本发明专利技术提出了一种深层套管换热器传热模型计算方法。该方法包括：建立深层套管换热器传热模型，深层套管换热器由外向内依次包括地层、回填材料、套管外管以及内管，地层与套管外管之间充填回填材料；确定深层套管换热器传热模型的假设条件，传热模型包括地层传热模型和管内流体流动传热模型；求解深层套管换热器地下传热模型。该方法考虑地温梯度影响，建立并求解深层套管换热器地下传热模型，并推导了套管换热器进出口流体平均温度拟稳态解和名义取热量计算解析公式。解析公式更加简单实用，可以实现深层套管换热器名义取热量快速计算，特别适合工程技术人员使用。特别适合工程技术人员使用。特别适合工程技术人员使用。
【技术实现步骤摘要】
一种深层套管换热器传热模型计算方法
[0001]本专利技术涉及地热能开采
，更为具体地，涉及一种深层套管换热器传热模型计算方法。
技术介绍
[0002]地热能开发在我国受到越来越多的重视，特别是浅层地热能已经通过地源热泵技术获得了大面积应用。近年来，为我国解决北方冬季清洁供暖问题，研究人员尝试推广中深层套管换热器建筑应用技术。中深层套管换热器深度通常在1000m～3000m之间，使用水为循环介质，具有占地少、地温高、取热不取水的优点，特别适合在严寒地区应用，在我国北方已有多个中深层套管建筑供暖项目示范，在新修订的《地埋管换热器技术规程》中已经增加针对中深层套管换热器技术的条文。
[0003]为科学分析套管换热器传热能力及影响分析，指导工程实践，学者们已经开展了大量了研究。Zanchini等人采用有限元软件COMSOL分析了热短路、循环流量以及管材和换热器几何结构对浅层套管换热器换热性能的影响。Lous等利用三维有限元软件FEFLOW建立了管内外解耦三维非稳态模型，研究了岩土热物性参数、深埋管材料、运行机制等因素对同轴套管式深层套管换热性能的影响。研究表明与浅层地热资源利用相比，深层系统可以获得更高的温度和投资回报，在125～600kW装机容量之间，深层套管换热器更具潜力。Holmberg等运用Matlab软件建立了深层套管换热器二维数值模型，并给出了300～1000m埋深范围内的套管换热器性能曲线。
[0004]随着中深层套管建筑供暖技术的推广，国内在中深层套管换热器传热方面的研究也逐渐增加。张兵兵等基于钻孔壁温度均匀且恒定假设，建立不同流体循环方式下套管换热器稳态换热解析模型，并进行了钻孔深度方向流体温度分析特征及换热器换热能力影响因素分析。该解析模型没有考虑地温梯度的影响。孔彦龙等人采用开源数值模拟软件OpenGeoSys研究了地温梯度对深层套管换热器换热特性的影响，研究表明不考虑地温梯度影响换热器出口温度偏低。王硕等应用Fluent软件模拟了青岛市深度为2605m深层套管换热器系统，并通过试验数据进行了验证，建议深层套管换热器应采取有效措施提高内管的隔热性能。Wang Zhihua等人建立了考虑垂向热物性差异的数值模型，并对某示范工程项目进行了模拟分析。除此之外，一种地温能双壁套管式高效换热器(201811490173.0)公开的换热器结构包括支架、两个水箱、进水机构、观察机构、控制机构、连接机构和输送机构结构复杂，热量在各部件之间传递损失严重，传热效率较低。注意到目前深层套管换热器换热性能模拟以数值方法为主，例如有限元法、有限差分方法，并且有较为成熟软件FLUENT、COMSOL、OpenGeoSys等。已有解析模型一般都未能考虑地温梯度的作用，仅仅适用于浅层套管计算。除此之外，与解析模型相比，数值方法操作复杂、计算时间长，不便于工程计算。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的在于解决上述现有的方法无法解决考虑低温梯度的深层套管换热器传热模型快速计算的技术问题，提供一种深层套管换热器传热模型计算方法。
[0006]本专利技术是通过下述技术方案实现：一种深层套管换热器传热模型计算方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1：建立所述深层套管换热器传热模型，所述深层套管换热器由外向内依次包括地层、回填材料、套管外管以及内管，所述地层与所述套管外管之间充填所述回填材料；
[0008]步骤S2：确定所述深层套管换热器传热模型的假设条件，所述传热模型包括地层传热模型和管内流体流动传热模型；
[0009]步骤S3：求解深层套管换热器地下传热模型。
[0010]在本专利技术的一较佳实施方式中，在所述步骤S1中，所述回填材料为水泥砂浆。
[0011]在本专利技术的一较佳实施方式中，所述深层套管换热器传热模型的假设条件包括：
[0012]地层平均导热系数为λ
s
，W/(m.K)；体积热容为c
s
,J/(m3.K)；且垂向热物性分布均匀，地层初始温度分布满足：
[0013]T
g
(z)＝T0+g
G
·
H
[0014]式中，T
g
(z)为地层初始温度分布，℃；g
G
为地温梯度，℃/m；T0为地表平均温度，℃；H为地层深度，m；
[0015]循环流体体积流量恒定；
[0016]钻孔内为稳态传热，且地层轴向垂向可以忽略；套管换热器热流恒定。
[0017]在本专利技术的一较佳实施方式中，在所述步骤S2中，所述地层传热模型为：钻孔内为稳态传热，所述内管中流体和环空流体温度分别满足：
[0018]T
f1
＝T
f2
+q
f1
·
R
12
[0019]T
f2
＝T
b
+q
f2
·
R
2b
[0020]式中，T
f1
为内管中流体的温度，(℃)；T
f2
为环空中流体的温度，(℃)；T
b
为钻孔壁温度，(℃)；q
f1
为内管中流体与内管管壁之间换热热流强度，(W/m)；q
f2
为环空流体与外管管壁之间换热热流强度，(W/m)；R
12
为内管流体和环空流体之间的热阻，(m.K/W)；R
2b
为环空流体与钻孔壁之间热阻，(m.K/W)。
[0021]在本专利技术的一较佳实施方式中，在所述步骤S2中，所述管内流体流动传热模型为：所述深层套管换热器内流体流动传热以对流传热为主，所述内管中流体温度T
f1
与环空流体T
f2
分别满足：
[0022][0023][0024]式中，c
f
为体积热容，J/(m3.K)；W
f
为循环流体流量，m3/s；T
f1
为内管中流体的温度，(℃)；T
f2
为环空中流体的温度，(℃)；q
f1
为内管流体与内管管壁之间换热热流强度，(W/m)；q
f2
为外管流体与外管管壁之间换热热流强度，(W/m)。
[0025]在本专利技术的一较佳实施方式中，在所述步骤S3中，所述求解深层套管换热器地下
传热模型包括求解所述深层套管换热器进出口流体平均温度拟稳态解和名义取热量计算解析公式。
[0026]在本专利技术的一较佳实施方式中，所述名义取热量计算公式为：
[0025][0028]式中，Q
N
，Q
N
为名义取热量，(W)；T0为地表平均温度，℃；g
G
为地温梯度，K/m；H为地层深度，m；T
fin
为进口温度，℃；λ
s
为地层平均导热系数，W/(m.K)；c
s
为地层平均体积热本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种深层套管换热器传热模型计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：建立所述深层套管换热器传热模型，所述深层套管换热器由外向内依次包括地层、回填材料、套管外管以及内管，所述地层与所述套管外管之间充填所述回填材料；步骤S2：确定所述深层套管换热器传热模型的假设条件，所述传热模型包括地层传热模型和管内流体流动传热模型；步骤S3：求解深层套管换热器地下传热模型。2.根据权利要求1所述的深层套管换热器传热模型计算方法，其特征在于：在所述步骤S1中，所述回填材料为水泥砂浆。3.根据权利要求2所述的深层套管换热器传热模型计算方法，其特征在于：在所述步骤S2中，所述深层套管换热器传热模型的假设条件包括：
①
地层平均导热系数为λ
s
，体积热容为c
s
，且垂向热物性分布均匀，地层初始温度分布满足T
g
(z)＝T0+g
G
·
H式中，T
g
(z)为地层初始温度分布，K；g
G
为地温梯度，K/m；T0为地表平均温度，℃；H为地层深度，m；
②
循环流体体积流量恒定；
③
钻孔内为稳态传热，且地层轴向垂向可以忽略；套管换热器热流恒定。4.根据权利要求3所述的深层套管换热器传热模型计算方法，其特征在于：在所述步骤S2中，所述地层传热模型为：钻孔内为稳态传热，所述内管中流体和环空流体温度分别满足T
f1
＝T
f2
+q
f1
·
R
12
T
f2
＝T
b
+q
f2
·
R
2b
式中，T
f1
为内管中流体的温度，℃；T
f2
为环空中流体的温度，℃；T
b
为钻孔壁温度，℃；q
f1
为内管中流体与内管管壁之间换热热流强度，W/m；q
【专利技术属性】
技术研发人员：罗怡雯，汤昌福，
申请(专利权)人：北京中地金石科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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