增强型同轴套管换热器热响应试验及换热对比分析

以3口120m深度钻孔中的增强型同轴套管换热器、单U形和双U形地埋管换热器为研究对象,开展了现场热响应对比试验。结果表明,与原状土样的实验室测试值相比,单U形和双U形地埋管钻孔的现场测试岩土热导率分别偏高约7.3%和14.7%。增强型同轴套管换热器由于内管外侧设置了螺旋肋片,其环状槽道会不同程度增加流程长度,因此在利用线热源模型进行数据处理时需要修正计算;修正后的测试岩土热导率与U形地埋管测试结果吻合良好。就单位井深换热量而言,大小顺序如下:增强型同轴套管>双U形地埋管>单U形地埋管。

同轴套管换热器井下换热性能实验研究

本文介绍了一种适用于中深层地热井的同轴套管式换热器技术,可以做到传热不传质,取热不取水,在最大限度利用深层地热的同时,不消耗深层地下水。通过实际测试单井取热量可达到118 W/m,具有取热量大、后期运行费用低等优点。实际工程应用显示,利用“地热+”模式可以有效解决因地热井关停带来的诸多问题。利用关停的中深层地热井,只取热而不抽取地下水,有效避免中深层地热井闲置造成的资金浪费,同时可为用户提供高效清洁的能源供给。

喷射式同轴套管换热器采热特性研究

为提高井底高温区地热能开采效率,文章构建了一种用于水平地热井开采的喷射式同轴套管换热器。基于有限体积法建立水平段近井底区三维数值仿真模型,对比分析外进内出型(Outside-in and Inside-out type,OI)、内进外出型(Inside-in and Outside-out type,IO)和喷射式(Jet Inlet,IOI)同轴套管换热器的流场和温度场,揭示了喷射式换热器强化传热机理。结果表明:IOI型换热器内流体的湍动能增加,并形成涡旋,提高了地热开采效率。通过对比采热性能发现,努塞尔数随质量流量增加而增加,IOI型的努塞尔数比其他两者分别高18.33%~32.48%和5.33%~18.84%;摩擦系数随质量流量增加而降低;相同质量流量下,IOI型换热器热增强系数比其他两者分别高9.13%~13.58%和3.61%~10.24%;IOI型的平均采出温度和平均延米换热量始终在三者中最高。研究结果为提高水平地热井同轴套管式换热器开采效率提供理论依据。

扭曲管同轴套管换热器强化传热和流阻特性

开发一种新型扭曲管同轴套管换热器,对其传热和流动特性进行实验测试,并拟合管程及壳程的Nusselt数(Nu)和摩擦因子(f)关联式。实验结果表明:随着流速的增大,总传热系数和流阻升高。在测试范围内(0.1~1.5 m/s),总传热系数增幅约为34%,管程流阻从37 Pa升高约120倍至6033 Pa,壳程流阻从361 Pa升高至130761 Pa。当1000<Re≤10000时,扭曲管同轴套管换热器综合评价因子(η)>1,最高为2.3;当10000<Re<30000时,η<1。在管程流速为0.1~0.5 m/s、壳程流速为0.1~0.4 m/s的范围内,扭曲管同轴套管换热器的整体综合性能最佳,说明扭曲管同轴套管换热器适用于小型制冷空调设备,适合Reynolds数较低的应用场景。

关中地区中深层同轴套管换热器换热能力及提升措施研究

同轴套管换热器是实现中深层地热能井下高效取热技术之一,其换热能力对地热系统的可持续开发至关重要。以关中地区为例,考虑地层不均匀性建立中深层地热井同轴套管传热计算模型,研究注入温度、注入流量、埋管深度等因素对其取热性能的影响,探讨间歇开采工况下注入温度和注入流量对热储层温度恢复的影响。结果表明:随着注入流量增加,出口流体温度下降,但整个系统的取热功率提高;当注入温度较高时,可有效提高出口流体温度,但系统取热功率降幅较大;随着地层深度增加,出口流体温度和取热功率逐渐上升;减小内管管径,增加外管管径,可有效提高出口流体温度和取热功率;热储层温度恢复能力随注入流量和注入温度的升高而提高;通过降低内管导热系数或选用双内管结构可以降低内管流体沿程温度损失,提高系统的出口流体温度。

长沙某地区同轴套管式中深层地热试验井换热及恢复性能研究

在能源结构亟待转型背景下,中深层地热资源展现出了极大优势和开发潜力,但地热资源受地域差异性影响较大,实测研究相对匮乏,给产业规模化应用带来了阻力。本文针对中南地区中深层地热实测研究空缺现实情况,首次基于长沙地区中深层地热试验井,通过分布式光纤实时监测和换热试验测试,探索该区中深层地热资源情况、换热性能和地温恢复能力。试验结果表明:该区中深层地热资源具有良好开发潜力,井底2611m温度达82.8℃,全井平均地温梯度为2.47℃/100m,试验期稳定换热功率达到534.7kW;循环流量与地埋管换热功率呈正相关,与工质温升呈负相关;井温恢复呈现初期快后期慢特点,前24h完成50%的温度恢复量,纵向深度呈现深处快浅处慢的情形,井底温度完全恢复时,300m深处温度仅恢复至初始工况74.6%;与北方高异常区资源禀赋对比,长沙地区中深层地热条件仍处于劣势。

阿法拉伐研发成功增强型无菌管式换热器

阿法拉伐公司（Alfalaval）于2013年12月初宣布，研发成功增强型Pharma-line无菌管式换热器。这种换热器专为生物科技与制药行业设计，主要用于制药用水、注射用水、纯水、CIP清洗系统以及制热与冷却工况，在安装灵活性、可排净性、进一步减少设计误差和降低交叉污染风险等诸多方面有了很大的提升。

同轴套管式换热器周围介质层的传热特性

建立了一套利用同轴套管式换热器模拟周围饱和型多孔介质层传热特性的实验装置 ,得到了一些实验数据 ,建立了理论模型并采用实验与理论相结合的方法 ,为在更广的范围内预测或确定地下土壤层换热速率提供依据。

地下同轴套管式换热器取热工况热响应实验分析

地源热泵系统凭借其节能和环保的特性,一经问世就迅速吸引了全世界的目光,成为了一个非常热门的研究课题。换热器的传热效率一直是地源热泵技术研究的主要问题之一,通过对比传统的单U型换热器,对新型的同轴套管型换热器的取热工况进行试验研究,并对采集的数据进行分析讨论,说明其具有良好的传热效果。

地下渗流场对中深层水平井同轴套管取热性能的影响

为提高中深层地热井取热效率,设计了一种水平井同轴套管换热器,考虑地下渗流场作用,研究了渗流速度、渗流方向、水平段长度等因素对水平井同轴套管换热器取热性能的影响。结果表明:水平井同轴套管换热器的出口温度和取热功率比传统垂直井同轴套管换热器提高了12.6%和42.9%;间歇开采工况下取热系统的出口温度降幅较小,且地层温度恢复更好;当含水层的渗流速度大于5×10^(-8)m/s时,系统出口温度高于无含水层,渗流速度过低不利于地热井取热;渗流方向垂直于水平段,对系统取热性能的提升效果强于与水平段同向工况;适量增加注入流量、降低注入温度、增加水平段长度,可有效提高地热井取热量。

中深层同轴套管式换热器换热性能实验

在河北工程大学中深层地热井安装了埋管深度为2500m的同轴套管式换热系统,采用现场实验的方法进行了换热性能的研究。实验条件为控制地热井入口温度和循环工质流量,实时监测地热井出口温度和循环水流量。通过地热井入口、出口以及循环工质流量得到实验条件下的地热井取热量。

相关参数对增强型冷却塔换热性能影响的研究

以增强型冷却塔为研究对象,通过数值模拟的方法,对其在不同环境温度、湿度及不同换热器布置下的换热性能进行计算与分析,得到不同条件下空气流量和换热量的分布。研究表明:系统换热量随空气湿度增加小幅度增加,而随温度的增加却有较大幅度的下降;在换热面积一定且换热器均匀分组条件下,如换热器间隙有填塞物,换热量随着覆盖率的增加而减小;若换热器间隙无填塞物,换热量随着覆盖率的增加而增加至覆盖率为93%达到最大值,随后减小。最优换热器布置为:覆盖率93%,换热器分组均匀且尽量细分,间隙内无填塞物。

基于热流固耦合的单井增强地热系统数值模拟

为提高深井换热器的取热效率,借鉴干热岩的开发思路,本文提出了一种单井增强地热系统。对单井套管底部岩体进行小范围压裂改造,将单井套管由封闭式系统改为开式系统来提高单井系统的取热性能。建立了热-流-固耦合的三维非稳态数值模型,研究了单井增强地热系统的系统性能表现和各关键参数的影响。结果表明:与传统深井换热器相比,单井增强地热系统的取热性能有较大提升,相同注入工况下,生产温度和取热功率分别提高了62.21℃和2 612.99 kW;从地热工程周期和优化角度出发,单井增强地热系统流量控制在10 kg/s较为适宜,过小的单井增强地热系统流量导致取热效率较低,过大使得系统运行寿命较短;增大井筒封隔间距、减小内管导热系数是提高系统取热性能的有效方法。本文研究可为单井增强地热系统的理论分析和实际应用提供参考。

中深层同轴套管换热器冬季取热性能数值模拟研究

基于能量守恒和热传导理论,建立了2000 m深度同轴套管换热器的地下取热换热模型,开展了数值模拟,并与实测结果进行了对比分析。获得了不同流量条件下同轴套管换热器的进出口温差、换热性能以及沿深度方向上水温变化规律。结果表明,模拟与试验结果吻合较好。在当前模拟条件下,同轴管套的稳态换热量变化范围为110~210 kW(55~105 W/m)。增大流量可以获得120 W/m甚至更高的延米换热量,但需要考虑水泵功耗对系统能效的影响。由于深层地温较高,地温恢复快,同轴套管换热器更适合于间歇运行,以便发挥其高效换热能力的优势。同轴套管换热器实际工程设计时,管间距离应不低于10 m为宜。

同轴套管换热器的优势初探

对螺旋槽纹管进行大量的仿真计算和试验研究,分析内部的多维旋转扰动流动方式及其对强化传热的影响;初步探讨槽深和螺距与换(传)热系数及管内水阻力的关系,为换热器内部结构的优化提供参考依据。

天津地区深层同轴套管换热器取热换热性能测试研究

在天津地区开展了2000 m深度同轴套管换热器的取热性能实验,获得了钻孔地温分布情况,测试了不同工况下同轴套管换热器的实际换热能力。结果表明,钻孔平均地温梯度为3.05℃/100 m,钻孔底部温度为72.7℃,属于典型的中低温地热资源类型。钻孔的最大换热量为276.8 kW,最大延米换热量为138.4 W/m。随着管内流量的增加,同轴套管的进出口温差呈降低趋势,而单位延米换热量呈增加趋势,但趋势逐渐变得平缓。在实际工程应用中,建议尽量避免“大流量+小温差”运行模式。

基于高导热材料填充漏失构造的深井换热器性能分析

地热供暖可有效缓解北方雾霾天气。干热岩虽然储量丰富,但增强型地热技术由于开发费用较高,裂隙控制以及避免诱发地震的技术尚不成熟,现阶段还不能商业化应用。水热型地热开发技术虽较成熟,但受资源条件的限制,开发规模较小。对于大多地区,受地质构造和资源禀赋的控制,单井产水量较低或者回灌难,开发经济效益较差。深井换热器(DBHE)技术是开采地热水低产区或回灌难地区热能的有效方式,但受制于岩石导热系数低,单井输出功率小,投资回收期长。为提高DBHE的输出功率,本文提出了增强型深井换热器(EDBHE),通过主动将高导热性能的复合填充剂流进漏失构造的方式提高岩石的导热性能,通过调节回压、密度和黏度来控制漏失量。研究结果表明,单井EDBHE十个采暖季的平均取热功率为1002.34 kW,是DBHE(424.45 kW)的2.36倍。而双井EDBHE十个采暖季的平均取热功率更是达到了27501.61 kW,且热输出稳定,每年的衰减率0.95%。EDBHE技术有效利用了出水量低或回灌难的水热型热储,大幅提高了其出力,扩大了地热供暖的应用范围。

中深层井下换热器联合热泵供暖系统性能提高技术途径分析

目前,我国地热资源出水量少、干孔以及回灌难,市场上缺乏有效的利用手段,深井换热器(DBHE)是利用该种资源的有效方式之一。针对出水量少、干孔以及回灌难的地热资源,为全面了解DBHE,本文通过试验和数学模拟的手段研究其性能,计算了其20年的运行情况,结果表明DBHE的取热性能年均衰减率低于0.5%。分析了岩石的温度分布和热阻,指出了岩石导热系数小是限制DBHE性能提高的主要因素。针对固井水泥、保温管、井身结构和系统运行,给出了优化设计方案和运行建议。同时,在开源方面,提出了采用填充高导热材料进入漏失构造的方案来提高地层的导热系数和输出热功率;在节流方面,充分利用废弃油气井改造为DBHE进行地热开发。

单井井下换热器开采方式在中深层地热开发中的适应性分析

在中深层地热资源的开发中,存在成本高、技术难、井筒易结垢和腐蚀等问题。单井井下换热器开采具有“取热不取水”的特点,能有效解决回灌中腐蚀结垢问题,是一种低成本、低环保风险的新兴技术,对中深层地热资源开发具有重要意义。基于国内外单井井下换热器的理论研究和现场应用状况,解释不同类型的单井井下换热器的工作原理,对比分析3种类型的单井井下换热器开采的优缺点,提出未来的发展方向。研究结果表明:①在中深层单井井下换热技术中,同轴套管井下换热器换热效率高,技术成熟,现场完井深度可达2300 m,出口水温超过40℃,热能产出可达220 MWh/a;②超长重力热管换热器具有避免工质损失、减少压裂等优点。虽然目前现场应用较少,但其产出温度超过100℃,具有巨大的发展潜力;③U型管换热器虽然换热量低,但具有安装简便,不易渗漏的优点,目前现场应用很少。基于U型管换热器在浅层地热资源开发中的重要性,它也将成为未来中深层单井换热的主攻方向之一。

雄安新区地热井同轴套管闭式循环取热技术研究

地热能是一种含量丰富、成本相对低廉且分布广泛的可再生能源.雄安新区地热储量丰富,亟需高效取热的技术.地热井同轴套管闭式循环取热技术是一种适用于中深层地热、兼具换热效率高和“取热不取水”等优点的新型地热开发模式.单井同轴套管闭式换热系统由钻入地热地层中的垂直井以及井筒中呈同轴位置关系的中心管组成.在此系统中,循环工质从地面通过高压泵被注入环空,通过热对流和热传导从井壁提取热量,然后通过中心管返回地面流经热交换器被利用.本文针对雄安新区地热储层,首先完成同轴套管保温结构、高导热水泥的设计与研发;然后根据设计结果,对地热储层最大产能、井下换热系统取热效率及关键参数的影响规律进行了数值模拟研究;最后在研究基础上,开展同轴套管闭式循环取热技术的现场试验,完成针对中低温地热资源的同轴套管闭式循环取热技术研究及分析,并基于现场情况对不同热储条件和保温结构进行了经济性分析.研究结果表明,地热井同轴套管闭式循环取热技术可以满足对中深层地热能的开发需求,设计的保温结构和高导热水泥对取热供热有积极作用,形成了包括井身结构设计、保温结构设计、井下高效取热装置开发等在内的地热井高效取热完整技术体系.