富水型热储层深井套管式换热器传热特性研究

基于所建立的深井套管式换热器井孔内、外非稳态传热模型,推导得到富水型热储层地下水渗流作用下深井换热器进(出)水管、固井水泥温度以及热储层过余温度的瞬态解析解。以示范工程现场监测数据与有限体积法数值计算结果为验证依据,探究热储层中渗流过程对于深井换热器传热特性的影响。计算得到,当深井换热器循环水量稳定在30 m^(3)/h时,热储层中达西流速由0提高到5×10^(-6)m/s时,平均换热量增大55 kW。然而在忽略热储层中渗流过程时,循环水量由30 m^(3)/h提高到60 m^(3)/h,平均换热量增大34 kW,循环水泵耗功提高20.6 kW。研究表明:随着渗流速度的增大,热储层中的传热机制发生改变,从而强化深井换热器的传热过程;同时降低了循环水流量对于深井换热器换热性能的影响程度。

复合地热井式深井地埋管换热器典型参数敏感性分析

针对复合地热井式深井地埋管换热器工作原理,基于同轴套管型热阻-热容优化模型与热储层热-渗运移理论,建立深井地埋管换热器井孔内、外传热模型。以现场实验监测数据为依据,通过连续介质空间耦合求解方法,开展复合式系统典型参数对地埋管换热性能的敏感性研究。当地热水开采量由0 m^(3)/h提高到75和150 m^(3)/h时,深井地埋管换热功率分别提高75和108 kW。研究表明,通过有序调节地热水开采量与井间距,可改变热储层中的传热机制,强化深井地埋管的传热过程。然而,随着地热水开采量的增大,深井地埋管换热功率增幅降低;地埋管埋深与循环水量的变化对于地埋管换热性能的敏感性减弱。

基于LBM-DEM耦合计算模型的含水层内悬浮颗粒运动特性

基于格子Boltzmann法(LBM)与离散单元法(DEM)的基本理论,通过对格子单松弛模型演化方程进行修正,建立LBM-DEM耦合计算模型。引入浸没移动边界方法(IMB)处理复杂的流-固边界问题,利用编程软件MATLAB开发LBM-IMB-DEM耦合求解程序,对悬浮颗粒在含水介质中的运动过程进行模拟计算。通过开展层析柱强制渗流试验,模拟DKT算例,验证了计算模型与求解方法的正确性;从孔隙尺度分析地下水动力、颗粒形貌和尺寸效应对含水层渗透性能的影响。结果表明:当进口流速为5×10^(-5) m/s,向含水介质注入球形硅微粉悬浮液时,含水层各区域的渗流速度均呈现下降、回升、稳定的3个连续阶段;随着渗流速度的降低,颗粒滞留率增加了47.4%,所选3个断面平均流速恢复率降低。将悬浮颗粒由球形硅微粉替换为非球形硅微粉后,所选3个断面的平均流速最大降幅分别提高了15.0%、11.4%、2.6%,恢复率依次降低了37.5%、69.6%、71.9%,含水介质的颗粒滞留率增加了47.9%。基于颗粒受力平衡分析可知,球形硅微粉转动惯量较低,易于滚动并脱离含水介质表面;同等效体积的非球形硅微粉比表面积更大,而且多絮凝成团,迁移过程中出现沉积或被孔喉捕获的机率提高,并且沉积后难以发生再释放过程。随着渗流速度的降低与含水介质计算区域的增加,悬浮颗粒形貌的变化对于含水层水动力场演化过程的影响程度增强。

热力弥散对地埋管换热器所在含水层传热过程的影响

针对地埋管换热器所在含水层三维非稳态传热模型进行优化,建立涵盖热力弥散效应的含水层过余温度解析模型。结合渗流砂箱热响应实验,探究热力弥散效应对于含水层传热特性与热扩散范围的影响。研究结果表明,当考虑热力弥散效应时,各观测点过余温度解析解与实验结果相似度增强,两者均方根误差RMSE(Θ)小于3%。通过计算得到,热力弥散效应对于含水层温度场演化过程的影响具有时空非一致性特征。当含水层中传热过程趋于稳定后,随着热力弥散效应的提高,地埋管井群所在区域过余温度变化幅度增大;位于下游区域的过余温度变化幅度则逐渐下降,热扩散范围缩小。

含水层热-渗运移机理的地源热泵实验系统研发

基于地埋管换热器热阻与热容模型(TRCM),对地埋管换热器传热控制方程和含水层渗流-传热控制方程进行优化。根据相似准则原理,采用方程分析法,设计、搭建渗流砂箱及地埋管换热系统;根据地源热泵系统运行原理和测试方法,设计、构建包括热泵机组、空调末端、渗流砂箱水动力系统以及控制测试平台的一套适用于实验室尺度下的地源热泵实验系统。对比分析表明,地埋管进出水温差、含水层过余温度的数值计算结果和实验数据之间的均方根误差均不超过5%。因此,设计、搭建的地源热泵实验系统可以再现实际工程中地埋管换热器内循环流体的传热过程,同时有效预测在地下水渗流作用下地埋管换热器井群所在含水层温度场的演化过程。

深井地埋管换热器配置参数模拟计算研究

针对深井地埋管换热系统运行原理,根据地埋管换热器热阻-热容优化模型,建立深井地埋管井孔内、外非稳态柱坐标传热模型。基于环渤海湾盆地埋深1000~2000 m热储层水文地质条件,采用双连续介质空间耦合有限元数值计算方法,分析深井地埋管典型配置参数取值对于地埋管换热性能的影响程度。研究结果表明:深井地埋管换热性能随着系统运行时间的推移出现衰减趋势,至供暖季末期(120.0 d)深井地埋管换热量下降20%左右;当深井地埋管循环水量由10增大到60 m^(3)/h时,深井地埋管平均换热量提高150.80 kW,同时循环水泵耗功率也相应提高26.00 kW;深井地埋管埋深由1600提高到2400 m时,平均换热量提高113%,耗功率提高50%;当进水套管直径由168提高到299 mm时,平均换热量提高10%,耗功率降低27%。