中深层地热资源作为一种稳定、可再生的清洁能源,在供暖、发电等领域具有广泛的应用前景。针对中深层地热开发过程中同轴套管换热器(CBHE)的换热性能优化问题,本文结合实验研究、数值模拟和强化传热分析,探讨不同工况和结构参数对换热效率的影响,并提出优化设计,以提升中深层地热利用效率。 首先,本文开展了中深层同轴套管地热井的实验研究,在不同入口流量和入口温度条件下测试了地热井的换热性能,并分析了地面设备的运行效率。实验结果表明,当入口温度为12.02℃、流量为25.32 m³/h时取热功率最大,达到了492.75 k W;平均热泵COP为8.43,平均产热量为406 k W,热源系统平均输出热功率为461 k W,折算可供热面积为1.65万平米。此外,构建了取热功率和系统COP关于流量、入口温度的计算模型,平均偏差分别为0.71%和0.21%,并且分析了停机前后的运行状态,表明该井具有较高的热恢复能力及较小的热衰减。 其次,基于数值模拟方法,通过COMSOL Multiphysics构建了中深层同轴套管地热井的计算模型,并通过实验数据验证了模拟结果的准确性。设计正交实验研究各变量对地热井性能的影响程度,分析得出各因素对其影响程度由大到小依次为:地温梯度、入口流量、回填材料导热系数、入口温度、内管导热系数。在最佳工况下500小时平均出口温度为16.5℃,平均取热功率为663.8 k W。 最后,针对强化传热技术,研究了螺旋翅片内管对换热特性的影响。通过建立数值模型计算了不同结构参数(翅片高度H_f、翅片厚度T_f、翅片间距S_f)对于换热性能的影响,分析了努塞尔数Nu,对流换热系数h等强化传热方面的参数,并且得到了本例中的最好结构为H_f=16 mm,T_f=2 mm,S_f=172.79 mm。该结构平均努塞尔数Nu提高了100.33%,平均对流换热系数h增加87.23%,强化传热系数PEC提高2.43%,可以有效提升换热效率。 本文的研究成果可为中深层地热资源开发、地热供暖系统优化设计提供理论支持和工程实践参考。