毕业设计（论文）关于U形管地热换热器的应用与研究.doc

摘要 针对国内外能源资源的紧张形势以及目前在地热直接利用过程中存在的设备腐蚀，管理维修困难和运行费用过高等问题，并且便于更加合理开发利用深层地热资源，本文提出了U型管式换热器在深层地热水开发利用中的应用探讨，意在探寻开发利用深层地热水的新途径。关键词:地热水，U型管式地热换热器，地热资源ABSTRACTAccording to the domestic and foreign energy resources and the present situation in tension geothermal directly for the use of existing in the process of equipment corrosion, maintenance and operation cost management difficulties, and the high problem and facilitate the more reasonable exploitation and utilization of deep geothermal resources, this paper puts forward the "U" pipe heat exchanger in deep of the application of the development and utilization of geothermic water, this paper aims to explore the deep development of new way of geothermic water.Keywords: geothermic water, U tube type geothermal heat exchanger, geothermal resources第l章绪论1.1课题的研究背景能源是推动社会经济快速发展的动力，能源的可持续开发与利用是社会经济、人口资源、环境协调发展的重要物质基础与保障。1.1.1能源现状随着经济发展和人民物质文化生活水平的提高以及我国工业化进程的加快，对能源的需求量也大幅度增长。特别是到了21世纪，我国进入了一个经济飞速发展的时期，对能源的需求也达到了历史最高，并且在以后的几十年内还会快速增长。我国是一个以煤炭为主要燃料的国家，而且这一能源结构很难改变。据国家发改委能源所对中国能源需求和构成的，2050年基准情形的一次能源需求量将由2005年的21.89t标准煤增加到66.57t标准煤，其中煤炭占44%、石油占27.6%、天然气占10%、核电占9%、水电占6%、其他新能源和可再生能源占3.4%；2050年低碳情形的一次能源需求量将由2005年的21.89t标准煤增加到52.50t标准煤，其中煤炭占37.8%，石油占19.5%、大然气占14.2%，核电占14.5%、水电占8%、其他新能源和可再生能源占6%。通过以上我们可以看出，我们到2050年，其能源结构仍然是以煤炭为主。此外石油资源的不可替代性也越来越显示出我们国家对石油的依赖程度，据估计2008年我国石油对外依存度达到51%，预计2020年将达到。1.1.2地热能的优势地热是指地球内部所蕴藏的热能，它来源于地球的熔融岩浆和放射性元素衰变时发出的热量。地热资源是在当前技术经济条件和地质条件下，能够从地壳内科学、合理地开发出来的岩石中的热能量和地热流体中的热能量及其伴生的有用组分。地热能作为一种可再生能源和替代能源，有着不可替代的优势。其一就是储量丰富，据地质部门有关资料表明，我国远景地热资源储量为1353t标准煤，推测储量为116.6t标准煤，探明储量为31.6t标准煤;其二是只要利用合理，对环境没有污染，地热能的利用能够有效的减少温室气体的排放，减少大气污染;其三相对于太阳能和风能等，地热能的开发成本相对较低，目前我国已建立了一套比较完整的地热勘探技术和评价方法，具备大规模开发地热的能力，己开始向专业化和规范化方向发展。地热能的开发利用目前主要有地热发电和直接利用两个方面。如表1,16所示为2010年世界四种新能源装机容量和年产能值的对比。 由表1.1中我们可以看出，虽然地热能的装机容量跟其他几种能源的装机容量总量基本相等，但是地热能的年产能值却是其他几种能源年产能值总量的四倍左右。由此可以看出，由于地热能资源的品位较高，所以在新能源的开发利用中具有较大开发潜力和应用价值。表1.1四类祈能源发电量对比新能源的名称 装机容量 年产能值 WMe % GWh/a % 地热能 8900 52 42053 79.6风能 6050 44.7 9933 18.8太阳能 175 1.3 229 0.4潮汐能 264 2.0 602 1.2总计 13538 100 52817 1001.2 存在的问题 现在利用地热资源来进行供热主要还是以直接利用为主，即将高温的深层地热水抽取巨来，经过供热系统利用其热量，然后再将地热尾水直接排掉。目前在地热资源的直接利用过程中主要有以下两个问题比较严重: 1)高温的地热水没有经过梯级利用，地热尾水排放温度过高，使得地热水的能量利用率低下，造成能量的浪费;高温的地热尾水的直接排放，促使局部空气和水体的温度升高，改变生态平衡，影响环境和生物生长，造成热污染口。地热水中含有对坏境有害的常量成分、微量成分及放射性成分，如果不对其进行处理就直接排放，不仅不能饮用，对粮食作物及鱼类也有害，间接的危害人类健康31。2)地热水中含有大量的腐蚀成分，对供热设备有一定的腐蚀，造成系统运行不稳定，运行费用高，维护管理困难等。以上所述的地热换热器的利用主要是针对浅层地热能的应用。因为这种换热器主要是依靠地热水的自然对流换热，所以其对热储的结构要求比较苛刻，即必须具备温度适宜的含水层结构，而且地热井的成井深度与含水层的埋深及当地的地热资源情况有关38，一般情况下，井深不超过150m。由于是单井换热，所以其换热器的热输出功率也不会太高，通常在0.8MW以下，主要是应用于小规模的家庭供暖，极少个别的也一可以应用于学校等中等规模的公共建筑的供暖。第2章 地热换热器2.1概述 地热换热器通过二次循环水来提取地热水中的热量，而不是直接利用地热水。这样川一以有效的避免地热水资源的浪费，防止由于地热水资源的流失，而造成的地面塌陷等地质灾害的发生;另一方面，由于地热水中含有大量的腐蚀性物质，从而也防止直接利用地热水造成的设备腐蚀问题，减少设备的运行费用和管理维修的困难。 利用换热器对地热水资源进行利用主要有两种形式:普通地上式换热器和在地热井内安装换热器。 设置普通地上式换热器地热水利用系统，地热水在换热器内进行换热后，进行回灌。2.1.1 传统的换热器如图2.I所示即为一种典型的安装地上式换热器的地热水梯级利用系统。 图2.1安装地上式换热器的地热水梯级利用示意图由图中可以看到，地热水经过一系列换热器，经过梯级利用后进行回灌。这种地热利用方式的优点是:保护了地热水资源;热用户使用的热水是经过换热器换热后的清洁水而不是地热水，所以用热设备和供热管道不会受到地热水的腐蚀且不容易结垢，从而延长了供热设备的使用寿命，减少了系统的运行维修费用。最大的缺点是:由于地热水直接流过换热器，当地热水水质差且腐蚀性物质含量多时，要使用钦合金钢制作的换热器，价格昂贵，使得系统的初投资增加，地热水的生产经济性变差;而且无论使用管壳式换热器，还是使用板式换热器，都会因腐蚀与结垢造成换热器的换热效率不断下降，使得换热器除垢与维修工作量大，不仅造成换热器的使用寿命变短，还会因更换换热器造成停产，影响系统的正常运行32。在地热井内安装换热器的地热水利用系统，地热水与热用户使用的热水在地热井内进行换热，这种地热利用方式，也有效地保护了地热水资源，用热设备和供热管道同样不会受到地热水的腐蚀且不容易结垢;由于地热水流动在换热器的外侧，所以除垢简单，维修工作量小，换热器更换也比较方便。其缺点是:由一于地热水的腐蚀性，如果采用金属材料，则换热器的运行时间短，更换频率比较大;如果采用耐腐蚀的耐热塑料管，则又会降低换热效率。但总造价与运行费用远小于普通地上式换热器32。图2.2井内U型管式换热器地热利用示意图2.1.2换热器模型的改进在第2.3节所示的地热换热器利用系统中，地热水与换热器之间依靠然对流换热，相对于强迫对流换热，换热效率要低。在实际的换热器运行过程中，地热水的温度Tb不可能维持恒定不变，在换热刚开始的一段时间内，地热水的温度会随着换热的进行不断下降，当换热过程达到稳定后，地热水的温度Tb是一个随着地热井的深度而变化的值，因此为了提高换热器的换热效率，我们要尽量使地热水的温度维持在一个较高的范围内。如图2.6所示是一个新型的U型管式地热换热器利用系统，在该系统中，地热水通过水泵抽出来，然后引致回灌井，回灌后的被冷却的地热水吸收地热热储的热量后，温度升高，然后经过在地层深处的渗流、对流等方式流向生产井，使得地热井深处的温度较高的地热水源源不断的涌上来。这样不仅能够防止地下水的流失，而且也增强了地热水与换热器之间的换热效率。 图2.3新型的地热换热器第3章 经济性分析指标第4章3.1经济性分析指标对地热利用系统的经济性进行综合评价主要有以下指标:1)初投资。指系统各个部分的投资总和，包括:设备费、土建费、安装费以及其它费用;2)年运行费用。指系统各个部分的运行费用总和，包括:水费、电费以及燃料费等初投资或者运行费用只是反映各方案经济性的其中一个方面的指标，如果单纯考虑降低运行成本，将可能会增加系统的初投资;而如果一味的控制初投资，也可能会增加系统的运行费用，这两方面都能够直接的对地热利用系统的经济性产生影响，因此，对地热利用系统的经济性应该有一个总的综合性评价指标。按建设项目经济评价方法的规定，比较效益相同或者效益基本相同但难以具体估算的方案，为简化计算，一般采用最小费用法，即净现值法或年度费用比较法52。由于深井地热水间接供热系统的初投资大，占用较多的资金，应该采用动态评价方法，但考虑到资金的时间价值，技术方案不同，产生的经济效益也会不同，并且即使同一个方案在使用条件不同的情况下，其经济效益也会有很大的差别，因此在具体的经济分析中，应找出一个共同的标准，使做出的各种方案具有可比性。综合以上两个方面，一般采用“年度费用”为评价标准，对供暖系统做出经济性评价，以“年度费用”最低为目标作为最优方案52,530采用年度费用法计算有如下优点54.1) 使不同的技术方案有统一的比较标准;2)年度费用分析法符合国家统一规定;3)年度费用分析法消除了不同方案使用寿命不一致的问题;4)年度费用分析法排除了税金、利润和供热市场等因素的影响，简化了计算。某市市郊的地热井中安装了U型管换热器这种新型的间接利用地热水的供热系统。供热面积2万多平方米，此地热井生产的地热水除了进行回灌外，还有一部分经过曝气除铁除盐处理后供应周围居民的生活用热水，被加热的循环水的流量为2000，在地下1300rn深处的地热井含水层中地热水的温度为，用于冬季采暖的设计供回水温度为40/50，采用地板辐射采暖，地热井直径406mm，换热器管直径106mm，换热器长度200m，开采井与回灌井间距294m。3.1.1年度费用分析法年度费用分析法是把所有现金流量化为与其等额的年值或者年费用的方法，年度费用法只需计算方案的第一个寿命周期的年限，并且对该年限内的年度费用做出比较，解决了不同方案的寿命不等问题，年度费用法的计算公式54场日下: （3-1）式中:为年度费用，元；为初投资，元；为年运行费用，元；n为使用年限，年；i为回收系数，取10%。3.1.2初投资初投资是指系统各个部分的投资总和，包括:设备购置费、土建费、安装费等。其计算公式为53. （3-2）式中:为系统初投资，元；为设备购置费，元，主要包括设备费，设备运杂费等；为土建费，元；为安装费，元。3.1.3年运行费用年运行费用是指系统各个部分的运行费用总和，包括:水费、电费、人工费、燃料费、设备折旧费、维修费以及其他费用(排污费、管理费等)等。其计算公式为53 （3-3）式中：为系统的年运行费用，元；为电费，元；为水费，主要包括地下水水费和自来水水费(系统补水水费)，元；为燃料费，元；为人工费，元，工人工资按50元/日计算，福利费按工资的15%取值，职工人数按单位供热量指标估算，采用的指标为1.52.5人(GJ/h ) ；为设备折旧费，元，采用直线折旧法；为维修费，元，主要包括设备维修费和平时维护保养费等；为其它费用，元，主要包括排污费、管理费等，取固定资产的2.5%。3.2.1供暖参数 如表3.1.所示为地热换热器参数 61。供水流量供回水温度 供回水温差供热量供暖面积 125 45/40 5 0.73 1.2 125 50/40 10 1.46 2.43.2.2初投资在本文中只分析比较热源部分的经济性，所以只考虑地热井、地热换热器部分的初投资。1)设备费a)热泵的价格热泵单价与出水温度的关系如表3.2所示sa 表3.2热泵单位价格与出水温度表出水温度 455055606570热泵单位价格元/W0.6510.700.7491.1621.2561.350当热泵的制热量为Q时，热泵的价格按下式计算:当45 <55时， （3-4） 当时， （3-5）式中；r为热泵的价格，元；为热泵的出口温度，；为热泵的制热功率，W；由于本文中热泵在标准工况下的出水温度为65，所以热泵的价格可由式(3-5 )计算得: 万元/台 b)循环水泵和地热水泵的价格由于无法查到各水泵生产厂家的具体报价，因此只能对此进行估算，可能与市场上实际价格有些出入，但是不影响总体万案的经济比较。循环水泵按100儿/1113/rl、地热水泵按150元/(i113/h川一算。则热源部分的各个设备的初投资如表3.3所示 项目 长度或换热面积 数量 单价 总价（万元）生产井回灌进U型管循环水泵地热水泵合计1600m1600m3000m11432700元/m700元/m60元/m8000元/台2.4万元/台1121127.22.44.8301.62)安装费:按占设备费用的百分比计算。 安装费二设备费X相对百分比在本文中按15%计算。3)土建费:主要是指机房的建造费用。 土建费=机房面积X单价在本文中机房建造单价按1000元/m一计算，机房面积100由此可以得到系统的初投资如表3.4所示。 表3.4系统的初投资（单位：万元）设备费安装费土建费初投资单位面积造价301.645.310356.91193.2.3年运行费用运用公式(4-3 )可以求得系统的年运行费用如表4.7所示。其中: 电费二耗电量X电价(4-8) 水费=耗水量X水价(4-9) 燃料费=燃料量X燃料价格(4-10) 人工费二月工资X时间X人数(4-lI)新疆地区电价为0.55元/(kW " h):自来水费为3.2元/吨;地下水费为0.3元/吨(国土资源部资料)。工人按3人计算，工资按全年算。自来水费只考虑补水水费，补水量取总循环水量的5%。表3.5系统的年运行费用电费水费人工费维修费其他费用年运行费单位面积费（万元）（万元）（万元）（万元）（万元）（万元）（万元）13.617.26.30.38.946.315.4系统中各主要设备的寿命如表4.8所示。表3.6系统各主要设备的寿命设备名称热泵循环水泵地热水泵换热器热水井寿命（年）201555050由式(4- I )可以求得系统初投资的费用年值为:IQ.元/(z·年)。3.3分析比较根据实际工程，选取以下几种方案的供热系统进行分析比较。方案一:U型管式地热换热器供暖方案二:地源热泵供暖; 方案三:区域燃煤锅炉房集中供暖;方案四:区域燃气锅炉房集中供暖;方案五:家用小型燃气热水炉供暖。3.3.1各种供热方式的技术性比较方案一:U型管式地热换热器供暖U型管地热换热器供暖系统是指在地热井内安装U型管换热器，使供暖循环水与高温地热水进行换热，然后将地热水的热量提取出来进行供暖，由于这种供暖方式直接利用高温热水的热量，所以不需要热源，在很大程度上减少了系统的初投资和运行费用，而且如果设计利用合理，还不会对环境造成污染。另一方面，这种地热利用方式只利用高温地热水的热量，而不利用地热水，从而保护了地下水资源;也避免了常规的地热利用系统中直接利用地热水而不进行回灌对环境造成的污染;减少了地热水对设备的腐蚀。地热换热器供暖系统的应用受地理条件的影响比较大，而且地热井的初投资也比较高。方案二:地源热泵供暖地源热泵供热技术的应用始于20世纪50年代，70年代“石油危机”以后得到迅速推广，现在技术已非常成熟。地源热泵系统可实现热、水、冷联供，减少了系统的投资，而且节能和环保效果好，运行成本较低。由于地源温度较恒定，所以保证了系统的可靠性和经济性。目前影响地源热泵推广的主要因素是地下埋管的初投资较高，以及政府、建筑设一计人员和公众对这一技术缺乏了解，而且地源热泵的应用还受到地质条件、地面空间等因素的影响。方案三:区域燃煤锅炉房集中供暖区域锅炉房，又称小型集中锅炉房或分散锅炉房，指一个小区或儿栋楼房共设一个锅炉房的供热方式，单台锅炉容量在r4MW以一下，额定蒸发量D <_ 20t/h，一般与热用户采用直接连接。这些小型的锅炉房有效地解决了城市集中供热设施发展滞后所带来的新建建筑的供热问题。根据燃料的不同，可以分为燃煤、燃气、燃油和电锅炉。以煤为燃料的区域锅炉房称为区域燃煤锅炉房。目前区域燃煤锅炉房技术成熟、建设周期较短、调峰灵活、运行平稳，而且供热单位能够统一协一调人、财、物，实行社会化统筹管理，降低管理成本。但其主要缺点是一次管网维修成本高、时间长，影响区域大;而且由于末端无计量和调节手段，导致热量浪费严重;最大的缺点就是燃煤时排出大量的二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物和粉尘等污染物，污染大气环境，这也是目前不鼓励甚至取缔区域燃煤锅炉房的主要原因。方案四:区域燃气锅炉房集中供暖 以燃气为燃料的区域锅炉房称为区域燃气锅炉房。燃气锅炉房与燃煤锅炉房相比，具有对环境的污染小;建设周期短和占地面积小;热效率和综合利用率高等优点。天然气的输送也比热量容易，输送成本也低，而且燃气锅炉很容易实现自动管理。这都在很大程度上有利于燃气锅炉房的推广应用，但由于目前天热气的价格相对来说较高，大约为燃煤的4倍55，所以其运行费用可能会高一些，但这也不能阻止在以天然气为主要燃料的地区应用燃气区域锅炉来代替传统的区域燃煤锅炉。方案五:家用小型燃气热水炉供暖一家一户自成系统，同时解决了采暖和热水供应问题，省去了家庭用热水器的投资，而且采暖是连续负荷，瞬态负荷不高于目前家用热水器负荷，因此不会给燃气管网带来问题。而末端的灵活调节与集中燃气锅炉相比，平均节省30%'40%的燃气，从而降低运行成本，与燃气锅炉集中供暖相比，这一方式优越性十分明显ss。因此在新建住宅区当不存在热电联产集中供热条件，准备使用天然气为采暖燃料时，家用燃气小锅炉应为首选方案。由于我国家用小型燃气热水炉的应用研究起步较晚，所以技术还不是很成熟，近几年也曾出现过几起燃气小锅炉爆炸的事故，因此在一定程度上影响了家用小型燃气热水炉的推广应用。但是这一方式在欧、美已有几十年的历史，目前为这些地区主要的采暖方式。所以如果能够进一步引进国外成熟的技术为我所用，安全问题应该较容易和可靠地解决。所以小型燃气炉的应用市场还是很广阔的。通过以上的分析，从技术层面来说，在地质条件和空间范围允许的情况卜，)业首先推广应用地热换热器供暖和地源热泵供暖，可以有效的减少对大气环境的污染;其次选择家用小型燃气热水炉和区域燃气锅炉房供暖，最后选择对大气环境污染严重的区域燃煤锅炉房供暖。3.3.2各种供热方式的经济性分析在本文中，假设各种供热方式的末端都是采用地板辐射采暖系统，所以在此只对各种供热方式的热源部分进行经济比较，具体详见表4.9所示ass, s 表3.7不同供热方式的初投资、年运行费用的比较采暖方式初投资年运行费费用年值U型管换热器10.815.426.2地源热泵采暖8.518.226.7燃煤锅炉热水采暖7.823.231燃气锅炉热水采暖7.128.335.4家用小型燃气热水炉供暖5.926.232.1由表3.7可以看出，在系统的初投资方面，地热换热器供暖系统的初投资最高，地源热泵采暖系统次之，而家用小型燃气炉供暖系统最低;在年运行费用方面，区域燃气锅炉房采暖系统的费用最高，家用小型燃气炉供暖系统次之，而地热换热器供暖系统的年运行费用最低。对于整个供暖系统的费用年值，以区域燃气锅炉房的最高，家用小型燃气热水炉供暖系统次之，而地源热泵采暖系统和地热换热器供暖系统的费用年值基本相等。由此看出，虽然家用小型燃气热水炉和区域燃气锅炉房系统的初投资较低，但是由J-燃气的价格较高，使得其运行费用增加。虽然地热换热器的初投资是最高的，但是由于其不需要燃料，只需消耗少量的电能，所以其运行费用是最低的。由此可见，在条件允许的情况下，地源热泵系统和地热换热器系统具有相当大的优势，应优先考虑采用。第4章 结论致谢参考文献1 姜克隽，肖勇全.建筑物互遮挡对负荷影响的模拟研究j。山东建筑大学学报，201025（5）: 543-5472 许红星.我国能源利用现状与对策J.中外能源，2010.1, Is(I): 3-143 2010年全球可再生能源发展态势报告R. 21世纪可再生能源政策网，2010.74 朱家玲等.地热能开发与应用技术M.北京:化学1_业出版社，20065 李登伟，张烈辉，郭了萍等.中国21世纪可替代能源和可再生能源田.天然气l一业，20069 26(s):1-46 中国地质调杳局水文地质环境地质部.我国地热资源及开发利用现状R. 2006f7 John W.Lund. 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