一種可跨季節變流量變管徑的同軸套管式地埋管換熱器仿真方法技術

本發明專利技術公開了針對可跨季節、變流量、變管徑的中深層同軸套管式地埋管換熱器的仿真方法，可以在不同工作環境下快速計算流體、換熱器內管管壁、土壤的溫度分布情況。首先假設流體溫度不變，將其作為第三類邊界條件求解土壤和內管管壁溫度場；根據內、外管壁面溫度和流體溫度計算土壤傳遞給流體的熱流量以及內管流體與內外管間流體通過內管管壁傳遞的熱流量；將熱流量作為源項加入到流體一維流動傳熱方程中，求解流體溫度場；向前推進一個時層，根據流體溫度場再次計算土壤溫度場，如此循環往復直至預定時間。這個方法可以準確高效的模擬長周期同軸套管式地埋換熱器的工作過程，具有適用范圍廣、計算效率高、精確性好等特點。精確性好等特點。精確性好等特點。

【技術實現步驟摘要】
一種可跨季節變流量變管徑的同軸套管式地埋管換熱器仿真方法


[0001]本專利技術屬于地熱資源高效利用
，涉及數值傳熱計算方法，特別涉及一種可跨季節變流量變管徑的同軸套管式地埋管換熱器仿真方法。

技術介紹

[0002]地熱能是近些年備受關注的一種清潔能源，可與地源熱泵技術相結合，為建筑物提供制冷、供暖等服務。與其它清潔能源相比，地熱能具有資源豐富、分布廣、可循環利用、高穩定性等優點。因此，地熱資源的開采受越來越多研究所和企業的關注。
[0003]由于城市土地資源有限，為了解除埋管用地不足的制約，衍生出了中深層地埋管換熱器。與較為常見的單U型和雙U型淺層地埋管換熱器相比，中深層地埋管換熱器大多為同軸套管式，利用地面深處的較高溫度加熱循環水，實現地熱資源的開采；同時這也避免了開采地下水所造成水位下降、地面下沉、熱儲壽命縮短以及環境污染等一系列問題。中深層地埋管換熱器可采用變管徑同軸管，在深地層增大外管管徑，從而延長循環水在深地層處的滯留時間，同時根據冬季供暖、夏季供熱水的用戶需求，采用變流量的方法使地熱資源合理利用。
[0004]目前地熱資源的開采過程中仍存在技術不完善、成本高等難題，為解決這一難題，獲取整個地熱開采周期中溫度場的演變規律是基礎工作之一。

技術實現思路

[0005]為了克服上述現有技術的缺點，更好地分析深層地埋管換熱器的傳熱性能，提高環境適應性，本專利技術的目的在于提供一種可跨季節變流量變管徑的同軸套管式地埋管換熱器仿真方法，可實現跨季節、變流量、變管徑的中深層同軸套管式地埋管換熱器數值模擬，準確高效地計算不同工況下地層、換熱器內管管壁、流體的溫度場的分布情況，為地熱資源的開采提供技術支持，降低實際開采成本。
[0006]為了實現上述目的，本專利技術采用的技術方案是：
[0007]一種可跨季節變流量變管徑的同軸套管式地埋管換熱器仿真方法，包括如下步驟：
[0008]步驟1、建立沿半徑方向包括土壤、換熱器內管管壁、換熱器內流體三個區域的物理模型；
[0009]步驟2、對物理模型進行簡化，并根據其結構特點進行網格劃分，在徑向上采用非均勻結構化網格，在軸向上采用均勻結構化網格；
[0010]步驟3、通過Excel導入土壤、換熱器內管管壁及換熱器內流體的物性參數，換熱器幾何參數以及流量隨時間變化情況；
[0011]步驟4、建立土壤、換熱器內管管壁的導熱方程以及換熱器內流體流動的能量方程，并進行離散化處理，得到土壤區域、換熱器內管管壁區域、換熱器內流體區域的離散方
程；
[0012]步驟5、設置土壤區域邊界條件；
[0013]步驟6、假設換熱器內流體溫度不變，根據初始土壤溫度場求解換熱器外管外壁面對流換熱系數，并得出離散方程的系數，根據方程系數對土壤溫度場進行更新，迭代至換熱器外管外壁面溫度不變時輸出土壤溫度場；
[0014]步驟7、設置換熱器內管管壁區域邊界條件；
[0015]步驟8、保持換熱器內流體溫度不變，根據初始換熱器內管管壁內部的溫度分布情況分別求解換熱器內管內外壁面對流換熱系數，得出離散方程的系數，由方程系數對換熱器內管管壁溫度場進行更新，迭代至內管內壁面溫度不變時輸出換熱器內管管壁的內部溫度場；
[0016]步驟9、設置流體區域邊界條件；
[0017]步驟10、根據內管流體溫度與內管內壁面溫度計算內外流體間熱流q1，根據內外管間流體溫度和外管外壁面溫度計算土壤熱流q
f
，求解流體溫度場；
[0018]步驟11、在達到目標時間后將所獲結果輸出。
[0019]與現有技術相比，本專利技術可準確高效的模擬不同工況下地埋管換熱器開采地熱的完整生命周期過程，并按季節需求對進水流量進行調整，實現對換熱器換熱效果的預測，滿足工程的現實需要。
附圖說明
[0020]圖1為本專利技術實例提供的流固耦合傳熱數值模擬方法的流程示意圖。
[0021]圖2為本專利技術實施例所述的物理模型的整體示意圖。
[0022]圖3為本專利技術實施例所述的長周期運行時出口水溫隨時間的變化情況。
[0023]圖4為本專利技術實施例所述的內管和內外管間中流體溫度分布示意圖。
[0024]圖5為本專利技術實施例所述的土壤溫度分布圖。
[0025]圖6為本專利技術實施例所述的1500
?
1600m局部土壤溫度分布情況。
具體實施方式
[0026]下面結合附圖和實施例詳細說明本專利技術的實施方式。
[0027]本專利技術為一種可跨季節變流量變管徑的同軸套管式地埋管換熱器仿真方法，該同軸套管式地埋管換熱器應可用于供暖供熱水，其運行周期一般為一年以上，且針對各季節用戶需求不同，在冬季進行供暖，夏季供熱水；采用變流量的方式實現地熱資源的合理利用，即冬季進水流量大，夏季進水流量小；換熱器上部的外管管徑小于下部的外管管徑，即通過增大深地層處外管管徑，延長流體在深地層滯留時間。
[0028]如圖1所示，以流固耦合傳熱數值模擬方法為例，本專利技術的仿真方法具體包括如下步驟：
[0029]步驟1、建立沿半徑方向包括土壤、換熱器內管管壁、換熱器內流體三個區域的物理模型。
[0030]在該步驟中，上述同軸套管式地埋換熱器實際中是一個三維模型。低溫水從同軸管的一個管口流入，與地層充分換熱后由另一個管口流出。流動方式有兩種：內進外出(從
內管流入，從外管流出)、外進內出(從外管流入，從內管流出)。在流動過程中流體通過強制對流的方式與管壁進行換熱，從而使流體獲得地層的熱量而使溫度上升。
[0031]步驟2、對物理模型進行簡化，并根據其結構特點進行網格劃分，根據高效的經驗公式，在徑向上采用非均勻結構化網格，在軸向上采用均勻結構化網格。
[0032]示例地，本專利技術中，在沿半徑方向包括土壤、換熱器內管管壁、換熱器內流體三個區域的物理模型中，在地下0～500m時外管內徑為0.25m，在地下 500～2500m時外管內徑為0.30m，其中由于外管壁厚為0.01m，相較于土壤徑向計算范圍很小，因此忽略換熱器外管管壁厚度。
[0033]為了簡化模型，由于內管和外管在各個計算區域均為圓柱形，且在周圍的土壤的包裹下進行傳熱，土壤影響的區域為對稱區域，因此可將三維流固耦合傳熱問題簡化為圓柱坐標系下的二維平面問題。從軸向來看，同一深度的管道截面上的土壤在周向上對流體均勻加熱，且其徑向寬度遠小于軸向長度，因而可認為同一截面上流體溫度均一，將流體的管內的流動傳熱問題簡化為一維問題。
[0034]為減小不相關因素的影響，對模型進行進一步簡化，作基本假設如下：(1) 將換熱管周圍的土壤看作均勻介質，忽略地下水對換熱的影響，把地下土壤的導熱視為純導熱。(2)忽略外管管壁的厚度。(3)地表空氣溫度視為恒定。
[0035]具體實現中，溫度在水平方向上變化不均勻，在溫度變化劇烈的區域(靠近井孔壁面處)適當加密網格，而在距離井孔足夠遠、溫度變化小的徑向外邊界處，本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種可跨季節變流量變管徑的同軸套管式地埋管換熱器仿真方法，所述換熱器應用于供暖供熱水，其特征在于，仿真方法包括以下步驟：步驟1、建立沿半徑方向包括土壤、換熱器內管管壁、換熱器內流體三個區域的物理模型；步驟2、對物理模型進行簡化，并根據其結構特點進行網格劃分，在徑向上采用非均勻結構化網格，在軸向上采用均勻結構化網格；步驟3、通過Excel導入土壤、換熱器內管管壁及換熱器內流體的物性參數，換熱器幾何參數以及流量隨時間變化情況；步驟4、建立土壤、換熱器內管管壁的導熱方程以及換熱器內流體流動的能量方程，并進行離散化處理，得到土壤區域、換熱器內管管壁區域、換熱器內流體區域的離散方程；步驟5、設置土壤區域邊界條件；步驟6、假設換熱器內流體溫度不變，根據初始土壤溫度場求解換熱器外管外壁面對流換熱系數，并得出離散方程的系數，根據方程系數對土壤溫度場進行更新，迭代至換熱器外管外壁面溫度不變時輸出土壤溫度場；步驟7、設置換熱器內管管壁區域邊界條件；步驟8、保持換熱器內流體溫度不變，根據初始換熱器內管管壁內部的溫度分布情況分別求解換熱器內管內外壁面對流換熱系數，得出離散方程的系數，由方程系數對換熱器內管管壁溫度場進行更新，迭代至內管內壁面溫度不變時輸出換熱器內管管壁的內部溫度場；步驟9、設置流體區域邊界條件；步驟10、根據內管流體溫度與內管內壁面溫度計算內外流體間熱流q1，根據內外管間流體溫度和外管外壁面溫度計算土壤熱流q
f
，求解流體溫度場；步驟11、在達到目標時間后將所獲結果輸出。2.根據權利要求1所述可跨季節變流量變管徑的同軸套管式地埋管換熱器仿真方法，其特征在于，所述同軸套管式地埋管換熱器的運行周期為一年以上，且針對各季節用戶需求不同，在冬季進行供暖，夏季供熱水；采用變流量的方式實現地熱資源的合理利用，即冬季進水流量大，夏季進水流量小；換熱器上部的外管管徑小于下部的外管管徑，即通過增大深地層處外管管徑，延長流體在深地層滯留時間；所述步驟2，在沿半徑方向包括土壤、換熱器內管管壁、換熱器內流體三個區域的物理模型中，在地下0～500m時外管內徑為0.25m，在地下500～2500m時外管內徑為0.30m。3.根據權利要求1所述可跨季節變流量變管徑的同軸套管式地埋管換熱器仿真方法，其特征在于，所述步驟2，在以換熱器外管外壁面為起始位置的徑向土壤區域，近外管管壁處網格密度大，遠外管管壁處網格密度小，網格線相交處為節點，徑向網格劃分依據為：徑向網格劃分依據為：式中r
j
為徑向網格中第j個節點所在的位置；N為徑向上總節點的個數；a為網格變化的調節參數，為中間變量，R為土壤徑向計算范圍；
在軸向上，網格均勻分布，軸向網格劃分依據為：式中z為軸向網格中第j個網格所在的位置；depth為計算區域軸向深度；N
z
為軸向上總節點的個數。4.根據權利要求1所述可跨季節變流量變管徑的同軸套管式地埋管換熱器仿真方法，其特征在于，所述步驟3，物性參數包括土壤密度、土壤熱容、土壤導熱系數、不同土壤層深度和初始溫度、換熱器內管管壁密度、換熱器內管管壁熱容、換熱器內管管壁導熱系數、流體密度、流體熱容、流體導熱系數、流體入口溫度；換熱器幾何參數包括換熱器內管和外管的管壁厚度、內外管管徑；流量隨時間變化情況指不同季節所采用的不同入口流量。5.根據權利要求1所述可跨季節變流量變管徑的同軸套管式地埋管換熱器仿真方法，其特征在于，所述步驟4，土壤的導熱方程如下：式中ρ為土壤密度，c
p
為土壤的比熱容，T為溫度，t為時間，r為徑向坐標，λ為土壤導熱系數，z為軸向坐標；土壤區域的離散方程為：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
為與P節點相鄰的兩個節點的徑向坐標，λ
e
、λ
w
、λ
s
、λ
n
為P節點處相鄰四個節點的導熱系數，Δr為P節點處徑向空間步長，Δz為P節點處軸向空間步長，(ρc)
P
為體積比熱容，Δt為時間步長，(δz)
e
、(δz)
w
為P節點在軸向上相鄰兩節點處的軸向空間步長，(δr)
s
、(δr)
n
為P節點在徑向上相鄰兩節點處的徑向空間步長，表示各節點第n+1時層的溫度，表示P節點第n時層的溫度；a
P
、a
E
、a
W
、a
N
、b為系數：b為系數：換熱器內管管壁區域的導熱方程如下：
換熱器內管管壁區域的離散方程為：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...

【專利技術屬性】
技術研發人員：戴艷俊，郭鎮源，王云剛，陳宇杰，趙杰，何迎旗，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發明
國別省市：