套管式中深层地埋管换热器传热建模及取热分析

为了研究无干扰换热条件下,中深层地热能的实际取热性能,文章通过数值模拟方法模拟计算了套管式中深层地埋管换热器的名义取热量。模拟结果表明,套管式中深层地埋管换热器的名义取热量随着钻孔深度、大地热流、循环水流量、当地大气年平均温度的增加而增加。套管式中深层地埋管换热器周围土层的地质条件分布也影响着中深层地埋管换热器的名义取热量,具体表现为浅层土层的导热系数越小,中深层地埋管换热器的名义取热量越大;深层土层的导热系数越大,中深层地埋管换热器的名义取热量也越大。通过调整地埋管换热器的相关参数,并选择合适的地埋管埋设地点等优化措施,可使套管式中深层地埋管换热器达到可观的名义取热量。     

中深层U型对接井取热能力影响因素显著性分析

文章根据中深层U型对接井换热原理,建立了数值换热模型。基于正交分析方法,对U型对接井取热能力影响因素开展显著性分析。研究结果表明：在众多因素中,影响程度由大到小依次为地温梯度、埋管深度、入口温度、岩土导热系数、水平长度、岩土密度、循环流量、岩土比热容,且地温梯度、埋管深度的影响程度远高于其他参数。前4个因素具有高度显著的影响,在U型对接井供暖项目中,对地热地质条件尤其是地温梯度和岩土导热系数进行准确地测定与计算是十分必要的。U型对接井换热长度一定的条件下,增加埋管深度更有利于热提取。在满足热泵机组的运行要求下,应尽可能降低U型对接井入口水温,从而提高其取热能力,循环流量调节可作为控制U型对接井出口水温的辅助方法。     

基于数值计算的U型地埋管井群换热器计算模型研究

针对U型地埋管换热器的特点,在分析单井换热器换热量的基础上,考虑到多井换热器井与井之间传热的相互干扰,提出了一种用于U型地埋管井群换热器数值计算的9井模型,这种模型在数值计算时既能代表一般井群换热的规律,又便于计算机处理,为实际工程中分析井群换热规律提供了很好的理论依据。     

深层地埋管换热器换热性能模拟及稳定性研究

以深层地源热泵地埋管换热器为研究对象,对其换热特性进行数值模拟和实验研究。建立考虑轴向地温梯度的深层地埋管换热器传热模型并进行模拟计算,通过示范工程现场测试数据验证该模型的正确性。对深层地埋管换热器换热的性能稳定性进行研究,发现深层地埋管换热器连续长期运行及间歇长期运行下换热性能基本稳定。当按不同运停比运行时,岩土温度恢复效果良好。研究结果表明深层地源热泵有较好的换热性能及运行稳定性,为深层地热能的开发利用提供了新思路。     

垂直地埋管换热器的换热性能

为研究土壤源热泵垂直地埋管换热器的换热特性,对长沙地区一套土壤源热泵系统进行了夏季及冬季工况连续运行的实验,实时采集U型管进出口的水温、流量以及地温等数据。通过对所采集的实验数据进行处理分析,对比了不同工况、不同埋管形式、不同埋深条件下的地埋管换热器进出口温差及单位井深换热量,结果表明,无论是夏季工况还是冬季工况,双U型管的单位井深换热量比单U型管高25%～30%。     

西北地区地源热泵工程运用分析

结合具体工程案例,本文分析了地源热泵技术在西北地区的工程运用及设计步骤。文中详细介绍了地埋管换热器的换热特性测试系统及测试方法,并依照测试结果,设计地源热泵联合太阳能系统。通过对垂直U形地埋管换热器冬夏季取热和排热测试,分析不同换热工况下单双U管换热器换热特性,结合当地钻孔难度大以及地埋管换热器取热量小的特点,采用双U地埋管换热器。测试过程中,对不同入口温度、流量工况换热能力进行测试分析,提出在某些地区,地源热泵工程设计采用"大流量,小温差"的设计理念。     

土壤源热泵制冷间歇工况土壤温度响应实验研究

在夏热冬暖的广州地区搭建了两种换热器向土壤放热的实验台,换热器埋地深度为30m,实验元件有单U和双U两种型式.连续制冷工况下,通过对两口井内土壤温度变化的研究,结果发现,开机12h后,土壤温度趋于稳定;停机12h后两个埋地换热管处的土壤温度就可恢复约95%,但土壤温度基本得以恢复需要停机81h.在停机12h后地温恢复得极其缓慢,已没有工程应用价值.可见合理选择运行与停机时间有助于提升系统的整体换热能力和地热的综合利用率.通过实验研究发现,间歇工况下双U井单位井深换热量较之连续运行提高了25.6%,单U井单位井深换热量提高了21.8%.     

单U、双U型埋管换热器换热性能与经济性研究

结合实际工程建立单U型与双U型埋管换热器实验系统,进行夏季排热和冬季取热实验。以单位井深换热量为评价指标对不同埋管方式的换热性能进行分析比较,得出排热和取热工况下,双U型埋管单位井深换热量均高于单U型。同时,分析了单U与双U型埋管换热器的经济成本构成,采用投资成本指标、静态投资成本差值和投资成本比数等参数,从换热性能和经济成本两方面对地下埋管换热器进行综合评价。     

形状因子法在垂直U型埋管传热分析中的应用

竖直U型埋管热交换器是地源热泵系统的重要组成部分。文章以能量平衡为基础,采用传热学中的形状因子法,针对某一常用结构形式的地埋管换热器热阻和换热量进行了数值计算。在此基础上,重点分析了钻孔深度、孔内的管间距、地埋管进水温度和土壤温度对换热器热阻和换热性能的影响,旨在为竖直U型地埋管换热器的设计和工程应用提供必要的参考。     

中深层地热地埋管实际运行影响因素研究

为研究中深层地热地埋管运行的影响因素,分析西咸新区中深层地热地埋管供暖系统的长期运行结果,并结合关中地区地质数据,建立深度为2510 m的中深层地埋管换热器全尺寸模型,采用数值模拟法研究实际岩层分布下地埋管的运行、结构和材料因素对其取热能力的影响。结果表明,西咸新区某项目1号地埋管和2号地埋管两个地埋管,其平均取热功率均在310 kW以上,具有优良的取热能力。地埋管进水温度随季节变化明显,并引起用户侧负荷及热泵回水温度的波动。在结构方面,随内管径由63 mm增至125 mm,平均出口水温和换热功率分别降低1.9%和4.8%,但内管径过小将影响内管运行的安全性,综合安全和换热两方面因素,最佳内管径应选取ϕ110 × 10mm规格;随外管径由168.3 mm增至244.5 mm,平均出口水温和换热功率分别增加3.5%和9%,综合成本和换热两方面因素,最佳外管径应选取ϕ 177.8 × 19 mm规格;在运行方面,地埋管出口水温随着流量的增加而减小,换热功率随着流量增加而增加;出口水温随着进水温度的升高而上升,换热功率也随之减小。在材料方面,减小内管导热系数和增加固井材料导热系数均能增加地埋管出口水温和换热功率,考虑换热功率变化和成本因素,在工程中导热系数为0.42 W/（m∙K）的内管和导热系数为3 W/（m∙K）左右的固井材料。     

利用地下水填充钻孔的埋管换热器性能分析

地下水填充的井下换热器（GFBHE）是一种不需要灌浆,利用地下水填充钻孔进行换热的地热换热器。针对GFBHE建立了瞬态三维数值模型进行模拟,并与利用普通灌浆材料进行回填的埋管换热器进行对比。数值模型通过将孔隙型岩层等效为饱和多孔介质的方法将钻孔外部的自然对流现象考虑在内。研究了包括渗透系数、地温、钻孔孔径在内的关键因素对GFBHE性能的影响。结果表明,当含水层渗透系数大于1×10^-4 m/s时,GFBHE性能明显优于利用灌浆填充钻孔的地热换热器,在富水区域利用GFBHE取代后者是可行的。GFBHE的换热性能随着钻孔孔径、含水层渗透性的增大以及地温的升高而提升。     

Design and optimization of a downhole coaxial heat exchanger for an enhanced geothermal system (EGS)

The present study considers the design, performance analysis and optimization of a downhole coaxial heat exchanger for an enhanced geothermal system (EGS). The optimum mass flow rate of the geothermal fluid for minimum pumping power and maximum extracted heat energy was determined. In addition, the coaxial pipes of the downhole heat exchanger were sized based on the optimum geothermal mass flow rate and steady-state operation. Transient effect or time-dependent cooling of the Earth underground, and the optimum amount and size of perforations at the inner pipe entrance region to regulate the flow of the geothermal fluid were disregarded to simplify the analysis. The paper consists of an analytical and numerical thermodynamic optimization of a downhole coaxial heat exchanger used to extract the maximum possible energy from the Earth's deep underground (2 km and deeper below the surface) for direct usage, and subject to a nearly linear increase in geothermal gradient with depth. The thermodynamic optimization process and entropy generation minimization (EGM) analysis were performed to minimize heat transfer and fluid friction irreversibilities. An optimum diameter ratio of the coaxial pipes for minimum pressure drop in both limits of the fully turbulent and laminar fully-developed flow regime was determined and observed to be nearly the same irrespective of the flow regime. Furthermore, an optimum geothermal mass flow rate and an optimum geometry of the downhole coaxial heat exchanger were determined for maximum net power output. Conducting an energetic and exergetic analysis to evaluate the performance of binary power cycle, higher Earth's temperature gradient and lower geofluid rejection temperatures were observed to yield maximum first- and second-law efficiencies.     

Numerical and experimental study of transient conjugate heat transfer in helical closed-loop geothermal heat exchangers for application of thermal energy storage in backfilled mine stopes

The geothermal potential available from deep underground mines has yet to be utilized. However, stope-coupled heat exchangers (SCHE) are aiming to take advantage of the unused low-grade geothermal energy. Backfilled stopes provide a unique opportunity to install nonlinear heat exchangers, as the geometry is not limited to the shape of a borehole. Helical pipes deliver superior fluid mixing and heat exchange compared to straight pipes, due to the effect of the secondary flow within the helical pipe. The helical closed-loop geothermal heat exchanger enables the backfilled stopes of the mine to be repurposed as thermal energy storage units. This article delves into the experimental results from a unique state-of-the-art laboratory scale helical closed-loop heat exchanger with varying thermophysical parameters. Additionally, a novel conjugate numerical model is developed and its results are validated against the base case of the experimental studies. Additionally, the numerical model is validated in a spatial-temporal sense with thermocouple data from the experimental rig. The numerical model is also applied to a helical SCHE situated within a backfilled stope for the first time. The results of the numerical model suggest that the pumping rate through the SCHE has a significant effect on the heat exchange rate and the overall energy transfer between the SCHE and the backfill. Additionally, the temperature contours from the numerical model suggest that a decreased pitch/helical diameter will increase the storage capacity of the helical SCHE. Overall, an average of 2.5 MW can be stored over the first 4 days of geothermal charging with the investigated full-scale SCHE, boasting a pseudo-steady-state storage rate of 1.7 MW.     

土壤蓄热与土壤源热泵集成系统的数值模拟

结合土壤源热泵技术推广中存在的问题和地下蓄能技术的优点,提出了土壤蓄热与土壤源热泵集成系统及其地下管群换热器的布置方式。并在能量平衡的基础上建立了地下管群换热器蓄热、释热和停止运行的数学模型。通过数值模拟,分析了埋管间距对蓄热与释热的运行特性的影响。     

地热井内U型管换热器供热装置的理论分析

通过对等长对流增速Ｕ管井下换热器的分析，建立了理论模型，导出流动控制方程和增速管人口无混合流和有混合流时的环流控制方程，可确定环流器及有关温度参数。     

中深层地热单井循环系统传热强化方法研究

针对中深层地热单井循环系统井内热贯通导致的换热功率低的问题,提出一种内管末端变径的井下传热强化方法,并建立数值模型,利用FLUENT进行为期30 d的模拟计算。结果表明,采用内管末端变径的方式能有效增强地下水“互动”,充分利用含水层的高温来提高单井换热功率。将井下换热分为导热区和采灌区两部分,随着封堵比例的增加,抽水中的含水层补给占比增加,且采灌区换热功率在系统换热功率中的占比逐渐增加。当封堵比例增大到100%时,采灌区换热功率达到导热区的1.76倍,井口出水温度可基本稳定在58℃,系统换热功率稳定在约995.46 kW,相较于内管等径系统,换热功率可提高84.71%。同时,单井循环系统仅导热区的延米换热量就可达到154.23～216.89 W/m,超过了闭式同轴套管换热系统稳定运行的最高延米换热功率,而系统换热功率可达到闭式系统的3.57～6.60倍,在单井换热系统中具有显著优势。     

土壤源热泵U型埋管换热器传热的非稳态数值模拟

本文基于能量平衡方程,建立了土壤源热泵U型埋管换热器周围土壤的非稳态传热模型,用所建立的传热模型对土壤源热泵冬季取热过程进行了动态模拟.研究了不同物性土壤温度及U型埋管出口流体温度的变化规律,分析了土壤物性对换热器换热性能的影响,采用间歇运行方式提高了换热器换热能力.通过建立数学模型得出的结果,可供设计参考.     

地源热泵地下岩土热物性的测定方法

提出了可用于现场测量计算地下岩土综合热物性参数的方法。垂直埋设在地下的换热器与周围岩土换热过程可以近似地看作半无限大介质中常热流边界条件下的非稳态导热过程来处理。这种方法克服了其他常用研究模型对钻孔中埋管的具体位置、上升管及下降管之间的距离、换热器材料和回填材料的物性参数的要求,相应地消除了上述各个参数所带来的误差。通过测量地埋换热器的循环水流量、进出水口温度,加热器的加热功率等数据确定地下岩土综合的热物性参数。