一种中深层同轴套管换热器的造斜设计方法与流程

1.本发明属于暖通空调技术领域，具体涉及一种中深层同轴套管换热器的造斜设计方法。


背景技术：

2.中深层同轴套管换热器主要提取位于地表以下2000-3000m的地热能为建筑供热，其换热具有“取热不取水”的特点，在保护地下水方面具有积极作用，符合我国的生态文明建设理念。
3.同轴套管式的中深层地埋管换热器由环腔与内管组成，如图1所示。在钻井中，一般填充回填材料对换热器进行加固，横截面如图2所示，组成部分由中心向外分别是内管流体、内管壁、环腔流体、外管壁、回填材料、钻井壁。在换热过程中，较低温度的流体从内管与外管之间的环腔流入，与具有温度梯度的中深层岩土体进行热交换，直至换热器底部结束换热。在内管中，流体自下向上流动被输送至地表。
4.中深层同轴套管式换热器由于其具有换热量大的特点近年来得到供热行业的高度关注。随着其不断被推广，在一些较大体量的供热项目中已得到应用，但一般需要多个中深层同轴套管式换热器联合为建筑供热。与传统浅层地埋管换热器相同，在多个换热器联合运行时，需要考虑相邻换热器之间的热干扰问题。由浅层地埋管换热器热影响半径的研究经验得到，相邻换热器之间距离在2-6m可以有效避免热干扰。但对于中深层同轴套管换热器来说，由于与浅层地埋管换热器在换热特点、储层温度特征等方面均存在差异，该数值(2-6m)则不具有参考性。根据近年来学者的研究可以发现，在中深层同轴套换热器的长期换热过程中，岩土的热影响半径可达50m，即相邻换热器之间的距离至少为100m才能够保证两者之间没有热干扰。此结论对多根中深层同轴套管换热器的布局安排具有一定的参考价值。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种中深层同轴套管换热器的造斜设计方法，主要结合数值模型开发、岩土体最大热影响半径确定以及与造斜角度确定进行换热器的安装设计。
6.一种中深层同轴套管换热器的造斜设计方法，包括如下步骤：
7.步骤一：建立中深层同轴套管换热器与岩土体的瞬态换热模型，获取温度分布；
8.步骤二：确定中深层岩土体的最大热影响半径r
max
；
9.步骤三：设计中深层同轴套管换热器的造斜角度θd。
10.进一步的，步骤一：建立中深层同轴套管换热器与岩土体的瞬态换热模型，获取温度分布具体过程是：
11.a、建立换热器的传热控制方程，包括内管流体的能量控制方程、环腔流体的能量控制方程：
12.内管流体的能量控制方程为：
[0013][0014]
式中，t
fr
为内管流体温度，℃；v
fr
为内管流体流速，m
·
s-1
；k
ff
为内管流体与环腔流体间的综合传热系数，w
·
m-1
·
k-1
；t
fan
为环腔流体温度，℃；ρf为流体密度，kg/m3；c
pf
为流体比热容，ar为内管横截面积，m2；
[0015]
环腔流体的能量控制方程为：
[0016][0017]
式中，v
fan
为环腔流体流速，m
·
s-1
；k
fg
为环腔流体与回填材料的综合传热系数，w
·
m-1
·
k-1
；tg为回填材料温度，℃；a
an
为环腔横截面积，m2；
[0018]
b、建立回填材料的传热控制方程：
[0019]
回填材料的能量控制方程如下：
[0020][0021]
式中，ρg为回填材料密度，kg
·
m3；ag为回填材料横截面积，m2；c
pg
为回填材料比热容，j
·
kg-1
·
k-1
；k
gb
为回填材料与钻井壁间的综合传热系数，w
·
m-1
·
k-1
；t
bw
为钻井壁温度，℃；
[0022]
c、建立岩土体的能量控制方程：
[0023]
岩土体的能量控制方程如下：
[0024][0025]
式中，ρs为岩土体密度，kg
·
m3；c
ps
为岩土体比热容，j
·
kg-1
·
k-1
；ts为岩土体温度，℃；λs为岩土体导热系数，w
·
m-1
·
k-1
；
[0026]
d、设置初始条件与边界条件，初始条件为在同一深度下，流体、回填材料、钻井壁的温度相同，且与岩土体未被干扰状态下的温度分布一致；边界条件包括：
①
地表温度设定为第一类边界条件，温度可选取当地多年的平均气温或者恒温层温度；
②
岩土体径向远边界设定为绝热条件；
③
岩土体的下表面设定为定热流边界，热流密度为岩土体导热系数与地温梯度的乘积；
④
岩土体与换热器之间的边界条件设定为热流密度相等；
[0027]
e、对瞬态换热模型进行求解，获取温度分布。
[0028]
进一步的，所述步骤二：确定中深层岩土体的最大热影响半径r
max
的具体过程是：
[0029]
a、以全生命周期运行为研究对象，设定中深层同轴套管换热器的总换热时长为30年；其中，根据我国北方供暖的相关规定，设置在每年当中的热提取时间为4个月，剩余8个月停止运行；
[0030]
b、根据公式(6)和(9)，可以计算得到换热器换热30年之后，不同深度zs、不同径向距离rs处岩土体温度与岩土体未被干扰状态温度的差值；
[0031]
中深层岩土体未被干扰状态下的温度分布可由下式表达：
[0032]
t
s0
(zs,r)＝t
sur
g
×zs
(13)
[0033][0034]
式中，t
s0
(zs，r)为岩土体未被干扰状态下的温度分布，℃；t
sur
为地表温度，℃；g为地温梯度，℃
·
m-1；zs为岩土体深度，m
[0035]
岩土体温度的变化量可由下式计算：
[0036]
θs(zs,rs,t)＝ts(zs,rs,t)-t
s0
(zs,r)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0037]
式中，θs为岩土体温度的变化值，℃；ts(zs，rs，t)为t时刻下，不同深度zs、不同径向距离rs处的岩土体温度分布，℃；
[0038]
c、以差值为0.1℃处的径向距离rs作为岩土体的热影响半径，可以得到不同深度zs的岩土体热影响半径，其中的最大值则为岩土体的最大热影响半径r
max
。
[0039]
进一步的，所述步骤三：设计中深层同轴套管换热器的造斜角度θd；
[0040]
首先，提出一个新的概念——热影响半径角，由换热器长度与中深层岩土体的最大热影响半径计算得到，两者的位置关系如图4所示。换热器常规的安装方法为垂直于地表安装，当对换热器进行造斜时，保持其在地表的位置不变，并以地表位置为基点进行造斜(图4(a))。相邻的换热器在造斜后的相对位置如图4(b)所示。当换热器底部位置的平移距离为中深层岩土体的最大热影响半径时，所形成的夹角为热影响半径角，由式(10)计算：
[0041]
(1)计算热影响半径角
[0042][0043]
式中，θ为热影响半径角，
°
；r
max
为岩土体最大热影响半径，m；h为换热器长度，m；
[0044]
(2)设定造斜角度，造斜角度以大于4倍热影响半径角为宜：
[0045]
θd≥4θ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0046]
式中，θd为中深层同轴套管换热器的造斜角度，
°
。
[0047]
本发明的优点是：本发明提供这种中深层同轴套管换热器的造斜设计方法，中深层同轴套管式换热器的新型安装形式—造斜安装形式的设计方法。在最大程度避免相邻换热器发生热干扰的前提下，合理设计换热器安装形式与角度设计，减小相邻换热器之间的井口距离，对减少工程用地面积、降低地面管路热损失具有重要意义。
[0048]
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
附图说明
[0049]
图1是中深层同轴套管换热器。
[0050]
图2是中深层套管式换热器横截面示意图。
[0051]
图3是离散原理图。
[0052]
图4是中深层地埋管换热器造斜示意图。
[0053]
图5是案例参数下的岩土体热影响半径分布图。
[0054]
图6是不同热影响半径角下的岩土体热影响半径分布情况
具体实施方式
[0055]
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
[0056]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0057]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“对齐”、“重叠”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0058]
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0059]
实施例1
[0060]
本实施例提供了一种中深层同轴套管换热器的造斜设计方法，包括如下步骤：
[0061]
步骤一：建立中深层同轴套管换热器与岩土体的瞬态换热模型，获取岩土体温度分布；
[0062]
步骤二：确定中深层岩土体的最大热影响半径r
max
；
[0063]
步骤三：设计中深层同轴套管换热器的造斜角度θd。
[0064]
进一步的，步骤一：建立中深层同轴套管换热器与岩土体的瞬态换热模型，获取温度分布具体过程是：
[0065]
a、建立换热器的传热控制方程，包括内管流体的能量控制方程、环腔流体的能量控制方程：
[0066]
内管流体的能量控制方程为：
[0067][0068]
式中，t
fr
为内管流体温度，℃；v
fr
为内管流体流速，m
·
s-1
；k
ff
为内管流体与环腔流体间的综合传热系数，w
·
m-1
·
k-1
；t
fan
为环腔流体温度，℃；ρf为流体密度，kg/m3；c
pf
为流体比热容，ar为内管横截面积，m2；
[0069]
环腔流体的能量控制方程为：
[0070][0071]
式中，v
fan
为环腔流体流速，m
·
s-1
；k
fg
为环腔流体与回填材料的综合传热系数，w
·
m-1
·
k-1
；tg为回填材料温度，℃；a
an
为环腔横截面积，m2；
[0072]
b、建立回填材料的传热控制方程：
[0073]
回填材料的能量控制方程如下：
[0074]
[0075]
式中，ρg为回填材料密度，kg
·
m3；ag为回填材料横截面积，m2；c
pg
为回填材料比热容，j
·
kg-1
·
k-1
；k
gb
为回填材料与钻井壁间的综合传热系数，w
·
m-1
·
k-1
；t
bw
为钻井壁温度，℃；
[0076]
c、建立岩土体的能量控制方程：
[0077]
岩土体的能量控制方程如下：
[0078][0079]
式中，ρs为岩土体密度，kg
·
m3；c
ps
为岩土体比热容，j
·
kg-1
·
k-1
；ts为岩土体温度，℃；λs为岩土体导热系数，w
·
m-1
·
k-1
；
[0080]
d、设置初始条件与边界条件，初始条件为在同一深度下，流体、回填材料、钻井壁的温度相同，且与岩土体未被干扰状态下的温度分布一致；边界条件包括：
①
地表温度设定为第一类边界条件，温度可选取当地多年的平均气温或者恒温层温度；
②
岩土体径向远边界设定为绝热条件；
③
岩土体的下表面设定为定热流边界，热流密度为岩土体导热系数与地温梯度的乘积；
④
岩土体与换热器之间的边界条件设定为热流密度相等；
[0081]
e、对瞬态换热模型进行求解，获取温度分布。
[0082]
首先，基于有限体积法对上述控制方程进行离散，离散原理图如图3所示：岩土体区域的纵向步长均匀一致，而径向步长沿着半径方向以对数分布的形式增长，实现了岩土体区域沿径向方向网格逐渐稀疏的分布形式。为满足对钻井壁附近岩土体的传热分析，需要进行局部加密。综上所述，岩土体区域的网格径向步长由下式表达：
[0083][0084]
式中：u——局部加密区域的径向网格数量；ns——岩土体区域的径向网格数量；y——加密指数。通过网格无关性验证确定u，ns和y的数值。
[0085]
将初始条件与边界条件赋予离散的控制体中，中深层岩土体未被干扰状态下的温度分布可由下式表达：
[0086]
t
s0
(zs,r)＝t
sur
g
×zs
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)
[0087]
式中，t
s0
(zs,r)为岩土体未被干扰状态下的温度分布，℃；t
sur
为地表温度，℃；g为地温梯度，℃
·
m-1
；zs为岩土体深度，m。
[0088]
岩土体区域的底边界设定在距换热器底部以下垂直距离200m处，且中深层岩土体的温度受大地热流的影响，故底边界满足第二类边界条件：
[0089][0090]
式中，h为换热器长度，m；q
bot
为大地热流密度，w
·
m-2
，该值由地温梯度与岩土体导热系数的乘积计算得到。
[0091]
岩土体区域的径向远边界仍满足第二类边界条件，且认为在远边界处的岩土体不与边界以外的岩土体发生热交换，因此为绝热边界：
[0092]
[0093]
最后，联立上述控制方程与初始、边界条件，采用tri-diagonal matrix algorithm进行求解，计算得到流体、回填材料以及岩土体在不同时刻下的温度分布。
[0094]
进一步的，所述步骤二：确定中深层岩土体的最大热影响半径r
max
的具体过程是：
[0095]
a、以全生命周期运行为研究对象，设定中深层同轴套管换热器的总换热时长为30年；其中，根据我国北方供暖的相关规定，设置在每年当中的热提取时间为4个月，剩余8个月停止运行；
[0096]
b、根据公式(6)和(9)，可以计算得到换热器换热30年之后，不同深度zs、不同径向距离rs处岩土体温度与岩土体未被干扰状态温度的差值；
[0097]
中深层岩土体未被干扰状态下的温度分布可由下式表达：
[0098]
t
s0
(zs,r)＝t
sur
g
×zs
(25)
[0099]
式中，t
s0
(zs，r)为岩土体未被干扰状态下的温度分布，℃；t
sur
为地表温度，℃；g为地温梯度，℃
·
m-1
；zs为岩土体深度，m
[0100]
岩土体温度的变化量可由下式计算：
[0101]
θs(zs,rs,t)＝ts(zs,rs,t)-t
s0
(zs,r)
ꢀꢀꢀ
(26)
[0102]
式中，θs为岩土体温度的变化值，℃；ts(zs，rs，t)为t时刻下，不同深度zs、不同径向距离rs处的岩土体温度分布，℃；
[0103]
c、以差值为0.1℃处的径向距离rs作为岩土体的热影响半径，可以得到不同深度zs的岩土体热影响半径，其中的最大值则为岩土体的最大热影响半径r
max
。
[0104]
进一步的，所述步骤三：设计中深层同轴套管换热器的造斜角度θd；
[0105]
首先，提出一个新的概念——热影响半径角，由换热器长度与中深层岩土体的最大热影响半径计算得到，两者的位置关系如图4所示。换热器常规的安装方法为垂直于地表安装，当对换热器进行造斜时，保持其在地表的位置不变，并以地表位置为基点进行造斜(图4(a))。相邻的换热器在造斜后的相对位置如图4(b)所示。当换热器底部位置的平移距离为中深层岩土体的最大热影响半径时，所形成的夹角为热影响半径角，由式(10)计算：
[0106]
(1)计算热影响半径角
[0107][0108]
式中，θ为热影响半径角，
°
；r
max
为岩土体最大热影响半径，m；h为换热器长度，m；
[0109]
(2)设定造斜角度，造斜角度以大于4倍热影响半径角为宜：
[0110]
θd≥4θ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(28)
[0111]
式中，θd为中深层同轴套管换热器的造斜角度，
°
。
[0112]
综上所述该中深层同轴套管换热器的造斜设计方法，中深层同轴套管式换热器的新型安装形式—造斜安装形式的设计方法。在最大程度避免相邻换热器发生热干扰的前提下，合理设计换热器安装形式与角度设计，减小相邻换热器之间的井口距离，对减少工程用地面积、降低地面管路热损失具有重要意义。
[0113]
实施例2
[0114]
中深层同轴套管换热器主要为建筑供热，近年来在陕西地区得到一定程度的推广，故以在陕西地区的案例说明本发明的具体应用与优势。
[0115]
中深层同轴套管换热器的管井结构、应用地区的地热地质条件以及运行工况具体
见表1。
[0116]
表1案例参数
[0117][0118][0119]
首先，将案例参数带入步骤一中的瞬态数值换热模型，计算得到换热30年后的岩土体温度分布，并根据公式(6)和(9)，得到不同深度zs、不同径向距离rs处岩土体温度与岩土体未被干扰状态温度的差值，以差值为0.1℃处的径向距离rs作为岩土体的热影响半径，可以得到不同深度zs的岩土体热影响半径，如图5所示，蓝色线为不同深度处的岩土体热影响半径。
[0120]
可以看出中深层岩土体的热影响半径在深度方向上不是均匀一致的，随着深度的增加，热影响半径随之增加，最大热影响半径的所在位置接近换热器底部所在的深度，案例参数下的最大热影响半径超过70m。若以常规的垂直安装方法进行布置，相邻中深层同轴套管换热器的间距至少要大于2倍的70m，即140m的安装距离，这大大增加了系统管路连接与保温以及机房布置方面的难度，对地表的可使用面积提出了要求。
[0121]
基于本发明提出的一种中深层同轴套管换热器的造斜设计方法，对在案例参数下的换热器进行造斜布置。根据上述介绍与分析可知，换热器的长度为2500m，岩土体的最大热影响半径为70m，可由公式(10)对热影响半径角进行计算。图6给出了不同热影响半径角下的中深层岩土体热影响半径的分布情况。
[0122]
在图6中，横坐标0m处为换热器所在位置。0
°
代表换热器为垂直安装，θ、2θ、3θ、4θ、5θ分别为1倍、2倍、3倍、4倍和5倍的热影响半径角安装。换热器所在位置的右侧，即横坐标为正的区域为岩土体可能发生热干扰的区域，通过造斜可以发现岩土体的热影响半径整体向换热器的左侧移动。当造斜角度为1倍热影响半径角时，换热器底部位置的岩土体热影响半径接近0m处。但可以发现仍有大部分岩土体区域会发生热干扰现象，故需要继续增大换热器的造斜角度。当造斜角度为4倍热影响半径角时，换热器纵向深度超过80％的部分已不会存在热干扰。且已有研究表明可知，中深层同轴套管换热器的主要热提取区域为换热器的下部区域，上部区域与岩土体之间的换热作用本就很小。
[0123]
综上可知，4倍热影响半径角可以作为中深层同轴套管换热器的最小造斜角度。反之，造斜角度大于4倍热影响半径角就可以有效避免相邻换热器之间的热干扰。为提高本发明的普适性，对不同地热特征参数下换热器的造斜角度进行分析。研究发现，当造斜角度为4倍热影响半径角时，换热器纵向深度完全避免热干扰的部分均超过总长度的80％，由此进一步确定了本发明所提出的不小于4倍热影响半径角造斜角度的可行性。
[0124]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。