中深层同轴地埋管换热器井下换热关键参数及影响规律分析

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作者 刘成路 胡振阳 +1 位作者 赵永哲 苟立 《科学技术与工程》 北大核心 2025年第8期3134-3141,共8页

为探明中深层同轴地埋管换热器的高效换热特性,基于流体流动传热方程,构建中深层同轴地埋管换热器与周围岩土体的传热模型,应用COMSOL软件进行换热数值分析与计算,研究该模型在不同埋深、内管导热系数、循环水流量、固井材料导热系数条... 为探明中深层同轴地埋管换热器的高效换热特性,基于流体流动传热方程,构建中深层同轴地埋管换热器与周围岩土体的传热模型,应用COMSOL软件进行换热数值分析与计算,研究该模型在不同埋深、内管导热系数、循环水流量、固井材料导热系数条件下名义取热量的变化情况。结果表明:内管导热系数、循环水流量及固井材料导热系数对名义取热量影响较大;内管导热系数从0.5 W/(m·K)降至0.002 W/(m·K),名义取热量增幅为289.4%;循环水流量从20 m^(2)/h升至45 m~2/h,名义取热量增幅为124%;固井材料导热系数从0.8 W/(m·K)升至1.8 W/(m·K),名义取热量增幅为2%。最后依托中煤科工西安研究院(集团)有限公司中深层地热能建筑供热试点示范项目,对该项目连续运行(168 h)工况下实验与模拟数据进行差异化分析。研究成果对中深层同轴地埋管换热器优化设计及中深层地热井高效开发利用具有一定的指导意义。 展开更多

关键词 中深层同轴地埋管换热器 高效换热 流体传热模型 名义取热量

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中深层U型地埋管换热器取热特性研究

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作者 胡俭 姜静华 +4 位作者 范生军 刘建浩 邹海江 蔡皖龙 王沣浩 《化工学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第S01期76-84,共9页

基于开源数值模拟计算软件OpenGeoSys建立了充分考虑中深层U型地埋管换热器尺寸特征与复杂地质参数分布的三维数值计算模型,开展了换热器长期取热过程逐时出口水温及取热性能影响因素分析。热性能测试分析结果表明,运行初期换热器出口... 基于开源数值模拟计算软件OpenGeoSys建立了充分考虑中深层U型地埋管换热器尺寸特征与复杂地质参数分布的三维数值计算模型,开展了换热器长期取热过程逐时出口水温及取热性能影响因素分析。热性能测试分析结果表明,运行初期换热器出口水温快速下降,随着取热进程不断推进换热器出口水温逐渐平稳。敏感性分析表明,地温梯度、上下行井钻井深度及水平对接井长度对中深层U型地埋管换热器取热性能影响显著。相关研究结论可为中深层U型地埋管工程设计及技术应用提供参考。 展开更多

关键词 再生能源 中深层U型地埋管换热器 数值模拟 传热 取热性能

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套管式中深层地埋管换热器传热建模及取热分析 被引量：29

3

作者 杜甜甜 满意 +2 位作者 姜国心 方亮 方肇洪 《可再生能源》 CAS 北大核心 2020年第7期887-892,共6页

为了研究无干扰换热条件下,中深层地热能的实际取热性能,文章通过数值模拟方法模拟计算了套管式中深层地埋管换热器的名义取热量。模拟结果表明,套管式中深层地埋管换热器的名义取热量随着钻孔深度、大地热流、循环水流量、当地大气年... 为了研究无干扰换热条件下,中深层地热能的实际取热性能,文章通过数值模拟方法模拟计算了套管式中深层地埋管换热器的名义取热量。模拟结果表明,套管式中深层地埋管换热器的名义取热量随着钻孔深度、大地热流、循环水流量、当地大气年平均温度的增加而增加。套管式中深层地埋管换热器周围土层的地质条件分布也影响着中深层地埋管换热器的名义取热量,具体表现为浅层土层的导热系数越小,中深层地埋管换热器的名义取热量越大;深层土层的导热系数越大,中深层地埋管换热器的名义取热量也越大。通过调整地埋管换热器的相关参数,并选择合适的地埋管埋设地点等优化措施,可使套管式中深层地埋管换热器达到可观的名义取热量。 展开更多

关键词 套管式中深层地埋管换热器 物性参数 名义取热量 岩土层地质分布

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中深层套管式地埋管换热器取热性能研究及经济性分析 被引量：10

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作者 姜静华 高远 +5 位作者 张育平 王铭 傅永泉 蔡皖龙 刘洪涛 王沣浩 《西安建筑科技大学学报（自然科学版）》 北大核心 2021年第6期851-859,共9页

使用FLUENT软件建立了中深层套管式地埋管换热器三维数值传热模型,基于正交试验极差法,分析了入口温度、埋深、内管径、岩土热导率、地温梯度对中深层套管式地埋管换热器换热性能的影响.结果表明:这五项因素对中深层套管式地埋管换热器... 使用FLUENT软件建立了中深层套管式地埋管换热器三维数值传热模型,基于正交试验极差法,分析了入口温度、埋深、内管径、岩土热导率、地温梯度对中深层套管式地埋管换热器换热性能的影响.结果表明:这五项因素对中深层套管式地埋管换热器换热性能的影响显著性依次为:埋深、地温梯度、入口温度、岩土热导率、内管径;其次基于平均能源成本法建立中深层套管式地埋管换热器经济性评价方法.研究结果表明:中深层套管式地埋管换热器的平均能源成本随埋深增加呈先下降后上升趋势,在选定参数条件下,2 500 m埋深的中深层套管式地埋管换热器平均能源成本最低、经济性最优,所使用方法及所得结论可为中深层套管式地埋管优化研究与工程应用提供参考. 展开更多

关键词 中深层套管式地埋管换热器 数值模拟 换热性能 正交试验 平均能源成本法

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中深层套管式地埋管换热器热-经济性分析及应用 被引量：3

5

作者 饶子雄 李明佳 +3 位作者 李梦杰 刘攀峰 赵磊 鲁耀基 《中南大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第12期4749-4761,共13页

为获得设计参数对中深层套管式地埋管换热器热-经济性的影响规律,本文首先建立了中深层套管式地埋管换热器及岩土层的流动传热模型和供热系统的经济学模型;其次,探究了物性参数(回填材料、内管、外管的导热系数)、结构参数(埋深、内管... 为获得设计参数对中深层套管式地埋管换热器热-经济性的影响规律,本文首先建立了中深层套管式地埋管换热器及岩土层的流动传热模型和供热系统的经济学模型;其次,探究了物性参数(回填材料、内管、外管的导热系数)、结构参数(埋深、内管管径、外管管径)以及运行参数(入口温度、循环流量)对换热器取热性能的影响;再次,分析了供热系统关键参数(埋深、循环流量、井口数)对系统经济效益的影响;最后,对西安某无干扰地热能供热项目进行热-经济性优化。研究结果表明:影响取热性能最重要的因素为埋深,其次为入口温度和循环流量,内管导热系数、外管管径、回填材料导热系数、内管管径和外管导热系数对取热性能影响较小。对于物性参数,增大回填材料导热系数、减小内管导热系数、增大外管导热系数均可以提高换热器取热性能;对于结构参数,增大埋深、减小内管管径和增大外管管径均可以提高换热器取热性能;对于运行参数,减小入口温度和增大循环流量均可以提高换热器取热性能。考虑初投资、运行成本和项目收益,以动态投资回收期评价系统热-经济性,当埋深为3 000 m、循环流量为25 t/h时,系统动态投资回收期缩短至3.7 a。 展开更多

关键词 中深层地源热泵 地埋管换热器 正交试验 热影响半径

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分层岩土热物性对U型中深层地埋管传热性能的影响研究

6

作者 孙婉玉 蒋天茁 +1 位作者 付强 王昌龙 《可再生能源》 北大核心 2025年第5期610-619,共10页

U型中深层地埋管换热器(U-bend Deep Borehole Heat Exchanger,UDBHE)可有效开采中深层地热能,具有较高的换热性能,因而备受关注。中深层岩土热物性一般随深度而变化,而目前缺乏分层岩土热物性对U型中深层地埋管换热器传热性能影响的深... U型中深层地埋管换热器(U-bend Deep Borehole Heat Exchanger,UDBHE)可有效开采中深层地热能,具有较高的换热性能,因而备受关注。中深层岩土热物性一般随深度而变化,而目前缺乏分层岩土热物性对U型中深层地埋管换热器传热性能影响的深入研究。文章基于已经建立的UDBHE半解析传热模型,研究了分层岩土热物性(热导率和体积比热容)对UDBHE传热性能的影响。研究结果表明:各层岩土热导率和体积比热容对UDBHE传热性能均有一定影响,并且其影响均随着岩土层深度的增大而增大;随着时间的增加,岩土热导率造成的影响逐渐增大,而岩土体积比热容造成的影响基本不变。保持各层岩土热导率的加权平均值不变,岩土热导率非均匀性对传热性能有较大影响,并且较大的岩土热导率非均匀性程度将促进UDBHE传热性能,反之则抑制。同理,岩土体积比热容非均匀性也有一定影响,但其影响随时间变化很小。研究结果对UDBHE性能预测及优化提供重要的参考价值。 展开更多

关键词 U型中深层地埋管换热器 分层岩土热物性 传热性能 热导率 体积比热容

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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 被引量：5

7

作者 张杰 王贵洋 王鹏涛 《热力发电》 CAS CSCD 北大核心 2023年第2期54-63,共10页

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... 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。 展开更多

关键词 中深层地热井 同轴套管换热器 取热功率 间歇开采 热储层温度恢复

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中深层地埋管换热器取热稳定性及热影响半径 被引量：7

8

作者 黄帅 朱科 +3 位作者 董建锴 李骥 姜益强 方肇洪 《哈尔滨工业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第6期119-127,共9页

为研究中深层地埋管换热器的取热稳定性及其热影响半径,建立了非稳态数值传热模型,基于有限差分法将控制方程离散求解,通过示范工程现场实测数据验证数值求解结果的正确性。在此基础上,研究长期运行下中深层套管式地埋管换热器的出水温... 为研究中深层地埋管换热器的取热稳定性及其热影响半径,建立了非稳态数值传热模型,基于有限差分法将控制方程离散求解,通过示范工程现场实测数据验证数值求解结果的正确性。在此基础上,研究长期运行下中深层套管式地埋管换热器的出水温度以及岩土的温度变化,并对影响中深层套管式地埋管换热器热扰的参数进行了敏感性分析。结果表明:经过15 a运行,中深层套管式地埋管换热器的出水温度较为稳定,从第11 a开始出水温度基本处于准稳态阶段,其周围核心取热区域的岩土最大温降比例仅为6.5%;随岩土热扩散率的增加,中深层地埋管换热器的热影响半径在前期增加速率较快,而后期较慢,当热扩散率a由1.43×10^(-6) m^(2)/s增加到2.01×10^(-6) m^(2)/s时,热影响半径r由82.69 m增加到99.23 m,增加率为20%,两者之间的关系呈指数规律变化,并且满足关系式r=-151.99×exp[-a/(5.14×10^(-7))]+98.14,其中R^(2)=0.97。本研究对中深层地埋管换热器的设计具有一定的参考意义。 展开更多

关键词 中深层地热 地埋管换热器 数值模拟 参数分析 工程实测

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设计参数对中深层地埋管换热器长期换热性能的影响研究 被引量：11

9

作者 刘洪涛 刘俊 +1 位作者 王沣浩 蔡皖龙 《可再生能源》 CAS CSCD 北大核心 2021年第12期1594-1601,共8页

文章基于中深层地埋管换热器换热原理,建立了换热器与岩土的瞬态换热模型进行数值模拟,根据数值模拟结果分析了不同设计参数工况下,中深层地埋管换热器的长期换热性能。研究结果表明:在换热器长期换热的初始阶段,其年平均取热功率随着... 文章基于中深层地埋管换热器换热原理,建立了换热器与岩土的瞬态换热模型进行数值模拟,根据数值模拟结果分析了不同设计参数工况下,中深层地埋管换热器的长期换热性能。研究结果表明:在换热器长期换热的初始阶段,其年平均取热功率随着运行年份的增长呈下降趋势;不同设计参数工况下,不同运行年份,换热器取热功率下降的比例不同;环腔入口水温对换热器取热功率下降比例的影响不大;环腔流速的增加、外管管径的增大和内管管径的减小均可导致换热器取热功率的下降比例增大;随着运行年份的增加,埋管深度越大,换热器取热功率的下降比例越小。此外,随着运行年份的增加,地温梯度基本对换热器取热功率的下降比例没有影响。 展开更多

关键词 设计参数 中深层 地埋管换热器 长期换热性能

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中深层地埋管换热器运行模式对岩土热恢复特性的影响 被引量：9

10

作者 黄帅 董建锴 +2 位作者 李骥 朱科 姜益强 《可再生能源》 CAS CSCD 北大核心 2022年第7期899-906,共8页

为探究中深层地埋管换热器的运行模式对其周围岩土热恢复特性的影响,建立了中深层地埋管换热器与周围岩土的耦合传热模型,基于有限差分法将控制方程离散求解,并利用项目实测数据加以验证。研究结果显示:在系统运行的15 a间,不同运停比... 为探究中深层地埋管换热器的运行模式对其周围岩土热恢复特性的影响,建立了中深层地埋管换热器与周围岩土的耦合传热模型,基于有限差分法将控制方程离散求解,并利用项目实测数据加以验证。研究结果显示:在系统运行的15 a间,不同运停比下的中深层岩土温度均呈周期性变化,而且运停比越小,岩土热恢复程度越高;当运停比分别为24∶0,16∶8,12∶12和8∶16时,运行15 a后的中深层岩土温度能分别恢复至初始温度的95.24%,96.62%,97.35%和98.16%;系统运行15 a后,在24∶0,16∶8,12∶12和8∶16运停比下,热影响半径分别为91.36,83.07,75.52,68.65 m;以运停比24∶0所对应的热影响半径为基准,其余3种运停比下的热影响半径分别减少9.07%,17.34%和24.86%。 展开更多

关键词 中深层地埋管换热器 岩土热恢复 传热模型 运停比 工程实测

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中深层地埋管换热器周围岩土热恢复特性 被引量：7

11

作者 黄帅 孙苏雨婷 +2 位作者 董建锴 李骥 姜益强 《西安建筑科技大学学报（自然科学版）》 北大核心 2021年第6期842-850,共9页

为揭示中深层地埋管换热器周围岩土的热恢复特性,建立数值传热模型,基于有限差分法进行求解,并利用项目实测数据进行验证,在此基础上分析了中深层地埋管换热器周围岩土全年的温度场变化.主要得出以下结论:特定工况下,中深层地埋管换热... 为揭示中深层地埋管换热器周围岩土的热恢复特性,建立数值传热模型,基于有限差分法进行求解,并利用项目实测数据进行验证,在此基础上分析了中深层地埋管换热器周围岩土全年的温度场变化.主要得出以下结论:特定工况下,中深层地埋管换热器对其周围岩土的热影响范围有限,其热影响半径为9.3 m;中深层地埋管换热器的取热区域主要集中在1200~2000 m的岩土;岩土热恢复率随着恢复时间的增加而逐渐减小,以恢复两个月的热恢复率为基准,热恢复4个月、6个月、8个月热恢复率在前一基础上分别增加2.1%、0.9%和0.5%;经过8个月的热恢复期,岩土能够基本恢复至初始温度,当r=0.3 m时埋管深度为1200 m、1600 m、1800 m和2000 m的岩土所对应的热恢复率分别达98.7%、97.9%、97.9%、98.2%.为中深层地源热泵系统的设计提供理论参考. 展开更多

关键词 中深层地热 地埋管换热器 数值模拟 热恢复 工程实测

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中深层地埋管热泵系统供暖源侧参数设计方法

12

作者 李锦堂 李骥 +3 位作者 张广秋 孙宗宇 朱超 孔维政 《太阳能学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第9期1-13,共13页

依赖于既有工程经验数据或地埋管换热能力短期测试结果,采用粗放式方法进行中深层地埋管热泵系统源侧设计,导致地埋管系统容量配置不合理,影响热泵系统供暖的可靠性与经济性。为改善地埋管系统设计现状,采用动态仿真手段,同时虑及设计... 依赖于既有工程经验数据或地埋管换热能力短期测试结果,采用粗放式方法进行中深层地埋管热泵系统源侧设计,导致地埋管系统容量配置不合理,影响热泵系统供暖的可靠性与经济性。为改善地埋管系统设计现状,采用动态仿真手段,同时虑及设计负荷、累计负荷、负荷逐时分布规律,分析长时间维度中深层地埋管地热资源非稳态特性和岩土温度自恢复特性,提出基于地下岩土“终态年度周期性冷热平衡”状态来确定地源侧设计供回水温度,进一步以地源侧全生命期年均成本最低进行最优化计算来确定源侧设计流量的设计方法,并将其应用于某工程项目,实现了地源侧参数的设计优化。 展开更多

关键词 地热能 中深层同轴套管式地埋管换热器 长期换热性能 年度完全可再生状态 动态仿真

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中深层同轴套管式换热器强化传热与优化设计

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作者 王凯鹏 雷燕子 +4 位作者 苟立 王义杰 韩永亮 沈浩 武芳丽 《科学技术与工程》 2025年第25期10870-10880,共11页

在“双碳”背景下,中深层地热能供暖技术在推动建筑领域节能降碳方面发挥着越来越重要的作用。中深层同轴套管式换热器作为“无干扰”开采地热能的核心部件,其结构参数深刻影响着地热井取热能力。为此,利用COMSOL数值模拟软件建立了外... 在“双碳”背景下,中深层地热能供暖技术在推动建筑领域节能降碳方面发挥着越来越重要的作用。中深层同轴套管式换热器作为“无干扰”开采地热能的核心部件,其结构参数深刻影响着地热井取热能力。为此,利用COMSOL数值模拟软件建立了外套管内壁配装螺旋肋片的同轴套管换热器数值模型,并利用Gnielinski、Konakov等关联式进行了验证分析;采用响应曲面法探讨了肋片高度、厚度、数量、螺旋角及其交互作用对换热器换热性能、流动阻力的影响,并利用满意度函数法对肋片结构设计参数进行了优化。研究结果表明:当肋片高度为6 mm,厚度为2 mm,数量为16个,螺旋角为15°时,总体满意度为0.75,性能评价标准(performance evaluation criterion,PEC)为1.32,该结构下的努塞尔数Nu较普通中深层同轴套管换热器提升了39.00%;在地热井动态换热性能分析中,采用新型同轴套管换热器的地热井累积提取热量较普通地热井提升了12.87%。研究成果可为增强中深层同轴套管换热器适用性提供新思路、新方法,也可为同类型中深层同轴套管换热器设计提供借鉴。 展开更多

关键词 中深层同轴套管式换热器 数值模型 肋片结构参数 响应曲面 满意度函数法

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废弃油气井改造的地热井换热性能影响因素模拟研究 被引量：9

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作者 郭鸿 夏岩 +2 位作者 陈雷 金光 刘建强 《油气藏评价与开发》 CSCD 2022年第6期850-858,共9页

采用中深层地埋管换热技术改造废弃或关停油气井是油田地热开发的一种方式,有助于油田低碳供热并降低地热开发成本。为了提高单井取热量及更好地指导改造工作,需对改造井换热性能的影响因素进行分析。通过数值模拟方法分析改造井换热性... 采用中深层地埋管换热技术改造废弃或关停油气井是油田地热开发的一种方式,有助于油田低碳供热并降低地热开发成本。为了提高单井取热量及更好地指导改造工作,需对改造井换热性能的影响因素进行分析。通过数值模拟方法分析改造井换热性能的影响因素,分别对地质、井和工况等参数进行了分析。主要结论为:①地质参数中的地温梯度和岩层导热系数对单井取热量有较大影响,地质参数应作为改造选井首要考虑因素;②井参数中的井深、套管外径、中心换热管外径和导热系数对单井取热量有一定影响,在改造选井及方案制定时需要考虑;③工况参数中的入井水温和入井流速对单井取热量有影响,地面换热系统设计时应考虑工况参数的影响。此研究对于采用同类换热技术的改造目标井优选、改造方案制定、运行工况参数优化都具有参考意义。 展开更多

关键词 废弃油气井 地热能 中深层地埋管换热器 导热系数 数值模拟

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