深层U型地热换热器换热过程模拟计算研究

【摘要】：现有地热利用以直接抽取地下热水和浅层地源热泵技术为主，各有优劣。深层U型地热井实现“采热不采水”，不破坏地下水源、取热量大，本文以深层U型地热井为基本模型，以西安地热田为地热井所在地，在合理的假设前提下建立了U型地热井换热的数学物理模型。用直采热水井数据对所建模型进行验证，结果表明换热器出口水温计算值与实际值误差为7.77%，模型合理可靠。 用所建模型计算了不同流速、管径、U型管水平管长度、地温梯度条件下一个采暖季（120天）的采热效果。计算结果表明：管径相同的情况下，管内流速越慢，出口水温越高，流速在0.75~1.0m/s时单位时间采热量达到最大值；管径为0.1538m，传热稳定时，水平管长度每增加1000m，出口水温增加3.3℃；当水平管长度固定为1000m时，单位时间采热量最优参数为：管径0.1538m，流速0.75m/s，单位时间采热量最大，为0.8488MW；管径为0.1538m、水平管道长1000m、流速为0.75m/s时，地温梯度每增加1℃/hm，单位时间采热量增加0.515MW，当地温梯度为10℃/hm时，平均单位时间采热量达到4.45MW，能够满足8.9万m2居住面积的供暖需求。 建立了地温恢复模型，计算了多个地温梯度下停止采热后八个月（240天）内管道内及管外岩土的温度恢复效果。计算结果表明，经过240天，在各个地温梯度下采热井壁面处岩土的温度恢复率较高，都在92%以上，恢复速度先快后慢。 【关键词】：深层U型地热井 换热模型 数值模拟 地温恢复
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK172
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 绪论8-24
• 1.1 引言8
• 1.2 地热及地热来源8-11
• 1.3 地热资源分类与分级11-12
• 1.4 当前地热利用主要形式12-16
• 1.4.1 直接利用12-14
• 1.4.2 间接利用14-15
• 1.4.3 深层地热利用的新形式15-16
• 1.5 当前地热换热器理论研究中的主要模型16-22
• 1.5.1 线热源模型16-17
• 1.5.2 柱热源模型17-19
• 1.5.3 Eskilson 模型19
• 1.5.4 k-ε热流耦合数值模型19-21
• 1.5.5 高温岩体固热流耦合模型21-22
• 1.6 课题研究对象与内容22-24
• 1.6.1 研究对象22
• 1.6.2 研究内容22-24
• 2 模型建立24-32
• 2.1 U 型地热井换热过程分析24
• 2.2 基本假设24
• 2.3 模型物理场控制区域划分24-25
• 2.4 控制方程及耦合关系25-27
• 2.4.1 传热方程25-26
• 2.4.2 多孔介质渗流方程26-27
• 2.4.3 耦合关系27
• 2.5 边界条件、初始条件及物性参数27-31
• 2.5.1 传热场的边界条件、初始条件27-28
• 2.5.2 多孔介质渗流场的边界条件、初始条件28
• 2.5.3 岩层物性参数28-31
• 2.6 本章小结31-32
• 3 计算方法32-46
• 3.1 数值方法32
• 3.2 计算难点32-33
• 3.3 解决措施33-43
• 3.4 模型验证43-44
• 3.5 本章小结44-46
• 4 采热数值计算与结果分析46-63
• 4.1 流速与水平管长度对采热的影响46-49
• 4.1.1 流速对采热的影响46-48
• 4.1.2 水平管长度对采热的影响48-49
• 4.2 管径大小对采热的影响49-50
• 4.3 采热对岩土温度、岩土中水分渗流速度的影响50-57
• 4.3.1 采热对岩土温度的影响50-55
• 4.3.2 采热对岩土中水分渗流速度的影响55-56
• 4.3.3 采热后管壁温度变化56-57
• 4.4 地温梯度对采热的影响57-61
• 4.4.1 地温梯度对单位时间采热量与出口水温的影响58-59
• 4.4.2 不同地温梯度下现有保温层深度和厚度对采热的影响59-60
• 4.4.3 温度影响范围分析60-61
• 4.5 本章小结61-63
• 5 地温恢复数值计算与结果分析63-72
• 5.1 地温恢复方案63
• 5.2 地温恢复率计算及分析63-65
• 5.3 地温梯度 10℃/hm 的恢复计算分析65-71
• 5.3.1 采热井各段管外岩土温度恢复云图65-68
• 5.3.2 地温恢复曲线分析68-69
• 5.3.3 采热管壁处的温度恢复情况69-71
• 5.4 本章小结71-72
• 6 结论72-74
• 6.1 结论72-73
• 6.2 展望73-74
• 致谢74-75
• 参考文献75-78
• 附录：硕士在读阶段发表论文情况78

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