引言随着世界能源格局的变化，化石能源市场整体供需矛盾不断加剧，能源价格一直处于高位波动[1-2]，发展清洁能源和可再生能源进而更好地保障能源供应安全已成为主流趋势[3]。地热能作为一种从地壳中获得的天然热能，分布极广、储量巨大，具有良好的应用前景[4]。在地热能的开采过程中，为了避免出现因回灌困难导致的地热水位下降[5]、热储寿命缩短[6]等问题，工程中常采用保水取热换热技术，将循环水送入同轴换热器，通过深层热储岩土加热外层循环水的模式实现对中深层地热能“取热不取水”[7]。国内外学者针对同轴换热器的取热特性展开了大量研究。李思奇[8]等发现，当取热井深度较小时，岩土导热系数、外管径及流量对取热效果的影响较大；当取热井深度较大时，内管保温性对换热器出口水温的影响显著。赵军[9]发现，在岩层含水量较高的区域，同轴换热器的取热情况更加优异。Bar[10]等发现，取热模式下循环水由外管流入，内管流出；蓄热模式下，循环水由内管流入，外管流出为最佳运行模式。在常规的同轴换热器中，循环水迅速流过高温热量交换区，未能充分与高温岩土进行热交换，同时在高温水返回地面的过程中，与新流入的低温水存在较大的换热温差，冷热水提前交换热量形成热短路，造成热损失。这两方面使同轴换热器具有取热量低和供热成本高的局限。因此，文中提出布置有多层内管保温结构和螺旋折流板的同轴换热器，并通过数值模拟方法分析其取热性能，旨在优化同轴换热器性能，提高地热开采效率。1模型建立1.1传热分析中深层地热井用同轴换热器主体套管式结构通常由保温内管和导热外管组成，其换热过程对应的能量方程为：∂∂tρscsTs-∇⋅Λs⋅∇Ts=Hs (1)∂∂tρcccTc-∇⋅λc∇Tc=Hc (2)∂∂tρfcfTin+∇⋅ρfcfuTin-∇⋅Λf⋅∇Tin=Hin (3)∂∂tρfcfTout+∇⋅ρfcfuTout-∇⋅Λf⋅∇Tout =Hout (4)式中：下标s、f、c——岩土、循环水、固井水泥；下标in、out——流入和流出；ρ——密度，kg/m3；c——比热容，J/(kg∙K)；λ——导热系数，W/(m∙K)；u——流速，m/s；T——温度，K；Λ——热动力张量；H——热源项。充分取热后的冷循环水从换热器的外管环形空腔中向下流动，到达换热器底部。在此过程中，随着深度的增加，地温逐渐升高，由于换热器外管采用高导热材料（如石油钢管），可以快速地将地热储层中的地热能提取至外管环形空腔中的冷循环水。循环水被不断加热并最终到达换热器底部，随后通过保温效果较好的换热器内管（如聚乙烯管）将热循环水输送至地表以供给建筑热量。1.2物理模型计算域选取深度2 500 m的同轴换热器及周围半径为15 m的岩土空间；同轴套管的外管外径为177.8 mm，内径为156.0 mm；内管外径为114.0 mm，内径为76.0 mm；同轴套管外布置固井回填材料，其外径为215.9 mm；其他区域均为循环水。为了降低高温水在回到地面过程中的热损失，设计带有多层内管保温结构的同轴换热器，以强化同轴换热器内管的保温性能。高密度聚乙烯具有廉价、耐候、疏水、易加工等特点，是理想的保温层材料[11]。因此，文中内管由外到内的材料分别为聚乙烯-保温材料-聚乙烯。为了延长循环水在井底的流程，在同轴套管底部100 m位置处布置螺距为1 m的螺旋折流板，构建带有螺旋折流板的同轴换热器。基于上述两种设计，构建带有螺旋折流板-多层内管保温复合结构的同轴换热器。井下同轴换热器物理模型如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.007.F001图1井下同轴换热器物理模型1.3岩土、管井热物性参数本研究中，同轴换热器的外管为石油钢管，内管为聚乙烯(PE)。同轴换热器主要结构的热物性参数如表1所示。文中岩土热物性参数通过UDF编译，随岩土深度变化。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.007.T001表1同轴换热器主要结构的热物性参数项目密度/(kg/m3)比热容/[J/(kg·K)]热导率/[W/(m·K)]钢管7 912.6485.6214.48保温材料36.0700.000.03水泥2 100.01 000.001.34PE960.02 300.000.401.4数值模拟设置在有限元模拟过程中，使用Fluent求解器，采用基于压力的隐式格式进行求解；对于对流项的离散格式，采用Body Force Weighted；对压力与速度耦合方式采用SIMPLE算法；计算域初始温度场通过Patch根据温度的竖直分布函数赋值；进口边界条件采用质量流量进口，出口边界条件采用压力出口(P=0)。同轴换热器初始条件为管内循环水入口温度15 ℃，流动状态为静止状态，循环水的温度与同轴换热器内外管、固井水泥以及周围岩层的温度保持一致。大地热流选取67.8 mW/m2。2网格划分及模型验证使用Ansys Icem进行网格划分，对模型划分全尺寸结构化网格，网格交界处共节点，网格质量均在0.55以上，网格数量在350万以上。经网格独立性验证，本研究采用的网格能够满足仿真需求，且能够保证计算结果具有较好的收敛性和准确性。为了评价模拟结果的可靠性，计算并对比西安市草滩供暖项目2 500 m同轴换热器进出口温度实测数据[12]。网格模型验证结果如图2所示。运行时间为72 h时，循环水稳态出口温度的仿真结果与实测数据的一致性达95%。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.007.F002图2网格模型验证结果3结果与分析3.1不同结构同轴换热器取热性能分析同轴换热器的出口水温和换热强度是评判其取热性能的标准。同轴换热器的出口水温Tout和换热强度Φ分别为：Tout=∬outTdxdy∬outdxdy (5)Φ=QΔTcp (6)式中：T——某一坐标点处温度，K；Q——循环水流量，kg/h；ΔT——进出口水温差，K；cp——水定压比热容，J/(kg∙K)。不同结构同轴换热器的72 h取热性能随入口流量变化情况如图3所示。图3不同结构同轴换热器的72 h取热性能随入口流量变化情况10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.007.F3a1（a）平均出口水温10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.007.F3a2（b）平均换热强度由图3可知，随着入口流量的提高，同轴换热器的平均换热强度提升28.93%。提高同轴换热器入口流量能够显著提高其取热能力。布置内管保温结构的同轴换热器在低流量（6 kg/s及以下）时的强化换热效果更优，因为低流量时循环水需要更长的时间从井底返回地面，热损失较大，布置内管保温结构效果明显。加装螺旋结构在高流量（7 kg/s及以上）时的强化换热效果更优，因为高流量时循环水在井底停留时间较短，取热不够充分，而加装螺旋结构能够有效地增长管程。结合上述两种手段，布置螺旋保温结构的同轴换热器在全流量下的强化换热效果最优，使72 h平均出口水温最大提高3.22 ℃，平均取热强度最大提高111.84 kW，增幅为24.58%。为了分析循环水在井底的流动状态，绘制井底流线图，同轴换热器底部流速和流线分布如图4所示。对于普通直管同轴换热器，循环水在井底的流动路径较短，与高温岩层换热量较低。加装螺旋结构的同轴换热器具有更长的流程，井底出现更强烈的扰动，使得井底位置的换热效果更佳，同时循环水在井底停留的时间更长，换热更加充分。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.007.F004图4同轴换热器底部流速和流线分布3.2变管径组合影响分析同轴换热器的管径是影响其换热性能的关键因素。选取3组常见的管径组合作为研究对象，将扩大同轴换热器管径与布置螺旋保温结构两种手段复合，探究其联合强化换热效果。不同管径组合参数如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.007.T002表2不同管径组合参数组合外管径外管厚度内管径内管厚度1177.810.90114192193.78.33130193244.510.3017019mm不同管径及强化换热手段下的同轴换热器取热性能如图5所示。图5不同管径及强化换热手段下的同轴换热器取热性能10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.007.F5a1（a）平均出口水温10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.007.F5a2（b）平均换热强度由图5可知，同轴换热器外管径为177.8 mm时，布置螺旋保温结构的强化换热效果最优。综合扩大管径手段和布置螺旋保温结构，同轴换热器的平均出口水温最大提高7.83 ℃，平均换热强度提高236.65 kW，增幅为52.17%。4结语中深层地热用井下同轴换热器热损失较大及循环水换热不充分，设计螺旋折流板-多层内管保温复合结构，研究其强化换热性能。布置了螺旋折流板-多层内管保温复合结构的同轴换热器在全流量下取得优异的强化换热效果，平均出口水温最大提高3.22 ℃，平均取热强度最大提高111.84 kW，增幅为24.58%。在不同的入口流量下，布置螺旋折流板-内管保温复合结构的强化换热效果均优于更换更大管径的效果。结合强化换热和采取更大管径手段，使平均出口水温最大提高7.83 ℃，平均换热强度提高236.65 kW，增幅为52.17%。