地热井下换热器的模拟实验与理论研究

论文摘要

我国中低温对流型地热资源丰富,如能充分开发,则可节省大量的常规能源,缓解经济、社会发展日益增长的能源需求。国内现有两种地热供暖的主要方式,即抽灌式地下水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统,由于受到资源开采或热源禀赋的限制,使得开发新的地热利用模式成为推广地热应用的必要途径。地热井下换热器系统通过悬装在热水井中的U型或同轴套管型换热器以对流方式与地层换热,是一种只取热不取水的地热利用装置,兼具抽灌式地热系统对流传热效率高和埋管式地热系统不抽取地下水的优点,其应用与推广能够为加速我国的地热利用提供新的动力。针对我国地热资源以中低温为主的特点,通过实验与理论研究确定井下换热器传热过程中各影响要素及其热力学性能,对其应用的实现具有至关重要的作用。本文建立了一套井下换热器模拟系统,该系统可以调节和控制储层的流速与温度、换热器入口温度和循环水流速,通过实验确定不同因素对井下换热器传热性能的影响。该系统与实际井下换热器装置在结构上实现了几何相似,运行工况中近似实现了流场相似。通过几何参数、工况参数及热储结构与温度条件的多种组合共进行了40组对比实验,基于对各影响因素的分析得到了井下换热器的传热实验关联式,通过关联式求出的理论值与实测值的平均误差为23.3%,可为工程设计提供一定的参考。本文基于多孔介质的Brinkman-Forchheimer模型对储层内的自然对流换热进行了研究。根据实验测得的孔隙度φ、Da数和Ra数,采用格子Boltzmann方法的BGK模型实现了储层物理模型的求解;通过与多孔方腔物理模型的有限元数值解进行比较,验证了本章所用方法的可靠性及精度。通过数值模拟对不同壁面梯度下储层内传热过程的特点进行了研究,结果表明壁面梯度小于0时有利于多孔储层内的对流换热。?本文结合闭式地源热泵系统热源侧的组成特点,提出了对中低温地源热泵系统进行源侧?分析的一般物理模型,在?值计算中采用实时变化的环境气温作为参考态温度;基于本文实验所得到井下换热器传热关联式对具体的源侧?分析模型进行求解,研究了环境温度、运行条件和几何参数等因素对井下换热器热力学性能的影响。在分析中提出了?效比这一参数,作为不同地源系统比较的基准,该参数表征地源热泵系统从热源侧获取净?的难易程度。结果表明:?效比的两个取值,即0和1,可用来判断系统的适宜程度;井下换热器系统即使在入口温度低等较为不利的运行条件下,?效比仍数倍于地埋管系统,在地下水赋存地区,采用井下换热器系统不失为一种更好的选择。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.1.1 能源与环境面临的问题
• 1.1.2 井下换热器系统工作原理
• 1.1.3 井下换热器系统的发展与现状
• 1.2 课题相关研究现状
• 1.2.1 井下换热器系统的实验研究
• 1.2.2 井下换热器系统的理论研究
• 1.2.3 格子Boltzmann 方法的发展与研究现状
• 1.2.4 地源热泵系统（火用）分析研究现状
• 1.3 本文研究内容概述
• 1.3.1 井下换热器系统模拟实验研究
• 1.3.2 多孔热储层对流传热与传质的LBM 研究
• 1.3.3 井下换热器系统源侧（火用）分析研究
• 1.4 本章小结
• 第二章 实验系统和实验方法
• 2.1 实验系统
• 2.1.1 实验系统设计思路
• 2.1.2 实验系统组成
• 2.2 实验方法与数据处理
• 2.2.1 实验方法
• 2.2.2 实验数据处理
• 2.3 实验误差分析
• 2.3.1 直接测量参数的误差
• 2.3.2 所求参数的误差
• 2.4 本章小结
• 第三章 井下换热器传热性能实验研究
• 3.1 对比实验测量数据分析
• 3.1.1 渗流速度的影响
• 3.1.2 井下换热器管内流速的影响
• 3.1.3 换热温差的影响
• 3.1.4 井下换热器井管几何因素的影响
• 3.2 井下换热器的传热关联式
• 3.2.1 传热关联式的提出
• 3.2.2 井下换热器传热影响因素综合分析
• 3.3 多孔热储层传热特性实验结果分析
• 3.3.1 换热温差的影响
• 3.3.2 渗流速度的影响
• 3.3.3 管内循环流速的影响
• 3.3.4 U 型管安装朝向的影响
• 3.3.5 对流空间的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 井外热储层传热传质的模拟研究
• 4.1 多孔介质的理论研究模型
• 4.1.1 Darcy 模型
• 4.1.2 Darcy 模型的两个重要修正
• 4.1.3 Brinkman-Forchheimer 模型
• 4.2 地热井外多孔储层的理论模型
• 4.2.1 物理模型的建立
• 4.2.2 控制方程及简化假设
• 4.3 数学模型的建立
• 4.3.1 格子Boltzmann 方法的BGK 模型
• 4.3.2 求解步骤
• 4.4 求解程序正确性验证
• 4.5 模拟结果分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 井下换热器源侧?分析研究
• 5.1 源侧（火用）分析概述
• 5.1.1 源侧（火用）分析的目的
• 5.1.2 源侧（火用）分析的一般物理模型
• 5.2 井下换热器系统源侧?分析
• 5.2.1 井下换热器源侧（火用）分析建模与求解
• 5.2.2 井下换热器源侧（火用）性能分析
• 5.3 地埋管换热器系统源侧（火用）分析
• 5.3.1 地埋管系统源侧（火用）分析建模与求解
• 5.3.2 地埋管源侧（火用）性能分析
• 5.4 两种闭式地源热泵系统的源侧?性能比较
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 主要结论
• 6.2 论文创新之处
• 6.3 今后的研究目标
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢