u型管換熱器熱性能影響因素實(shí)驗(yàn)研究

u型管換熱器熱性能影響因素實(shí)驗(yàn)研究

0井筒內(nèi)及其周圍含水層流場(chǎng)采用地下u型管道或u型換熱器儲(chǔ)熱或加熱裝置，送冷回?zé)幔捎镁茁竦夭牧系牡芈窆軗Q熱器和裸井孔的井渠設(shè)計(jì)模式。由于井下?lián)Q熱器不抽取地下水,不涉及地下水的回灌與處理問(wèn)題,一直以來(lái)是受到關(guān)注和研究的地?zé)崂梅绞街?。與以導(dǎo)熱換熱模式為主的地埋管換熱器相比,以自然對(duì)流換熱為主的井下?lián)Q熱器具有更高效的傳熱模式。但在自然對(duì)流中,由于溫度與流動(dòng)之間有較強(qiáng)的非線性耦合關(guān)系,較難獲得能準(zhǔn)確描述井下?lián)Q熱器外側(cè)自然對(duì)流換熱系數(shù)的關(guān)系式。圍繞U型管外的井筒內(nèi)及其周圍多孔含水層中產(chǎn)生的自然對(duì)流現(xiàn)象十分復(fù)雜。前人曾對(duì)如何強(qiáng)化U型管外的對(duì)流渦進(jìn)行了研究。比如,可以采用增速管來(lái)引發(fā)井內(nèi)的縱向自然對(duì)流,并就不同尺寸的井下?lián)Q熱器及增速管進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得最佳增速管管徑。奧克蘭大學(xué)的研究結(jié)論為:當(dāng)增速管的徑長(zhǎng)比大于1時(shí)可獲得最大熱輸出。此外,還在Rotorua對(duì)U型管井下?lián)Q熱器進(jìn)行了一系列的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來(lái)確定管內(nèi)流體溫度。在井下?lián)Q熱器的應(yīng)用方面,提出了基于混合比來(lái)估計(jì)穩(wěn)態(tài)熱流的設(shè)計(jì)程序,而混合比需要通過(guò)對(duì)特定含水層的測(cè)井工作來(lái)確定。最新的研究提出了預(yù)測(cè)井下?lián)Q熱器運(yùn)行限度的集總參數(shù)模型,該模型中,混合比由內(nèi)插法確定后,作為模型的已知參數(shù)。在以往的研究中,關(guān)于井筒內(nèi)及其周圍含水層之間流動(dòng)與傳熱相互作用的研究較少,目前,對(duì)影響井內(nèi)外自然對(duì)流流動(dòng)與傳熱的因素(如井筒與換熱器的幾何配置、換熱器中水的流速、換熱器與含水層中水的溫差等)對(duì)熱輸出的影響也不十分清楚;另外,如何使井筒內(nèi)及含水層中形成的自然對(duì)流之間產(chǎn)生協(xié)同作用,以增強(qiáng)換熱所需要的條件,仍需深入的研究。由于實(shí)際井下?lián)Q熱器所處的熱儲(chǔ)條件各不相同,一般含水層也各向異性,成井后井筒直徑也難以更換,因此,通過(guò)實(shí)際打井獲得某些參數(shù)對(duì)熱輸出的影響規(guī)律比較困難,也不經(jīng)濟(jì)。本文通過(guò)建立井下?lián)Q熱器模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái),對(duì)有不同井徑、不同井下?lián)Q熱器以及不同模擬熱儲(chǔ)層滲流速度條件下的系統(tǒng)熱輸出進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。1u型管結(jié)構(gòu)模擬井下?lián)Q熱器的模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)為長(zhǎng)900mm,寬500mm,高1000mm的玻璃箱體,外側(cè)采用50mm的聚乙烯泡沫板進(jìn)行保溫,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1。換熱器為U型銅管,直徑分別為5、8和10mm,長(zhǎng)均為1000mm。選用U型換熱器的原因是:在井下狹長(zhǎng)型空間結(jié)構(gòu)下,簡(jiǎn)單的U型管結(jié)構(gòu)可能比復(fù)雜翅片管結(jié)構(gòu)或其他所謂強(qiáng)化結(jié)構(gòu)情況下有更高的傳熱效率。采用隨機(jī)布孔的有機(jī)玻璃管(露在水面以上部分未打孔)來(lái)模擬裸井井壁(或井下花管),井筒直徑分別為8、60和40mm,井壁孔徑為3mm。飽和含水層的固體骨架結(jié)構(gòu)為3～5mm的玻璃珠,充滿實(shí)驗(yàn)臺(tái)正中500mm×500mm×500mm的空間。實(shí)驗(yàn)臺(tái)兩側(cè)水域保持恒溫使含水層邊界處處于未受熱擾動(dòng)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)左、右兩側(cè)分設(shè)進(jìn)、出水口以模擬不同的地下水流速。含水層內(nèi)沿井深方向分3層布置了48個(gè)T型熱電偶,各層測(cè)點(diǎn)具體位置如圖2所示。U型管內(nèi)及含水層中的水流速度用循環(huán)泵控制,采用稱重法測(cè)量流量。U型管進(jìn)出口、含水層內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度由Angilent數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集。2熱儲(chǔ)密度tp根據(jù)式(1)計(jì)算取熱功率:Q=˙mcp(Τou-Τin)(1)式中,Q——取熱功率,kW;˙m——通過(guò)U型井下?lián)Q熱器的質(zhì)流量,kg/s;T——水溫,℃;cp——水的定壓比熱,J/(kg·℃);下標(biāo)“ou”和“in”——分別表示U管的出口和入口。U型井下?lián)Q熱器外側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)是井筒內(nèi)對(duì)流與井外含水層內(nèi)對(duì)流的共同作用結(jié)果,根據(jù)式(2)計(jì)算:ho=(1Κ-1hidodi-do2λlndodi)-1(2)式中,ho——U型井下?lián)Q熱器外側(cè)對(duì)流換熱系數(shù),q——U型管壁上的熱流密度,W/m2;ˉΔΤ——含水層中水的對(duì)數(shù)平均換熱溫差,℃。根據(jù)逆流管殼式換熱器平均換熱溫差的計(jì)算方法,按式(3)計(jì)算:ˉΔΤ=√B2+1(Τou-Τin)ln2-A(1+B-√B2+1)2-A(1+B+√B2+1)(3)式中,A=Τou-ΤinΤp,in-Τin?B=Τp,in-Τp,ouΤou-Τin;Tp,in——熱儲(chǔ)上層平均溫度,℃;Tp,ou——熱儲(chǔ)下層平均溫度,℃。Tp,in和Tp,ou——分別相當(dāng)于管殼式換熱器殼側(cè)的進(jìn)、出口溫度,計(jì)算時(shí)分別取上、下16個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的平均溫度值;hi——U型井下?lián)Q熱器內(nèi)側(cè)對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·℃)。根據(jù)式(4)計(jì)算:hi=Νuiλdi(4)式中,λ——水的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);Nui——管內(nèi)對(duì)流換熱的Nu數(shù),按式(5)計(jì)算:Νui=1.86(ReiΡr)13(di/Η)13(5)式中,Rei——管內(nèi)Re數(shù),Rei=vudiv;vu——U型管內(nèi)水流速度,m/s;v——水的運(yùn)動(dòng)粘度,m2/s;H——換熱段(U型管)高度,m;d——U型管直徑,m;λ——銅的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);下標(biāo)“i”和“o”——分別表示U型管的內(nèi)、外兩側(cè)。計(jì)算平均換熱溫差所需的含水層進(jìn)、出口溫度由對(duì)應(yīng)位置上的溫度平均值確定。3含水層滲流速度及幾何參數(shù)對(duì)影響井下?lián)Q熱器熱輸出的4個(gè)主要因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究,這些因素包括含水層內(nèi)的滲流速度vs(m/s),U型管入口和未受熱擾動(dòng)的含水層遠(yuǎn)邊界處的水溫差ΔT(℃),U型管內(nèi)水流速vu(m/s)以及U型管與井筒的幾何參數(shù)。3.1滲流速度對(duì)系統(tǒng)性能的影響本組實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的工況為:在不同含水層滲流速度vs下,含水層邊界溫度維持在40℃,U型管入口溫度Tin與流速vu分別為15℃和0.12m/s。如圖3、圖4所示,當(dāng)滲流速度大于0.6×10-5m/s時(shí),取熱功率比滲流速度較低或無(wú)滲流流動(dòng)時(shí)高約20%。給定U型管流速時(shí),井下?lián)Q熱器的傳熱性能隨滲流速度的增長(zhǎng)并不是線性關(guān)系,取熱功率Q和外側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)ho近似為滲流速度vs的指數(shù)函數(shù)。此外,傳熱溫差不同時(shí),滲流速度對(duì)井下?lián)Q熱器熱輸出性能有不同影響。如圖5a、圖5b所示,當(dāng)井下?lián)Q熱器入口水溫Tin為15℃和5℃,對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層初始溫度Tp為30℃和40℃時(shí),系統(tǒng)內(nèi)最大溫差分別為15℃和35℃。在取熱達(dá)到穩(wěn)定階段后,在小溫差下,不同滲流速度下的管內(nèi)循環(huán)水溫度的升幅基本相同,處于2.5～3.0℃之間,相差不到0.5℃;在大溫差下,循環(huán)水溫升均提高到5.5～7.5℃之間,而不同滲流速度的影響顯而易見(jiàn)。換言之,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)具有較大的傳熱溫差時(shí),地下水滲流對(duì)井下?lián)Q熱器輸出性能的影響更為顯著。這表明,由井下?lián)Q熱器換熱形成的混和對(duì)流中,自然對(duì)流強(qiáng)度也相應(yīng)增加。由溫差導(dǎo)致的密度差是自然對(duì)流的唯一驅(qū)動(dòng)力,因此,根據(jù)熱儲(chǔ)溫度的高低設(shè)計(jì)合理的入口水溫,對(duì)提高井下?lián)Q熱器的熱輸出來(lái)說(shuō)相當(dāng)重要。3.2指數(shù)降裝置本組對(duì)比實(shí)驗(yàn)基本工況為:井下?lián)Q熱器入口水溫15℃,熱儲(chǔ)含水層初始溫度40℃,儲(chǔ)層滲流速度為vs=0,井下?lián)Q熱器管內(nèi)流速vu分別控制在0.06、0.12、0.18、0.28、0.38、0.60、0.75m/s。在整個(gè)運(yùn)行時(shí)段內(nèi),取熱功率的平均值隨管內(nèi)流速的增加按一階指數(shù)降冪的規(guī)律增長(zhǎng),如圖6所示。入口溫度一定時(shí),取熱功率會(huì)隨管內(nèi)流速的增大而增長(zhǎng),但其增長(zhǎng)的幅度最終受熱儲(chǔ)本身溫度及滲透性等參數(shù)的限制,即井下?lián)Q熱器能夠從熱水儲(chǔ)層中提取的熱量存在一個(gè)上限,當(dāng)熱儲(chǔ)條件給定時(shí),僅靠提高管內(nèi)循環(huán)流量并不能增加井下?lián)Q熱器從熱儲(chǔ)取熱的能力,同時(shí),流量的增大以水泵耗功增多為代價(jià),未必能獲得較好的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。與取熱功率類似,當(dāng)管內(nèi)流速增加時(shí),外側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)ho的增長(zhǎng)呈一階指數(shù)降冪的趨勢(shì),如圖7所示。流速達(dá)到0.38m/s后,ho基本穩(wěn)定,隨管內(nèi)循環(huán)流量增加幅度減小。井下?lián)Q熱器傳熱過(guò)程涉及管內(nèi)對(duì)流、管壁導(dǎo)熱和管外純流體區(qū)-多孔介質(zhì)區(qū)耦合自然對(duì)流3個(gè)環(huán)節(jié),外側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)的升高以整體傳熱效果的改善為前提,并不是僅取決于管內(nèi)流量。從總傳熱系數(shù)K的定義式也可推出當(dāng)內(nèi)、外側(cè)換熱系數(shù)相等時(shí)K值最大的結(jié)論。因此,增大管內(nèi)流量的意義在于使內(nèi)、外側(cè)換熱系數(shù)保持盡可能相近的水平。3.3管壓強(qiáng)化對(duì)低影響的性能本組對(duì)比實(shí)驗(yàn)的基本工況為:管內(nèi)流量為420mL/min,熱儲(chǔ)含水層初始溫度分別控制在30℃和40℃,井下?lián)Q熱器入口水溫為5、10、15、20℃,即系統(tǒng)最大溫差ΔTmax分別為15、20、25、30和35℃。在管內(nèi)流量一定的條件下,井下?lián)Q熱器取熱功率Q隨換熱溫差的增大呈一階指數(shù)降冪的增長(zhǎng)趨勢(shì),即取熱功率存在一個(gè)上限,如圖8所示。此時(shí)若要進(jìn)一步提高取熱功率,應(yīng)同時(shí)增加管內(nèi)的循環(huán)流量。一般情況下,換熱溫差越大,井下?lián)Q熱器管內(nèi)溫升也相應(yīng)增大,在儲(chǔ)層中溫差分布的均勻性會(huì)減弱,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這可能不利于整體換熱。但是,溫差是自然對(duì)流傳熱的唯一驅(qū)動(dòng)力,當(dāng)其增長(zhǎng)沒(méi)有顯著影響到溫度分布的均勻性時(shí),整體而言,換熱性能仍是提高的。因而,如圖9所示,外側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)ho隨最大溫差的變化存在明顯的上升段和下降段。換熱溫差和管內(nèi)循環(huán)流量是可以控制的兩個(gè)運(yùn)行參數(shù)。結(jié)合前面管內(nèi)循環(huán)流量的影響來(lái)看,這兩個(gè)參數(shù),給定其中任何一個(gè),井下?lián)Q熱器的熱輸出隨另一參數(shù)的增加都是有限的,實(shí)質(zhì)上也取決于熱儲(chǔ)側(cè)能夠提供的熱量,這又與熱儲(chǔ)溫度及滲透性有關(guān)。因此,運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置應(yīng)尋求在熱儲(chǔ)供熱能力限度內(nèi)盡可能增大,而同一取熱速率下,兩參數(shù)(即溫差與流量)的組合并不唯一。3.4井壁內(nèi)自然對(duì)流空間大小的分析本組對(duì)比實(shí)驗(yàn)基本工況為:依次采用不同直徑的U型銅管及模擬井壁進(jìn)行實(shí)驗(yàn),井下?lián)Q熱器入口水溫15℃,熱儲(chǔ)含水層初始溫度40℃,熱水儲(chǔ)層中無(wú)宏觀滲流,管內(nèi)流量vu約為650mL/min。影響井下?lián)Q熱器熱輸出的主要幾何因素有兩點(diǎn),即換熱面積和井內(nèi)對(duì)流空間。前者取決于管徑,后者取決于井、管二者直徑的相對(duì)大小。井筒直徑一定時(shí),井內(nèi)對(duì)流空間隨U型管直徑的擴(kuò)大而減小,兩者相互制約;同時(shí),外側(cè)流體所需空間的大小也是相對(duì)于一定的對(duì)流換熱面積上的傳熱量而言,為了說(shuō)明它們之間的關(guān)系,在分析中引入了當(dāng)量長(zhǎng)度幾何參數(shù)ζ(m3/m2),定義見(jiàn)式(6):ζ=井內(nèi)地?zé)崴x存空間體積U型管外側(cè)換熱面積=18D2wd0-14d0(6)式中,Dw——模擬井壁的內(nèi)徑,m;H——熱儲(chǔ)層深度,m;d0——U型管外徑,m。因此,ζ代表單位換熱面積對(duì)應(yīng)的管外純流體區(qū)自然對(duì)流空間的大小。在不同直徑的井孔中依次放入管徑逐漸減小的U型管,保持管內(nèi)循環(huán)流量和入口溫度不變,得到如圖10、圖11所示結(jié)果。根據(jù)式(6),各種井孔直徑下管徑從左到右依次遞減。ζ對(duì)取熱功率Q和外側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)ho的影響均呈現(xiàn)出一種與井孔直徑非單調(diào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即在各種井孔直徑下,隨管徑的減小,Q和ho均是先降后升的變化規(guī)律。不同井徑下相同管徑對(duì)應(yīng)結(jié)果之間的差異較小,而同一井徑下不同管徑之間的差異較大。這表明,僅就Q和ho而言,采用不同井、管尺寸的匹配可達(dá)到同樣的熱輸出效果。在影響傳熱性能的幾何因素中,換熱器面積并不具有決定性,這是因?yàn)榫聯(lián)Q熱器中的換熱機(jī)理不同于無(wú)限大空間中的對(duì)流換熱。井壁內(nèi)純流體區(qū)的自然對(duì)流的強(qiáng)弱不僅與換熱溫差、傳熱面積有關(guān),也受到自然對(duì)流生成與變化所在空間的影響。從初投資角度考慮,采用小直徑的井、管可節(jié)省建設(shè)及管材費(fèi)用,從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性而言,采用大直徑的井、管組合可減少水泵的耗功,節(jié)約電費(fèi)。4實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的熱儲(chǔ)熱物性參數(shù)的計(jì)算根據(jù)最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析整理,得到了井下?lián)Q熱器在穩(wěn)態(tài)下自然對(duì)流準(zhǔn)則方程:Nuo=2.7208θ-0.7496ζ0.09101Ra0.1717o(7)式中,Nuo——管外自然對(duì)流換熱的Nusselt數(shù);ζ1——ζ對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱值,即單位井深的ζ;θ——無(wú)量綱溫度,按式(8)計(jì)算:θ=管內(nèi)溫升最大溫差=Τou-ΤinΤ∞-Τin(8)式中,T∞——熱儲(chǔ)層初始溫度,℃。井下?lián)Q熱器外空間自然對(duì)流換熱的Rayleigh數(shù)Rao,定義為:Rao=βgΔΤoΗ3αmv(9)式中,β——水的體積膨脹系數(shù),1/℃;αm——多孔介質(zhì)的熱擴(kuò)散系數(shù),m2/s;ΔTo——井下?lián)Q熱器外空間自然對(duì)流的驅(qū)動(dòng)溫差,℃,按式(10)計(jì)算:ΔΤo=Τ∞-ΤW=qoho(10)式中,TW——U型管外壁面的溫度,℃;qo——U管外壁面熱流密度,W/m2。由以上各式的定義可知,實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式考慮了井/管直徑、高度等幾何參數(shù),U型管入口水溫、流量等運(yùn)行參數(shù)以及孔隙度、熱擴(kuò)散系數(shù)等熱儲(chǔ)的熱物性參數(shù)。各對(duì)比實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)值Nuexp與其理論值Nucal的比較如圖12所示,實(shí)驗(yàn)值與理論值的平均誤差為23.3%。在實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式中,無(wú)量綱溫差θ與熱儲(chǔ)層初始溫度T∞和U型管入口水溫Tin有關(guān),而后者是可選擇的設(shè)計(jì)參數(shù),在熱儲(chǔ)的供熱能力范圍內(nèi),θ越大,意味著U型管的熱作用半徑內(nèi)溫度分布越不均勻,本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這是不利于換熱的情況,關(guān)聯(lián)式中θ的擬合指數(shù)為負(fù),也說(shuō)明了這一問(wèn)題。從幾何因素來(lái)說(shuō),自然對(duì)流的生成及強(qiáng)度受換熱面積和相應(yīng)空間大小的共同影響。在其他條件相同時(shí),換熱面積增加,可獲得更多的熱量,而流動(dòng)空間增大則有利于對(duì)流渦的生成。井下?lián)Q熱器的幾何特點(diǎn)是由井深、換熱面積和管外純流體對(duì)流空間三者共同確定的,其井孔的長(zhǎng)徑比通常在2000以上,屬于狹長(zhǎng)型空間類型,井深的增加不利于對(duì)流渦的生成;而換熱面積與流動(dòng)空間兩者之間則是一種此消彼長(zhǎng)的相互制約關(guān)系。無(wú)量綱長(zhǎng)度ζ1即反映了這3種幾何參數(shù)的影響作用,其擬合指數(shù)大于零,表明對(duì)流空間的相對(duì)大小在井下?lián)Q熱器的換熱過(guò)程中起著重要作用,這與圖10、圖11的結(jié)果一致,也表明適當(dāng)?shù)木?、管配合比單一參?shù)的增長(zhǎng)更有效。換熱關(guān)系式中自然對(duì)流Ra數(shù)的擬合指數(shù)約為0.17,可認(rèn)為流動(dòng)處于層流范圍。需要說(shuō)明的是,實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)換熱性能的預(yù)測(cè)較為保守。這是由于雖然實(shí)驗(yàn)在井、管配置方面做到了與實(shí)際相似,但限于具體條件,整個(gè)換熱區(qū)域仍屬于封閉式邊界結(jié)構(gòu),這一點(diǎn)與實(shí)際地層有所不同。在真實(shí)地層條件下,井下?lián)Q熱器處于一個(gè)較