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同轴套管式深埋管换热器换热性能研究

2020-01-14

摘要:针对青岛某地一个地埋管深度为2605m的地热能建筑供暖用同轴套管式深埋管换热系统,建立耦合管内外换热的全尺寸数值计算模型,并利用试验数据进行验证。在此基础上,进行一个供暖季的仿真计算,分析取热量及运行时间对该地埋管换热器换热性能的影响,并对内管失热量进行计算,得出以下结论:地埋管换热器换热能力随运行时间的增加而减弱:地埋管取热量过大会导致供暖后期地埋管进水温度过低,影响系统正常运行:该同轴套管内管的失热量较大。

关键词:地源热泵深埋管换热器清洗

地埋管地热能建筑应用技术具有节能减排、环境友好的显著优点,近些年得到快速发展。其中,土壤源热泵技术是浅埋管地热能利用技术,可对建筑供暖、供冷,这项技术已发展成熟,应用很广,但由于其地埋管占地面积较大,使用上往往会受到限制;近几年在我国出现的深埋管建筑供暖技术,由于地埋管占地面积相对减小很多,受到广泛关注,并在逐步推广。但由于该项技术是单取热工况,且竖管深埋,因此具有与浅埋管不同的换热特性。

同轴套管式深埋管是深埋管换热器的一种主要型式,该项技术最初是针对废弃石油钻井提出的,将其改造为深埋同轴套管的闭式取热系统。

早在1994年,瑞士的威吉斯地区率先实现了将废弃钻井改造为同轴套管式深埋管换热系统,用于建筑供暖,井深2302m,并对换热器换热性能进行了长期的监测。

近年来,随着地热能利用需求的逐渐加大,深埋管换热系统从少数的废弃石油井改造发展到今天专门的钻井地埋管,其地埋管换热器换热性能的相关研究得到了关注。K.Huchtemann等国利用一维简化传热计算模型研究某办公建筑动态负荷下的地埋管换热器换热特性。M.L.Lous等利用Fefow软件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埋管换热器换热性能的影响。H.Holmtbeg等国针对同轴深埋管换热器换热性能进行了Matlab二维建模分析,讨论了地埋管内水流方向、流量、内管失热等对地埋管换热器换热性能的影响。可见,深埋管换热器换热性能的影响因素很多,包括岩土结构、地埋管本身以及运行模式等。目前对深埋管换热器换热性能的研究刚刚起步,相关的研究成果较少,且多为管内外解耦或低维、非全尺寸的研究方法。

笔者针对青岛市某小区的同轴套管式深埋管地源热泵系统,建立地埋管换热的管内外耦合全尺寸三维动态数值计算模型,对该地埋管换热器的换热性能等进行数值仿真。在一定的管内流量条件下,设置不同的地埋管换热器取热量,得到所对应的一个供暖季的地埋管换热器进、出水温度的变化,分析该地埋管换热器合适的取热量以及地埋管换热器换热性能随运行时间的变化,并对内管的失热量进行计算分析。

1、现场试验概况

现场试验依托青岛市某小区同轴套管式深埋管地源热泵系统。该地埋管钻井井深2605m,井身直径为215.9mm:外管使用石油钢管,尺寸为p177.8mm×9.19mm,导热系数为14.48W/(m·K):内管为专用高密度塑料管,尺寸为110mm×10mm,导热系数为0.21W/(m·K),耐温110℃。岩土结构,深度0~140m为覆盖土层,导热系数为2.24W/(m·K),140m以下为基岩结构,主要以玄武岩和花岗岩为主,导热系数约2.8W/(m·K)。并底温度为83.213℃,恒温层深度为20m,温度为15℃,恒温层向下温度分布近似为线性变化。

该系统在2017年11月25日开始运行,进行了444h(18.5d)的监测。

运行中监测了地埋管进、出水温度以及流量。温度监测仪为P1100温度传感器,精度为0.2℃;流量监测仪为GRS65超声流量计,精度为0.1m3/h:热量由温差和流量计算得到。部分监测数据。这是一个闭式循环系统,运行中控制地埋管的流量在29.5m2/h(0.00819m2/s)左右,地埋管的进、出水温度随着运行时间逐渐下降,运行到444h(18.5d)时地埋管进、出水温度分别下降到5.5℃和19.1℃;取热量约为0.5MW。

2、数值模型与验证

2.1模型建立

2.1.1几何模型

笔者利用GAMBIT软件建立三维全尺寸模型,几何模型尺寸同现场试验条件,模型外管尺寸为p177.8mm×9.19mm,内管尺寸为中110mmx10mm,外管竖向埋深为2605m,计算区域底端深2640m;内管下端敞开,比外管底端高5m;外管上端高出地面20m,内管上端开口比外管上端低5m,如此实现流体在外管和内管之间的循环。将外管高出地面的部分设为取热体,模拟地面上热泵系统的取热。地埋管周围岩土计算区域的半径在计算模型中取为30m。

将几何模型的坐标原点设在地埋管中轴线与地平面的交点处,竖直向上为:轴正方向:选过原点水平面相垂直的2个方向为x轴和y轴方向。

模型计算区域的:轴方向范围为-2640-20m;x轴方向范围为-30~30m;y轴方向范围为-30-30m。

为了反映岩层上下的非均匀性,将地埋管竖向几何区域分为每35m一个分层单元,考虑地下20m为恒温带,将地埋管最上一层分为20m和15m两个分层单元。图2(b)所示为模型分层图,每一分层岩土温度均匀,试验模型共有78个分层单元,编号从地面开始向下依次排序。

对几何模型进行网格划分时,内管内部采用非结构化网格,内、外管之间采用结构化网格,管壁向流体侧均采用边界层划分,岩土为结构化网格。网格划分经过了稳定性分析。

2.1.2数学模型地埋管换热包括管内流体与管壁的对流换热、管壁的导热、管壁外表面与周围固井水泥层的导热以及周围岩土的导热。描述流动换热的偏微分方程组可以统一写成如下通用形式:

deb)div(pu)=div(rognd)+s。(1)y式中p为管内流动介质的密度(kg/m2);1为时间(s):4为通用物理量;U为地埋管内流动介质的速度(m/s);r。为扩散通量;s。为源项。

关于淌流模型,参照文献]选择Standandk-e湍流模型。求解的方程有连续性方程、湍动能方程、耗散方程和3个方向的动量方程、能量方程。选择二阶迎风离散格式,采用SIMPLE压力修正法。

2.1.3求解设置初始条件:管内水流静止,管内流体、管壁、管外固井水泥均与周围岩土温度相同,为岩土的初始温度;边界条件:计算区域的岩土外表面为无穷远边界,温度恒定,且与岩土的初始温度相同:

该问题为非稳态问题,根据文献,将时间步长设置为3600s。

2.2数值模型试验

验证在数值模型试验中,将地埋管的实时进水温度作为边界条件,采用proile文件输入;将流量按照试验的平均流量设置为0.00819m2/s;岩土温度和岩性来自于试验钻井勘察数据。

计算得到出水温度,与试验值进行对比,验证数值模型的可靠性。

计算总时长与试验时长相同,为444h。为地埋管进、出水温度的试验数据和模拟数据,以及出水温度相对误差。

出口温度的2条曲线很接近,在一开始约5h内2条曲线误差偏大,主要原因是开始运行时存在系统调试,工况不稳定;在之后的运行中,最大误差出现在系统运行34h时,为10.8%;50h后,相对误差均低于10%;约230h以后,2条曲线吻合得很好,各点相对误差均小于5%;约360h以后,各点的相对误差均小于3%,由此所建计算模型得到验证。在此基础上计算分析该深埋管换热器换热系统的换热能力。

3、数值模拟结果与分析

3.1计算结果在该深埋管换热器换热能力分析中,恒定进口流速为0.78m/s,所示为模拟的局部管道的速度矢量图。模拟中一共设定了5种取热量的计算工况,分别为0.2MW(工况1)、0.3MW(工况2)、0.4MW(工况3)、0.45MW(工况4)和0.5MW(工况5)。

在这5种工况下进行一个供暖季141d(3384h)的模拟,为岩土轴心竖向剖面温度分布图。

地埋管系统取热运行会影响岩土的初始温度,一般会导致地埋管周围的岩土温度下降。当取热量为0.2MW时,约在地下455m以上一段的浅层地埋管周围,岩土温度没有下降,反而比初始温度有所升高,即运行中,这段地埋管在向岩土放热。这是地埋管进水温度比这个深度区域的岩土温度高造成的。

如果对地埋管的取热量大,则进水温度会相对低,就不存在这个现象。

3.2地埋管换热器换热能力

通过对5种工况进行一个供暖季3384h的模拟,分析地埋管进、出水温度的变化情况,在限制地埋管进水温度不低于4℃的条件下(考虑热泵机组的工作参数),确定该地埋管的最大恒定取热量。各工况下部分运行时间点的进、出水温度见表2,各工况下的进、出水温度随运行时间的变化。

由于每一个恒定取热量工况下流量均恒定为0.00819m2/s,即每个工况下地埋管进出水温差应为定值,表现在图7中每种工况下对应的进、出水温度曲线基本平行。工况1~工况5所对应的进出水温差分别为5.9℃,8.8℃,1l.8℃,13.2℃和14.7℃.

恒定取热量运行一个供暖季,5种工况下的地埋管进、出水温度随运行时间的变化规律基本相同,即其温度随运行时间先迅速下降,而后下降速度逐渐变缓,到供暖结束时地埋管进、出温度最低,即地埋管换热能力随着运行时间在逐渐减弱。

取热量相对小的工况,进、出水温度相对高,随着取热量的增大,地埋管进、出水温度相对降低。供暖季结束时:取热量为0.2MW时,地埋管出水温度为33.6℃,进口温度为27.7℃;取热量为0.3MW时,地埋管出口温度为25.0℃,进口温度为16.2℃:取热量分别为0.4MW,0.45MW和0.5MW时,地埋管出水温度分别为16.5℃,12.2℃和7.9℃,进水温度分别为4.7℃,-1.0℃和-6.8℃。由这些数据看到,取热量相对较大的工况4和工况5,地埋管的进水温度在供暖期最后已降为负值,工况3(恒定取热量为0.4MW)地埋管进水温度为4.7℃,略高于4℃。

考虑到热泵机组蒸发器的出水温度不应低于4℃,该系统的工况4和工况5不能满足此要求,因此综合考虑地埋管换热器的取热能力和系统运行条件,该地埋管系统冬季合适的恒定取热量应为0.4MW。

3.3内管的失热内管的作用

是导出环形断面被加热的流体,但由于内管管材非绝热,在内管中向上导出的流体与外管中向下流动的流体之间存在传热,造成内管失热现象。内管的失热会使外管的流体温度升高,从而减小从岩土侧的取热量,最终影响地埋管换热器的换热能力。根据地埋管进、出水温度以及内管最下端的温度,可以计算得到地埋管的总取热量以及循环水在内管向上导出过程中的失热量。将内管失热量与地埋管总取热量的比值称为内管失热占比。部分运行时间点的内管失热量以及失热占比,不同工况下内管失热占比随运行时间变化。

内管失热量随着运行时间在逐渐减小。在运行初期,减小的速度比较快,且取热量越小的工况,减小的速度越快,各工况到接近250h时均趋于平缓。对于取热量为0.2MW的工况1,运行时间从50h到100h再到200h过程中,其内管失热量减小值依次为4.66kW和3.57kW:对于0.4MW的工况3.运行时间从50h到100h再到200h过程中,其内管失热减小值依次为3.21kW和2.95kW。

在运行到3000h(125d)时,工况1-工况5的内管的失热量分别为69.04kW,92.77kW,116.64kW,127.32kW和139.88kW,很明显,地埋管的取热量越大,内管的失热也越大;另外,从工况1至工况5,内管的失热占比分别为34.45%,30.85%,29.09%,28.13%和27.91%,地埋管取热量大,内管的失热占比会有所减小,但总体来看,内管的失热占比均较大,最小值达到了27.91%。由以上分析可见,内管的失热不可忽视,在该技术的应用中应采取措施提高内管的隔热性能。

4、结论

笔者针对青岛市某小区地埋管深度为2605m的地热能建筑供暖用同轴套管式深埋管换热系统,通过试验验证建立了耦合管内外换热的全尺寸三维数值计算模型。在此基础上,对该套管式深埋管换热器换热性能进行了研究,得到以下结论:

1)在供暖运行中,地埋管周围岩土温度由于受到影响而逐渐下降,引起地埋管进、出水温度一直在下降,到供暖期结束时地埋管进、出水温度最低。

2)该深埋管周围岩土结构以玄武岩和花岗岩为主,导热系数较高,约2.8W/(m·K)。在冬季地埋管系统的进口温度不低于4℃的条件下,该深埋管的取热量应为0.4MW。

3)同轴套管式深埋管的非绝热内管存在失热问题。为了确保深埋管换热器换热性能,应增强内管的隔热能力。


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