CN103344173B - 地下换热器的管土间隙辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下换热器的管土间隙辨识方法，该辨识系统主要包括八脚探针、正电极、负电极、换热管、连接导线、转换开关、直流电源、电位差记录仪、换热岩土。本发明通过对管土换热结构内相应位置处电位差值监测，判别探测位置处管土间隙的等效宽度及间隙在管截面周向的分布，由此可实现对目标间隙断面的辨识，为其量化研究奠定基础，从而为控制减小管土热阻，选择合理的地下换热器置管结构及运行模式提供参考依据。

Description

地下换热器的管土间隙辨识方法

技术领域

本发明涉及地下蓄能及地源热泵技术领域，具体涉及一种地下换热器的管土间隙辨识方法。

背景技术

随着应用的不断深入，研究者们发现高温或低温的大温变地下换热可以更好地提高能源利用效率，在大温差的地下蓄能和地源热泵应用过程中，特别是地下换热器温度达到90℃或更高，以及低于0℃或更低时，常出现换热管与回填土脱离而产生间隙热阻的问题。在目前的应用中，地下换热管主要以高密度聚乙烯(HDPE)材料为主，其热膨胀系数与岩土的差异较大，在大温变的换热过程中，管土间隙主要来源于两个方面：其一，二者会由于热胀缩程度不同而产生脱离；其二，换热管的热胀缩量主要体现在轴向管长，而管长变化通常受到约束，此时管体必然屈曲而发生形变，在管体形变过程中会与岩土发生分离，即出现管土间隙。

通常，管土间隙会形成空气热阻，微小的空气热阻会对管土间传热效率产生较大影响，且传热效率会随着间隙的增长而不断降低，该问题的存在将制约着地下换热器的长期高效运行，因此对管土间隙的研究及控制有益于地下换热系统运行效率的提高。然而，地下换热器的管土间隙处于地下岩土中，且间隙尺寸相对较小，很难用直接测试工具或可视化方法对其量化研究。因而对管土间隙的辨识应以非可视化的间接手段实现。

采用地电方法可实现对岩土内微小变动的识别，对于具有均匀电场的管土换热结构，管土间隙的出现与变化必然引起原有电场的变化，通过对电位场变化的探测，可实现对管土间隙的辨识，有利于间隙的量化研究。从而进一步为控制管土间隙，以提升地下换热系统高效稳定运行能力，比选及优化管土结构与运行模式，提供技术保障。

发明内容

本发明的目的是提供一种地下换热器的管土间隙辨识方法。该方法通过在管土结构中制造稳定电位场，利用管土间隙变化对电位场的影响，量化间隙宽度且判断其在管截面周向的分布情况。利用该方法可实现对换热管热形变过程中管土间隙的监测，为控制地下换热器运行过程中的管土传热衰减提供依据。

实现上述目标的技术方案是：该辨识系统主要包括八脚探针、正电极、负电极、换热管、连接导线、转换开关、直流电源、电位差记录仪、换热岩土。所述换热管主要针对U型管，竖直埋入换热岩土中，二者组成管土换热结构，所述正电极为超薄环状导体(可选用铝箔)或导电胶漆，360°环绕紧贴或涂抹在换热管的目标间隙探测位置，通过转换开关分别与直流电源正极及电位差记录仪正极相连，所述负电极与直流电源负极相连，并埋入换热岩土中，与正电极之间的距离为正电极埋入岩土深度的8倍以上，所述八脚探针由支架、端部导体和管箍构成，支架从中心分出8个方向的支脚，各支脚端部为导体，导体与正电极共面布置，且与电位差记录仪负极相连，支架与管箍同为硬塑材料，二者固定连接，八脚探针通过管箍与换热管紧固连接在一起。

本发明的有益效果是：通过对管土换热结构内相应位置处电位差值监测，可判别探测位置处管土间隙的等效宽度及间隙在管截面周向的分布，由此可实现对目标间隙断面的辨识，为其量化研究奠定基础，从而为控制减小管土热阻，选择合理的地下换热器置管结构及运行模式提供参考依据。

附图说明

图1为本发明系统原理结构示意图

图2为八脚探针布置示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

如图1和图2所示，该管土间隙辨识系统包括八脚探针1、1#正电极2a、2#正电极2b、1#换热管3a、 2#换热管3b、1#电极导线4a、2#电极导线4b、探针导线5、转换开关6、直流电源7、负电极8、电位差记录仪9、换热岩土10。其特征在于1#正电极2a和2#正电极2b分别通过1#电极导线4a和2#电极导线 4b连接转换开关6，进而与直流电源7正极和电位差记录仪9的正极连接，分别在1#换热管3a和2#换热管3b周围形成各自的稳定电位场，并作为电位差值测试的正极，所述负电极8埋入换热岩土10中，使正电极在管土换热结构中制造点电源电场，所述八脚探针1通过探针导线5与电位差记录仪9的负极连接，分别监测正电极与8个方向对应点处的电位差值，由电位差记录仪9显示记录测试结果，所述转换开关6 可使管土间隙的的测试在1#换热管3a和2#换热管3b之间切换。

本发明工作原理：结合图1和图2说明本发明的工作原理，当正电极与负电极之间的距离为正电极埋入岩土中深度的8倍以上，正电极即可视为点电源，以1#正电极2a为例，当将其接通直流电源7时，八脚探针1所测各点的电位差值不同，远离1#正电极2a的点所测电位差值较大，靠近1#正电极2a的点所测电位差值较小，在地下换热器运行过程中，换热管周围岩土的温度及含水量变化都会引起所测电位差值的整体变化，而管土间隙的出现会增大其所在方向的电阻，而使对应点所测电位差值增大，在变化过程中如果各点所测值等比例增大或减小，则表明其变化是由岩土环境变化所致，各处变化后的电位差值与初始电位差值之比基本相等，该比值可被称为测隙比值，如果某一点的测隙比值大于其它点，则表明该点与1# 正电极2a中心连线的方向上出现了管土间隙，且间隙宽度越大，该点与其它点的测隙比值差距越大。

基于上述原理，可将本发明应用于地下换热器大温变运行过程中管土间隙的辨识与量化。在应用前首先将八脚探针1的2个管箍固定于1#换热管3a和2#换热管3b的合适位置，使探针上的8个导体与1#正电极2a和2#正电极2b形成目标测试平面，可根据需求在换热管的不同位置布置多个八脚探针1，使其随换热管一同布置于地下钻孔中。测试过程中为防止电极间的相互影响，各正电极不可同时供电，需通过转换开关6交替连接直流电源7与电位差记录仪9，以实现各位置的独立测试，在换热管运行前应由电位差记录仪9记录下各位置八脚探针1所测8个点的初始电位差值。在换热管的运行过程中，可根据需要对电位差记录仪9设定不同的测试频率记录各位置的8点电位差值，同时与初始值相比计算出测隙比值，进而通过各点的对比实现管土间隙的辨识。将间隙方向上对应点的测隙比值与无间隙方向对应点的测隙比值之比称为量隙比值，作为衡量间隙宽度的参数，则量隙比值越大，间隙宽度越大。根据量隙比值对管土间隙等效宽度的量化可由标定实验确定，采用与辨识目标相同的管土换热结构以及相同的辨识系统，人工制造一系列不同宽度的管土间隙，分别测试其量隙比值，通过多组离散数据形成管土间隙与量隙比值关系的拟合曲线。依据该拟合曲线，可由量隙比值量化管土间隙等效宽度，由此绘制出换热管截面8个方向的间隙状况，从而辨别间隙断面的分布。

Claims (1)

1.地下换热器的管土间隙辨识方法，其特征在于该方法所对应的辨识系统主要包括八脚探针、正电极、负电极、U型换热管、连接导线、转换开关、直流电源、电位差记录仪、换热岩土，具体应用步骤如下：(1)将正电极360°环绕紧贴或涂抹在换热管的目标间隙探测位置，通过转换开关分别使其与直流电源正极及电位差记录仪正极相连；(2)将八脚探针与正电极共面布置，且与电位差记录仪负极相连；(3)将负电极与直流电源负极相连，并将其埋入换热岩土中，使正、负电极之间的距离为正电极埋入岩土深度的8倍以上；(4)在换热管运行前，由电位差记录仪记录下八脚探针所测8个点的电位差初始值；(5)在换热管运行过程中，由电位差记录仪记录下八脚探针所测8个点的电位差运行值；(6)计算八脚探针所测8个点的测隙比值，测隙比值为电位差运行值/电位差初始值；(7)对比8个点的测隙比值，若某一点的测隙比值大于其它点，则表明该点与正电极中心连线的方向上出现了管土间隙，且测隙比值差距越大，表明间隙宽度越大，从而实现管土间隙的辨识。