地熱井下?lián)Q熱器的模擬實驗與理論研究.pdf

1、我國中低溫對流型地熱資源豐富，如能充分開發(fā)，則可節(jié)省大量的常規(guī)能源，緩解經濟、社會發(fā)展日益增長的能源需求。國內現(xiàn)有兩種地熱供暖的主要方式，即抽灌式地下水地源熱泵系統(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)，由于受到資源開采或熱源稟賦的限制，使得開發(fā)新的地熱利用模式成為推廣地熱應用的必要途徑。地熱井下?lián)Q熱器系統(tǒng)通過懸裝在熱水井中的U型或同軸套管型換熱器以對流方式與地層換熱，是一種只取熱不取水的地熱利用裝置，兼具抽灌式地熱系統(tǒng)對流傳熱效率高和埋管式地熱系統(tǒng)不抽

2、取地下水的優(yōu)點，其應用與推廣能夠為加速我國的地熱利用提供新的動力。針對我國地熱資源以中低溫為主的特點，通過實驗與理論研究確定井下?lián)Q熱器傳熱過程中各影響要素及其熱力學性能，對其應用的實現(xiàn)具有至關重要的作用。
　　 本文建立了一套井下?lián)Q熱器模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以調節(jié)和控制儲層的流速與溫度、換熱器入口溫度和循環(huán)水流速，通過實驗確定不同因素對井下?lián)Q熱器傳熱性能的影響。該系統(tǒng)與實際井下?lián)Q熱器裝置在結構上實現(xiàn)了幾何相似，運行工況中近似實現(xiàn)了流

3、場相似。通過幾何參數、工況參數及熱儲結構與溫度條件的多種組合共進行了40組對比實驗，基于對各影響因素的分析得到了井下?lián)Q熱器的傳熱實驗關聯(lián)式，通過關聯(lián)式求出的理論值與實測值的平均誤差為23.3％，可為工程設計提供一定的參考。
　　 本文基于多孔介質的Brinkman-Forchheimer模型對儲層內的自然對流換熱進行了研究。根據實驗測得的孔隙度ψ、Da數和Ra數，采用格子Boltzmann方法的BGK模型實現(xiàn)了儲層物理模型的求解

4、；通過與多孔方腔物理模型的有限元數值解進行比較，驗證了本章所用方法的可靠性及精度。通過數值模擬對不同壁面梯度下儲層內傳熱過程的特點進行了研究，結果表明壁面梯度小于0時有利于多孔儲層內的對流換熱。
　　 本文結合閉式地源熱泵系統(tǒng)熱源側的組成特點，提出了對中低溫地源熱泵系統(tǒng)進行源側(火用)分析的一般物理模型，在(火用)值計算中采用實時變化的環(huán)境氣溫作為參考態(tài)溫度；基于本文實驗所得到井下?lián)Q熱器傳熱關聯(lián)式對具體的源側(火用)分析模型進行