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地熱井下換熱器的研究及其應用進展點擊：1874 日期：[ 2014-04-26 21:53:36 ] |
| 地熱井下換熱器的研究及其應用進展 戴傳山,劉雪玲,孫平樂 (天津大學機械學院,天津300072) 摘要：介紹了地熱井下換熱器的國內外研究進展和應用現狀，著重闡述了地熱井下換熱器研究與設計的難點問題，包括地熱井下換熱器回水管散熱損失、井管直徑的影響、對流增速管的作用以及進水溫度對總提取熱量的影響。指出井下換熱器與地面熱泵系統的結合，降低了井下換熱器的進水溫度，從而可以有效地提高從地下提取的總熱量，而且可以降低對地下熱儲層溫度上限的要求。另外，分析了在我國應用地熱井下換熱器的可行性與主要使用范圍。 關鍵詞：地熱井下換熱器;可行性;研究進展 中圖分類號：TK521 文獻標識碼：A 文章編號：1008-8857(2008)01-0007-05 地熱井下換熱器與地源埋管換熱器不同，其本質區別在于：井下換熱器主要依靠井內底部地熱水層的自然對流方式取熱，而地埋管換熱器主要依靠埋管周圍土壤的導熱方式取熱。雖然井的深度相差不多，但地熱井下換熱器單井取熱量在百千瓦的數量級，最高提取熱量可以達到1 000 kW以上，而地源埋管換熱器只有幾千瓦的數量級，一般也僅有2 kW~5 kW。顯然，從供熱負荷角度，一套地熱井下換熱器的提取熱量可高出地埋管換熱器的兩個數量級。有條件的地方采用地熱井下換熱器系統遠比地埋管換熱器系統經濟。地熱井下換熱器也同樣具有不抽取地下水、無地熱水排放等優點，無污染環境問題，可以保護地下水資源。由于地熱井下換熱器依賴自然對流方式傳熱，其傳熱機理比地埋管換熱器的導熱問題復雜得多，本文對地熱井下換熱器的研究難點和研究現狀進行了闡述。 1·國內外研究進展 世界上第一個地熱井下換熱器裝置是1931年在美國Charles Liev建成的，但比較有系統的研究工作始于1975年，美國俄勒崗技術學院地熱中心進行了試驗研究，此后，新西蘭、日本等國也先后開展了研究工作，至今已取得了一些相當好的研究成果[1~2]。目前，在美國的Klamath Falls有超過500個地熱井下換熱器系統在運行，內華達洲也有近200個地熱井下換熱器在運行，在新西蘭的Rotorua地熱田有約140地熱開采井眼，其中安裝地熱井下換熱器取熱的有42眼，井下換熱器的深度80 m~120 m，不僅解決了當地政府大樓以及居民的冬季取暖，也帶動了當地的旅游業的發展。在Topo也有20多個地熱井下換熱器系統，有3套地熱井下換熱器供當地一所中學的冬季采暖[3~4]。日本和美國在20世紀90年代合作開展了利用深層地熱井下換熱器進行發電的研究。在土爾其地熱井約有400多眼，其中第一個用于地熱采暖的井下換熱器系統是在1987年，目前有約25 000戶家庭采用地熱供暖。據預測，到2020年這一數字將超過50萬戶[5]。 我國從1986年開始由天津大學地熱研究培訓中心主持對地熱井下換熱器的機理進行了研究[6]，研究結論指出：①地熱井下換熱器的初投資比采用深井泵抽取水然后在地表換熱器進行換熱的初投資節約1/3以上；②地熱井下換熱器的局限性是一般要求有淺井地熱資源條件；③比較適合于小型住宅和北方農村采暖。同時，進行了有對流增速管情況下的數值模擬計算，通過試驗驗證，在對流增速管的材質上提出了合理建議，首次繪制了我國地熱井下換熱器比較適合的省份和地區圖。 國家“八五”期間進行了首個地熱井下換熱器系統的試點研究工作，試點選擇在河北的懷來，井深102 m，井底最高水溫79℃，供熱能力約200 kW，為一建筑面積約4 000 m2的辦公樓提供冬季采暖[7~8]。 國外的地熱井下換熱器(DHE)應用研究包括：①合理設計地熱井下換熱器系統，擴大地熱井下換熱器的應用領域，比如：與熱泵系統結合、與太陽能利用系統結合、甚至采用蓄熱節能裝置等。除了供暖之外，還可用于道路融雪，提供生活熱水等[9]。②選用新型材料與結構形式的井下換熱器；為了提高井下換熱器的使用壽命，采用耐化學腐蝕材料，比如采用隔氧交聯聚乙烯(PEx)管[10]。 在應用基礎研究或機理研究方面，國外主要開展了以下幾方面工作：①井下換熱器的流動特性；②井下換熱器的能量提取率的確定；③傳熱的數值模擬；④自然對流與混合比理論的新模型等，如意大利學者Carotenuto建立了集總參數傳熱模型，并分析了采用對流增速管和不采用對流增速管的機理區別[11]，見圖1。但一些模型與實際仍有較大出入。綜上所述，國內DHE研究與國外相比還有一定差距，主要是試驗經驗少，有效試驗數據少；其次，在DHE的工藝和材料上也有一定的差距。至今，我國還沒有一個真正運行的地熱井下換熱器系統。 2·井下換熱器的技術難點 (1)回水管散熱損失 1990年新西蘭專家Dunstall和Freeston對一個123 m深的“U”管井下換熱器進行了試驗。圖2表明“凈得熱”主要發生在底部地熱水層內，由于回水管的溫度高于進水管的溫度，出現了回水向井壁周圍和進水管的散熱損失，平均約10 kW?m-1，這部分散熱損失相當可觀。為解決散熱損失問題，前人已經提出了幾種手段：①采用較小直徑的細回水管，這樣熱水在井下回水管內的停留時間短，散熱損失少；②回水管采用保溫材料管，減少導熱損失。 (2)狹小空間內強化自然對流換熱 眾所周知，評價自然對流換熱強度的無量綱換熱準則數一般為瑞利數Ra，其定義式為： （1） 式中，β、ν、a分別為工質的體積熱膨脹系數、工質的運動粘度度系數和熱擴散系數；g為重力加速度；?T是熱儲流體與井壁面溫差；H為自然對流的特征尺寸。 反映自然對流換熱系數大小的努謝爾特數Nu與Ra數的冪指數成正比，即，在層流條件下m約為1/4，在湍流時約為1/3。顯然，增加自然對流的特征尺寸H，在相同溫壓下瑞利數Ra是以自然對流的特征尺寸H的立方指數函數形式增加，從而可以強化自然對流的換熱。地熱井下換熱器與地熱水層間實際發生自然對流換熱強度不僅與井徑有關，也與地層熱儲參數、附加增速管的幾何尺寸和結構形式有關。 (3)自然對流增速管的結構設計 設置對流增速管的目的是強化井下換熱器換熱管與井管內地熱水的流動傳熱，它是在1979年由美國地熱專家Allis提出的[12]。增速管的上下開孔使地熱水與井管間的溫差環流能夠順利通過。但會出現兩種可能，一種是地熱水從增速管的內部向上流，從上開口流出增速管外，然后沿增速管外部流下，形成一個環流；另外一種可能則相反，從增速管外流上，而從增速管內流下。如果增速管的設計不合理，會出現沒有環流狀態的中間狀態，或者即使有環流也很微弱，這樣就達不到強化自然對流換熱目的。對“U”形管結構的井下換熱器，增速管、換熱管和井壁的相對位置可以有如下三種組合：①在換熱器管外；②套一跟換熱管；③套兩跟換熱管。具體哪一種比較合理，還需要具體情況下的理論模型與試驗驗證。1981年Allis[13]曾做過粗略的預測，認為當增速管以cm計算的直徑D0大于其以m計算的長度L時以對流為主，否則以導熱為主。有人也曾在實驗室內建小模型進行了研究[14]。值得指出的是，自然對流問題是個有強非線性特征問題，照搬模擬結果是危險的，也是不可靠的。 (4)高進水溫度下熱輸出降低 國外大多數地熱井下換熱器是在有較高溫度地熱熱儲條件下運行的，我國有這樣地熱資源條件的地方不多見。因此，如何突破這種溫度資源條件的限制，實現有更多的地區可以利用地熱井下換熱器，其中一種比較有效的方法是與熱泵技術相結合，井下換熱器作為熱泵蒸發器的熱源，如圖3。 4·結束語 地熱井下換熱器具有不抽取地下水、無地熱水排放等優點，無污染環境問題，可以保護地下水資源。同時，單井提取熱量能力優于地埋管換熱器。因此，有條件的地區應首選井下換熱器而不是埋管換熱器。與熱泵機組的結合可提高供熱負荷的能力，同時，可以降低對地質資源條件的溫度要求。然而，由于地熱井下換熱器依賴自然對流方式傳熱，其傳熱機理比地埋管換熱器的導熱問題復雜得多，還需進一步研究。 參考文獻：略 |
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