热过程为，
[0016][0017]基于多孔介质满足局部热平衡，将式
(1)
和式
(2)
相加，得出多孔介质的能量方程为，
[0018][0019]式中，是矢量算符；
T
为多孔介质的温度，单位
℃
；
t
为时间，单位
s
；
ε
为多孔介质中的微小孔隙体积
V
k
和与多孔介质总体积
V
之比，单位％；
(
ρ
c
p
)
t
为多孔介质总的体积比热容，单位
J/(m3·
K)
；
λ
为总的导热系数，单位
W/(m
·
K)
；
q
为总的内热源的强度，单位
W/m3；
[0020]可分别由式
(4)
‑
(7)
计算，
[0021][0022](
ρ
c
p
)
t
＝
ε
(
ρ
c
p
)
f
+(1
‑
ε
)(
ρ
c
p
)
s
ꢀꢀ
(5)
[0023]λ
＝
ελ
f
+(1
‑
ε
)
λ
s
ꢀꢀ
(6)
[0024]q本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种考虑地下水渗流的中深层
U
型地埋管数值传热模型，其特征在于，所述数值传热模型包括以下步骤，步骤1：分析地下岩土中的热渗耦合传热过程，得出多孔介质的能量方程；步骤2：基于步骤1的能量方程，得到当中深层
U
型地埋管换热器处于从岩土中取热阶段的能量方程；步骤3：基于步骤2的能量方程，得到热容量之和与热阻；步骤4：基于步骤3的热阻，得到导热系数
、
对流换热系数
、
无量刚温度梯度与
Darcy
阻力数；步骤5：基于步骤1‑4得到考虑地下水渗流的中深层
U
型地埋管换热器取热阶段的控制方程组，用于揭示岩土中的地下水渗流对中深层
U
型地埋管换热器长期取热性能的影响
。2.
根据权利要求1所述一种考虑地下水渗流的中深层
U
型地埋管数值传热模型，其特征在于，所述步骤1具体为，岩土为各向同性的均匀多孔介质，由固体和流体两部分组成，其孔隙率为
ε
；多孔介质中的固体岩土部分只有导热过程，而对于多孔介质中的流体部分既有导热过程，同时还有对流换热过程，岩土部分导热过程为，流体部分导热过程和对流换热过程为，基于多孔介质满足局部热平衡，将式
(1)
和式
(2)
相加，得出多孔介质的能量方程为，式中，是矢量算符；
T
为多孔介质的温度，单位
℃
；
t
为时间，单位
s
；
ε
为多孔介质中的微小孔隙体积
V
k
和与多孔介质总体积
V
之比，单位％；
(
ρ
c
p
)
t
为多孔介质总的体积比热容，单位
J/(m3·
K)
；
λ
为总的导热系数，单位
W/(m
·
K)
；
q
为总的内热源的强度，单位
W/m3；可分别由式
(4)
‑
(7)
计算，
(
ρ
c
p
)
t
＝
ε
(
ρ
c
p
)
f
+(1
‑
ε
)(
ρ
c
p
)
s
ꢀꢀ
(5)
λ
＝
ελ
f
+(1
‑
ε
)
λ
s
ꢀꢀ
(6)q
＝
ε
q
f
+(1
‑
ε
)q
s
ꢀꢀ
(7)。3.
根据权利要求1所述一种考虑地下水渗流的中深层
U
型地埋管数值传热模型，其特征在于，所述步骤2具体为，下降管内流体的能量方程为，水平管内流体的能量方程为，
上升管内流体的能量方程为，式中：
T
f1
、T
f2
和
T
f3
分别为下降管
、
水平管和上升管内的流体温度，单位
℃
；
T
b11
和
T
b12
分别为下降钻孔左壁和右壁温度，单位
℃
；
T
b21
和
T
b22
分别为水平钻孔上壁和下壁温度，单位
℃
；
T
b31
和
T
b32
分别为上升钻孔左壁和右壁温度，单位
℃
；
M
为管内循环工质的流量，单位
kg/s
；
C
f
为管内循环工质的比热容，单位
kJ/(kg
·
℃)。4.
根据权利要求3所述一种考虑地下水渗流的中深层
U
型地埋管数值传热模型，其特征在于，所述步骤3热容量之和具体为，
C1、C2和
C3分别为各管段单位长度的钻孔换热器内各种材料的热容量之和，单位
J/(m
·
K)
，用下式计算，，用下式计算，，用下式计算，式中：
d
b1
、d
b2
和
d
b3
分别代表下降钻孔
、
水平钻孔和上升钻孔的直径，单位
m
；
d
1o
、d
2o
和
d
3o
分别代表下降管道
、
水平管道和上升管道的外径，单位
m
；
d
1i
、d
2i
和
d
3i
分别代表下降管道
、
水平管道和上升管道的内径，单位
m
；
ρ
...

【专利技术属性】
技术研发人员：董建锴，黄帅，姜益强，李佶芩，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：