（工程熱物理專業(yè)論文）對流增速管強(qiáng)化井下?lián)Q熱器的傳熱研究.pdf

摘要 地?zé)峋聯(lián)Q熱器系統(tǒng)近年來在地?zé)崮艿馁Y源利用方面逐漸得到普及 它只取 熱不取水 兼具地埋管地源熱泵系統(tǒng)和抽灌式地下水地源熱泵系統(tǒng)兩種利用方式 的優(yōu)點 而放入地?zé)峋械膶α髟鏊俟苣軌蚱鸬教岣呔聯(lián)Q熱器的出口溫度 熱 輸出功率 改善換熱器換熱性能的作用 對流增速管是一種兩端開i l l 的管道 和 井下?lián)Q熱器一起置于井中 有國外學(xué)者在文獻(xiàn)中提出對流增速管強(qiáng)化換熱的相關(guān) 內(nèi)容 但是缺少有效的實驗數(shù)據(jù) 到目前為止國內(nèi)也尚未發(fā)現(xiàn)有研究對流增速管 的相關(guān)文獻(xiàn) 而對流增速管強(qiáng)化換熱的數(shù)值模擬也比較困難 本文通過幾組實驗 對比方案研究了對流增速管強(qiáng)化換熱 提高熱輸出功率的作用 同時還對部分填 充多孔介質(zhì)的右側(cè)開口的方腔模型進(jìn)行了數(shù)值模擬研究 實驗方面 本文仿照實際地?zé)峋聯(lián)Q熱器系統(tǒng)建立了一套地?zé)峋聯(lián)Q熱器系 統(tǒng)的模擬實驗臺 從中總結(jié)出對流增速管的作用 并分析了實驗誤差 通過實驗 臺中加裝對流增速管前后的實驗得出的數(shù)據(jù)對比 驗證了對流增速管能夠提高取 熱功率 改善換熱器換熱性能的作用 同時利用三種不同長度的對流增速管的對 比試驗得m 合適長度的增速管對改善換熱的作用很大 此外 通過實驗發(fā)現(xiàn) 換熱器入口與熱水儲層中水的溫差越大 換熱器進(jìn)出口溫差越大 熱輸出功率越 高 管外換熱系數(shù)也越大 但是換熱器循環(huán)流量越大 熱輸出功率不一定更高 換熱性能4 i 一定更好 尋求更大的換熱溫差則耍尋找優(yōu)越的地質(zhì)條件 而改變循 環(huán)流量也以改變水泵耗功為代價 因此在實際工程中需要對經(jīng)濟(jì)性和可行性等綜 合考量 理論方面 本文忽略了地?zé)峋聯(lián)Q熱器系統(tǒng)的換熱器部分 建立了部分填充 多孔介質(zhì)的右側(cè)開u 的方腔模型 利用已有文獻(xiàn)中對兩個區(qū)域界面邊界條件和腔 體開口邊界條件的處理方法 采用格子b o k z m a n n 方法進(jìn)行數(shù)值計算求解 并 用全部充滿多孔介質(zhì)的開口方腔模型驗證了程序的可靠性和精度 通過數(shù)值模擬 的數(shù)據(jù)得出日 分析了r a d a 妒和兩個區(qū)域?qū)挾缺鹊杜c流場 溫度場和方腔左 側(cè)n u 的關(guān)系 并給出了方腔左側(cè)壁而n u 的關(guān)聯(lián)式 從理論上研究了熱儲內(nèi)部 的一 些換熱特點 最后 根據(jù)目前實驗和理論方面存在的不足之處 提出了改進(jìn)建議 并展望 了課題后續(xù)研究的計劃 關(guān)鍵詞 對流增速管井下?lián)Q熱器自然對流格子玻爾茲曼多孔介質(zhì) a b s t r a c t d o w n h ol eh e a t e x c h a n g e r d h e i sa na p p a r a t u sf o re x t r a c t i n gh e a tb v s u s p e n d i n gl o o p e dp ip e si nag e ot h e r m a lw e l l i tg r a d u a l l yh asb e e nus e di nt h e g e o t h e r m a lr e s o u rc eu ti l i z a t i o ni nr e c en ty e a r s si n c ei td o e sno tn e e dp u m p i n gh o t w a t e ro u to f t h e a q u i f e r s j u s tg a i n i n gh e a tf r o mt h ew e l l i tc a ne i i m i n a t et h ed r o b l e m o fsu r f a c edi s p o s a la n dn oi m p a c to nt h es u b s u r f a c ee n v i r o n m e n tc o m p a r i n gw i t h g t o u n dw a t e rh e a tp u m ps y s t e m t h ec o n v e c t i o np r o m o t e rp i p e st o g e t h e ri n s t a l l e di n t h eg e o t h e r m a lw e l lw i t hd h ec a ns e r v et oe n h a n c et h eo u t s i d eh e a tt r a n s f 爸ro fd h e i e h e a to u t p u tc a nb ei n c r e a s e d ap r o m o t e rp i p ei s s i m p l yap i p et h a ti so p e na tb o t h e n d sa n dp l a c e di naw e l lw i t ht h el o o p e dp i p e so fd o w n h o l eh e a t e x c h a n g e r s 0 1 1 1 e f o r e i g ns c h ol a r sh a v ep oi n t e do u tt h a tt h ec o n v e c t i o np r o m o t e rp i p e sc a ne n h a n c eh e a t e x c h a n g e r b u tth es u pp o r t i v e0re f f e c t i v eex p e r i m e n t a ld a t ah a sn o tb e e na va i l a b l e t h e r ea r ef e wp u n i s h e dd o m e s t i cr e s e a r c hp a p e r s a b o u tth ep r o m o t e rp i p e s t h e n u m e r i c a ls i m ul a t i o n so f p r o m o t e rp i p e si nd h ea r en o ta v a i l a b l e t h eo b j e c t i v eo f t h i sp a p e ri sf o ru n d e r s t a n d i n gt h em e c h a n i s mofh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta b o u t c o n v e c t i o np r o m o t e rp i p e st h r o u g he x p e r i m e n t s i na d d i t i o n t h en a t u r a lc o n v e c t i o ni n a nop e n e n d e d s q u a r ec a v i t yp a r ti a l l y f i l l e dw i t hp or o u sm e d i ai s n u m e r i c a l l y s i m u l a t e d i nt h ee x p e r i m e n t ad h es i m u l a t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e di nt h el a ba c c o r d i n g t o t h ed h es y s t e m si nap r a c t i c a ld e s i g n i nw h i c hw ec a ns u m m a r i z et h er o1 e o f c o n v e c t i v ep r o m o t e rp i p e si nd h eh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n t a n da n a l y z et h e e x p e r i m e n t a le r r o r ac o m p a r i s o nt e s ti sc a r r i e do u tf o rt h ed h es y s t e m so fw i t ha n d w i t h o u tc o m e c t i o np r o m o t e rp i p ei n s t a l l a t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u i t ss h o wt h a tt h e p r o m o t e rp i p e sd oi m p r o v et h eh e a to u t p u to rth eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e t h eb e s t l e n g t ho ft h epi p e si so b t ai n e df r o mt h et h r e eki n d so fp r o m o t e rp i p e sw i t l ld i f f e r e n t l e n g t ha c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lda t a i na d d i t i o n i ti sf o u n dt h a tt h eh i g h e r t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nth ei n l e tw a t e ro fd h ea n dt h ew a te ri nt h eth e r m a l a q u i f e r t h eh i g h e rt e m p e r a t u r ei n c r e m e n tb e t w e e nt h ei n l e ta n do u t l e to f d h e o rt h e m o r eh e a to u t p u t i nt hi sc a s e al a r g e rh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to u t s i d et h ed h e t u b e c a nb eo b t a i n e d h o w e v e r t h et h e r m a lp o w e ro u t p u to rt h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e d o e sn o tn e c e s s a r i l yi n c r e a s ew i t hth ec i r c u l a t i o nf l o w r a t et h r o u g hth ed h e t h e r e f o r e a na qu i f e rw i t ha l a r g eg e o t h e r m a lg r a d i e n ti sf a v o r a b l et od h e i n s t a l l a t i o n b u tt oi n c r e a s ec i r c u l a t i o nf l o w r a t e t h r o u g hd h ei s a tad r i c eo f 1 n c e a 3 1 n gel e c t r i cp ow e rc o n s u m p t i o nd u etop u m p i n g t h e r e f o r e a c o m p r e h e n s i v e c o n s i d e r a t i o ni sn e c e s s a r yi no r d e rt h a tb o t he c o n o m ya n dt e c h n o l o g y a i ef e a s i b l ei na l e a la p p l i c a t i o n a sat h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o nf o rt h ed h e i nao p e np e r o r a t e dw e l li na na q u i f e r t h i sa r ti c l ee s ta b l i s h e sa m o d e lo fa no p e n en d e ds q u a r ec a v it yp a r t i a l l yf i l l e dw i t h p o r o u sm e a l i a t h i sm o d e li ss o l v e db yu s i n gl b ma n dt h et r e a t m e n to f i n t e r f a c ea n d o p e nbo u n d a r yc o n d i t i o nw h ic hi si n t r o d u c e di nd e t ai l t h ec or e p u t a t i o nc o d e i s v a l i d a t e di nbo t hme s hn u m b e r d e p e n d e n c ea n da c c u r a cyb yc o m p a r i n gth ere s u l t s w i t ht h o s eo f p r e v io u sw or ki np o r ou sm e d i a t h er el a t i o n s h i pb e t w e e nf l o w f i e i d t e m p e r a t u r ef i e l d l o c a ln ud i s t r i b u t i o no nt h el e f tw a l lo f t h ec a v i t ya n dr a d a d t h ew i d t hr a t i oo f p u r ef l u i dr e g i o na n dp o r o u s r e g i o nh a sb e e no b t a i n e da n da n a l y z e d ac o r r e l a t i o nof t h ea v e r a g e dn uo nt h el e f tw a l lo ft h ec a v i t yw i t hr a d 口 口i s p r o p o s e d s o m eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c si n s i d et h ea q u i f e ra r ed i s c u s s e di nd e t a i l f i n a l l y b a s e do nt h ec u l e n t e x p e r i m e n t a la n dt h e o i e t i c a l i n a d e q u a c i e s e c o m m e n d a t i o n sf o r m m p r o v e m e n ta r ep r o p o s e da n dt h e f o l l o w u ps t u d yo f th e s u b j e c tp r o j e c ti ss u g g e s t e d k e yw o r d s c o n v e c t i v ep r o m o t e rp i p e s d o w l l h o l eh e a t e x c h a n g e r n a t u r a l c o n v e c t i o n l b m p o r o u sm e d i a 第一章緒論 1 1 課題研究背景及意義 1 1 1 能源與環(huán)境形勢嚴(yán)峻 第一章緒論 近年米 能源問題日益突出 已經(jīng)被人們炒得紛紛揚(yáng)揚(yáng) 能源如此炙手可熱 主要是因為它是人類生活的物質(zhì)基礎(chǔ) 同時能夠保障社會的正常發(fā)展和驅(qū)動世界 經(jīng)濟(jì)的增長 新能源的發(fā)現(xiàn)和相應(yīng)技術(shù)的提高目前已成為人類社會發(fā)展的制約因 素 因此在當(dāng)今世界 人類已經(jīng)目光聚焦于能源的發(fā)展和使用技術(shù)上的提高 但 是 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步 能源的過度使用直接造成了其嚴(yán)重短缺和環(huán) 境污染的后果 甚至引發(fā)各國掠奪資源的戰(zhàn)爭 對人類的生存與發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重威 脅 隨著我國工業(yè)化 城市化進(jìn)程的加快以及居民消費結(jié)構(gòu)的升級 能源供求捉 襟見肘 提高現(xiàn)有能源的利用效率 開發(fā)研究新能源 維持經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā) 展 保證能源穩(wěn)定 持續(xù) 是保障我國綜合國力的關(guān)鍵因素 工業(yè)革命后的3 0 0 多年來 人類消耗的能源是此前4 5 0 萬年的總和 1 而我 國能源消耗近年來連連攀升 嚴(yán)重制約我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展 對人民的生活也造 成了一定影響 2 0 l1 年上半年 全國煤炭產(chǎn)量達(dá)到1 7 7 億噸 預(yù)計全年煤炭產(chǎn) 量可以突破3 4 億噸 2j 目前我幽能源利用消耗高 過度使用 污染嚴(yán)重等不合 理的需求結(jié)構(gòu)造成了我同單位同內(nèi)生產(chǎn)總值能耗居高不下 能源的消耗必定會帶來代謝廢物的出現(xiàn) 因此環(huán)境污染問題也不得不被提上 日程 目前 我國環(huán)境污染問題十分突出 主要表現(xiàn)在水污染和大氣污染 近 年來 我幽水資源污染表現(xiàn)為異常惡化的勢態(tài) 尤其在農(nóng)村 大部分水源中氨氮 重金屬 總磷 陽離子表面活性劑 大腸桿菌等指標(biāo)均存在不同程度的超標(biāo) 3 1 全國有超過7 0 的河流湖泊遭受不同程度的污染 4 1 飲水安全問題已經(jīng)對人們的 生命健康和生活質(zhì)量構(gòu)成威脅 另一方面 我國煤炭消費穩(wěn)居世界第一 年耗煤 量已達(dá)世界煤炭消耗總量的3 0 以上 因此這種持續(xù)的以煤為主的能源使用方式 對環(huán)境和資源消耗都有害無益 這主要是因為煤炭本身含有有害元素較多 燃燒 產(chǎn)生二氧化硫等有害氣體 二氧化碳也是造成溫室效應(yīng)的罪魁禍?zhǔn)?它們直接影 響了氣候變化 對人們的生活環(huán)境造成威脅 2 0 0 4 年至今 我國酸雨面積達(dá)2 0 0 萬平方公里 遍及2 9 8 個城市 因建筑腐蝕和土壤酸化造成的經(jīng)濟(jì)損失每年在千 億元以上 5 兒6 科學(xué)研究證實 因為人類活動造成的影響 物種滅絕速度比自然滅絕 第一章緒論 速度快了1 0 0 0 倍 目前平均每小時就有一個物種滅絕 7 囚此 提高現(xiàn)有常規(guī)能 源的利用率 保護(hù)環(huán)境 優(yōu)化能源結(jié)構(gòu) 尋求低碳的?；罘绞绞钱?dāng)務(wù)之急 而開 發(fā)利用潔凈的可再生能源則是一條關(guān)鍵途徑 2 i 世紀(jì) 為解決迫在眉睫的能源與環(huán)境問題 實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo) 新能源和可再生能源由于其豐富性和良好的發(fā)展前景 已經(jīng)極大地引起人類的關(guān) 注 它在未來世界的能源中必將擔(dān)當(dāng)重任 挑起社會持續(xù)發(fā)展的大梁 新能源與可再生能源是指除常規(guī)化石能源和大中型水力發(fā)電 核裂變發(fā)電之 外的生物質(zhì)能 太陽能 風(fēng)能 地?zé)崮芤约昂Ｑ竽艿?8 1 中國的新能源和可再生 能源的分布十分廣泛 而且開發(fā)條件已然具備 開發(fā)技術(shù)已有一定水平 在一定 程度上能夠補(bǔ)充社會發(fā)展所需 據(jù)估計 到2 0 2 0 年全國可再生能源利用總量可 相當(dāng)于6 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤 q 對環(huán)境保護(hù)和能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化都會發(fā)揮不小的作用 地 熱能作為新能源t i 的杰出代表已經(jīng)慢慢得到普及 得以利用 地?zé)崮苁且环N從地殼抽取的天然的可再牛的能源 是由地下高溫熔巖通過涌 動加熱距離地面1 5 公里處的地下水形成的水資源 它取自于地球內(nèi)部 潔凈 環(huán)保 可再生且在我國資源比較豐富 分布廣泛 同時能夠節(jié)省大量的常規(guī)能源 其有效利用很大程度地緩解了日益增長的能源需求 相對于地殼內(nèi)蘊(yùn)含的地?zé)崮?總量而言 限于目前所能達(dá)到的技術(shù) 人們利用的只是很小一部分 10 1 我國的地?zé)豳Y源十分豐富 占全球地?zé)豳Y源的近8 而且我同主要分布著 中低溫地?zé)豳Y源 2 5 1 5 0 0 c 在副 供開采利用的深度范圍內(nèi) 從結(jié)構(gòu)上看 我 國的地?zé)豳Y源豐要是對流換熱型 全國有幾千眼地?zé)峋捌洚a(chǎn)牛的溫泉 地?zé)峋?出口溫度絕大部分低 丁 9 0 c j i 均溫度約5 4 8 c l l 而分布相對較少的高溫地?zé)?也能夠直接用于發(fā)電 但是 從開發(fā)利用總量來看 我國地?zé)崂萌蕴幱诔跫夒A 段 地?zé)嵩谖覈茉唇Y(jié)構(gòu)l l i 所占比例還不足0 5 1 2 據(jù)國土資源部門估算 全 國主要沉積盆地距地表2 0 0 0 米以內(nèi)儲藏的地?zé)崮芟喈?dāng)于2 5 0 0 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的熱量 全國每年可開發(fā)利用的地?zé)崴偭考s為6 8 4 5 億立方米 折合每年3 2 8 4 8 萬噸標(biāo)準(zhǔn) 煤的發(fā)熱量 1 引 按溫度分布 地?zé)豳Y源可分為高溫資源 中溫資源和低溫資源三種 高溫地 熱資源通常用來地?zé)岚l(fā)電 中溫地?zé)豳Y源就能直接利用 主要用來室內(nèi)采暖 醫(yī) 療沈浴 育種 種植養(yǎng)殖等 因此目前地?zé)崴闹苯永靡呀?jīng)成為我同地?zé)崮芾?用的只要方式之一 低溫?zé)崴偷責(zé)豳Y源 2 5 9 0 能夠用于地源熱泵 進(jìn)行供暖 或制冷 用于采暖的地?zé)崴饕贸楣嗍降姆椒ǐ@得 即先從地下把熱水抽取 到地上 經(jīng)換熱后再回灌到地層 但是 多數(shù)地?zé)崴泻嗅躨 同程度的重金屬元 素 h 2 s 氣體等有害雜質(zhì) 因此 大量抽取地下水將直接造成大氣污染和水污染 而回灌不利也會造成地球內(nèi)部本身地質(zhì)結(jié)構(gòu)的損壞 主要是由于經(jīng)過換熱后的地 第一章緒論 下水如果不能及時回灌到地層內(nèi) 內(nèi)部壓力平衡 町能會被破壞 水位下降 甚至 會造成地面下沉的嚴(yán)重后果 t 程中一般會采取打井回灌的方法補(bǔ)充地下水的流 失 但由于回灌水質(zhì)需求高 需要超細(xì)過濾裝置 就會消耗過人的回灌電功率 因此回灌的手段在技術(shù)及管理 卜仍存在較多的問題 在實際中難以做到完全回 灌 況且能否有效回灌還取決于當(dāng)?shù)氐貙拥牡刭|(zhì)特性 地源熱泵有地埋管式地源熱泵 地表水式地源熱泵和地下水式地源熱泵三種 方式 由丁 地埋管地源熱泵主要采用導(dǎo)熱的方式從土壤取熱 因此后兩者以對流 為主的取熱方式明顯由于第一種 而地下水位置較深 不易受到外界影響 地下 水式地源熱泵熱源穩(wěn)定性要好于前兩者 所以在具備良好地質(zhì)和充足水源的條件 下 后者是最好的選擇方式 地下水地源熱泵系統(tǒng)有開式和閉式之分 在開式系 統(tǒng)中 地l t l 經(jīng)水泵抽出通過熱泵后進(jìn)入房問散熱器 在地 卜 水溫度較高時能直 接通入房間 被冷卻后再回灌到地下 閉式系統(tǒng)是通過地?zé)峋聯(lián)Q熱器直接在地 下?lián)Q熱 只取熱不取水 不存在回灌和排放的問題 因此相對前者更加環(huán)保 也 有利丁保護(hù)地層內(nèi)部的壓力5 l 衡 保障了地質(zhì)結(jié)構(gòu) 延長下水資源的使用周期 但是 因為中間增加了換熱環(huán)節(jié) 因此取熱量只相當(dāng)于開式系統(tǒng)的2 5 5 0 經(jīng)過以上分析 對于我國地?zé)崮芾?h j 空間仍然很大 上述地下水地源熱泵的 兩種方式在能源利用利環(huán)境保護(hù)方面各有利弊 因此追尋其中高效率的利用方式 是一個重要的研究方向 閉式系統(tǒng) 即地?zé)峋?卜換熱器系統(tǒng) 雖然在取熱量只有 開式的2 5 5 0 但是通過一些強(qiáng)化換熱裝置能夠讓其取熱量大大提升 對流 增速管就是一個典型代表 對流增速管是一根兩端開口的管 與換熱器一起放入 井中 本文用實驗驗證了增設(shè)有對流增速管的地?zé)峋聯(lián)Q熱器系統(tǒng)的取熱量和換 熱性能都好于安裝增速管之d 訂的系統(tǒng) 1 1 2 國內(nèi)外對流增速管的研究現(xiàn)狀 地?zé)峋聯(lián)Q熱器裝置的研究早在1 9 3 1 年時 在美國f i 勺c h a r l e sl i v e 就已進(jìn)行 但是系統(tǒng)性工作卻丌始于l9 7 5 年美幽俄勒岡技術(shù)學(xué)院地?zé)嶂行牡膶嶒炑芯?1 4 此 后 新西蘭 口本等國也先后開展了井下?lián)Q熱器的研究工作 但主要以示范工程 試驗為主l l 川 到口前為止 美國俄勒岡州f l j k l a m a t h 君5 已有超過5 0 0 套井下?lián)Q熱器 系統(tǒng)在運行 內(nèi)華達(dá)州也有近2 0 0 套井下?lián)Q熱器在運行 在新西蘭的t a u p o 有2 0 多個井下?lián)Q熱器系統(tǒng) 其中3 個用 丁 當(dāng)?shù)匾凰袑W(xué)的冬季采暖 在r o t o r u a 地?zé)崽?也有約1 4 0 地?zé)衢_采井眼 其中安裝地?zé)峋聯(lián)Q熱器馭熱的有4 2 1 艮 口j 直接用于 采暖 在日本和美國在上世紀(jì)9 0 年代合作 開展了利用深層井下?lián)Q熱器進(jìn)行發(fā)電 的研究 l6 在土耳其地?zé)峋s有4 0 0 多眼 其中第一個用于地?zé)岵膳木聯(lián)Q熱 器系統(tǒng)安裝于1 9 8 7 年 目前約有2 5 0 0 0 戶家庭采用地?zé)峁┡?預(yù)計至1 j 2 0 2 0 年這一 第一章緒論 數(shù)字將超過5 0 萬戶 1 7 1 在美國俄勒岡州的k l a m a t h 郡的早期實驗研究指出 未裝套管的井內(nèi)水溫在 豎直方向呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象 而加裝了套管之后 井內(nèi)的水溫基本一致 如圖 l l 所示 但是他們只測h5 安裝套管前后井內(nèi)的豎直方向溫度情況 并沒有給m 安裝套管之后熱量輸出變化 更沒有定量的對比兩者在換熱器出1 5 1 溫度和熱量輸 出上的差別 2 5 5 0 三7 5 三 霎 量1 0 0 三 孑 1 2 5 1 7 5 2 0 0 t e m p e r a t u r e 二f 1 1 01 3 0 1 5 0 17 0 1 9 02 1 0 毫 c a s i n g j t w i t h o u tc a s i n g p e d o r a t i o nz o n e 圖1 1 力 裝套管自 j 后外內(nèi)的水溫在豎a 方向的分們 有關(guān)利用對流增速管強(qiáng)化自然對流傳熱的方法是a l l i s 在7 0 年代提出的 美國 和新西蘭的實驗研究指出引發(fā) 井內(nèi)對流渦的方法 1 8 其中提到了對流增速管能起 到強(qiáng)化換熱的相關(guān)內(nèi)容 但在其中沒有給出定量的實驗數(shù)據(jù)證明增速管的作用 而增速管的理論數(shù)學(xué)模型也未曾建立 如果對流增速管設(shè)計不好 反而會弱化對 流 阻礙傳熱 新西蘭的a l l i s 矛1 j a m e s 兩位學(xué)者存早期模擬實驗研究指出 當(dāng)井 中增設(shè)增速管后 自然對流可將井底熱水帶至井口 而水在增速管中的流向 則 取決于增速管的幾何尺寸 經(jīng)過實地測試表明 增速管位于井下?lián)Q熱器外得到的 熱輸山功率i 苛于增速管套在換熱器上的熱輸出功率 但是至今沒有定量的數(shù)據(jù)和 圖形顯示兩者的差距大小 此外 當(dāng)增速管內(nèi) 外的摩擦壓降達(dá)到平衡時 其引 發(fā)的自然對流口j 達(dá)最大值 據(jù)此計算得到 若單回路u 型井下?lián)Q熱器管徑為井身 直徑的o 2 5 倍 且當(dāng)換熱器裝置于增速管外時 那么以套管或增速管直徑為井身 贏徑的0 5 倍時為最佳 換熱器全部置于套管或增速管內(nèi) 以0 7 倍最佳 但是上 第一章緒論 述結(jié)淪限制了換熱器與井管的尺寸比例 且目前無人證明這個結(jié)論是否正確 關(guān) 于增設(shè)對流增速管的換熱過程中地?zé)峋畠?nèi) 外流體之問的相互作用機(jī)理也尚無結(jié) 論 國內(nèi)從1 9 8 6 年才開始從事地?zé)峋?換熱器的機(jī)理研究 并由留學(xué)新西蘭奧克 蘭大學(xué)地?zé)釋W(xué)院的潘鶴松博士進(jìn)行前期理論分析研究工作 先后發(fā)表了 u 型管 地?zé)峋聯(lián)Q熱器的數(shù)學(xué)模擬及試驗研究 和 地?zé)峋聯(lián)Q熱器熱交換性能的試驗 研究 等論文 國內(nèi)學(xué)者在1 9 9 8 年也丌展了井下?lián)Q熱器的相關(guān)研究 并用相似解 法導(dǎo)出了同軸管式井下?lián)Q熱器崗圍多孑l 介質(zhì)內(nèi)的對流換熱模型 1 9 但是模型未考 慮井管內(nèi)部流動與周圍熱水儲層內(nèi)部流動的耦合作用 因此與實際有較大的出 入 到目前為止我國井下?lián)Q熱器系統(tǒng)中對于對流增速管的研究工作卻遲遲沒有任 何進(jìn)展 天津大學(xué)承擔(dān)了相關(guān)的同家科技攻關(guān)項目 題為 地?zé)峋?卜 換熱器供熱 系統(tǒng)試驗研究 并在張家口市建立了實地實驗裝置 實驗采用自行研制的u 型 井下?lián)Q熱器 并加裝了對流換熱增速管 但是由于條件的限制 對流增速管僅采 用一種工況 沒有研究不同材料 幾何尺寸和安裝位置帶來的影響 得到數(shù)據(jù)顯 示強(qiáng)化對流換熱的效果并不那么顯著 同時 由于一些測量問題的出現(xiàn) 井下測 溫點非常有限 獲得的實驗數(shù)據(jù)較少 沒有總結(jié)出一般性的規(guī)律 岡此也不能為 真正的實際工程起指導(dǎo)作用 1 2 井下?lián)Q熱器和對流增速管的工作原理 弋r c a 水的密度和溫度在 0 4 內(nèi)的關(guān)系曲線 b 水的密度和溫度在 0 1 0 0 c 內(nèi)的關(guān)系曲線 圖i 2 水的密度與溫度關(guān)系曲線 水的密度隨溫度的變化而改變 在4 的時候密度最大為9 9 9 9 7 2 k g m 3 如 圖1 2 a 所示 因此水在0 一1 0 0 c 的時候是先變大后減小的過程 如圖1 2 b 所示 地?zé)峋徊?換熱器地 卜 部分的水產(chǎn)生的對流現(xiàn)象均由與水的溫差導(dǎo)致的密度差所 致 因此水的溫度和密度的關(guān)系是自然對流產(chǎn)生的根源 第一章緒論 一 i 一o i 1 i i l t l 二1 0 l 圖1 3 帶有塒流增速管的井下?lián)Q熱器系統(tǒng)示意圖 l 井壁2 對流增速管3u 形井下?lián)Q熱器4 地表含水層5 熱泵機(jī)組6 供水管7 回水管 女i i 圖1 3 所示 井下?lián)Q熱器系統(tǒng)主要有地上和地下兩部分 地上部分主要包 括熱泵機(jī)組和室內(nèi)末端設(shè)備 地下部分包括井壁 換熱器和對流增速管 用戶使 用后的冷水經(jīng)過熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器后溫度降低 直接可通入井下?lián)Q熱器中 與地 熱井中的熱水進(jìn)行換熱 溫度升高后進(jìn)入熱泵機(jī)組的冷凝器中 熱水溫度繼續(xù)升 高 達(dá)到用戶所需要的溫度后通入室內(nèi)末端 用于采暖 當(dāng)鉆井處的地質(zhì)條件比 較優(yōu)越 換熱器出口的水溫則會很高 能夠達(dá)到用戶使用的標(biāo)準(zhǔn) 可停l 使用熱 泵機(jī)組 直接將熱水通入室內(nèi) 這樣較前者更加節(jié)能 地下部分井壁內(nèi)為純流體 區(qū)域 井壁外為熱水儲層 其中有高溫?zé)崴蛶r石等 井下?lián)Q熱器取熱有兩種方 式 熱儲中的熱水和井壁外貯藏于巖石中的熱量 顯然前者的比例更大 來源于 兩種 通過兩種方法行取熱進(jìn) 換熱器的傳熱過程包括換熱器內(nèi)外的對流換熱以 及換熱器本身的導(dǎo)熱 地?zé)峋畠?nèi)的水經(jīng)過與換熱器換熱后溫度降低 與井壁外的 高溫水產(chǎn)生了溫差 溫差導(dǎo)致密度差 從而引起自然對流現(xiàn)象 井壁外熱水儲層 中的熱水會流入井內(nèi) 井內(nèi)的溫度相對較低的地下水流至井外 達(dá)到熱質(zhì)交換 為熱量輸出的穩(wěn)定性提供保障 人們發(fā)現(xiàn)井內(nèi)豎直方向?qū)α鳜F(xiàn)象增強(qiáng) 有利于井內(nèi)的水流入多孔介質(zhì)含水層 和熱儲中的高溫水流入井中 進(jìn)行混合 這樣會帶來更高的熱量輸出 雖然井中 的水 含水層中的水以及巖石的實際相互作用非常復(fù)雜 目前依然難以理解 但 是起碼我們知道如果強(qiáng)化井內(nèi)豎直方向?qū)α鳜F(xiàn)象 就能夠帶來更高熱量的輸出 第一章緒論 1 2 一 4 l 川 f 1 1 j j i 1 1 f 一 2 l j i i i1 1 i l 斗 一 圖l 一4 帶有套管的井下?lián)Q熱器系統(tǒng) l 套管2 靜水位3 冷水4 封隔器5 地下熱水6u 型換熱器7 水泥膠階段 為了獲得更大熱量的輸出 研究指出在井中加入一根套管會起到事半功倍的 效果 如圖1 4 a 所示 套管的下端開i z l 以便含水層中的熱水流入 上端開口 以便熱水的流出 當(dāng)?shù)責(zé)峋形窗惭b換熱器時 熱水在套管中向一卜流動 在套管 的上端開口處流出 同時在套管和井壁之間的環(huán)帶中向下流動 在套管的下端開 v 1 出流入 形成對流現(xiàn)象 如圖l 4 b 所示 當(dāng)系統(tǒng)安裝換熱器后 換熱器附近 的水溫下降 密度變大 由于重力向下流動 從套管的下端開口處流出 而套管 和井壁間環(huán)帶中的水溫度相對較高 密度較小 導(dǎo)致向上流動 從套管的上端開 口處流入套管 從而形成另一種方向的對流現(xiàn)象 如圖l 一4 c 所示 對流現(xiàn)象產(chǎn) 生的驅(qū)動力來源于換熱器周圍和套管外的水的溫差引起的密度差 而且熱量輸出 越大 能夠引起的對流越強(qiáng)烈 如果能將井壁的開孔直徑 套管的直徑 換熱器 的長度管徑 循環(huán)流速和入e l 溫度幾者搭配完美的話 該地?zé)峋聯(lián)Q熱器系統(tǒng)能 夠達(dá)到管殼式換熱器的效果 但是由于地質(zhì)和測量誤差等原因 這一搭配平衡難 以找到 第一章緒論 山個 一 粼 ni i l 下 i i l i i 矗二 涿 圖1 5 增速管結(jié)構(gòu)示意圖 如果井為閉式 那么對流增速管也是這一種能產(chǎn)生對流現(xiàn)象的裝置 如圖l 一5 示 增速管兩端開孔 置于井底與靜水位之間 u 型管換熱器與地下水換熱后 u 型管附近的水溫下降 而對流增速管內(nèi)的水溫尚未來得及換熱 比增速管外的 水溫高 使增速管內(nèi)外形成了溫差 而這種溫差會導(dǎo)致出現(xiàn)密度差 致使增速管 內(nèi)密度小的熱水向上流動 增速管外密度相對更大的冷水向下流動 同時熱儲r j 的熱水進(jìn)入井內(nèi)和增速管中 形成了強(qiáng)烈的自然對流現(xiàn)象 人人地加強(qiáng)了換熱效 果 增速管的材料應(yīng)以導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料作為首選 伎其能夠產(chǎn)生足夠大的管 內(nèi)外溫差 對流增速管與u 型換熱器之間的相對位置比較靈活 如圖1 6 所示 對流增速管能夠安裝在u 型換熱器的外面 也能套在換熱器的一只臂上 甚至是 全部套在換熱器上 但是如果采用第一種方案 那么就能使用更小尺寸的增速管 這樣的經(jīng)濟(jì)型更高 圖1 6井下?lián)Q熱器與增速管的相對位置 西一 也 第一章緒論 1 3 格子b o l t z m a n n 方法研究現(xiàn)狀和主要內(nèi)容 1 3 1 格子b o l t z m a n n 方法研究現(xiàn)狀 格子波爾茲曼方法 l a t t i c eb o lt z m a n nm e t h o d 以下簡稱l b m 足近幾十年 來發(fā)展的一種新的數(shù)值計算方法 它是從介觀的角度將流體抽象為大量的圍觀粒 子 這些粒子根據(jù)某些簡單的規(guī)則在劃分的格子上進(jìn)行碰撞和梳理 通過對粒子 的運動進(jìn)行統(tǒng)計 就可以得到粒子的宏觀運動特性 格子方法的粒子特性也使其 具有常規(guī)數(shù)值方法沒有的獨特優(yōu)點 更加容易的處理復(fù)雜的邊界條件 且能夠?qū)?現(xiàn)并行計算 提高了計算效率 同時大大節(jié)省了計算成本 l b m 是由格子氣自動機(jī) l g a l 里論發(fā)展和改進(jìn)而來 最早是在1 9 8 6 年由u f r i c h 等提出了f h p 模型 2 此后 格子氣模型被用于卡門渦街 有臺階的回流 區(qū)計算和自由邊界等問題的數(shù)值模擬 1 9 8 8 年m c n a m a r a 和z a n e t t i 為了消除 f h p 模型在求解n s 方程時的數(shù)值誤差 提出了l b 模型 2 1 1 而目前應(yīng)用的絕大 多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)l b 模型來自q i a n 2 1 和c h e n 2 3 1 提出的采用單松馳時間近似的b g k 模 型 b h a t n a g a r g r o s s k r o o k b g k 2 引 l9 9 3 年后l b m 在理論和應(yīng)用方而都取得了長足進(jìn)展 在流體傳熱方而建立 了采用速度和溫度兩類分布函數(shù)的雙分布函數(shù)模型 2 5 在多相流機(jī)理研究方面建 立了著色模型和偽勢模型掣 6 2 7 艄1 在邊界處理方面提出了諸如彈同 半步 長彈副3 們 外推和捅值 3 1 3 2 3 3 3 4 1 等 q t j 格式 在湍流 微流動和多孔介質(zhì)滲 流等方面都取得了成功的應(yīng)用 美國e x a 公司推出了以l b e 為基礎(chǔ)的商業(yè)軟件 p o w e r f l o w 值得提出的是 國內(nèi)學(xué)者在l b e 方面的研究開展得較早 并且取 得了相當(dāng)?shù)某晒?而許多l(xiāng) b e 基本模型與理論是由華人學(xué)者提出的 多孔介質(zhì)是具有固體骨架的多相空間 它存在于多種白然現(xiàn)象和工程應(yīng)用 中 因此具有研究的價值 如地?zé)釤醿χ械牧鲃优c傳熱 土壤與生物體內(nèi)水分的 傳遞 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與絕熱材料中的傳熱傳濕 物料干燥等 多孔介質(zhì)內(nèi)的傳遞 是一種典型的多尺度問題 可在表征體元尺度 r e p r e s e n t a t i v ee l e m e n t a r yv o l u m e r e v 孔隙尺度和宏觀尺度三種尺度下進(jìn)行研究 由于l b m 在處理復(fù)雜j l 何 區(qū)域時具有優(yōu)勢 用其模擬孔隙結(jié)構(gòu)q f 的滲流問題成為該方法的一個重要應(yīng)用領(lǐng) 域 用l b m 研究多孔介質(zhì)的流動與傳熱問題時 主要基于r e v 尺度和孔隙尺 度 s u c c i 等首次采用l b m 模擬了三維隨機(jī)多孔介質(zhì)中的滲流過程 3 5 m c c a r t h y 等用l g a 對圓柱狀陣列中的流動進(jìn)行了模擬 3 6 1 s p a i d 和p h e l a n 建立了直接求 解b r i n k m a n 方程的l b e 模型 并模擬了纖維多孑l 材料中的微尺度流動 3 7 m a r t y s 驗證了l b m 與b r i n k m a n 方程的一致性 3 8 j 郭照立等人提出了可用于求解廣義 9 第一章緒論 n s 方程的l b e 模型 g l b e 并將其推廣到包含傳熱的滲流問題 模擬了多孔 介質(zhì)局 腔 4 0 t a k e s h i 等人全面分析了不同r a 數(shù)和孑l 隙率下多孔介質(zhì)中的自 然對流傳熱的參數(shù) 4 1 1 n i t h i a r a s u 模擬研究了具有可變孑l 隙率的飽和多孔介質(zhì)的 封閉固體方腔內(nèi)的臼然對流傳熱 4 2 4 捫 m e r c i e r 等人模擬了由多孑l 介質(zhì)與獨立純 流體區(qū)域共同構(gòu)成的矩形空間中的自然對流傳熱 4 引 1 3 2 格子b o l t z m a n n 方法的研究內(nèi)容 本文模擬采用的格子b o l t z m a n n 方法中單松弛模型 耳 j l b g k 模型 存此基礎(chǔ) 上提出了熱格予b o l t z m a n n 模型 接下來介紹該模型的基本內(nèi)容 在格子b o l t z m a n n 方法的格子模型中 有d 2 q 7 模型 d 2 q 9 模型 d 2 q 1 3 模型 d 3 q 1 5 模型和d 3 q 1 7 模型 而最常用的是d 2 q 9 二維九方向 模型 c 6 c 2 c c 3 c 圖1 7 d 2 q 9 模型格子示意圖 c l c 8 流場被劃分成許多個正方形網(wǎng)格 流體被抽象為大量的粒予 時間按照時間 步長離散為一個時間序列 對于每一個網(wǎng)格節(jié)點 粒子只能保持靜止或者沿八個 方向運動 如圖1 7 所示 一個時間步長一個粒子只能移動一個格子 在i i j 一時 刻同一網(wǎng)格點上 每一個速度方向至多存在一個粒子 當(dāng)粒子在同一個格子節(jié)點 處相遇時 按照一定的規(guī)則進(jìn)行碰撞 速度大小和方向發(fā)生變化 在格子b o l t z m a n n 方程i j 速度場在空問x 方向和時問f 內(nèi)被離散成如下形式 寸寸ji x c f r f 一六 x f 一二一 z 一一8 9 1 1 1 第一章緒論 一 其中 z x f 是粒子的分布函數(shù) r 廠為松弛時問 q 為平衡態(tài)分布函數(shù) 其中 2 宏觀密度 速度等參數(shù)可由下式得山 雩9 c iii一警3 u2 2 1 m 2 2 叫 1 c 4 c 2u 0 1 2 3 4 8 8j p z p c p 臚 0 0 e 廚 護(hù)1 u 一妻 c 研 j 0 i 1 2 3 4 1 3 i 一4 式中 c 是流體的聲速 u 為粘度系數(shù) p 為壓強(qiáng) 溫度場的平衡函數(shù)用g e 9 表示 它等于溫度值直接與 8 q 的乘積 即 g g 丁 y 陽 溫度模型的演算方法與速度模型一樣 只是把松弛時間變?yōu)?f 口 6 溫度場模型中的熱擴(kuò)散系數(shù)表達(dá)為 a r g i 1 c 萬f 1 5 如 1 一 式 一生0 達(dá) 一 一 罷一 瞄r 叫0 剡 叩 酬 h 觚 一 舊 一 平 峨 度 叫 速 敞一禺為 斗c 4一 9 一曠 一弘 丌 f 一 li 丌 2 5 丌 一 l 1 i j i 一廣l l n hk 兩 n 2 r 刁沙 5 丌 一 l l 一 一 一 o 廠 l c 0 s 一 釓 壓 0 l 二 r l g g 一k 1 l z g 一 1 i c 斗x g 第一章緒論 1 1 式包括時空轉(zhuǎn)換 因此在l b m 方法實際計算時 分為兩個步驟 碰撞 和梳理 碰撞過程是粒子空問位置沒變 但在時問上前進(jìn)了一個步長 而梳理過 程則是保持時間步長不變 粒子沿著9 個方向 其中有一個靜止 運動到鄰近格 予點 這樣將時間和空間兩個步驟分開 更容易理解 計算也更加簡便 速度模 型的碰撞過程按式 1 6 計算 梳理過程按式 1 7 計算 溫度模型汁算與之相同 1 碰撞 x f 六 x f 一二一 z 一 叫 1 6 f 廠 梳理 廠 x c f f a t 六 x t a t 1 7 在數(shù)值模擬計算中 對于不同的模型 恰當(dāng)?shù)靥幚磉吔鐥l件是計算正確的關(guān) 鍵 常見的邊界類型有無滑移邊界 入口邊界 出口邊界等 本文還用了界面邊 界 對于不同邊界類型采用不同的邊界處理方法 基本邊界處理方法有兩種 簡 單碰撞彈回 反彈格式 和非平衡外插格式 本文用的是后者 下面做以簡單介 紹 非j 卜衡外插格式是將邊界點的狀態(tài)分為平衡態(tài)和t f t 衡態(tài)兩部分 平衡態(tài)部 分用邊界點本身的平衡態(tài)函數(shù)計算得到 而非平衡態(tài)部分則使用非平衡外插確 定 即式 1 8 所示 這利r 形式誤差可達(dá)二階精度 1 z w a t w f 1 一二 m 廠 t a t 一 e q 1 8 j l f 其j f i f e q 是邊界節(jié)點 7 是與邊界節(jié)點相鄰最近的流體節(jié)點 在計算z 囂 時用到的密度是相鄰最近流體節(jié)點的密度 而速度是它本身的速度 非平衡函數(shù) 由流體節(jié)點近似差分得到 即 繁 n f t a t 一腮l f t 1 9 非平衡外插的邊界處理方法同時適用于速度場與溫度場的模擬 且可達(dá)二階 精度 1 4 本課題的主要任務(wù) 1 4 1 課題的前期工作概述 本課題為國家 8 6 3 計劃 高效傳熱普及模式地?zé)峋聯(lián)Q熱器 基金課題 第一章緒論 的后續(xù)研究 之前課題做已經(jīng)做過實驗?zāi)M及熱力分析研究 有如下結(jié)論 1 井管內(nèi)外對流現(xiàn)象產(chǎn) 牛的驅(qū)動力米自于含水層內(nèi)部的溫差 即如果增大 對流 即可獲得更高的熱輸出 井內(nèi)的對流空間在換熱過程中起到關(guān)鍵作用 2 當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)傳熱溫差越大 井 卜 換熱器熱輸出性能的影響越大 表明由換熱 及滲流形成的混和對流 i 自然對流仍占主導(dǎo)作用 根據(jù)熱儲的溫度條件設(shè)計合 理的入口水溫 是提i 畝井下?lián)Q熱器熱輸出的主要因素 3 井下?lián)Q熱器出口溫度隨著循環(huán)流量的增加而下降 但是總的取熱量仍然增 加 1 4 2 本論文主要研究內(nèi)容 地?zé)峋聯(lián)Q熱器系統(tǒng)在我國的相關(guān)研究工作已經(jīng)起步 但是對流增速管的研 究尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)介紹 而國外雖有對流增速管的相關(guān)研究 但仍然缺少一定的有 效數(shù)據(jù) 并不能指導(dǎo)工程實踐 我國的地?zé)豳Y源豐富 基于這一特點 研究對流 增速管對強(qiáng)化井下?lián)Q熱器則顯得尤為關(guān)鍵 本文的研究工作內(nèi)容主要包括以下兩個方面 1 對流增速管實驗?zāi)M 建立對流增速管的實驗?zāi)M系統(tǒng) 控制系統(tǒng)儲層中的溫度 換熱器入口溫度 和換熱器的循環(huán)流量 本系統(tǒng)與實際井下?lián)Q熱器在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了幾何相似 并保 證了換熱器內(nèi)的r p 的數(shù)量級相同 實驗中采用t 型熱電偶進(jìn)行溫度測量 在熱 儲層的不同深度 不同的徑向距離和u 型換熱器的進(jìn)出口 以及在對流增速管 的不同高度和內(nèi)外兩側(cè)各布置一些測點 反映對流換熱過程t i 儲層內(nèi)的溫度場 骼i l l 視u 型換熱器的進(jìn)出口溫