中深层套管式埋管换热器逆向传热现象的研究

中深层地埋管换热器取热过程中,在浅层埋管区可能存在循环液向岩土传热的逆向传热现象,对其开展研究将为提高中深层地埋管地源热泵工程系统能效提供指导。文章利用数值传热模型分析了取热时间、循环液进口温度与流量以及大地热流等参数对逆向传热深度和埋管取热损耗率的影响,讨论了在逆向传热区设置保温层对换热性能的影响。结果表明:为保持地埋管换热器达到最大取热量,建议进口温度选为10℃,即等于地表环境温度;地埋管总取热量随着大地热流以及循环液流量的增加而增加,对应的逆向传热深度和取热损耗率则逐渐降低;根据模拟结果,给出了适用于工程设计的逆向传热深度拟合计算公式,经验证其具有较高的拟合相关性。

套管式地埋管换热器节能特性的研究与应用

大庆油田进入开发后期存在着一定数量的废弃井,采用套管式地埋管换热器可以获取到废弃井的中深层的地热能。首先对废弃井转换为地热井的可行性进行分析,通过确定中深层地埋管换热方式,建立外入内出型传热计算模型并对废弃井结构改造。再具体分析大庆油田的地层土壤温度分布和确定边界条件,得出符合现实的理论计算公式。进一步分析套管式地埋管换热器取热评价指标与传热影响因素研究,得到流体流量和进口温度对传热影响因素,及循环流体进口温度对运行特性的影响对取热效率的影响规律。最后,通过对两种工况的废弃井现场试验,得到套管式地埋管换热器平均换热量为478.5 kWh。为利用大庆油田1700口废弃井的节能改造找到了一条切实可行的出路。

镀锌钢管套管式地埋管换热器换热影响因素研究

以武汉地区为例,使用TRNSYS软件中PID控制器使镀锌钢管套管式地埋管换热器系统在运行过程中进出水平均温度维持在冬季7.5℃、夏季32.5℃的设定温度,模拟研究钻孔深度、钻孔间距及内管流体流速对套管式埋管换热器换热量的影响。得到钻孔深度从80 m变化至120 m时,换热器的冬季延米平均换热量变化较小;夏季延米平均换热量呈上升趋势,最高可上升6.6%。当钻孔间距从3 m增加至6 m,冬、夏季平均延米换热量分别升高2.5%和1.6%。管内流速从0.03 m/s变化至0.7 m/s时,换热量逐渐上升并趋于平缓。将镀锌钢管套管式换热器与两种常规埋管换热器(单U-PE管和双U-PE管)对比,得到镀锌钢管套管式换热器换热效果最好,其冬季延米平均换热量分别高出常规换热器32.6%和28.5%;夏季延米平均换热量高出常规换热器29.6%和25.7%。

中深层套管式地埋管地源热泵系统能效分析

中深层套管式地埋管地源热泵系统的能效受多种因素影响,为保证其高效运行,对其影响因素进行研究尤为重要。本文建立了中深层套管式地埋管地源热泵系统换热器传热模型,采用工程实测数据验证该模型的准确性。基于该模型,量化了一个供暖期内多种因素对系统能效的影响。结果表明:进口水温和岩土导热系数对系统能效具有重要影响,回填材料导热系数对其影响较小;增大循环流量会提高取热功率,但系统能效也随之降低,当循环流量由8.33 kg/s增大至10.56 kg/s时,取热功率提升4.95%,能效下降1.23%;增大外管管径、岩土和回填材料的导热系数能够提升系统能效,但达到一定数值后,对能效提升效果不显著。本研究对中深层套管式地埋管地源热泵系统长期稳定运行及能效提升具有参考意义。

套管式地埋管换热器换热性能实验研究

以深度为60 m的镀锌钢管套管式地埋管换热器地源热泵系统和热电阻测温系统为实验平台,对土壤温度、套管式地埋管换热器换热性能及换热器对周围土壤的热影响进行了实验研究。研究表明,南宁市地下5-60 m的土壤温度为23.2-23.7℃;Φ80和Φ65套管式地埋管换热器的合理流量分别为1 500 L/h和1 200 L/h,对应的单位井深换热量分别为107.5W/m和81.4 W/m;不同内管导热系数对套管式地埋管换热器换热性能的影响很小;内进外出流动模式换热器的换热性能优于外进内出模式;间歇运行有利于土壤温度的恢复。

套管式地埋管换热器传热特性数值模拟

基于有限元分析方法,建立套管式地埋管三维非稳态传热模型,利用自行搭建的套管式地埋管传热实验台实验验证了所建数理模型。数值模拟研究了回填材料、流体进出口方式、不同管径组合等工况下的套管式地埋管换热器传热特性。研究结果表明:实验与模拟结果的相对误差在10%以内,证明了所建立数理模型的合理性;导热系数和热扩散率大的回填材料能获得较高的单位井深换热量和较低的出口水温,热短路现象明显;相比外进内出的流动方式,内进外出的方式能获得更低的出口水温,但后者热短路现象更为严重;在套管换热器外管管径不变的条件下,增大内管管径可缓解热短路现象,提高换热器传热性能。

套管式中深层地埋管换热器传热建模及取热分析

为了研究无干扰换热条件下,中深层地热能的实际取热性能,文章通过数值模拟方法模拟计算了套管式中深层地埋管换热器的名义取热量。模拟结果表明,套管式中深层地埋管换热器的名义取热量随着钻孔深度、大地热流、循环水流量、当地大气年平均温度的增加而增加。套管式中深层地埋管换热器周围土层的地质条件分布也影响着中深层地埋管换热器的名义取热量,具体表现为浅层土层的导热系数越小,中深层地埋管换热器的名义取热量越大;深层土层的导热系数越大,中深层地埋管换热器的名义取热量也越大。通过调整地埋管换热器的相关参数,并选择合适的地埋管埋设地点等优化措施,可使套管式中深层地埋管换热器达到可观的名义取热量。

地下水渗流对中深层套管式地埋管换热器取热性能影响分析

基于OpenGeoSys软件建立了考虑地下水渗流的中深层套管式地埋管换热器三维传热模型,探究了渗流速度、渗流层位置及多渗流层对换热器长期运行出口水温及岩土温度场的影响。结果表明:地下水渗流有利于增强换热器的取热性能,同时加速岩土温度恢复;但常规地下水渗流速度范围内取热性能提升效果不明显;渗流层位置位于换热器底部时,取热性能增强效益明显好于渗流层处于换热器顶部的情况;且渗流层分布情况对换热器取热性能提升效果有限。

中深层套管式地埋管换热器取热性能研究及经济性分析

使用FLUENT软件建立了中深层套管式地埋管换热器三维数值传热模型,基于正交试验极差法,分析了入口温度、埋深、内管径、岩土热导率、地温梯度对中深层套管式地埋管换热器换热性能的影响.结果表明:这五项因素对中深层套管式地埋管换热器换热性能的影响显著性依次为:埋深、地温梯度、入口温度、岩土热导率、内管径;其次基于平均能源成本法建立中深层套管式地埋管换热器经济性评价方法.研究结果表明:中深层套管式地埋管换热器的平均能源成本随埋深增加呈先下降后上升趋势,在选定参数条件下,2 500 m埋深的中深层套管式地埋管换热器平均能源成本最低、经济性最优,所使用方法及所得结论可为中深层套管式地埋管优化研究与工程应用提供参考.

中深层同轴套管式地埋管换热器取热特性

中深层地热资源丰富,具有清洁环保、稳定可靠等特点,利用中深层地热向地面建筑物供热越来越受到人们重视.文中在考虑岩土层分层的前提下,建立中深层套管式地埋管换热器传热模型,基于有限差分法将其离散求解,并将求解的结果与某实际项目的实测数据进行比对,在此基础上对中深层套管式地埋管换热器的传热特性做了进一步模拟研究.研究结果表明:特定工况下,在系统连续运行整个采暖季后对钻井周围岩土层温度场的影响半径为7.7 m;系统取热量随着套管式换热器外径的增大而增加;当工质循环流量由35 m^(3)/h增加到42 m^(3)/h,管道底部温度仅变化2.2%;延米换热功率不宜大于150 W;当回填材料导热系数由2 W/(m·K)增加到2.5 W/(m·K)时,管底温度上升比例仅为1.9%,即回填材料导热系数达到一定值时再增大导热系数对进出水温度影响不大.

套管式地埋管换热器传热模型研究

传热模型是套管式地埋管换热器设计和模拟的重要依据,现有套管式地埋管换热器传热模型存在精度低或计算时间较长的问题。提出了一种新的套管式地埋管换热器传热模型:采用热阻热容模型分析钻孔内的二维(径向和轴向)传热,采用无限柱热源模型分析钻孔外的一维(径向)传热。将该模型应用于一个分布式热响应测试,并将模拟结果与实验数据及其他模型结果进行了对比。结果显示,该模型的计算结果与实验结果吻合较好,所计算的短时间内的流体温度分布及进出口流体温度具有较高的精度。

三种埋管换热器换热性能的模拟与实验研究

本文采用数值模拟与实验相结合的方法,研究了单U型、双U型及套管式地埋管换热器在不同管内流速下的换热情况以及埋管周围土壤温度场的变化情况。研究表明:实验值与模拟值相吻合;地埋管换热器换热能力随着管内流速的增大而增强;三种形式地埋管换热器换热能力以套管式最优,双U型及单U型地埋管次之。

套管式地埋管换热器温度分布及换热性能计算

在设定钻孔壁温度均匀且不随时间改变的前提下,建立两种循环水流动方式下(外进内出:循环水由外管流进,内管流出;内进外出:循环水由内管流进,外管流出)的套管式地埋管换热器(以下简称换热器)稳态换热模型,采用解析法计算环形流道、内管循环水沿程温度。将换热器能效、换热流量作为评价指标,分析换热器换热能力的影响因素。在供冷工况下,得到以下结论:虽然两种流动方式的循环水沿程温度分布不同,但换热器出口循环水温度相同。设定参数条件下,采用内进外出流动方式,内管内循环水在下降过程中温度逐渐降低,环形流道内循环水在上升过程中温度也逐渐降低。采用外进内出流动方式,环形流道内循环水在下降过程中温度逐渐降低,而内管内循环水在上升过程中温度逐渐升高。虽然外进内出、内进外出流动方式的环形流道与内管间均存在热短路现象,但外进内出流动方式的热短路现象更加明显。增大内管壁热导率,使两种流动方式的热短路现象明显增强。增大外管壁热导率,有利于改善两种流动方式的热短路情况。其他参数不变的情况下,换热器进出口循环水温差、能效、换热流量均随钻孔深度的增大而增大。其他参数不变的情况下,换热器进出口循环水温差随循环水质量流量的增大而逐渐降低;能效随循环水质量流量的增大而减小,并趋于稳定;换热流量随循环水质量流量的增大而增大,但增速逐渐放缓。其他参数不变的情况下,换热器进出口循环水温差随外管壁热导率的增大先迅速增大,然后趋于稳定。其他参数不变的情况下,换热器进出口循环水温差随内管壁热导率的增大先迅速减小,然后趋于稳定。能效、换热流量的变化情况与套管式地埋管换热器进出口循环水温差随内外管壁热导率的变化情况一致。

套管式地埋管换热器换热能力影响因素分析

采用模拟方法,对套管式地埋管换热器换热能力的影响因素进行研究。套管式地埋管换热器的工作起始时间从1 h开始,结束时间为8760 h。供暖期为1~1536 h、7896~8760 h,供冷期为3192 h~6552 h。供暖期、供冷期以外时间,土壤温度自然恢复。定进出水平均温度条件下:供暖期进出水平均温度首次达到9.5℃时,取热流量为11.89 kW,为第14 h。随后,取热流量减小,土壤平均温度下降,第1536 h的取热流量降至3.85 kW。供冷期进出水平均温度首次达到32.5℃时,排热流量为13.32 kW,为第3210 h。随后,排热流量减小,土壤平均温度升高,供冷期结束时(第6552 h)的排热流量降至4.18 kW。下1个供暖期开始后(第7896 h),供暖期进出水平均温度首次达到9.5℃时,取热流量为13.87 kW。随后,取热量减小,土壤平均温度下降。定进水温度条件下:钻孔深度一定时,循环介质流速越大,套管式地埋管换热器的换热能力越强。循环介质流速由0.2 m/s增至0.7 m/s,最大取排热流量增幅达到45%,而最小取排热流量增幅仅为12%~15%。在取热、排热末期,土壤内冷热聚集达到最大,即使增大循环介质流速,对提高取排热流量的帮助也不明显。循环介质流速一定时,钻孔深度越大套管式地埋管换热器的换热能力越强。钻孔深度由90 m增至120 m,最大、最小取热量分别增加25.0%、27.5%,最大、最小排热量分别增加20.6%、19.9%。

套管式地埋管换热器热短路特性实验研究

本文通过搭建套管实验平台,来研究运行参数(流速、进口温度和流动方式)对套管式地埋管换热器热短路特性的影响。实验结果表明:外进内出的流动方式下热短路造成的能量损失大于内进外出的流动方式,导致外进内出的流动方式下的进出口温差要略小于内进外出的流动方式;流速和进口温度对两种流动方式(外进内出和内进外出)下的进出口温差和热短路造成的能量损失的影响规律基本一致,随着流速的增大,套管式地埋管换热器进出口温差减小,热短路造成的能量损失的比例也随之减小;随着进口温度的升高,套管式地埋管换热器的进出口温差增大,热短路造成的能量损失的比例基本保持不变。

不同运行模式下中深层地埋管换热器取热特性

建立中深层套管式地埋管换热器数值传热模型,基于有限差分法将控制方程离散求解。对不同运停比下地埋管换热器连续运行15个供暖期的出水温度、热损失率进行模拟分析。随着运行时间的延长,4种运停比(8∶16、12∶12、16∶8、24∶0)供暖期结束时地埋管换热器的出水温度均逐年降低,前期温降速率比较大,后期比较平稳。相同供暖期,供暖期结束时地埋管换热器的出水温度由高到低对应的运停比顺序为:8∶16、12∶12、16∶8、24∶0,以第1个供暖期结束时地埋管换热器的出水温度为基准,第15个供暖期结束时地埋管换热器的出水温度分别下降2.18%、3.61%、5.23%、9.23%。由模拟结果可知,第15个供暖期末,运停比8∶16、12∶12、16∶8、24∶0对应的地埋管底部的循环水温度分别为39.70、33.97、36.71、28.93℃。降低运停比有利于岩土热恢复,提高热泵机组的制热性能。运停比8∶16、12∶12、16∶8、24∶0对应的地埋管换热器热损失率分别为48.86%、50.07%、51.09%、52.40%。降低运停比有利于减小热损失率。