一种中深层地热井套管式换热器取热量计算方法技术

本发明专利技术提供了一种中深层地热井套管式换热器取热量计算方法，包括：步骤一，建立中深层套管式换热器模型，所述的中深层套管式换热器模型以钻孔壁为边界分为两部分，一部分为钻孔内的换热器和固井水泥环，另一部分为钻孔外的地层；在地层温度随深度的变化的基础上，分别计算两部分的传热过程，通过钻孔壁温度将两部分耦合起来；步骤二，求解地层导热方程：步骤三，求解套管式换热器内循环水温度。本发明专利技术在在给定地层初始温度分布函数、换热器入口水温及换热器和地层相关物性参数的情况下，求得任一时刻套管式换热器出口水温和换热器内水温沿深度方向的分布规律。计算结果可作为中深层地热井取热能力评估和地热井设计方案优化的基础。基础。基础。

【技术实现步骤摘要】
一种中深层地热井套管式换热器取热量计算方法


[0001]本专利技术属于中深层地热能开发利用
，涉及取热量，具体涉及一种中深层地热井套管式换热器取热量计算方法。

技术介绍

[0002]中深层地源热泵系统是一种间接利用地热能的技术，其通过安装于钻孔内的套管式换热器从地层中获取热量。套管式换热器结构见图1。套管式换热器通过钻孔深入地下2000米以下的高温岩层中，冷水由内外套管之间的环形区域流入，在向下流动时从周围地层中吸热，加热的水经内管抽出地面用于供暖。地热井周围地层岩体初始温度最高可达100K以上，随着套管式换热器取热过程的进行，钻孔周围地层温度逐渐降低，与此同时套管式换热器的取热量也会持续下降。准确计算换热器内水温分布及出口水温，对评估地热井取热能力、优化地热井设计特别重要。
[0003]中深层套管式换热器传热过程非常复杂，所涉及的时间跨度长，空间区域大。与浅层地埋管换热器相比，地层温度垂向变化幅度大，其换热过程涉及一个非常复杂的数学物理问题。目前，关于浅层地热井换热器取热量计算方法的研究有很多，由于浅层地热井深度一般不超过200m，地层温度垂向变化很小，在求解浅层地埋管换热器解析解时都假设地层温度为恒定值，不考虑地温的垂向变化。因此，浅层地热井换热器取热量计算方法无法适用于中深层地热井换热器取热量的计算。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于，提供一种基中深层套管式换热器取热量计算方法，解决现有技术中浅层地热井换热器取热量计算方法无法适用于中深层套管式换热器取热量计算的技术问题。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案予以实现：
[0006]一种中深层地热井套管式换热器取热量计算方法，该方法包括以下步骤：
[0007]步骤一，建立中深层套管式换热器模型，所述的中深层套管式换热器模型以钻孔壁为边界分为两部分，一部分为钻孔内的换热器和固井水泥环，另一部分为钻孔外的地层；
[0008]在地层温度随深度的变化的基础上，分别计算两部分的传热过程，通过钻孔壁温度将两部分耦合起来；
[0009]步骤二，求解地层导热方程：
[0010]假定地层在深度方向的导热为零时，沿套管式换热器轴线方向任意深度z处，地层导热为柱坐标下的一维过程，能够用如下偏微分方程描述：
[0011][0012]边界条件：r
→
∞时：
[0013]r＝r
b
时：
[0014]初始条件：t＝0时 T
e
＝az+T
air
；
[0015]求解得到：
[0016][0017][0018][0019]式中：
[0020]Q为某一深度地层径向热量损失，单位为W；
[0021]ρ
e
为地层岩体密度，单位为kg/m3；
[0022]c
e
为地层岩体比热容，单位为J/(kg
·
K)；
[0023]T
e
为地层岩体在深度为z处温度，单位为K；
[0024]T
ez
为地层初始温度，单位为K；
[0025]t为时间，单位为s；
[0026]t
D
为时间因子，无量纲；
[0027]T
air
为地表温度，单位为K；
[0028]λ
e
为地层岩体导热系数，单位为W/(m
·
K)；
[0029]r为距钻孔轴线距离，单位为m；
[0030]r
b
为钻孔半径，单位为m；
[0031]dQ为钻孔壁处地层的径向热损失，单位为W；
[0032]T
b
为钻孔壁温度，单位为K；
[0033]z为距地表距离，单位为m；
[0034]a为地温梯度，单位为K/m；
[0035]步骤三，求解套管式换热器内循环水温度：
[0036]当循环水由外管流入、内管流出，在沿流动方向上的热量平衡方程用式
Ⅶ
和式
Ⅷ
表示；
[0037]内管热量平衡方程：
[0038]‑
WcdT1＝U1(T2‑
T1)dz
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式
Ⅶ
；
[0039]外管热量平衡方程：
[0040]WcdT2＝U1(T1‑
T2)dz+U2(T
b
‑
T2)dz
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式
Ⅷ
；
[0041]其中：
[0042][0043][0044]定解条件如下：
[0045]T2(0)＝T
inj
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式
Ⅺ
；
[0046]T1(H)＝T2(H)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式
Ⅻ
；
[0047]式中：
[0048]A1为内管过水断面积，单位为m2；
[0049]A2为内外管之间的过水断面积，单位为m2；
[0050]ρ
f
为水的密度，单位为kg/m3；
[0051]c为水的比热容，单位为J/(kg
·
K)；
[0052]T1为内管中水的温度，单位为K；
[0053]T2为外管中水的温度，单位为K；
[0054]T
b
为钻孔壁温度，单位为K；
[0055]W为套管中水的流量，单位为kg/s；
[0056]r1为内管内半径，单位为m；
[0057]r2为内管外半径，单位为m；
[0058]r3为外管内半径，单位为m；
[0059]r4为外管外半径，单位为m；
[0060]r
b
为钻孔半径，单位为m；
[0061]H为地热井深度，单位为m；
[0062]h1为内管内壁对流换热系数，单位为W/(m2·
K)；
[0063]h2为内管外壁对流换热系数，单位为W/(m2·
K)；
[0064]h3为外管壁对流换热系数，单位为W/(m2·
K)；
[0065]k
i
为内管壁导热系数，单位为W/(m
·
K)；
[0066]k
o
为外管壁导热系数，单位为W/(m
·
K)；
[0067]k
g
为固井材料导热系数，单位为W/(m
·
K)；
[0068]T
inj
为入口处的水温，单位为K；
[0069]设定钻孔壁流出的热量与外管本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种中深层地热井套管式换热器取热量计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一，建立中深层套管式换热器模型，所述的中深层套管式换热器模型以钻孔壁为边界分为两部分，一部分为钻孔内的换热器和固井水泥环，另一部分为钻孔外的地层；在地层温度随深度的变化的基础上，分别计算两部分的传热过程，通过钻孔壁温度将两部分耦合起来；步骤二，求解地层导热方程：假定地层在深度方向的导热为零时，沿套管式换热器轴线方向任意深度z处，地层导热为柱坐标下的一维过程，能够用如下偏微分方程描述：边界条件：r
→
∞时：r＝r
b
时：初始条件：t＝0时T
e
＝az+T
air
；求解得到：求解得到：求解得到：式中：Q为某一深度地层径向热量损失，单位为W；ρ
e
为地层岩体密度，单位为kg/m3；c
e
为地层岩体比热容，单位为J/(kg
·
K)；T
e
为地层岩体在深度为z处温度，单位为K；T
ez
为地层初始温度，单位为K；t为时间，单位为s；t
D
为时间因子，无量纲；T
air
为地表温度，单位为K；λ
e
为地层岩体导热系数，单位为W/(m
·
K)；r为距钻孔轴线距离，单位为m；r
b
为钻孔半径，单位为m；dQ为钻孔壁处地层的径向热损失，单位为W；T
b
为钻孔壁温度，单位为K；z为距地表距离，单位为m；a为地温梯度，单位为K/m；
步骤三，求解套管式换热器内循环水温度：当循环水由外管流入、内管流出，在沿流动方向上的热量平衡方程用式
Ⅶ
和式
Ⅷ
表示；内管热量平衡方程：
‑
WcdT1＝U1(T2‑
T1)dz
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式
Ⅶ
；外管热量平衡方程：WcdT2＝U1(T1‑
T2)dz+U2(T
b
‑
T2)dz
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式
Ⅷ
；其中：其中：定解条件如下：T2(0)＝T
inj
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式
Ⅺ
；T1(H)＝T2(H)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式
Ⅻ...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永强，张卫东，韩永亮，汪启龙，王义杰，孙玉亮，杨永健，丁栋，
申请(专利权)人：中煤科工集团西安研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：