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回填材料对土壤热泵U型埋管换热器性能的影响点击：1731 日期：[ 2014-04-26 22:13:45 ] |
| 回填材料对土壤热泵U型埋管换热器性能的影响 包强 邓启红 牛润卓 (中南大学能源科学与工程学院) 摘要：本文以能量守恒和质量守恒为基础建立了土壤耦合热泵u型埋管换热器三维非稳态模型，重点研究了回填材料导热率对u型埋管换热器换热性能的影响。结果表明：强化换热型回填材料可以大幅度提高钻井换热器的换热能力，钻井的换热能力随着回填材料导热率的增加而不断提高，但回填材料导热率并非越高越好，而是应该稍高于钻井周围岩土层的导热率。 关键词：土壤耦合热泵 埋管换热器 回填材料 0 引言 埋管换热器是土壤耦合系统最为关键的部分，强化其换热能力一直是土壤耦合研究领域内的重点。影响埋管换热器性能的因素很多，包括岩土的热物性、钻井深度、钻井直径、管壁材料以及回填材料等。由于钻井费用比较昂贵，钻井的深度、直径、管材以及钻井周围土壤的热物性都难以随意更改，而近20年来的研究表明：回填材料的热物性对钻井换热器的换热能力影响显著。 回填材料的作用有两方面，一方面是使u型管与钻井壁紧密接触，以改善换热器与土壤的换热；另一方面是防止地表水通过钻井向地下渗透而污染地下水，同时也防止各个蓄水层之间的交叉污染。早期的回填材料多采用从地质钻探工艺传承下来的膨润土——水混合物，这种回填材料的导热率仅为0．65～0．9W／(m·K1左右，远远低于岩土层的导热率(1．7～3．4W／(m·K1)，而且这种回填材料容易干燥、收缩而导致与u型管脱落，对传热造成不利影响，很大程度上影响了换热器的性能。 近年来，强化换热型回填材料的研究渐渐成为热点。P．Kavanaugh和L．Allan认为强化换热型回填材料相比传统的膨润土或黏土回填能够很大程度上改善钻井换热器的换热能力[1]。D．Pahudhe和B．Ma~hey利用热反馈方法研究发现，采用石英砂代替黏土回填可以降低钻井热阻30％『2]。Sanner、Mands和K．Sauer等人研究发现：如果采用传统回填材料，深度为70 rn的钻井其钻井热阻为0．11W／(m·K)，而采用强化换热型回填材料钻井热阻仅为0．08W／(m·K)[3]。Lenarduzzi、Cragg和Ranharkrishna等人的研究表明，回填材料对土壤耦合系统有很重要的影响。选用合适的回填材料不仅可以很大程度上提高换热器的换热能力，还可防止u型管由于温度过低产生变形而导致工质溢出【4J。P．Remund作了更为深入的研究，其结果表明：回填材料的热阻随着其导热率的增加而减小，但当其导热率增加到1．73W／(m·K)后再增加其数值，回填材料的热阻减小的幅度就很小了。 回填材料的导热率是否越高越好?在选择回填材料时其导热系数有没有最为理想的具体数值?不同的地质条件下应该如何选择回填材料?上述研究目前还比较少见，本文采用数值模拟的方法，建立单u型钻井换热器三维模型针对上述问题进行研究。 1 数值方法 1．1 物理模型 钻井的深度为50 m，钻井直径为120 mm，U型管支管间距为70 mm，管材为高密度聚乙烯管(PE)，其导热率为0．45W／(m·K)。工质为水，水的设计流速为0．5m／s 。 如图1：钻井内、外部均采用非结构化网格；靠近钻井壁的地方网格取密一些，远离钻井壁的地方网格取稀一点，这样既能够保证精度又能够尽可能减少网格数以加快计算速度。 钻井换热器在岩土层中的换热是一个通过多层介质的非稳态导热过程，进入u型管的流体首先与管壁进行对流换热，然后热量通过管壁、回填材料、土壤层层传导，最后散失在土壤中。实际的换热过程是非常复杂的，因为热量在回填材料、土壤中的导热涉及到多孑L介质导热和水分迁移问题，在某些地区地下水的流动对换热也有很大影响。为了方便数值求解，作以下简化与假设： 1)不考虑u型管支管内流体横向的热量传递，认为流体在横截面上温度一致； 2)土壤及流体的热物性参数保持不变； 3)u型管两管间距沿轴向等距； 4)不考虑地下水流动对换热器的影响； 5)钻井与钻井之间距离足够大，没有热干扰。 1．2 数学模型 1．2．1控制方程 模型的建立考虑两方面：管内流体的流动和固体介质(包括管壁、回填材料、土壤)中的导热过程。如图2所示，在三维坐标系下建立土壤耦合热泵单u型埋管换热器数学模型： 2)固体部分 管壁、回填材料和岩土层中的导热可以看作热量在三种不同材料中的传导。其导热方程为： 1.3 求解 数值模型的控制方程是一组偏微分方程，如果完全自行编写软件进行计算将会耗费大量的时间和精力。本文采用编写UDF(用户自定义函数)与计算流体力学软件Fluent相结合的方法求解数值模型。流体温度分布采用UDF求解，管壁、回填材料、土壤中的导热采用Fluent导热模型计算。 2 结果分析与讨论 图3为岩土层的导热率为1．7W／(m·K)时，同一钻井采用不同导热率的回填材料其单位管长换热率随时间的变化。运行到第22小时，如果采用导热率为1．7W／(m·K)的传统回填材料，钻井单位管长换热率为23，9W／(m·I4)；而如果采用导热率为3．7W／(m·I4)的强化换热型回填材料的话，钻井的单位管长换热率为37．7W／(m·K)，同比增加了57．7％。 图4为岩土层导热率为3．7W／(m·K1时，同一钻井采用不同导热率的回填材料其单位管长换热率随时间的变化。运行到第22 h，如果导热率为1,7W／(m·K)的回填材料，钻井单位管长换热率为39．7W／(m·K)；而采用导热率为4．7W／(m·K)的强化换热型回填材料，钻井单位管长换热率为49．5W／(m·K)，同比增加了25％。由图4可知，钻井的换热能力随着回填材料导热率的增加而不断提高。 图5为第22小时时刻单位井深换热率随回填材料导热率的变化(同一钻井采用不同的回填材料，岩土层的导热率分别为1．7W／(m·K)，3．7W／(m·K))。可见，尽管钻井的换热能力随着回填材料导热率增加而不断提高，但其增加的趋势是逐渐变缓的。回填材料的导热率增加到一定的数值之后再增加而造成的钻井换热能力提升的幅度就比较小了。如图5(a)所示，如果岩土层的导热率为1．7W／(m·K)，回填材料的导热率从0．7W／(m·K)增加到1．7W／(m·K)的过程中钻井的换热能力提高比较明显，之后回填材料的导热率再增加对提高钻井换热能力有限；同理，如图5(b)所示，如果岩土层的导热率为3．7w／(m·K)，回填材料的导热率为3．7W／(m·K)左右比较理想。 回填材料最为重要的作用是使u型管与钻井周围的岩土紧密接触，将循环流体的热量传人岩土层，所以钻井的换热能力会随着回填材料导热率的增加而不断提高。但回填材料导热率并非越高越好，这是因为：钻井的直径毕竟非常小，一般的钻井直径为110mⅡ1～150 mnlf51，而长时间运行的钻井换热器其热扩散半径可以达到3 m左右。流体传人地下的热量最终还是要通过岩土扩散到无限远处，回填材料仅仅是一个用于传热的中间介质，其导热作用是有限的，所以其导热率增大到一定的数值后再增加对改善钻井的换热能力就作用有限了。因此，选择回填材料应根据当地的地质条件而定，并没有一个具体的数值，例如：用于地质条件为黏土(导热率可能在1．7W／(m·K)左右)地区的回填材料与用于地质条件为花岗岩(导热率可能在3．9W／(m·K)左右)地区的回填材料应该是不同类型的，前者的导热率在1．7W／(m·K)左右比较合理；至于后者，其导热率在3．9W／(m·K)左右较为合理。当然，这只是一个理论值，因为目前还没有导热率如此高的回填材料出现。 总而言之，选择回填材料的基本原则是：回填材料的导热率应该稍高于或者至少不低于钻井周围岩土层的导热率。如果回填材料的导热率远低于钻井周围岩土层的导热率，那么钻井的换热能力会受到很大的不利影响。 3 结论 强化换热型回填材料可以大幅度提高钻井换热器的换热能力。钻井的换热能力随着回填材料导热率的增加而不断提高，但回填材料导热率并非越高越好。选择回填材料应根据当地的地质条件而定，基本原则是回填材料的导热率应该稍高于钻井周围岩土层的导热率。如果回填材料的导热率远低于钻井周围岩土层的导热率，钻井的换热能力会受到很大的不利影响。 |
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