地熱能（Geothermal Energy）是由地殼抽取的天然熱能，這種能量來自地球內部的熔岩，並以熱力形式存在，是引致火山爆發及地震的能量。
換熱是指冷熱兩流體間所進行的熱量傳遞，是一種屬於傳熱過程的單元操作。
地熱換熱過程主要通過地熱換熱器完成。地熱井的換熱過程中，熱量傳遞存在兩種不同的方向，一是當管道內水流溫度低於管道外岩層溫度時，熱量由岩層向流體傳遞，這一區域主要存在於地熱井的下行段下部、水平段和上行段的下部;二是當管道內水流溫度高於管道外岩層溫度時，熱量由流體向岩層傳遞，這一區域主要存在於地熱井的下行段上部和上行段上部。
基本介紹
- 中文名：地熱換熱過程
- 外文名：Geothermal heat transfer process
- 一級學科：工程技術
- 二級學科：熱力工程
- 地熱能：由地殼抽取的天然熱能
- 換熱：冷熱兩流體間所進行的熱量傳遞
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地熱
地熱是來自地球內部核裂變產生的一種能量資源。地球上火山噴出的熔岩溫度高達1200℃～1300℃，天然溫泉的溫度大多在60 ℃以上，有的甚至高達100 ℃～140 ℃。這說明地球是一個龐大的熱庫，蘊藏著巨大的熱能。這種熱量滲出地表，於是就有了地熱。地熱能是一種清潔能源，是可再生能源，其開發前景十分廣闊。
地殼內部的溫度產生的熱量，它的熱量是哪裡來的呢。一般認為，是由於地球物質中所含的放射性元素衰變產生的熱量。有人估計，在地球的歷史中，地球內部由於放射性元素衰變而產生的熱量，平均為每年5萬億億卡（即卡路里）。這是多么巨大的熱源啊。1981年8月，在肯亞首都奈洛比如開了聯合國新能源會議，據會議技術報告介紹，全球地熱能的潛在資源，約為，相當於全球能源消耗總量的45萬倍。地下熱能的總量約為煤全部燃燒所放出熱量的1.7億倍。豐富的地熱資源等待我們去開發。到2050年，根據不同部門的估算，中國地熱發電裝機容量可以分為高中低三種方案：高方案為3.6億千瓦（約占中國電力總裝機容量的30%），中方案為2.4億千瓦（約占中國電力總裝機容量的20%），低方案為1.2億千瓦（約占中國電力總裝機容量的10%）。地熱不僅僅限制於地球上，將來人們可以到遙遠的外太空，開發地熱資源。
換熱
換熱是指冷熱兩流體間所進行的熱量傳遞，是一種屬於傳熱過程的單元操作。
換熱的目的主要有：
①物料的加熱、冷卻、汽化或冷凝，以達到或保持生產工藝所要求的溫度或相態；
②熱量的綜合利用，用待冷卻的熱流體向待 加熱的冷流體供熱，以提高熱量利用率。
簡介
地熱換熱過程主要通過地熱換熱器完成。在地熱利用中，地埋管的型式多種多樣，深淺不一，當前國內外對於地熱換熱器的理論研究中關於地埋管換熱器計算模型也很多，主要模型有線熱源模型、柱熱源模型、Eskilson模型。
線熱源模型
在地源熱泵U型豎直埋管換熱計算中廣泛採用無限長線熱源模型，一種解析解模型，由Ingersoll在開爾文線源理論基礎上建立，確定無限大介質內任一點在任一時刻的溫度分布。因為鑽孔直徑相對埋管深度來說是很小的，所以它將埋於地下的豎直U型管看作一根無限長且均勻吸熱的線熱源。
該模型具體假定條件：
a）地下土壤的初始溫度均勻，且被近似為無限大的傳熱介質；
b）地下土壤的熱物性是均勻的，且不隨土壤溫度的變化而變化，即具有常物性；
c）不考慮地表的傳熱，且忽略地下水的流動；
d）忽略沿U型管軸向的傳熱，只考慮徑向的一維導熱；
e）忽略鑽孔的幾何尺度而把鑽孔近似為軸心線上無限大的線熱源；
f）管內熱流恆定。
柱源模型
柱源模型，1985年由Kavanaugh建立，他將鑽孔內部的U型管視為圓柱體熱源模型，得到了地埋管換熱器周圍土壤的溫度分布。該模型把U型埋管的兩支管腳統一為一當量管，當量直徑用dP。一揚來近似代替，與線源模型相比而言，無限大區域中的圓柱熱源傳熱模型更符合實際。
圓柱模型的其他假定條件與無限長線熱源模型相同。
Eskilson模型
Eskilon模型是基於有限長線熱源的解析解。該模型確定了基於無因次溫度回響因子的多孔地下熱交換器的溫度回響，稱為g函式。
該模型特點：
①考慮到鑽孔長度的有限性;
②考慮到供暖季四個月不同的熱負荷對換熱效果的影響，計算結果更加符合實際。
換熱過程分析
地熱井的換熱過程中，熱量傳遞存在兩種不同的方向，一是當管道內水流溫度低於管道外岩層溫度時，熱量由岩層向流體傳遞，這一區域主要存在於地熱井的下行段下部、水平段和上行段的下部;二是當管道內水流溫度高於管道外岩層溫度時，熱量由流體向岩層傳遞，這一區域主要存在於地熱井的下行段上部和上行段上部。地熱井的換熱方式以傳導和對流為主，在地熱井管道內，換熱以對流為主;在地熱井管道外，換熱以傳導為主，以對流為輔。
傳熱場控制區域
由於在地熱井采熱過程中，存在兩種物理現象，一個是管內水流在流動過程中，與管外岩土的熱交換作用，導致管內外溫度的改變，這是傳熱現象;另一個是岩土孔隙中的水分由於溫度變化導致水的密度、粘度等物理量的變化，由於受壓力、重力的影響，岩土中水分發生遷移，這是多孔介質滲流現象。岩土中水的運動反過來又對傳熱產生影響。可以看出，僅僅考慮模型中的熱傳導作用是不夠的，應該考慮傳熱與岩土中水分的遷移運動兩個物理現象之間的相互作用。
因此，可以將岩土視為多孔介質，同時可將物理場分為傳熱場與多孔介質滲流場，如圖《傳熱場控制區域》和《多孔介質滲流場控制區域》所示，傳熱場覆蓋了管道內外所有的區域，多孔介質滲流場僅覆蓋管道外岩土占據的區域。
多孔介質滲流場控制區域
相關研究
陳靜平等通過建立深層U型地熱井換熱模型與地溫恢復模型，計算了多種參數條件下的地熱井出口水溫、單位時間采熱量和地溫恢復等，得到以下結論：
（1）分析了流速對采熱效果的影響，流速越慢，地熱井出口水溫越高，流速在0.75一 1.0m/s間，單位時間采熱量存在最大值。
（2）分析了U型管的水平管道長度變化對單位時間采熱量的影響，在地溫梯度3℃/hm，管徑0.1538m條件下，水平管道長度每增加1 km，出口水溫升高3.3℃，單位時間采熱量增大0.2176MW。
（3）管徑越小，出口水溫越高。管徑為0.1538m，水平管1000m條件下，管內流速u小於等於0m/s時，單位時間采熱量隨管徑增大而增大，管內流速u> 1.0m/s時，單位時間采熱量隨管徑增大而減小。
（4）在地溫梯度3℃ /hm，水平管1000m的條件下，改變地熱井的管徑、流速，找到能獲得最大單位時間采熱量的參數。計算結果表明，采熱井獲得最大單位時間采熱量的最優參數為管徑0.1538m，流速0.75m/s，最大單位時間采熱量為0.8488MW，能滿足1.7萬mam居住面積的供暖需求。
（5）在最優采熱參數下，變化地溫梯度，研究地溫梯度對采熱效果的影響。計算結果表明，地溫梯度每上升1 ℃，單位時間采熱量增加0.515MW。地溫梯度為10℃ /hm時，平均單位時間采熱量達到4.45MW，能滿足8.9萬居住面積的供暖需求。
（6）建立了地溫恢復模型，計算了停止采熱後非供暖季(240天)內的地溫恢復效果。計算結果表明，經過240天，在各個地溫梯度下采熱井壁面處岩土的溫度恢復率較高，都在92%以上；恢復速度前20天很快，後逐漸變慢。
（7）按恢復溫差可將換熱劃分為三個區間:恢復良好區域，在下行管上部(0~348m)和上行管上部（0~1240m），地層溫度高於初始溫度；恢復一般區域，在下行管中部（348~1775m）和上行管中部（1245~2590m），地層溫度與初始溫度之差在0~-10℃之間;恢復較差區域，在下行管中部(1775~4000m ) ，上行管中部(2590~4000m)和水平管道，地層溫度與初始溫度之差在-10~-20℃之間。
