太阳能-U形埋管土壤蓄热特性数值模拟与实验验证

为了探讨利用太阳能-地源热泵系统中现有钻孔U形埋管进行太阳能跨季节性土壤蓄热的可行性及其特性,基于多孔介质传热传质及地下水渗流理论,建立了考虑地下水渗流与热湿迁移影响的准三维U形埋管土壤蓄热的数学模型.基于对模型的数值求解,探讨了间歇蓄热运行模式及地下水渗流对U形埋管土壤蓄热特性的影响,结果显示:间歇蓄热方式有利于土壤温度的恢复,从而可提高蓄热效率;同时,地下水渗流的存在可以强化地下埋管的换热效果,但不利于用埋管作为蓄热装置.实验验证表明,埋管日平均出口温度及日蓄热的计算值与实验值随时间的变化规律一致,其平均相对误差为5.6％.所建模型为U形埋管土壤蓄热及其传热特性的研究提供了理论基础.     

一种模拟竖直地埋管换热器的热响应因子

为了快速并准确地计算钻孔群地下土壤和钻孔内流体的温度,在现有的模拟竖直埋管长期换热的模型基础上,提出了一种新的计算竖直地埋管钻孔域温度响应的响应因子——单位矩形脉冲热负荷作用下热响应函数(δ-函数).通过将δ-函数与快速傅里叶变换相结合来提高δ-函数的模拟速度,将该响应因子及算法与g-函数进行了精度和计算速度的对比.结果表明:该响应因子及算法不仅与g-函数有相同的计算精度,而且计算速度有显著的提高,当模拟5×8的钻孔群30a的温度响应时计算时间不到90s.     

地下水对地埋管换热器换热的影响分析

针对传统传热模型无法反映地下水对地埋管换热器换热的影响,结合黄土高原地区的地质条件,通过Fluent流体仿真软件建立地埋管换热器的三维非稳态分层渗流传热模型,并利用实验数据验证该模型的准确性.在不同的地下水流速和岩土体孔隙率的条件下,通过数值模拟的方法,研究以含水层厚度为特征长度的贝克莱数与地埋管换热器换热之间的关系.结果表明:单位井深换热量增加率与贝克莱数成对数关系;当贝克莱数较大时,地下水对地埋管换热器换热有促进作用;当贝克莱数较小时,地下水对地埋管换热的强化作用不明显,甚至起到抑制作用.同时,对含水层处的导热系数进行修正,得到新的分层渗流传热模型.     

地源热泵中U型埋管传热过程的数值模拟

以钻孔壁为界将U型埋管的换热区域划分为钻孔内外两部分,并分别采用稳态与非稳态传热来分析求解,两区域模型间通过钻孔壁温耦合连接,以构成完整的埋管传热模型.对于钻孔以外部分,采用变热流圆柱源模型来求解钻孔瞬时壁温.钻孔以内部分,在考虑埋管流体温度的沿程变化及U型管2支间热干扰的基础上,基于能量平衡建立了钻孔内U型埋管的稳态传热模型.用所建U型埋管传热模型对地源热泵系统的运行特性进行了动态模拟,得出了埋管出口流体温度、钻孔瞬时壁温、单位埋管吸热量及热泵COP随运行时间的变化规律.所建埋管模型可为地源热泵系统的动态模拟、优化设计及其改进提供参考.     

地下水渗流作用下埋管换热器动态设计研究

由于土壤换热的复杂性及地源热泵系统实际运行的耦合作用,地埋管设计需要考虑到实际地下水渗流及其动态性能。通过对某实际工程进行热响应试验,测算出该地地下水渗流速度;在此基础上建立逐时负荷-热泵机组-地埋管换热器耦合模型对该工程埋管设计进行动态分析。最后在此设计工况下对系统全年运行情况进行模拟分析,为该地源热泵系统运行提供参考依据。     

地下岩土热物性及地下水渗流速度确定

提出了可用于现场测量地下岩土的导热系数、容积比热容等热物性参数以及地下水渗流速度的方法．埋设在地下的地热换热器与周围岩土换热过程可以近似为无限大介质中移动线热源传热问题．该方法克服了其它模型对钻孔中埋管的具体位置、上升管和下降管之间的距离以及埋管和回填材料的物性等参数的要求，相应消除上述参数测量带来的误差．通过测量地下埋管的加热功率、循环水流量、出入口水温随时间变化，确定了某地源热泵空调系统工程地下岩土的热物性参数及地下水渗流速度，检验证实了该方法的实用性和可靠性．     

埋管换热器对地表温度影响的模拟分析

为探讨地源热泵系统垂直埋管换热器运行对地表温度的影响,采用数值模拟的方法,基于一定的覆土厚度,结合不同工况下的埋管负荷,建立了地下土壤、钻孔、覆土与外界环境之间的传热模型,对埋管运行期覆土层温度场的变化进行了分析,并对地表温度随覆土厚度的变化规律进行了研究。结果表明,在地埋管的连续换热作用下,埋管周围土壤温度显著变化,且越接近钻孔中心,温度变化幅度越大;钻孔顶部覆土层温度局部变化,随着覆土厚度增加,温差递减;地表温度变化范围及上升幅度与埋管换热量成正比,与覆土厚度成反比;增加覆土层厚度能有效减缓地埋管换热对地表温度造成的热影响,有利于管群区域的红外伪装。     

地下水渗流对单U形地埋管埋深的影响

为解决因埋深过大而引起的竖直地埋管换热器换热效果不佳的问题,根据黄土高原地区的地质条件,建立轴向岩土分层的单U形地埋管换热器数值模型.通过数值模拟,分别研究了改变含水层厚度、地下水渗流速度和地下水位线高度对地埋管换热性能的影响,并提出了以典型含水层厚度来确定地埋管最佳埋深的方法.结果 表明:当实际含水层的厚度不超过典型含水层厚度时,地埋管最佳埋深的位置为实际含水层底部;反之,地埋管最佳埋深的位置为典型含水层底部;随着渗流速度的减小,典型含水层厚度先增大后趋于不变,在渗流速度为1×10-6 m/s时达到最大值30 m;地下水位线的提高对典型含水层厚度没有影响,但提高了典型含水层的位置,使得最佳埋深变小.     

土壤源地源热泵地埋管换热器管群换热分析

基于线热源理论和叠加原理建立了土壤源热泵地埋管换热器管群地下传热基本数学模型,并运用拉普拉斯变换和数值反演技术进行了求解.研究了埋管进口流体温度相同时,地埋管换热器管群连续运行换热能力和出口流体温度变化规律.研究表明,换热初期管群各埋管换热能力和单埋管时相同;随着换热的进行,由于热干扰影响,各埋管的换热能力低于单个钻孔情形,出口流体温度比单个钻孔的出口温度高;埋管间距越大,管群埋管之间的热干扰越小.     

土壤耦合热泵系统模型试验台设计

该文基于线热源理论建立了考虑地下水渗流的土壤耦合热泵地下埋管换热系统的传热模型,并利用传热相似理论对传热模型进行了相似转换,得出与原型试验相似的无量纲准则数,结果表明模型系统的试验时间与几何尺度之平方Cl2成正比。依相似准则设计和建立了土壤耦合热泵系统的模型试验台,实现了以较小的人力物力和较短的时间对土壤耦合热泵系统长周期运行特性的测试。     

地下水渗流对土壤耦合热泵换热器传热的影响

针对国内外关于土壤耦合热泵的传热模型及其计算方法,未考虑地下水渗流的影响的问题,应用地下水渗流理论和传热学理论,建立了考虑热传导和地下水渗流共同作用的热渗耦合传热模型,分析了地下水渗流对其传热模型的影响,这为土壤耦合热泵换热器的传热计算和分析提供理论支持。     

基于楔形体的舌一维传热模型及其解析解

定量讨论生物体的传热规律，在建立所研究对象的生物传热模型基础上获得其解析解，以猪舌和人舌为研究对象，通过有创和无创实验方法获取舌体温度与血液灌注率间变化规律的实验曲线，研究舌体的传热过程。在理论计算中将舌体简化为楔形体，针对舌体的传热特性建立猪舌的准一维传热模型，方程的形式为二阶变系数非齐次方程，并求得其解析解。将人舌的有关数据代入模型进行验算，所得计算温度值与由热像仪测得的实验值变化趋势一致、此种建模及计算方法可从理论上定量分析血液灌注率与舌体温度分布变化之间的规律，同时说明人舌与猪舌温度分布随血液灌注率变化的规律相同。该模型亦适用于其他有内热源的近似于楔形肋生物体的传热计算。     

求解辐射换热的离散传播法

介绍了一种新的求解辐射换热的方法—离散传播法,并编制了用该方法求解一维辐射换热问题的通用程序。用该程序对一维平行平板间的辐射换热问题进行了计算,并将结果与解析解进行了比较。结果表明,离散传播法是一种很好的求解辐射换热方法,值得进一步研究。     

循环单井的传热特性

依据能量守恒建立了循环单井井管-井孔-含水层耦合传热模型，并通过现场试验的数值模拟验证了该模型的正确性．针对典型循环单井的传热特性进行了研究．结果表明，采暖季期间，循环单井抽水温度变化剧烈，变化量达7℃，这降低了系统应对突发负荷的能力，增加了热泵机组的耗功．井孔与含水层之间的原水交换承担了近23．4％的负荷，且基本不随时间变化．循环单井对含水层的热影响范围不大（14m），因此，多口循环单井的井间距可以较小（如15m）．     

注汽井井筒温度分布的模拟计算

现场使用的注汽井井筒模拟软件存在的主要问题是对隔热井筒的节点划分过粗 ,未考虑隔热油管接箍和伸缩管等对井筒温度分布的影响 ,其计算结果误差较大。针对这一问题建立了井筒温度分布精细描述数学模型 ,编制了新的计算软件 ,此软件考虑了接箍处轴向导热的影响 ,改进了地层热阻的计算方法 ,并采用新方法计算环空隔热介质的导热系数。对隔热油管外管壁温度分布进行的局部加密处理后的计算结果更能接近实际热损失情况。分别用数值解法和解析法求解了隔热管外管壁的温度分布。与现场测试数据的对比说明 ,精细模型计算的结果准确度高 ,能满足工程精度的要求 ,对地层热阻、环空隔热介质等的分析计算比较可靠。     

低参数下试验回路主热交换器换热能力分析

燃料组件在高温高压试验回路中的稳态辐照考验是揭示燃料抗辐照性能以及验证新型燃料组件在投入工程应用前安全性的必经阶段。本文主要针对高温高压稳态考验,研究了低参数工况对高温高压试验回路主热交换器换热能力的影响,研究表明,两台主热交换器并联运行时的总换热功率并非总是高于单台独立运行,在一次水入口相对流量40%和温度330°C下,两台主热交换器并联运行的功率反而较单台运行时低3.9%~4.3%。同时存在一个流量转折点,在该流量转折点之上,两台主热交换器并联运行才具有实质意义。本文建立了通过分段拟合求解流量转折点的方法,整体求解了在不同一次水入口温度下的流量转折点,通过拟合求解与计算求解获得的流量转折点平均差异为0.6%,而对应的换热功率平均偏差为1.8%。并且进一步提出在低参数运行工况下,可以采用主热交换器串联的方式解决换热功率不足的问题,在一次水入口温度250°C时,串联运行时的换热功率要较单台或两台并联运行时的最大功率平均高出77.5%。     

土壤初始温度及地下水渗流对多供一回中心回水管换热器的影响

为研究地下水渗流对多供一回中心回水管换热器与周围岩土体换热情况的影响,以黄土高原地区实际土壤环境为依托,采用DesignMoldeler软件建立多供一回中心回水管换热器及周围土壤的三维热渗耦合传热模型,利用Meshing软件对模型进行网格划分,并采用Fluent软件对其进行数值模拟.分析岩土体分层条件下,沿埋深方向变化的土壤初始温度、不同地下水渗流方向及间歇运行模式对多供一回中心回水管换热器换热的影响.研究结果表明:分层土壤初始温度不同对不同类型的多供一回中心回水管换热器影响较大,故不可忽略;不同地下水渗流方向对不同类型的多供一回中心回水管换热器影响不同,存在一个最佳渗流方向使得换热效率达到最高;间歇运行模式可提高热泵运行效率,减小埋管的设计长度,从而减少初投资.