一种中深层地埋管环腔节流增压强化换热系统及设计方法

本发明属于地热能源开发与利用，具体涉及一种中深层地埋管环腔节流增压强化换热系统及设计方法。

背景技术：

1、当前应用于建筑供暖的中深层同轴套管式地埋管（deep borehole heatexchanger, dbhe）的环腔（即外管与内管之间的环形流道）通常设计为等截面、光滑内壁的圆柱形流道。循环工质（常为水或防冻液溶液）在环腔内自上而下或自下而上流动，与周围岩土通过管壁进行稳态或准稳态导热换热。其设计核心在于通过选择合适的内外管径比、优化流量来平衡换热能力与流动阻力，传热强化手段主要集中在选用高导热回填材料、优化保温层长度等方面。流道内部的流动状态多为层流或过渡流，流速分布相对平缓，边界层较厚，对流换热系数受限，成为提升单井取热能力的瓶颈之一。

2、现有等截面、光滑内壁的圆柱形流道有以下缺点：

3、1.环腔流道内对流换热强度不足：等截面光滑流道内流体流动缺乏自发的、强烈的扰动机制，尤其在深井中低流速工况下，热边界层发展充分且稳定，流体与管壁间的对流换热热阻较大，限制了从岩土体到工质的热流密度。

4、2.单纯增大流速带来能耗剧增：为提升换热系数，常规做法是增大循环泵功率以提高工质流速。然而，流动压降与流速的平方成正比，泵功耗随之呈立方关系增长，经济性急剧下降。在追求系统整体能效（cop）的背景下，通过大幅增加泵功来强化换热的路径不可持续。

5、3.缺乏对工质物理状态变化的主动利用：现有技术将循环工质视为单相不可压缩流体，未考虑在特定压力与温度条件下，工质中溶解气体可能析出或发生局部相变（如轻微的空化）对传热的潜在影响。实际上，若能可控地诱发有益的微观相变（如微气泡溃灭），可产生显著的传热强化效果，但现有系统设计并未主动创造或利用此条件。

6、4.长期运行下的污垢与稳定性问题：平滑流道在长期运行中，可能因水质问题在壁面产生沉积，进一步增大热阻。现有结构缺乏对壁面的自清洁或扰动机制。

7、因此，需要一种提升环腔换热系数、增效不增耗的装置或方法解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供以下技术方案：一种中深层地埋管环腔节流增压强化换热系统，包括：外管、内管、气体注入装置、脱气装置，外管与内管同轴套设，外管的循环工质循环入口处设置气体注入装置与脱气装置；气体注入装置与脱气装置均用于调控循环工质中溶解气体的含量。

2、外管与内管之间的环腔流道内沿轴向间隔布设有多个文丘里管，文丘里管与环腔流道同旋转轴；文丘里管沿外管的轴向从上向下依序由渐缩段、喉部和渐扩段构成；内管沿轴向贯穿文丘里管的渐缩段内筒、喉部内筒和渐扩段内筒。

3、优选的，所述喉部收缩比的取值范围为0.6～0.85，其中，，表示喉部内径，d表示外管内径。喉部直管段长度的取值范围为。渐扩段锥角的取值范围为5°～15°。渐缩段锥角的取值范围为10°～30°。两相邻文丘里管入口间距的取值范围为。

4、优选的，所述文丘里管与外管一体加工制成，或者文丘里管预制造成环形衬套后焊接或机械连接外管内壁，机械连接包括：螺纹连接、铆接、过盈配合连接。

5、优选的，所述文丘里管采用耐冲蚀、耐腐蚀的合金材料制成，文丘里管的喉部及渐扩段前缘经耐磨强化处理。

6、本发明还公开一种中深层地埋管环腔节流增压强化换热系统的设计方法，该方法用于设计上述系统，该方法包括以下步骤：

7、步骤s1、多物理场耦合模型构建：基于开源平台结合多相流模块，建立三维瞬态气-液两相流与传热耦合数值模型；模型控制方程组在单相流方程和能量方程基础上，引入空化模型描述气泡的成核、生长和溃灭过程。

8、步骤s2、能量方程耦合相变潜热：计算系统总能量变化时计入因相变导致的能量交换。

9、步骤s3、多目标优化设计流程：参数化建模，建立目标函数并求解得到针对井深、流量和工质特性的文丘里结构参数组合。

10、优选的，所述步骤s1中，空化模型的核心方程包括：

11、

12、其中，表示蒸汽密度，表示蒸汽体积分数，t表示时间，表示梯度算子，表示速度矢量；相变源项和表示蒸发相变率、凝结相变率；

13、相变源项和为：

14、

15、其中，和表示蒸发和凝结系数，分别用于控制空化气泡生长速率、溃灭速率；表示气泡半径，表示工质在当前温度下的饱和蒸汽压，单位 pa；表示当地静压力，单位 pa；表示液相密度，单位 kg/m³；表示混合流体密度，，单位 kg/m³。

16、优选的，所述步骤s2中，能量方程耦合相变潜热为：

17、

18、其中，t表示流体温度，表示由相变引起的潜热源项，表示混合流体的定压比热容，表示混合流体的有效导热系数，表示其他热源项。

19、更优的，所述步骤s3具体包括：

20、步骤s3-1、参数化建模：将文丘里单元的几何参数和运行参数定义为设计变量。

21、步骤s3-2、目标函数定义：建立以综合换热性能系数最大化为核心的目标函数。

22、

23、其中，和分别表示采用文丘里结构和传统光滑管在相同平均流速下的环腔平均对流换热系数；和表示对应的沿程压降。

24、步骤s3-3、约束条件包括：最大许用压降、最小壁厚强度要求、空化数。

25、步骤s3-4、优化求解：采用基于代理模型的优化算法与高保真cfd模型进行迭代，最终得到文丘里结构参数组合。

26、本发明的有益效果是：

27、1.本发明能够显著提升环腔换热系数，增加单井取热量：数值模拟与初步实验表明，在相同泵功或流量下，采用优化后的多级文丘里结构，环腔侧的平均对流换热系数可比传统光滑环腔提升20% ~ 50%。这意味着在相同地温条件和运行时间下，地埋管的出口水温更高或取热功率更大，直接提升了热源侧品质。

28、2.本发明能够实现“增效不增耗”或“少增耗多增效”：由于目标函数j的优化导向，本发明追求的是换热强化效果相对于流动阻力增加的最优比。优化设计结果通常能在换热系数大幅提升的同时，将附加压降控制在泵功率可接受的范围内（例如，总压降增加不超过15% ~ 30%），使得系统整体能效（cop）得到净提升。

29、3.本发明引入可控空化，产生持续自清洁与强化效应：微气泡的周期性溃灭对管壁产生持续的微观冲击，能有效抑制污垢的沉积，甚至对已形成的软垢有一定清除作用，有利于维持系统长期运行的高效和稳定。

30、4.本发明提供基于物理模型的精准设计方法：通过将空化模型、多相流模型与传热模型深度耦合，本发明的设计方法能够定量预测空化发生的位置、强度及其对传热的具体贡献，使这种强化结构的设计从“经验尝试”走向“理论预测与优化”，大幅提高了设计的成功率和性能的可预见性。

1.一种中深层地埋管环腔节流增压强化换热系统，其特征在于，包括：外管、内管、气体注入装置、脱气装置，所述外管与所述内管同轴套设，所述外管的循环工质循环入口处设置所述气体注入装置与所述脱气装置；

2.根据权利要求1所述的一种中深层地埋管环腔节流增压强化换热系统，其特征在于，所述喉部收缩比的取值范围为0.6～0.85，其中，，表示喉部内径，d表示外管内径；

3.根据权利要求1所述的一种中深层地埋管环腔节流增压强化换热系统，其特征在于，所述文丘里管与外管一体加工制成，或者所述文丘里管预制造成环形衬套后焊接或机械连接外管内壁，所述机械连接包括：螺纹连接、铆接、过盈配合连接。

4.根据权利要求1所述的一种中深层地埋管环腔节流增压强化换热系统，其特征在于，所述文丘里管采用耐冲蚀、耐腐蚀的合金材料制成，所述文丘里管的喉部及渐扩段前缘经耐磨强化处理。

5.一种中深层地埋管环腔节流增压强化换热系统的设计方法，其特征在于，所述方法用于设计权利要求1至4任一项所述的系统，所述方法包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种中深层地埋管环腔节流增压强化换热系统的设计方法，其特征在于，所述步骤s1中，空化模型的核心方程包括：

7.根据权利要求6所述的一种中深层地埋管环腔节流增压强化换热系统的设计方法，其特征在于，所述步骤s2中，能量方程耦合相变潜热为：

8.根据权利要求7所述的一种中深层地埋管环腔节流增压强化换热系统的设计方法，其特征在于，所述步骤s3具体包括：