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值得一读!深层地埋管换热器设计参数影响分析

                                                                   

                        值得一读!深层地埋管换热器设计参数影响分析

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引言

近日, 西安交大建筑节能研究中心王沣浩教授团队在国际最具学术影响力期刊“International Journal of Energy Research”(IF:3.009)上发表了一篇关于设计参数对深层地埋管换热器换热性能影响的文章,题目为“Numerical study on the effects of design parameters on the heat transfer performance of coaxial deep borehole heat exchanger”。文章分析了主要设计参数对深层地埋管换热器的换热量、取热效率、水泵功耗以及埋管流体温度分布的影响变化规律,为深层地埋管换热器的设计优化具有重要意义 [1]。文章的主要内容如下:

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深层地埋管换热器换热模型

同轴套管地埋管换热器是提取深层地热能的主要方式,将低温循环流体通入深层地埋管换热器中,不断与深层的高温岩土换热,以高温流体的形式将提取的热量带至地表,物理模型如图1(A)所示。为计算分析其换热过程,利用数值方法将模型离散[2],离散原理图如图1(B)所示。基于此模型,可得到每时刻下的深层地埋管换热器与周围岩土的换热情况。



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设计参数影响分析

    2.1 入口水温

入口水温的变化影响着深层地埋管换热器换热过程中的出口水温与换热量,依据相关文献报道[3,4]与实际工程的工况选择,选取9-21℃范围的入口水温进行分析(如图2)。可以看出入口水温越低,提取的换热量越大(图2C),但相应的出口水温也较低(图2A)。此外,入口水温较高时,在埋管的上部会出现向岩土散热的情况,应注意保温措施(图2B)。

图2 不同入口水温下的深层地埋管换热器换热性能:(A)埋管温度分布(B)埋管与岩土换热情况分布 (C)埋管换热量(Heat load),热损失比例(Heat loss ratio)与热提取效率(Energy efficiency coefficient)


2.2 入口流速

入口流速不仅对深层地埋管换热器的换热能力具有重要的影响,也关系着水泵功耗的大小,水泵功耗影响着系统运行的经济性,故可通过综合分析取热量与水泵功耗来选取最佳流速值。通过对入口流速的影响分析,在该典型工况下,0.5m/s 为最佳流速(图3C, 3D)。从换热损失方面来看,流速较低时,深层地埋管换热器存在着较大的换热损失(图3B, 3C), 流速从1.1 m/s减小至0.12 m/s,热损失比例由25.5%增大至63.7%。故其在流速较低的条件下,进行内管保温措施将有助于提高其换热能力。


图3 不同入口流速下的深层地埋管换热器换热性能(A)埋管与岩土换热情况分布(B)埋管温度分布(C)埋管换热量(Heat load)与热损失比例(Heat loss ratio)(D)热提取效率(Energy efficiency coefficient)与水泵功耗(Pumping power)


2.3 管径

本节分析了管径大小对深层地埋管换热器换热性能的影响变化规律,其管径依据石油套管规格选取如下:外管Ф244.5 × 10.3 mm,Ф219.1 × 10.16 mm, Ф193.7 × 8.33 mm,Ф177.8 × 9.19 mm, and Ф168.3 × 8.94 mm,内管 Ф125 × 11.4 mm, Ф110 × 10 mm, Ф90 × 8.2 mm,Ф75 × 6.8 mm, Ф63 × 5.8 mm, and Ф50 × 4.6 mm。

2.3.1 外管径

图4 分析了深层地埋管换热器不同外管径下的换热性能,可以看出,外管径的增大可以极大程度地提高换热量(图4C)和热提取效率(图4D),且水泵功耗也呈下降趋势,有利于降低系统的运行费用。在实际应用中,仍需要考虑的是,较大的外管径会增加系统的初投资,故在选择管径规格时应考虑换热量与系统经济性之间的关系。


图4 不同外管径下的深层地埋管换热器换热性能(A)埋管温度分布(B)埋管与岩土换热情况分布(C)埋管换热量(Heat load)与热损失比例(Heat loss ratio)(D)热提取效率(Energy efficiency coefficient)与水泵功耗(Pumping power)

2.3.2 内管径

深层地埋管换热器不同内管径下的换热性能分析如图5所示。由图5C,5D可以看出,内管径的减小有助于提高深层地埋管换热器的取热能力与热提取效率,对深层地热能进行充分的提取。但值得注意的是,内管径在减小的同时,水泵功耗不断增加。在该典型工况下,当内管径小于90mm时,水泵功耗大幅度地提升,不利于系统的经济性。故在选择深层地埋管换热器的内管径时,应综合考虑换热量与水泵功耗之间的关系,使得取热量与经济成本最优。


图5 不同内管径下的深层地埋管换热器换热性能(A)埋管温度分布(B)埋管与岩土换热情况分布(C)埋管换热量(Heat load)与热损失比例(Heat loss ratio)(D)热提取效率(Energy efficiency coefficient)与水泵功耗(Pumping power)



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