[发明专利]一种综合考虑换热-阻力-经济因素的无干扰地岩热换热器设计方法

权利要求书

1.一种综合考虑换热-阻力-经济因素的无干扰地岩热换热器设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据工程实际，确定无干扰地岩热换热器的设计目标参数：最小取热功率Q_min、最大允许压降Δp_max和最大允许投资成本C_max；

2)建立无干扰地岩热换热器的流动传热模型与经济模型；

3)根据低温循环工质进口温度和浅土层岩土温度确定是否添加保温层；

4)根据工程实际对换热器各部件即内套管、外套管与回填层提出多种备选材料，通过部件间的材料组合，得到多种无干扰地岩热换热器，然后，基于步骤2)构建的流动传热与经济模型，获得各换热器的流动换热特性与经济性，最后，优选出取热功率高、经济性好的一组材料组合作为无干扰地岩热换热器的基准材料；

5)初步设计无干扰地岩热换热器的结构参数：

首先，针对外套管直径D₁与钻井深度H初步取值，接着，根据钻孔直径D₀、钻井深度H、外套管直径D₁、外套管壁厚δ₁、内套管直径D₂、内套管壁厚δ₂、内套管长度H_nei、保温层深度H_bw、岩土温度分布以及内外套管及回填层填料的物性参数，初步计算无干扰地岩热换热器的取热功率Q；

6)判断步骤5)所设计的无干扰地岩热换热器的实际取热功率Q是否满足设计要求：若Q≥Q_min，满足最低取热功率的设计要求，则进行步骤(7)；若Q＜Q_min，不满足最低取热功率的设计要求，则保持外套管直径D₁不变，将钻井深度H增大a米，通过增大钻井深度的提高无干扰地岩热换热器的实际取热功率，重复步骤6)，直至实际取热功率Q符合设计要求；

7)判断所设计的无干扰地岩热换热器的实际流动压降Δp是否满足设计要求：对由步骤6)确定的无干扰地岩热换热器进行流动过程模拟计算，获得其流动压降Δp，若Δp≤Δp_max，满足最大允许压降Δp_max的设计要求，则进行步骤8)；若Δp＞Δp_max，不满足要求，则将外套管直径增大b毫米以减小换热器的流动压降，重复步骤7)，直至Δp符合设计要求；

8)判断所设计的无干扰地岩热换热器的经济性是否满足设计要求：计算步骤7)确定的无干扰地岩热换热器的经济特性，获得其实际投资成本C，若C≤C_max，满足投资成本设计要求，则设计完成；若C＞C_max，不满足要求，则将钻井深度减小c米，同时计算无干扰地岩热换热器的换热特性与经济特性，重复步骤8)，直到取热功率Q、流动压降Δp与投资成本C均符合设计要求为止，若钻井深度减小到某一临界深度H₀，取热功率恰好满足Q≥Q_min，但在H₀-c深度下换热不满足要求Q＜Q_min，则选取临界深度H₀下的换热器参数为最终设计结果，同时需要增大投资成本到临界深度H₀下的投资成本。

2.根据权利要求1所述的综合考虑换热-阻力-经济因素的无干扰地岩热换热器设计方法，其特征在于：所述步骤3)保温层是否添加由低温循环工质进口温度和浅土层岩土温度确定：当低温循环工质进口温度低于浅土层岩土温度时，保温层会阻碍浅土层对低温循环工质的换热，此时浅土层不添加保温层，直接使用回填材料或土壤对浅土层进行填充；当低温循环工质进口温度高于浅土层岩土温度时，保温层可有效减小低温循环工质的散热，此时在浅土层添加保温材料。

3.根据权利要求1所述综合考虑换热-阻力-经济因素的无干扰地岩热换热器设计方法，其特征在于：所述步骤6)、7)、8)包括以下过程：

1)采用式(1)、式(2)、式(3)分别计算无干扰地岩热换热器的取热功率Q、流动压降Δp、投资成本C：

Q＝q_m×c_p×(T₂-T₁) (1)

C＝c_sg×H+c_wai×H+c_nei×H_nei+c_bw×H_bw+c_ht×(H-H_bw) (3)

2)根据换热器取热功率设计要求，采用式(4)调整换热器取热功率Q

H′＝H+a (4)

3)根据换热器流动压降设计要求，采用式(5)调整换热器流动压降Δp

D′₁＝D₁+b (5)

4)根据换热器投资成本设计要求，采用式(6)调整换热器投资成本C

H″＝H-c (6)

式中，q_m为循环工质质量流量，kg^.s^-1；c_p为循环工质定压比热容，J^.kg^-1.K^-1；T₂为取水温度，℃；T₁为循环工质进口温度，℃；f₁为外套管阻力因子；f₂为内套管阻力因子；Re_D1为外套管雷诺数；Re_D2为内套管雷诺数；L₁为外套管长度，m；L₂为内套管长度，m；D_h1为外套管等效水力直径，m；D_h2为内套管等效水力直径，m；ρ为密度，kg^.m^-3；V₁为外套管流速，m^.s^-1；V₂为内套管流速，m^.s^-1；A₁为外套管截面积，m²；A₂为内套管截面积，m²；H为钻井深度，m；H_nei为内套管长度，m；H_bw为保温层深度，m；c_sg为单位深度施工成本，元^.m^-1；c_wai为单位长度外套管成本，元^.m^-1；c_nei为单位长度内套管成本，元^.m^-1；c_bw为单位深度保温层成本，元^.m^-1；c_ht为单位深度回填层成本，元^.m^-1；a为钻井深度增加步长，m；b为外套管直径增加步长，mm；c为钻井深度减小步长，m。