地热井下换热器的模拟实验与理论研究

【摘要】： 我国中低温对流型地热资源丰富,如能充分开发,则可节省大量的常规能源,缓解经济、社会发展日益增长的能源需求。国内现有两种地热供暖的主要方式,即抽灌式地下水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统,由于受到资源开采或热源禀赋的限制,使得开发新的地热利用模式成为推广地热应用的必要途径。地热井下换热器系统通过悬装在热水井中的U型或同轴套管型换热器以对流方式与地层换热,是一种只取热不取水的地热利用装置,兼具抽灌式地热系统对流传热效率高和埋管式地热系统不抽取地下水的优点,其应用与推广能够为加速我国的地热利用提供新的动力。针对我国地热资源以中低温为主的特点,通过实验与理论研究确定井下换热器传热过程中各影响要素及其热力学性能,对其应用的实现具有至关重要的作用。 本文建立了一套井下换热器模拟系统,该系统可以调节和控制储层的流速与温度、换热器入口温度和循环水流速,通过实验确定不同因素对井下换热器传热性能的影响。该系统与实际井下换热器装置在结构上实现了几何相似,运行工况中近似实现了流场相似。通过几何参数、工况参数及热储结构与温度条件的多种组合共进行了40组对比实验,基于对各影响因素的分析得到了井下换热器的传热实验关联式,通过关联式求出的理论值与实测值的平均误差为23.3%,可为工程设计提供一定的参考。 本文基于多孔介质的Brinkman-Forchheimer模型对储层内的自然对流换热进行了研究。根据实验测得的孔隙度φ、Da数和Ra数,采用格子Boltzmann方法的BGK模型实现了储层物理模型的求解;通过与多孔方腔物理模型的有限元数值解进行比较,验证了本章所用方法的可靠性及精度。通过数值模拟对不同壁面梯度下储层内传热过程的特点进行了研究,结果表明壁面梯度小于0时有利于多孔储层内的对流换热。? 本文结合闭式地源热泵系统热源侧的组成特点,提出了对中低温地源热泵系统进行源侧?分析的一般物理模型,在?值计算中采用实时变化的环境气温作为参考态温度;基于本文实验所得到井下换热器传热关联式对具体的源侧?分析模型进行求解,研究了环境温度、运行条件和几何参数等因素对井下换热器热力学性能的影响。在分析中提出了?效比这一参数,作为不同地源系统比较的基准,该参数表征地源热泵系统从热源侧获取净?的难易程度。结果表明:?效比的两个取值,即0和1,可用来判断系统的适宜程度;井下换热器系统即使在入口温度低等较为不利的运行条件下,?效比仍数倍于地埋管系统,在地下水赋存地区,采用井下换热器系统不失为一种更好的选择。 【关键词】：井下换热器 传热 多孔介质 自然对流 格子玻尔兹曼方法
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TK172
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第一章 绪论9-31
• 1.1 课题的研究背景9-18
• 1.1.1 能源与环境面临的问题9-13
• 1.1.2 井下换热器系统工作原理13-16
• 1.1.3 井下换热器系统的发展与现状16-18
• 1.2 课题相关研究现状18-28
• 1.2.1 井下换热器系统的实验研究18-21
• 1.2.2 井下换热器系统的理论研究21-24
• 1.2.3 格子Boltzmann 方法的发展与研究现状24-27
• 1.2.4 地源热泵系统(火用)分析研究现状27-28
• 1.3 本文研究内容概述28-30
• 1.3.1 井下换热器系统模拟实验研究29
• 1.3.2 多孔热储层对流传热与传质的LBM 研究29-30
• 1.3.3 井下换热器系统源侧(火用)分析研究30
• 1.4 本章小结30-31
• 第二章 实验系统和实验方法31-43
• 2.1 实验系统31-35
• 2.1.1 实验系统设计思路31-32
• 2.1.2 实验系统组成32-35
• 2.2 实验方法与数据处理35-41
• 2.2.1 实验方法35-36
• 2.2.2 实验数据处理36-41
• 2.3 实验误差分析41-42
• 2.3.1 直接测量参数的误差41-42
• 2.3.2 所求参数的误差42
• 2.4 本章小结42-43
• 第三章 井下换热器传热性能实验研究43-68
• 3.1 对比实验测量数据分析43-56
• 3.1.1 渗流速度的影响43-47
• 3.1.2 井下换热器管内流速的影响47-49
• 3.1.3 换热温差的影响49-52
• 3.1.4 井下换热器井管几何因素的影响52-56
• 3.2 井下换热器的传热关联式56-60
• 3.2.1 传热关联式的提出56-59
• 3.2.2 井下换热器传热影响因素综合分析59-60
• 3.3 多孔热储层传热特性实验结果分析60-67
• 3.3.1 换热温差的影响60-62
• 3.3.2 渗流速度的影响62-64
• 3.3.3 管内循环流速的影响64-65
• 3.3.4 U 型管安装朝向的影响65-66
• 3.3.5 对流空间的影响66-67
• 3.4 本章小结67-68
• 第四章 井外热储层传热传质的模拟研究68-79
• 4.1 多孔介质的理论研究模型68-70
• 4.1.1 Darcy 模型68-69
• 4.1.2 Darcy 模型的两个重要修正69-70
• 4.1.3 Brinkman-Forchheimer 模型70
• 4.2 地热井外多孔储层的理论模型70-72
• 4.2.1 物理模型的建立70-71
• 4.2.2 控制方程及简化假设71-72
• 4.3 数学模型的建立72-74
• 4.3.1 格子Boltzmann 方法的BGK 模型72-74
• 4.3.2 求解步骤74
• 4.4 求解程序正确性验证74-75
• 4.5 模拟结果分析75-78
• 4.6 本章小结78-79
• 第五章 井下换热器源侧?分析研究79-101
• 5.1 源侧(火用)分析概述79-82
• 5.1.1 源侧(火用)分析的目的79-80
• 5.1.2 源侧(火用)分析的一般物理模型80-82
• 5.2 井下换热器系统源侧?分析82-90
• 5.2.1 井下换热器源侧(火用)分析建模与求解82-85
• 5.2.2 井下换热器源侧(火用)性能分析85-90
• 5.3 地埋管换热器系统源侧(火用)分析90-98
• 5.3.1 地埋管系统源侧(火用)分析建模与求解90-93
• 5.3.2 地埋管源侧(火用)性能分析93-98
• 5.4 两种闭式地源热泵系统的源侧?性能比较98-99
• 5.5 本章小结99-101
• 第六章 结论101-104
• 6.1 主要结论101-102
• 6.2 论文创新之处102-103
• 6.3 今后的研究目标103-104
• 参考文献104-112
• 发表论文和参加科研情况说明112-114
• 致谢114

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

一种新型地热井下换热器-热泵联用供热系统的热力分析    戴传山;赫广迅;解寺明;孙平乐;

深层地热水资源在暖通空调领域中的应用探讨    窦成良

地热井下换热器用于供热的实验研究    解寺明

地源热泵地下传热机理与试验模型研究    李济林

油价飙升:欧盟面临的挑战与对策    冯建中;

供需失衡挑战能源安全——《BP世界能源统计2008》解析    王立敏;

我国地热资源量利用世界第一 开发处于初级阶段    

地热源热泵地下埋管换热器传热模型的综述    刘宪英,胡鸣明,魏唐棣

我国利用地热资源居世界首位    徐晓维;

我国广义建筑能耗状况的分析与思考    李兆坚;江亿;

我国酸雨状况及综合防治对策研究    赵志龙;

民用建筑怎样实现降低20%能耗的目标    龙惟定;

美国新的立法举措以降低车用燃料消耗    朱毅;

用格子Boltzmann方法模拟液滴合并过程    李维仲;李爽;

挤出机双流道筒体的设计及换热能力的计算与分析    潘宝霞;贾朝阳;

浅谈高校绿色校园建设的必要性及对策——以成都市某高校新校区建设为例    林丽;康景文;

复合墙体室内温度响应研究    许建柳;

地源热泵竖埋U形换热器一维数值模型    李茜;苏华;李晓虹;张燕;

《计算机在化学化工中的应用》课程体系改革初探    冯燕;吴振玉;

CSP连轧过程变形的有限元分析    李传瑞;王立涛;葛仁余;余小鲁;陈志浩;

基于正交试验法优化电火花线切割加工参数的研究    疏达;赵雪松;孙际超;方敏;

我国地热资源开发利用立法研究    陈森森;刘军弟;胡茜茜;王效华;

农产品加工的供热管道在传输过程中的热损耗分析    宋如敏;王恒青;

2008年辽宁省酸雨时空分布特点分析    宗英飞;张国林;苏常新;宋军;

格子玻尔兹曼多相流模拟中无滑移边条件选取    陈瑜;蔡庆东;

圆柱形烟花热自燃数学模型研究    季玲玲;周光魏;寇智慧;赵保国;杜志明;郭泽荣;

太阳能空气集热器传热性能实验研究    魏琪;赵俊;

能耗统计在建筑节能工作中的应用    介鹏飞;李德英;

电解槽保温技术的应用与探讨    贺建忠;幸利;马康康;

斯特林热机逆流换热式回热器    孔令斌;

水下湿法焊接温度场的数值模拟    赵博;武传松;

双辊带材铸轧侧封技术中熔融钢液液面宽度对侧封板所受温度场和应力场的影响    宋小伟;孙斌煜;

空冷器环肋的熵最小化原理分析    王立新;

结构构件耐火隔热性计算模型    张靖岩;史毅;吕振纲;仝玉;王礼;

密度锁内水力特性的研究    谷海峰

甘肃河西大麦麦芽干燥控制系统研究    高晓阳

高压脉冲电场破除油包水型乳状液研究    罗凡

熔融盐高温斜温层混合蓄热的热过程特性    左远志

基于GPU并行计算的数值模拟与燃煤锅炉系统的优化研究    吴锋

汽油机燃用乙醇汽油混合燃料的空燃比控制技术研究    姚栋伟

纳米流体强化传热的实验和数值模拟研究    张邵波

槽形竖壁冷凝强化规律研究与结构优化    朱登亮

内置折边扭带管内混合气体对流凝结换热与阻力性能研究    崔永章

委内瑞拉油气勘探开发投资环境研究    赵苗

丹江口库区代表性水源地农村水污染控制措施的研究    王华玲

高温矿井热环境数值模拟及热害控制技术研究    侯建军

矿井冰制冷降温系统能效测试与诊断    亓玉栋

我国农村饮用水源保护的法律问题研究    张玉

井下工具油浸试验装置温度控制系统分析    赵达

液相色谱—串联质谱法测定饮用水中406种农药及相关化学品残留量    王雯雯

纤维混凝土夹心秸秆压缩块砌块墙的研究与开发    刘永

钢管组对机总体方案设计及关键技术研究    王建秋

渗流作用下深部矿场采动围岩的传热机理研究    徐义洪

能源安全对中国和平发展的挑战与对策分析    颜志强

天津市深层粘性土对地面沉降的影响及其沉降量计算    陈戈,阎世骏,李铁锋

热水井开采对怀来台流体动态的影响分析    宋晓冰,李海孝,张常慧,车用太,刘成龙,刘五洲

国内外地热能开发利用现状及前景分析    王贵玲,张发旺,刘志明

地热开发利用过程中的环境效应及环境保护    申建梅,陈宗宇,张古彬

城市建设地质极限问题分析    吴恒,张信贵,代志宏,林春伟

地下水源热泵空调系统与地下水环境问题的分析——以沈阳地区为例    王宏;刘嵘;成红之;

实现单位GDP能耗降低20%目标的途径和措施建议    戴彦德;周伏秋;朱跃中;熊华文;

同井回灌地下水源热泵热力特性分析    倪龙;马最良;孙丽颖;

国家物资储备促进稀土产业发展研究    邹俊义;

水源热泵抽取和回灌地下水对建筑物沉降的影响    单明;刘忠昌;舒昭然;李颖;

华北地区大中型城市建筑采暖方式分析    江亿;

利用深井地热水作为辅助热源的水源热泵系统节能分析    丁良士;张长春;尹富庚;于凤菊;王婧;

地源热泵地下套管式埋管换热器性能研究    魏唐棣

竖直埋管型地源热泵地下传热及热力性能的研究    赵军

埋地换热器内热源理论与地源热泵运行特性研究    李新国

土壤蓄冷与热泵集成系统地埋管热渗耦合理论与实验研究    范蕊

长江水源热泵换热器研究    王子云

土壤源热泵垂直地埋管换热器传热特性研究    於仲义

地源热泵地埋管随机传热与可靠性理论研究    刘卓栋

低温地热能的利用研究    于凤菊

低温地热能梯级利用供暖系统研究    尹富庚

浅析我国稀土安全及安全战略    程潇黎

住宅建筑各种类型采暖供热方式的综合比较及节能研究    常缨

低温地热田开采与回灌物理模拟试验研究    宋士琨

地源热泵系统经济性评价及地下换热器研究    崔璐

岩土材料导热系数及水源热泵室内模拟试验研究    吴刚

水电工程农村移民入股安置模式初探    孔令强;施国庆;

中国铜管制造业现状及特点    王硕 ,刘炜

中国铝挤压技术及装备    王自焘

农村饮用水源保护法律调控机制创新研究    赵晨;

非晶硅太阳电池进展和展望    邓志杰

浅析我国水资源现状    武文慧

中国能源发展面临的挑战及应对措施探讨    路锦程;黄峥;

国际能源机构法律制度初探——兼论国际能源机构对维护我国能源安全的作用    杨泽伟;

“东北亚能源共同体”法律框架初探    杨泽伟;

筑坝河流的生态补偿    董哲仁;

水利工程移民专业化管理研究    曾建生

导热型地温梯度场内的U型管式井下换热器    戴传山，张启

利用井下换热器(DHEs)开发地热资源    赵军,涂锋华,朱强,李新国

中低温地热井下换热供热实验研究    梁军,戴传山,张启

地热井内U型管换热器供热装置的理论分析    张启，梁军

多孔介质层内同轴管式井下换热器的相似解    赵军,戴传山,刘启梁

对流型地层内井下换热器实验模拟研究    赵军,涂锋华,戴传山,李新国,朱强,袁伟峰

一种新型地热井下换热器-热泵联用供热系统的热力分析    戴传山;赫广迅;解寺明;孙平乐;

井下换热器周围对流型地热储传热特性    赵军,戴传山,李新国,朱强,袁伟峰,龚宇烈,周倩

地热井开发与改造研究    李启民,何满潮

南宁市九曲湾深层地热井成井工艺    黄桂强;

井下换热器结合热泵在浅层地热能中的应用    解寺明;戴传山;

地热井口设备设计软件的研究    戴传山;朱家玲;

西安市地热资源可持续利用的回灌试验研究    任战利;陈玉林;李晓辉;刘立萌;田涛;段海礁;崔军平;

如何评价地热井可开采量及保护范围——以河北省牛驼镇地热田固军热1井为例    李永壮;张晓旭;

地热井可开采量及布井间距的确定    沈俊超;王朝晖;

天津市地热资源管理规定    

福州XG-5号地热井施工工艺    田勇;

福州地热井施工组织与管理    田勇;

安徽省潜山县天柱山风景区地热资源与开发远景评价    黄江华;王少龙;敬海霞;王文龙;

科学管理 综合开发 倾力打造全国首家“中国地热城”——咸阳市地热资源开发管理及综合利用情况汇报    贠培琪;

千万平方米住宅实现地热采暖    张新民

北京打出一口最深地热井    记者 段金平 通讯员 王薇薇

北京地勘院在兴华打出优质地热井    通讯员 李政　张进平 记者 段金平

东方物探在匈牙利钻探成功地热井    焦燕

定录一体化技术成功应用于陕西地热井市场    蒋威　刘波

帕米尔高原打出第一口中温地热井    韦鑫

山东一勘院完成“沂蒙第一地热井”    记者 李现文

勘察行业奔出航天“黑马”    本报记者 许斌　实习记者 郑才明

京城打出103℃地热井    本报记者 陈永杰

地热 要让它冬天制热夏天制冷    本报记者 胡春萌

地热井下换热器的模拟实验与理论研究    陈雁

山东省地热资源综合信息远景预测    方宝明

关中盆地地下热水地球化学及其开发利用的环境效应研究    赵慧

竖直埋管型地源热泵地下传热及热力性能的研究    赵军

松辽盆地构造热演化及地热资源定量评价研究——以杜蒙地区为例    施龙

京北地热田特征及其开发对地震地下流体动态的影响    吕金波

天津地区雾迷山组热储地下热水资源可持续开发利用研究    林黎

高温高压条件下冲击—切削钻孔破岩实验研究    赵金昌

分布式地热系统双循环发电效率分析与梯级供热试验研究    崔俊奎

鲁西北地区地下热水的水文地球化学特征及形成条件研究    张保建

地热井下换热器—热泵联合使用机理研究    赫广迅

地热井下换热器用于供热的实验研究    解寺明

对流增速管强化井下换热器的传热研究    刘学章

宁波中东部地区地热资源开发条件分析    石晓今

塘沽区北部古近系东营组地热资源调查评价    孟利山

北京城区地热形成机理及开采动态研究    戴文育

邯郸东部平原地区地热地质特征及开发利用研究    景成虎

基于开采条件评价及回灌潜力分析的地热可持续开发研究    庞菊梅

基于地层形变理论的西安地热田开发前景研究    曹海东

辽河油田地热资源评价及其配套技术研究    邓春来