地熱換熱器(DownholeHeatExchanger,簡稱 DHE)是一種只利用地熱水的熱量而不抽取地熱水 的裝置。利用該種裝置可以有效減少目前在地熱水 開發(fā)利用中出現(xiàn)的問題,比如可以減少地熱水的流 失,從而可以防止地面塌陷等地質(zhì)災害的發(fā)生;可以 有效的防止地熱水利用后直接排放對環(huán)境造成的熱 污染等等。在美國、土耳其、新西蘭、冰島、俄羅斯、 意大利和日本等國的應用研究比較多川。而我國 在這方面的應用研究則要晚的多,除了天津大學的 戴傳山、張啟、梁軍等人做過相應的研究外[’]一t‘], 其余的則未見報道。 地熱換熱器分為套管式和“U”型管式兩種型 式,其中“U”型管換熱器系統(tǒng)由于制作簡單、安裝方 便,因而應用的較多。地熱換熱器置于地熱井內(nèi),清 34 潔的循環(huán)水通過水泵打入換熱器內(nèi)與地熱水進行換 熱,被加熱的循環(huán)水流出換熱器供給熱用戶使用。 地熱換熱器傳熱模型的研究是該類換熱器系統(tǒng) 應用設(shè)計的關(guān)鍵,同時也是一個難點。

換熱器內(nèi)的 循環(huán)水在地熱井內(nèi)與地熱水進行換熱的過程中,其 溫度是隨著深度的變化而變化的。如果換熱器過 短,就會使得循環(huán)水的出水溫度達不到設(shè)計要求,從 而不能夠充分的利用地熱水的熱量;而如果換熱器 過長,出水溫度能夠達到甚至超過設(shè)計要求,但是會 增加設(shè)備的投資。那么該如何選擇換熱器的長度, 使其在最小投資的情況下就能夠滿足設(shè)計要求呢? 為此便需要找出循環(huán)水的溫度變化與換熱器長度的 關(guān)系。本文從這一基本點出發(fā),以一個典型的地熱 換熱器系統(tǒng)為研究對象,對其傳熱過程進行分析,建 立能量方程式,從而得到循環(huán)水溫度與換熱器長度 的關(guān)系。

簡化物理模型 典型的地熱換熱器如圖1所示。假設(shè)沿深度方 向變化變量為,則換熱器內(nèi)進水管溫度為,出水管溫 度為;為了計算方便,假設(shè)地熱水溫度恒定為不變; 由于地熱水溫度較高且地熱井由套管與周圍環(huán)境隔 開,所以忽略地熱井周圍環(huán)境的影響,假設(shè)地熱井壁 絕熱。 這與實驗得到的平均溫度76℃之間有一定的差距。 其主要是因為我們在公式推導的過程中,假設(shè)地熱 水的溫度為一定值,但在實際運行過程中,隨著換熱 的進行,地熱水的溫度不可能維持在一個恒定值不 變,而是上部的溫度要低于底部的溫度,這樣就使得 地熱水平均溫度要偏低,從而造成理論值與實驗值 36 圖5不同流且、不同進口溫度條件下熱輸出的變化 由圖5可以看出,在相同的進口溫度條件下, 換熱器的熱輸出隨著循環(huán)水流量的增加而增加;在 相同的循環(huán)水流量的條件下,雖然由圖4得到,其出 口溫度隨著進口溫度的降低而降低,但是從圖5中 我們可以看出,換熱器的熱輸出是增加的。所以在 實際工程中我們要盡可能的降低換熱器循環(huán)水的人 口溫度,但是也不能無限制的降低,因為太低的循環(huán) 水回水溫度沒有太大的應用價值。4結(jié)論 本文通過建立能量平衡方程式,求得了換熱器 內(nèi)循環(huán)水溫度隨深度變化的關(guān)系式,并通過實驗驗 證。

由此我們可以得出以下結(jié)論: (l)隨著循環(huán)水流量的增加,換熱器出口溫度 降低,進出口溫差減小; (2)在人口溫度不變的條件下,換熱器的熱輸 出隨著循環(huán)水流量的增加而增加; (3)在循環(huán)水流量不變的條件下,換熱器的熱 輸出隨著人口溫度的降低而增加,但是在實際工程 中,人口溫度不能夠任意降低,應根據(jù)實際要求而 定。 在公式的推導過程中,我們假設(shè)地熱水的溫度 維持一恒定值不變,這在實際工程中是不可能的。 因為隨著換熱的進行,地熱水必將上下溫度分布不 均,形成分層現(xiàn)象。所以如何解決這一問題,使換熱 器在工作過程中能夠使地熱水盡量的維持在較小的 溫度波動范圍之內(nèi),是今后研究的重點。