[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

说明书

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，可合理筛选换热器各部件的材料，并优化设计换热器的尺寸参数，综合考虑了换热器换热、流动特性和成本因素，实现一定成本下的性能最优化，从而达到提高换热性能、减小流动阻力、降低投资成本的目的，该方法对于无干扰地岩热换热器的设计和优化有着重要的指导意义和工程应用价值；以增强无干扰地岩热换热器换热、减少流动阻力、提高流动换热综合性能为原则。

技术领域

本发明涉及无干扰地源热泵技术，具体涉及一种综合考虑换热-阻力-经济因素的无干扰地岩热换热器设计方法。

背景技术

能源短缺是当今世界面临的重大社会问题之一，寻求新型可再生能源是解决这一问题的有效措施。地球是个巨大的热库，地热能就是这个天然大热库中蕴藏的热能，而地源热泵技术是目前利用地热能有效的措施之一。地源热泵是一种利用地热资源既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统，其通过输入少量的电能使循环工质在地岩热换热器中流动，循环工质通过管壁与周围岩土层进行热量交换，从而实现系统的供热或制冷。地源热泵适用范围广、运行费用少，具有明显的节能和环保效益。

对于地源热泵系统而言，地岩热换热器是系统的重要部件之一，其传热性能、流动阻力特性将直接影响到整个热泵系统的性能。传统地岩热换热器，即浅层地岩热换热器，深度通常在40m～150m，虽然具有节能减排的显著优点，但是需要占用一定的场地来布置地埋管；其次，由于浅层地岩热换热器对于系统全年的冷热负荷平衡有比较高的要求，限制了其在严寒地区的应用。

为了解决上述问题，近年来出现了一种新型的中深层无干扰地岩热换热器技术，即把地岩热换热器的深度加大到1000m～3000m。该系统拥有占地少、可利用地温高以及适合在寒冷地区应用等优点。但中深层无干扰地岩热换热器技术目前仍处于探索尝试阶段，其中，换热器结构参数与运行参数的最优匹配规律不明晰、换热器内水流组织混乱导致换热性能较差以及换热器内工质流动过程阻力损耗较大等关键技术问题有待解决。

发明内容

本发明的目的在于以增强无干扰地岩热换热器换热、减少流动阻力、提高流动换热综合性能为原则，提出一种综合考虑换热-阻力-经济因素的无干扰地岩热换热器设计方法，在合理控制投资成本与运行成本的基础上，满足高取热功率与低流动阻力的设计目标。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

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；