地热井内U型管换热器的模型研究

地热换热器(DownholeHeatExchanger,简称 DHE)是一种只利用地热水的热量而不抽取地热水 的装置。利用该种装置可以有效减少目前在地热水 开发利用中出现的问题,比如可以减少地热水的流 失,从而可以防止地面塌陷等地质灾害的发生;可以 有效的防止地热水利用后直接排放对环境造成的热 污染等等。在美国、土耳其、新西兰、冰岛、俄罗斯、 意大利和日本等国的应用研究比较多川。而我国 在这方面的应用研究则要晚的多,除了天津大学的 戴传山、张启、梁军等人做过相应的研究外[’]一t‘], 其余的则未见报道。 地热换热器分为套管式和“U”型管式两种型 式,其中“U”型管换热器系统由于制作简单、安装方 便,因而应用的较多。地热换热器置于地热井内,清 34 洁的循环水通过水泵打入换热器内与地热水进行换 热,被加热的循环水流出换热器供给热用户使用。 地热换热器传热模型的研究是该类换热器系统 应用设计的关键,同时也是一个难点。

换热器内的 循环水在地热井内与地热水进行换热的过程中,其 温度是随着深度的变化而变化的。如果换热器过 短,就会使得循环水的出水温度达不到设计要求,从 而不能够充分的利用地热水的热量;而如果换热器 过长,出水温度能够达到甚至超过设计要求,但是会 增加设备的投资。那么该如何选择换热器的长度, 使其在最小投资的情况下就能够满足设计要求呢? 为此便需要找出循环水的温度变化与换热器长度的 关系。本文从这一基本点出发,以一个典型的地热 换热器系统为研究对象,对其传热过程进行分析,建 立能量方程式,从而得到循环水温度与换热器长度 的关系。

简化物理模型 典型的地热换热器如图1所示。假设沿深度方 向变化变量为,则换热器内进水管温度为,出水管温 度为;为了计算方便,假设地热水温度恒定为不变; 由于地热水温度较高且地热井由套管与周围环境隔 开,所以忽略地热井周围环境的影响,假设地热井壁 绝热。 这与实验得到的平均温度76℃之间有一定的差距。 其主要是因为我们在公式推导的过程中,假设地热 水的温度为一定值,但在实际运行过程中,随着换热 的进行,地热水的温度不可能维持在一个恒定值不 变,而是上部的温度要低于底部的温度,这样就使得 地热水平均温度要偏低,从而造成理论值与实验值 36 图5不同流且、不同进口温度条件下热输出的变化 由图5可以看出,在相同的进口温度条件下, 换热器的热输出随着循环水流量的增加而增加;在 相同的循环水流量的条件下,虽然由图4得到,其出 口温度随着进口温度的降低而降低,但是从图5中 我们可以看出,换热器的热输出是增加的。所以在 实际工程中我们要尽可能的降低换热器循环水的人 口温度,但是也不能无限制的降低,因为太低的循环 水回水温度没有太大的应用价值。4结论 本文通过建立能量平衡方程式,求得了换热器 内循环水温度随深度变化的关系式,并通过实验验 证。

由此我们可以得出以下结论: (l)随着循环水流量的增加,换热器出口温度 降低,进出口温差减小; (2)在人口温度不变的条件下,换热器的热输 出随着循环水流量的增加而增加; (3)在循环水流量不变的条件下,换热器的热 输出随着人口温度的降低而增加,但是在实际工程 中,人口温度不能够任意降低,应根据实际要求而 定。 在公式的推导过程中,我们假设地热水的温度 维持一恒定值不变,这在实际工程中是不可能的。 因为随着换热的进行,地热水必将上下温度分布不 均,形成分层现象。所以如何解决这一问题,使换热 器在工作过程中能够使地热水尽量的维持在较小的 温度波动范围之内,是今后研究的重点。