CN116559229A - 一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统及方法 - Google Patents
一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116559229A CN116559229A CN202310510402.5A CN202310510402A CN116559229A CN 116559229 A CN116559229 A CN 116559229A CN 202310510402 A CN202310510402 A CN 202310510402A CN 116559229 A CN116559229 A CN 116559229A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- temperature
- buried pipe
- water
- soil
- seepage
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 244000035744 Hura crepitans Species 0.000 title claims abstract description 48
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 130
- 239000002689 soil Substances 0.000 claims abstract description 82
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 28
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 24
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 15
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 15
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 13
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 10
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 claims description 9
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 8
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 claims description 8
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 7
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 7
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 7
- 238000005325 percolation Methods 0.000 claims description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 4
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 claims description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 2
- 238000010998 test method Methods 0.000 claims 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 abstract description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 2
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 2
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000012774 insulation material Substances 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 1
- 238000004379 similarity theory Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000013517 stratification Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/10—Geothermal energy
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统及方法，该系统包括砂箱、恒温组件、换热组件、渗流组件与数据采集组件，砂箱主体由六个独立水箱围合而成，上部水箱作为独立部件，其余部分通过焊接形成整体，砂箱主体内部填充土壤材料，地埋管埋设在砂箱中央与土壤材料换热，地埋管进出水口分别与第三恒温槽连接，且地埋管入口和出口处均设置有第一温度传感器，水流量由第三恒温槽控制，通过测量入口和出口处温度差以及流量信息可测得地埋管在土壤材料中的换热情况，本发明设置换热组件、渗流组件，可分别模拟地温梯度、地下垂直、平行渗流多因素单独及耦合作用对地埋管换热器传热过程的影响，可以更加准确的反映真实传热过程。
Description
技术领域
本发明涉及地热能利用技术领域，特别涉及一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统及方法。
背景技术
大地热流指单位时间内以传导或对流方式由地球内部、经地球的固体表面向外传送的热能，由于大地热流的存在，存在地层深度越深温度越高的现象。
传统浅层地源热泵系统中地埋管深度通常为80m-150m，土壤温度通常低于20℃，因此浅层地源热泵系统效率较低，结合地层深度越深温度越高的现象，近年来开发出中深层地源热泵技术，中深层地埋管换热器钻孔上下温差可达25℃-75℃，相比可浅层地源热泵系统以显著提高系统效率。
中深层地源热泵技术是指布置深至地下2000-3000m的中深层地埋管换热器，通过换热器套管内部流动介质的闭式循环抽取深部岩土内赋存的热量，并进一步通过热泵提升能量品位为建筑供热的地热供热技术，可以减少二氧化碳和其他温室气体及污染物排放，是一项利用清洁可再生能源的新技术。U形地埋管是中深层地源热泵技术中一种地埋管形式，U形地埋管取热技术兼具换热效率高和取热不取水等优点，U形地埋管由下降管、水平管、上升管三部分组成，其优势在于较长的水平管段可以显著提高换热面积从而提取到更多的热量。
中深层U形地埋管钻孔深度可达2000-3000m，水平管长可达500m以上，现有实验系统多依据相似理论搭建，不能有效模拟地温梯度、地下水渗流以及地质分层单因素及耦合作用，不能贴合实际模拟中深层地埋管换热器换热特性，模拟结果不准确。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供的一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统及方法，通过设置换热组件、渗流组件可以更加贴合实际的模拟地下水渗流、地温梯度对中深层地埋管换热器换热影响。
本发明提供的一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统，包括：
砂箱，用于填充土壤材料；
恒温组件，与砂箱的箱壁连接，用于控制土壤材料的温度；
换热组件，设置在土壤材料中，所述换热组件内部装有换热介质，换热组件上设置有入口和出口；
数据采集组件，用于分别采集换热组件的入口和出口处的换热介质的温度；
渗流组件，包括给水单元，设置在砂箱的顶部；集水单元，设置在砂箱的底部。
优选的，所述砂箱是由上、下、左、右、顶部和底部六个水箱围合成的六面体结构，土壤材料填充在六面体结构内部，每个所述水箱均设置有进水口和出水口，进水口和出水口与恒温组件连接。
优选的，所述换热组件包括地埋管，地埋管的两端连接有第三恒温槽9，地埋管水平或竖直设置在土壤材料中间，上、下、左和右水箱的中心均设置有用于地埋管穿过的预留孔，预留孔位置处设置有防止土壤材料漏出的挡板。
优选的，所述给水单元包括渗流给水箱，渗流给水箱设置在六面体结构的外部，且位于顶部水箱的上方，所述渗流给水箱的出水口与砂箱的顶部连通，集水单元包括渗流排水管，渗流排水管的一端与砂箱的底部连通，另外一端连通有渗流集水箱，所述砂箱的每个内壁均设置有渗流孔板，渗流孔板的一侧设置有滤网，所述滤网的孔径小于土壤材料的颗粒粒径。
优选的，所述恒温组件包括第一恒温槽和第二恒温槽，所述第一恒温槽和第二恒温槽均用于与水箱连接。
优选的，所述数据采集组件包括两个第一温度传感器，分别设置在地埋管的入口和出口处；多个第二温度传感器，设置在地埋管外部的土壤材料中，所述多个第二温度传感器沿地埋管的径向和轴向分布。
一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验方法，包括以下步骤：
S1、确定砂箱实验系统的尺寸，搭建砂箱实验系统；
S2、水箱注入恒温水开始循环，待砂箱中的土壤达到目标温度；
S3、开启地埋管连接的第三恒温槽，分别采集地埋管入口和出口处循环水温度随时间变化数据以及土壤温度分布随时间变化情况；
S4、改变水箱温度模拟不同深度下实际土壤温度，重复以上过程。
优选的，步骤S1中，确定砂箱实验系统尺寸的方法包括以下步骤：
S11、建立中深层土壤多孔介质—渗流传热模型；
S12、利用模型数据分析软件，将工程实际参数代入中深层土壤多孔介质—渗流传热模型进行求解，得到相应地埋管出口水温及土壤温度分布随时间的变化情况；
S13、根据相似原理，按照不同相似比缩小地埋管参数，依次求解各组地埋管出口水温及土壤温度分布随时间的变化情况；
S14、将步骤S13中各组地埋管出口水温及土壤温度分布随时间的变化情况与步骤S12中根据实际参数得到的地埋管出口水温及土壤温度分布随时间的变化情况进行误差对比，综合试验台成本与允许误差确定试验系统搭建尺寸。
优选的，步骤S11中中深层土壤多孔介质—渗流传热模型包括饱和多孔介质的流动传热控制方程、土壤导热控制方程、管内循环介质热平衡方程、钻孔内外耦合方程，
其中，饱和多孔介质的流动传热控制方程包括：
连续性方程
式中，ρ为流体密度，kg/m3；φ为孔隙率；u为流体流速，m/s；τ为时间，s；
动量方程
式中：μ为流体动力粘度，Pa·s；Cf为无量纲阻力常数；τ为时间，s；
能量方程
式中，(ρc)m为多孔介质表观体积比热容，(ρc)m＝φ(ρcp)f+(1-φ)(ρc)s，J/(m3·K)；λm为多孔介质表观导热系数，且有λm＝φλf+(1-φ)λs，W/(m·K)；q”m为多孔介质表观内热源强度，且有q”m＝φq”f+(1-φ)qs”，W/m3；
土壤导热控制方程包括：
在不考虑土壤内热源强度的情况下，渗流作用下钻孔外土壤导热控制方程化简为：
上述方程其初始及边界条件为：
τ≥0，z＝0：T＝T0
τ＝0，0＜r＜r∞：T＝T0
τ＞0，r→∞：T＝T0
τ＞0，r'→0：
式中，T为土壤温度，℃；u为渗流速度，m/s；U为当量渗流速度，U＝uρwcw/ρc，m/s；α为热扩散系数，m2/s，α＝λ/ρc；λ为多孔介质表观导热系数，W/(m·K)；τ为时间，s；r'为径向距离，m；r为坐标系空间距离，/>m；cp为体积比热容，J/m3·K；Tin为地埋管进口温度，℃；Tout为地埋管出口水温，℃；M为管内流体质量流量，kg/s；H为钻孔深度，m；
管内循环介质热平衡方程包括：
根据能量守恒，管内流体的对流换热表达式如下：
式中：Tf(z)为管内流体温度，℃；Tb为井孔壁面温度，℃；
能量平衡方程的定解条件为：
z＝0，Tf(0)＝Tin
z＝H，Tf(H)＝Tout
钻孔内外耦合方程包括：
利用有限长线热源模型解得地热井钻孔壁温度的解析表达式为：
式中：rb为径向距离，x取管外壁半径，m；
根据上式可得：
式中，rb为径向距离；U为当量渗流速度，U＝uρwcw/ρc，m/s；α为热扩散系数，m2/s，α＝λ/ρc；τ为时间，s；r为坐标系空间距离，m。
优选的，在步骤S2中，水箱注入恒温水开始循环之前，先开启渗流水箱注入渗流介质，至砂箱中土壤处于饱和状态。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统及方法，其有益效果是：
1、本发明设置换热组件、渗流组件，可分别模拟地温梯度、地下垂直、平行渗流多因素单独及耦合作用对地埋管换热器传热过程的影响，可以更加准确的反映真实传热过程。
2、本发明可通过改变第一、第二恒温槽中循环介质温度来提供实验需求的土壤温度，六个独立水箱通过选择性连接第一、第二恒温槽可以达到地温梯度控制的作用，结合本发明提供的方法，可以更加准确的反映整个中深层地埋管换热器系统的传热过程。
3、本发明提供了渗流组件，改变地埋管埋置方式可模拟垂直渗流与平行渗流时地埋管换热器的传热过程。
4、本发明相比已有技术可以更加准确的反映整个中深层地埋管换热器系统的传热过程，实验台搭建成本低，占用空间小，可模拟多种地埋管换热器换热工况，具有经济性、多功能的特点。
5、本发明建立中深层土壤多孔介质—渗流传热模型，通过模拟不同相似比下地埋管出口水温及土壤温度场随时间变化与全尺寸下进行对比，提供了一种综合经济性与准确性的试验台尺寸确定方法，进一步减小模拟实验系统的误差。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的砂箱结构示意图；
图3为本发明顶部水箱结构示意图；
图4为本发明前后水箱的结构示意图；
图5为本发明左右水箱的结构示意图；
图6为本发明第二温度传感器布置示意图。
附图标记说明：
1—第一恒温槽，2—砂箱，3—渗流给水箱，4—第二恒温槽，5—电脑，6—数据采集仪，7—水平换热管，8—渗流集水箱，9—第三恒温槽，10—渗流给水孔，11—竖直地埋管预留孔，12—传感器线路，13—渗流孔板，14—第二温度传感器，15—渗流排水管，16—进水孔，17—隔板，18—换热管预留孔，19—出水孔。
具体实施方式
下面结合附图1至图6，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1至图6所示，本发明提供的一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统及方法，包括砂箱2、恒温组件、换热组件、渗流组件与数据采集组件。
各组件部分连接情况如图1所示。
砂箱2主体如图2所示，由六个独立水箱围合而成，上部水箱作为独立部件，其余部分通过焊接形成整体，整体外部敷设一层保温材料，砂箱2主体内部填充土壤材料。
本发明中的恒温组件由具有流量控制、温度控制等功能的装置组件成。独立水箱结构如图3、图4、图5所示，水箱内部设置有控制水流流动的隔板17以保证水箱温度均匀分布，同时可增强水箱结构强度。
水平地埋管时，上、下、前、后与右部水箱与第一恒温槽1连接，左部水箱与第二恒温槽4连接，第一恒温槽1与第二恒温槽4通过提供不同的恒温水对土壤材料加热，营造出不同的地温梯度条件。
换热组件包括水平换热管7、第三恒温槽9，水平换热管7选择地埋管，地埋管埋设在砂箱2中央与土壤材料换热，地埋管进出水口分别与第三恒温槽9连接，且地埋管入口和出口处均设置有第一温度传感器，水流量由第三恒温槽9控制，通过测量入口和出口处温度差以及流量信息可测得地埋管在土壤材料中的换热情况。
第一恒温槽1、第二恒温槽4和第三恒温槽9的型号可以选择DC-0530D、LHYL-111、DK-501S。
渗流组件包括渗流给水箱3、渗流孔板13、滤网、渗流集水箱8，由处在高处的渗流给水箱3给水，进入砂箱2主体，经由渗流孔板13、滤网、土壤材料从下方流出，由渗流集水箱8收集，集水过程全程密封防止渗流水蒸发，底部的渗流孔板13与砂箱2底部一定距离，渗流孔板13下方设置有支撑部件以防压垮，渗流集水箱8前设置有过滤器防止土壤进入渗流集水箱8，通过测量渗流水质量及收集时间可以得知水在土壤材料中的渗流情况，结合以上过程对地埋管换热情况实验可以获知渗流情况对地埋管换热的影响。
数据采集组件包括多个温度检测部，多个温度检测部沿地埋管的轴向均布设置，每个温度检测部包括多个温度检测组件，多个温度检测组件沿地埋管的周向均布设置，每个温度检测组件包括若干个第二温度传感器14，若干个第二温度传感器14沿地埋管的径向排列。所有的温度传感器均通讯连接有控制器，控制器包括数据采集仪6、电脑5，温度采集位置包括土壤材料、地埋管进出口处，土壤材料中第二温度传感器14分布如图2、图6，第一温度传感器用于采集地埋管入口和出口处水温信息，第二温度传感器14用于采集土壤材料温度变化信息。
本发明实验系统中，独立水箱上的所有预留孔均配套有密封装置以达到较好的密封性防止水土流失。
发明实验系统中，与第一、第二、第三恒温槽连接的管路在回水管处均设置有过滤器，避免杂质进入恒温水箱。
本发明可用于多种实验，对于模拟中深层地埋管换热情况，可利用较低的成本完成更准确的实验，具有较高的经济性以及多功能性。
现有实验系统多依据相似理论搭建，然而相似比过大时会出现较大的失真，较大的长径比使得实验系统在直接模拟全尺寸系统时会产生较大误差，相似比过小则试验台搭建成本过高，为了解决这一问题，提出的一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验方法，包括以下步骤：
S1、确定砂箱实验系统的尺寸，搭建砂箱实验系统；
S2、水箱注入恒温水开始循环，待砂箱中的土壤达到目标温度；
S3、开启地埋管连接的第三恒温槽，分别采集地埋管入口和出口处循环水温度随时间变化数据以及土壤温度分布随时间变化情况；
S4、改变水箱温度模拟不同深度下实际土壤温度，重复以上过程。
优选的，步骤S1中，确定砂箱实验系统尺寸的方法包括以下步骤：
S11、建立中深层土壤多孔介质—渗流传热模型；
S12、利用MATLAB软件，将工程实际参数代入中深层土壤多孔介质—渗流传热模型进行求解，得到相应地埋管出口水温及土壤温度分布随时间的变化情况；工程实际参数MATLAB软件包括地质条件、地埋管参数等；
S13、根据相似原理，按照不同相似比缩小地埋管参数，依次求解各组地埋管出口水温及土壤温度分布随时间的变化情况；
不同相似比包括但不限于1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8、1:10；
S14、将步骤S13中各组地埋管出口水温及土壤温度分布随时间的变化情况与步骤S12中根据实际参数得到的地埋管出口水温及土壤温度分布随时间的变化情况进行误差对比，综合试验台成本与允许误差(如5％，10％)确定试验系统搭建尺寸。
优选的，步骤S11中中深层土壤多孔介质—渗流传热模型包括饱和多孔介质的流动传热控制方程、土壤导热控制方程、管内循环介质热平衡方程、钻孔内外耦合方程，
其中，饱和多孔介质的流动传热控制方程包括：
连续性方程
式中，ρ为流体密度，kg/m3；φ为孔隙率；u为流体流速，m/s；τ为时间，s；
动量方程
式中：μ为流体动力粘度，Pa·s；Cf为无量纲阻力常数；τ为时间，s；
能量方程
式中，(ρc)m为多孔介质表观体积比热容，(ρc)m＝φ(ρcp)f+(1-φ)(ρc)s，J/(m3·K)；λm为多孔介质表观导热系数，且有λm＝φλf+(1-φ)λs，W/(m·K)；q”m为多孔介质表观内热源强度，且有q”m＝φq”f+(1-φ)qs”，W/m3；
土壤导热控制方程包括：
在不考虑土壤内热源强度的情况下，渗流作用下钻孔外土壤导热控制方程化简为：
上述方程其初始及边界条件为：
τ≥0，z＝0：T＝T0
τ＝0，0＜r＜r∞：T＝T0
τ＞0，r→∞：T＝T0
式中，T为土壤温度，℃；u为渗流速度，m/s；U为当量渗流速度，U＝uρwcw/ρc，m/s；α为热扩散系数，m2/s，α＝λ/ρc；λ为多孔介质表观导热系数，W/(m·K)；τ为时间，s；r'为径向距离，m；r为坐标系空间距离，/>m；cp为体积比热容，J/m3·K；Tin为地埋管进口温度，℃；Tout为地埋管出口水温，℃；M为管内流体质量流量，kg/s；H为钻孔深度，m；
管内循环介质热平衡方程包括：
根据能量守恒，管内流体的对流换热表达式如下：
式中：Tf(z)为管内流体温度，℃；Tb为井孔壁面温度，℃；
能量平衡方程的定解条件为：
z＝0，Tf(0)＝Tin
z＝H，Tf(H)＝Tout
钻孔内外耦合方程包括：
利用有限长线热源模型解得地热井钻孔壁温度的解析表达式为：
式中：rb为径向距离，x取管外壁半径，m；
根据上式可得：
式中，rb为径向距离；U为当量渗流速度，U＝uρwcw/ρc，m/s；α为热扩散系数，m2/s，α＝λ/ρc；τ为时间，s；r为坐标系空间距离，m。
优选的，在步骤S2中，水箱注入恒温水开始循环之前，先开启渗流水箱注入渗流介质，至砂箱中土壤处于饱和状态。
以上公开的仅为本发明的较佳的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统，其特征在于，包括：
砂箱(2)，用于填充土壤材料；
恒温组件，与砂箱(2)的箱壁连接，用于控制土壤材料的温度；
换热组件，设置在土壤材料中，所述换热组件内部装有换热介质，换热组件上设置有入口和出口；
数据采集组件，设置在换热组件上，用于分别采集换热组件的入口和出口处的换热介质的温度；
渗流组件，包括给水单元，设置在砂箱(2)的顶部；集水单元，设置在砂箱(2)的底部。
2.如权利要求1所述的一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统，其特征在于，所述砂箱(2)是由上、下、左、右、顶部和底部六个水箱围合成的六面体结构，土壤材料填充在六面体结构内部，每个所述水箱均设置有进水口和出水口，所述进水口和出水口均与恒温组件的对应接口连接。
3.如权利要求2所述的一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统，其特征在于，所述恒温组件包括第一恒温槽(1)和第二恒温槽(4)，所述第一恒温槽(1)和第二恒温槽(4)与对应的水箱连接。
4.如权利要求3所述的一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统，其特征在于，所述换热组件包括地埋管，砂箱(2)的外部设置有第三恒温槽(9)，所述地埋管的两端与第三恒温槽(9)连接，地埋管水平或竖直设置在土壤材料中，上、下、左和右水箱的中心均设置有用于地埋管穿过的预留孔(18)，预留孔(18)位置处设置有防止土壤材料漏出的挡板。
5.如权利要求4所述的一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统，其特征在于，所述给水单元包括渗流给水箱(3)，渗流给水箱(3)设置在六面体结构的外部，且位于顶部水箱的上方，所述渗流给水箱(3)的出水口与砂箱(2)的内顶部连通，集水单元包括渗流排水管(15)，渗流排水管(15)的一端与砂箱(2)的内底部连通，另外一端连通有渗流集水箱(8)，所述砂箱(2)的每一侧内壁均设置有渗流孔板(13)，渗流孔板(13)的一侧设置有滤网，所述滤网的孔径小于土壤材料的颗粒粒径。
6.如权利要求5所述的一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统，其特征在于，所述数据采集组件包括：两个第一温度传感器，分别设置在地埋管的入口和出口处；多个第二温度传感器(14)，设置在地埋管外部的土壤材料中，所述多个第二温度传感器(14)沿地埋管的径向和轴向分布。
7.一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验方法，采用权利要求4-6任一所述的系统，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、确定砂箱实验系统的尺寸，搭建砂箱实验系统；
S2、水箱注入恒温水开始循环，待砂箱(2)中的土壤达到目标温度；
S3、开启地埋管连接的第三恒温槽(9)，分别采集地埋管入口和出口处循环水温度随时间变化数据以及土壤温度分布随时间变化情况；
S4、改变水箱温度模拟不同深度下实际土壤温度，重复以上过程。
8.如权利要求7所述的一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验方法，其特征在于，步骤S1中，确定砂箱实验系统尺寸的方法包括以下步骤：
S11、建立中深层土壤多孔介质—渗流传热模型；
S12、利用模型数据分析软件，将工程实际参数代入中深层土壤多孔介质—渗流传热模型进行求解，得到相应地埋管出口水温及土壤温度分布随时间的变化情况；
S13、根据相似原理，按照不同相似比缩小地埋管参数，依次求解各组地埋管出口水温及土壤温度分布随时间的变化情况；
S14、将步骤S13中各组地埋管出口水温及土壤温度分布随时间的变化情况与步骤S12中根据实际参数得到的地埋管出口水温及土壤温度分布随时间的变化情况进行误差对比，综合试验台成本与允许误差确定试验系统搭建尺寸。
9.如权利要求8所述的一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验方法，其特征在于，步骤S11中中深层土壤多孔介质—渗流传热模型包括饱和多孔介质的流动传热控制方程、土壤导热控制方程、管内循环介质热平衡方程、钻孔内外耦合方程，
其中，饱和多孔介质的流动传热控制方程包括：
连续性方程
式中，ρ为流体密度，kg/m3；φ为孔隙率；u为流体流速，m/s；τ为时间，s；
动量方程
式中：μ为流体动力粘度，Pa·s；Cf为无量纲阻力常数；τ为时间，s；
能量方程
式中，(ρc)m为多孔介质表观体积比热容，(ρc)m＝φ(ρcp)f+(1-φ)(ρc)s，J/(m3·K)；λm为多孔介质表观导热系数，且有λm＝φλf+(1-φ)λs，W/(m·K)；q”m为多孔介质表观内热源强度，且有q”m＝φq”f+(1-φ)q″s，W/m3；
土壤导热控制方程包括：
在不考虑土壤内热源强度的情况下，渗流作用下钻孔外土壤导热控制方程化简为：
上述方程的初始及边界条件为：
τ≥0，z＝0：T＝T0
τ＝0，0＜r＜r∞：T＝T0
τ＞0，r→∞：T＝T0
式中，T为土壤温度，℃；u为渗流速度，m/s；U为当量渗流速度，U＝uρwcw/ρc，m/s；α为热扩散系数，m2/s，α＝λ/ρc；λ为多孔介质表观导热系数，W/(m·K)；τ为时间，s；r'为径向距离，m；r为坐标系空间距离，/>m；cp为体积比热容，J/m3·K；Tin为地埋管进口温度，℃；Tout为地埋管出口水温，℃；M为管内流体质量流量，kg/s；H为钻孔深度，m；
管内循环介质热平衡方程包括：
根据能量守恒，管内流体的对流换热循环介质热平衡方程如下：
式中：Tf(z)为管内流体温度，℃；Tb为井孔壁面温度，℃；
热平衡方程的定解条件为：
z＝0，Tf(0)＝Tin
z＝H，Tf(H)＝Tout
钻孔内外耦合方程包括：
利用有限长线热源模型解得地热井钻孔壁温度的解析表达式为：
式中：rb为径向距离，x取管外壁半径，m；
根据上式得钻孔内外耦合方程为：
式中，rb为径向距离；U为当量渗流速度，U＝uρwcw/ρc，m/s；α为热扩散系数，m2/s，α＝λ/ρc；τ为时间，s；r为坐标系空间距离，m。
10.如权利要求7所述的一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验方法，其特征在于，在步骤S2中，水箱注入恒温水开始循环之前，先开启渗流水箱注入渗流介质，至砂箱(2)中土壤处于饱和状态。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310510402.5A CN116559229B (zh) | 2023-05-08 | 2023-05-08 | 一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310510402.5A CN116559229B (zh) | 2023-05-08 | 2023-05-08 | 一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116559229A true CN116559229A (zh) | 2023-08-08 |
| CN116559229B CN116559229B (zh) | 2023-11-03 |
Family
ID=87503008
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310510402.5A Active CN116559229B (zh) | 2023-05-08 | 2023-05-08 | 一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116559229B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117636724A (zh) * | 2023-10-09 | 2024-03-01 | 长江三峡勘测研究院有限公司（武汉） | 一种用于开采深部地热资源的模拟实验装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008090514A (ja) * | 2006-09-29 | 2008-04-17 | Nippon Steel Engineering Co Ltd | 土壌熱源ヒートポンプシステムの性能予測方法及びシステム、地中温度算出方法 |
| CN102033079A (zh) * | 2010-11-15 | 2011-04-27 | 南京大学 | 地源热泵的地层原位热物性及地埋管换热量测试仪和测试方法 |
| CN106017965A (zh) * | 2016-07-12 | 2016-10-12 | 扬州大学 | 一种u型地埋管换热器热湿传递性能模拟测试装置及测试方法 |
| CN112581844A (zh) * | 2020-12-24 | 2021-03-30 | 华中科技大学 | 一种模拟真实地质情况的中深层地埋管砂箱实验系统 |
| CN115655769A (zh) * | 2022-11-21 | 2023-01-31 | 东北林业大学 | 一种中深层套管换热器换热实验系统及实验方法 |
-
2023
- 2023-05-08 CN CN202310510402.5A patent/CN116559229B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008090514A (ja) * | 2006-09-29 | 2008-04-17 | Nippon Steel Engineering Co Ltd | 土壌熱源ヒートポンプシステムの性能予測方法及びシステム、地中温度算出方法 |
| CN102033079A (zh) * | 2010-11-15 | 2011-04-27 | 南京大学 | 地源热泵的地层原位热物性及地埋管换热量测试仪和测试方法 |
| CN106017965A (zh) * | 2016-07-12 | 2016-10-12 | 扬州大学 | 一种u型地埋管换热器热湿传递性能模拟测试装置及测试方法 |
| CN112581844A (zh) * | 2020-12-24 | 2021-03-30 | 华中科技大学 | 一种模拟真实地质情况的中深层地埋管砂箱实验系统 |
| CN115655769A (zh) * | 2022-11-21 | 2023-01-31 | 东北林业大学 | 一种中深层套管换热器换热实验系统及实验方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117636724A (zh) * | 2023-10-09 | 2024-03-01 | 长江三峡勘测研究院有限公司（武汉） | 一种用于开采深部地热资源的模拟实验装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116559229B (zh) | 2023-11-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106017965B (zh) | 一种u型地埋管换热器热湿传递性能模拟测试装置及测试方法 | |
| CN116559229B (zh) | 一种基于中深层地埋管换热器的砂箱实验系统及方法 | |
| CN109086560B (zh) | 变工况下地源热泵竖直单u型地埋管流体温度分布预测方法 | |
| CN112581844A (zh) | 一种模拟真实地质情况的中深层地埋管砂箱实验系统 | |
| CN109992846B (zh) | 太阳能跨季节地埋管蓄热的仿真方法 | |
| CN103104254A (zh) | 一种多功能油藏模拟实验装置及其实验方法 | |
| CN107842349A (zh) | 一种模拟稠油蒸汽‑泡沫驱体系不同温度区域驱替效果的装置及使用方法 | |
| CN107274473A (zh) | 地源热泵垂直地埋管传热三维数值模型及其建立方法 | |
| Chen et al. | Research on the heat exchange characteristics of the deeply buried pipe type of energy pile | |
| Allan et al. | Performance characteristics and modelling of cementitious grouts for geothermal heat pumps | |
| CN110954350B (zh) | 一种海底管道散热的室内模拟装置及方法 | |
| CN208520832U (zh) | 一种模拟天然气水合物反循环钻井流场变化的实验装置 | |
| Do et al. | A review of ground coupled heat pump models used in whole-building computer simulation programs | |
| CN106485016B (zh) | 地下水渗流环境下桩埋管换热器的传热计算方法及其验证系统 | |
| CN213815232U (zh) | 一种模拟真实地质情况的中深层地埋管砂箱实验系统 | |
| CN206648815U (zh) | 一种用于研究尾部烟气换热管积灰的仿真测试试验台 | |
| CN115655769A (zh) | 一种中深层套管换热器换热实验系统及实验方法 | |
| CN113468743B (zh) | 一种考虑地下水渗流的中深层地埋管流体温度场分析方法 | |
| CN212083166U (zh) | 一种用于探究回灌堵塞的模拟装置 | |
| CN212031480U (zh) | 一种模拟竖直地埋管换热器周围土壤环境的装置 | |
| CN110954352B (zh) | 一种能源地下结构模型实验测试系统 | |
| CN106989908A (zh) | 一种用于研究尾部烟气换热管积灰的仿真测试试验台 | |
| CN111537556A (zh) | 一种模拟竖直地埋管换热器周围土壤环境的装置 | |
| CN219891025U (zh) | 一种裂隙介质渗流场-温度场模拟实验装置 | |
| CN115270512B (zh) | 闭式循环地热利用系统最佳流量设计方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |