地熱井內U型管換熱器的模型研究

地熱換熱器(DownholeHeatExchanger,簡(jiǎn)稱(chēng) DHE)是一種只利用地熱水的熱量而不抽取地熱水 的裝置。利用該種裝置可以有效減少目前在地熱水 開(kāi)發(fā)利用中出現的問(wèn)題,比如可以減少地熱水的流 失,從而可以防止地面塌陷等地質(zhì)災害的發(fā)生;可以 有效的防止地熱水利用后直接排放對環(huán)境造成的熱 污染等等。在美國、土耳其、新西蘭、冰島、俄羅斯、 意大利和日本等國的應用研究比較多川。而我國 在這方面的應用研究則要晚的多,除了天津大學(xué)的 戴傳山、張啟、梁軍等人做過(guò)相應的研究外[’]一t‘], 其余的則未見(jiàn)報道。 地熱換熱器分為套管式和“U”型管式兩種型 式,其中“U”型管換熱器系統由于制作簡(jiǎn)單、安裝方 便,因而應用的較多。地熱換熱器置于地熱井內,清 34 潔的循環(huán)水通過(guò)水泵打入換熱器內與地熱水進(jìn)行換 熱,被加熱的循環(huán)水流出換熱器供給熱用戶(hù)使用。 地熱換熱器傳熱模型的研究是該類(lèi)換熱器系統 應用設計的關(guān)鍵,同時(shí)也是一個(gè)難點(diǎn)。

換熱器內的 循環(huán)水在地熱井內與地熱水進(jìn)行換熱的過(guò)程中,其 溫度是隨著(zhù)深度的變化而變化的。如果換熱器過(guò) 短,就會(huì )使得循環(huán)水的出水溫度達不到設計要求,從 而不能夠充分的利用地熱水的熱量;而如果換熱器 過(guò)長(cháng),出水溫度能夠達到甚至超過(guò)設計要求,但是會(huì ) 增加設備的投資。那么該如何選擇換熱器的長(cháng)度, 使其在最小投資的情況下就能夠滿(mǎn)足設計要求呢? 為此便需要找出循環(huán)水的溫度變化與換熱器長(cháng)度的 關(guān)系。本文從這一基本點(diǎn)出發(fā),以一個(gè)典型的地熱 換熱器系統為研究對象,對其傳熱過(guò)程進(jìn)行分析,建 立能量方程式,從而得到循環(huán)水溫度與換熱器長(cháng)度 的關(guān)系。

簡(jiǎn)化物理模型 典型的地熱換熱器如圖1所示。假設沿深度方 向變化變量為,則換熱器內進(jìn)水管溫度為,出水管溫 度為;為了計算方便,假設地熱水溫度恒定為不變; 由于地熱水溫度較高且地熱井由套管與周?chē)h(huán)境隔 開(kāi),所以忽略地熱井周?chē)h(huán)境的影響,假設地熱井壁 絕熱。 這與實(shí)驗得到的平均溫度76℃之間有一定的差距。 其主要是因為我們在公式推導的過(guò)程中,假設地熱 水的溫度為一定值,但在實(shí)際運行過(guò)程中,隨著(zhù)換熱 的進(jìn)行,地熱水的溫度不可能維持在一個(gè)恒定值不 變,而是上部的溫度要低于底部的溫度,這樣就使得 地熱水平均溫度要偏低,從而造成理論值與實(shí)驗值 36 圖5不同流且、不同進(jìn)口溫度條件下熱輸出的變化 由圖5可以看出,在相同的進(jìn)口溫度條件下, 換熱器的熱輸出隨著(zhù)循環(huán)水流量的增加而增加;在 相同的循環(huán)水流量的條件下,雖然由圖4得到,其出 口溫度隨著(zhù)進(jìn)口溫度的降低而降低,但是從圖5中 我們可以看出,換熱器的熱輸出是增加的。所以在 實(shí)際工程中我們要盡可能的降低換熱器循環(huán)水的人 口溫度,但是也不能無(wú)限制的降低,因為太低的循環(huán) 水回水溫度沒(méi)有太大的應用價(jià)值。4結論 本文通過(guò)建立能量平衡方程式,求得了換熱器 內循環(huán)水溫度隨深度變化的關(guān)系式,并通過(guò)實(shí)驗驗 證。

由此我們可以得出以下結論: (l)隨著(zhù)循環(huán)水流量的增加,換熱器出口溫度 降低,進(jìn)出口溫差減小; (2)在人口溫度不變的條件下,換熱器的熱輸 出隨著(zhù)循環(huán)水流量的增加而增加; (3)在循環(huán)水流量不變的條件下,換熱器的熱 輸出隨著(zhù)人口溫度的降低而增加,但是在實(shí)際工程 中,人口溫度不能夠任意降低,應根據實(shí)際要求而 定。 在公式的推導過(guò)程中,我們假設地熱水的溫度 維持一恒定值不變,這在實(shí)際工程中是不可能的。 因為隨著(zhù)換熱的進(jìn)行,地熱水必將上下溫度分布不 均,形成分層現象。所以如何解決這一問(wèn)題,使換熱 器在工作過(guò)程中能夠使地熱水盡量的維持在較小的 溫度波動(dòng)范圍之內,是今后研究的重點(diǎn)。