哈雷钎焊板式换热器
专业生产:换热器;分水器;过水热;冷却器
新闻动态

地热井下换热器的研究及其应用进展

点击:997 日期:[ 2014-04-26 21:53:36 ]
                        地热井下换热器的研究及其应用进展                             戴传山,刘雪玲,孙平乐                          (天津大学机械学院,天津300072)     摘要:介绍了地热井下换热器的国内外研究进展和应用现状,着重阐述了地热井下换热器研究与设计的难点问题,包括地热井下换热器回水管散热损失、井管直径的影响、对流增速管的作用以及进水温度对总提取热量的影响。指出井下换热器与地面热泵系统的结合,降低了井下换热器的进水温度,从而可以有效地提高从地下提取的总热量,而且可以降低对地下热储层温度上限的要求。另外,分析了在我国应用地热井下换热器的可行性与主要使用范围。     关键词:地热井下换热器;可行性;研究进展     中图分类号:TK521  文献标识码:A     文章编号:1008-8857(2008)01-0007-05     地热井下换热器与地源埋管换热器不同,其本质区别在于:井下换热器主要依靠井内底部地热水层的自然对流方式取热,而地埋管换热器主要依靠埋管周围土壤的导热方式取热。虽然井的深度相差不多,但地热井下换热器单井取热量在百千瓦的数量级,最高提取热量可以达到1 000 kW以上,而地源埋管换热器只有几千瓦的数量级,一般也仅有2 kW~5 kW。显然,从供热负荷角度,一套地热井下换热器的提取热量可高出地埋管换热器的两个数量级。有条件的地方采用地热井下换热器系统远比地埋管换热器系统经济。地热井下换热器也同样具有不抽取地下水、无地热水排放等优点,无污染环境问题,可以保护地下水资源。由于地热井下换热器依赖自然对流方式传热,其传热机理比地埋管换热器的导热问题复杂得多,本文对地热井下换热器的研究难点和研究现状进行了阐述。     1·国内外研究进展     世界上第一个地热井下换热器装置是1931年在美国Charles Liev建成的,但比较有系统的研究工作始于1975年,美国俄勒岗技术学院地热中心进行了试验研究,此后,新西兰、日本等国也先后开展了研究工作,至今已取得了一些相当好的研究成果[1~2]。目前,在美国的Klamath Falls有超过500个地热井下换热器系统在运行,内华达洲也有近200个地热井下换热器在运行,在新西兰的Rotorua地热田有约140地热开采井眼,其中安装地热井下换热器取热的有42眼,井下换热器的深度80 m~120 m,不仅解决了当地政府大楼以及居民的冬季取暖,也带动了当地的旅游业的发展。在Topo也有20多个地热井下换热器系统,有3套地热井下换热器供当地一所中学的冬季采暖[3~4]。日本和美国在20世纪90年代合作开展了利用深层地热井下换热器进行发电的研究。在土尔其地热井约有400多眼,其中第一个用于地热采暖的井下换热器系统是在1987年,目前有约25 000户家庭采用地热供暖。据预测,到2020年这一数字将超过50万户[5]。     我国从1986年开始由天津大学地热研究培训中心主持对地热井下换热器的机理进行了研究[6],研究结论指出:①地热井下换热器的初投资比采用深井泵抽取水然后在地表换热器进行换热的初投资节约1/3以上;②地热井下换热器的局限性是一般要求有浅井地热资源条件;③比较适合于小型住宅和北方农村采暖。同时,进行了有对流增速管情况下的数值模拟计算,通过试验验证,在对流增速管的材质上提出了合理建议,首次绘制了我国地热井下换热器比较适合的省份和地区图。     国家“八五”期间进行了首个地热井下换热器系统的试点研究工作,试点选择在河北的怀来,井深102 m,井底最高水温79℃,供热能力约200 kW,为一建筑面积约4 000 m2的办公楼提供冬季采暖[7~8]。     国外的地热井下换热器(DHE)应用研究包括:①合理设计地热井下换热器系统,扩大地热井下换热器的应用领域,比如:与热泵系统结合、与太阳能利用系统结合、甚至采用蓄热节能装置等。除了供暖之外,还可用于道路融雪,提供生活热水等[9]。②选用新型材料与结构形式的井下换热器;为了提高井下换热器的使用寿命,采用耐化学腐蚀材料,比如采用隔氧交联聚乙烯(PEx)管[10]。     在应用基础研究或机理研究方面,国外主要开展了以下几方面工作:①井下换热器的流动特性;②井下换热器的能量提取率的确定;③传热的数值模拟;④自然对流与混合比理论的新模型等,如意大利学者Carotenuto建立了集总参数传热模型,并分析了采用对流增速管和不采用对流增速管的机理区别[11],见图1。但一些模型与实际仍有较大出入。综上所述,国内DHE研究与国外相比还有一定差距,主要是试验经验少,有效试验数据少;其次,在DHE的工艺和材料上也有一定的差距。至今,我国还没有一个真正运行的地热井下换热器系统。                  2·井下换热器的技术难点     (1)回水管散热损失     1990年新西兰专家Dunstall和Freeston对一个123 m深的“U”管井下换热器进行了试验。图2表明“净得热”主要发生在底部地热水层内,由于回水管的温度高于进水管的温度,出现了回水向井壁周围和进水管的散热损失,平均约10 kW?m-1,这部分散热损失相当可观。为解决散热损失问题,前人已经提出了几种手段:①采用较小直径的细回水管,这样热水在井下回水管内的停留时间短,散热损失少;②回水管采用保温材料管,减少导热损失。                   (2)狭小空间内强化自然对流换热     众所周知,评价自然对流换热强度的无量纲换热准则数一般为瑞利数Ra,其定义式为:                (1)     式中,β、ν、a分别为工质的体积热膨胀系数、工质的运动粘度度系数和热扩散系数;g为重力加速度;?T是热储流体与井壁面温差;H为自然对流的特征尺寸。     反映自然对流换热系数大小的努谢尔特数Nu与Ra数的幂指数成正比,即,在层流条件下m约为1/4,在湍流时约为1/3。显然,增加自然对流的特征尺寸H,在相同温压下瑞利数Ra是以自然对流的特征尺寸H的立方指数函数形式增加,从而可以强化自然对流的换热。地热井下换热器与地热水层间实际发生自然对流换热强度不仅与井径有关,也与地层热储参数、附加增速管的几何尺寸和结构形式有关。     (3)自然对流增速管的结构设计     设置对流增速管的目的是强化井下换热器换热管与井管内地热水的流动传热,它是在1979年由美国地热专家Allis提出的[12]。增速管的上下开孔使地热水与井管间的温差环流能够顺利通过。但会出现两种可能,一种是地热水从增速管的内部向上流,从上开口流出增速管外,然后沿增速管外部流下,形成一个环流;另外一种可能则相反,从增速管外流上,而从增速管内流下。如果增速管的设计不合理,会出现没有环流状态的中间状态,或者即使有环流也很微弱,这样就达不到强化自然对流换热目的。对“U”形管结构的井下换热器,增速管、换热管和井壁的相对位置可以有如下三种组合:①在换热器管外;②套一跟换热管;③套两跟换热管。具体哪一种比较合理,还需要具体情况下的理论模型与试验验证。1981年Allis[13]曾做过粗略的预测,认为当增速管以cm计算的直径D0大于其以m计算的长度L时以对流为主,否则以导热为主。有人也曾在实验室内建小模型进行了研究[14]。值得指出的是,自然对流问题是个有强非线性特征问题,照搬模拟结果是危险的,也是不可靠的。     (4)高进水温度下热输出降低     国外大多数地热井下换热器是在有较高温度地热热储条件下运行的,我国有这样地热资源条件的地方不多见。因此,如何突破这种温度资源条件的限制,实现有更多的地区可以利用地热井下换热器,其中一种比较有效的方法是与热泵技术相结合,井下换热器作为热泵蒸发器的热源,如图3。                  4·结束语     地热井下换热器具有不抽取地下水、无地热水排放等优点,无污染环境问题,可以保护地下水资源。同时,单井提取热量能力优于地埋管换热器。因此,有条件的地区应首选井下换热器而不是埋管换热器。与热泵机组的结合可提高供热负荷的能力,同时,可以降低对地质资源条件的温度要求。然而,由于地热井下换热器依赖自然对流方式传热,其传热机理比地埋管换热器的导热问题复杂得多,还需进一步研究。     参考文献:略
上一篇:换热器工艺设计问题的探讨 下一篇:粗糙管换热器带自旋流的复合强化传热技术

相关资讯

Copyright ©2008 哈雷换热设备有限公司 All Rights Reserved. 地址:奉化外向科技园西坞金水路 电话:0086-574-88928255 传真:0086-574-88916955
换热器 | 板式换热器 | 钎焊板式换热器 | 冷却器 | 分水器 | 地暖分水器 | B3-14B板式换热器 | 网站地图 | XML 浙ICP备09009252号 技术支持:众网千寻