水平螺旋地下换热器传热特性的理论与实验研究

水平螺旋地下换热器传热特性的理论与实验研究

随着传统能源的消耗日益增多,环境污染问题也变得越来越严重。地源热泵是一种将浅层地热能作为热泵冷热源的空调系统,因其绿色环保、节能高效而得到了广泛的推广和应用。地源热泵系统中换热的关键设备是地埋管换热器(GHE),其埋管形式以及传热性能一直是地源热泵领域研究的热点。相对于垂直地埋管,水平地埋管换热器由于其施工便捷、造价低而受到青睐,但传统的直埋式水平地埋管换热器所占空间较大,换热效率低,从而在一定程度上限制了其应用与推广。因此,提出了一种新型高效的地埋管形式——水平螺旋型地埋管换热器(HSGHE),该种形式的换热器具有换热性能好、施工便捷、成本低等优点,因此逐渐受到关注。本文对HSGHE的传热特性进行了数值模拟和实验测试,探讨了不同因素对其传热特性的影响规律。数值模拟方面,利用COMSOL Multiphysics软件建立了 HSGHE的数值模型,探讨了线圈直径、运行模式、土壤类型、地下水渗流以及长期运行工况对其传热特性的影响规律。结果表明:增大埋管线圈直径,可以增大GHE的总换热量,但会导致单位管长换热量的下降及土壤热影响范围的增大;在以24h为周期的昼夜间歇运行模式下,开启时间越长,GHE的日平均换热量下降幅度越大,埋管水平方向热影响范围越大;土壤类型对传热特性影响较大,从换热性能的角度,岩土换热量最大,其次为沙土,换热量最小的为粘土;但从减小热干扰区域的角度,粘土最有利,其次为岩土,热影响区域最大的为沙土;增大地下水渗流速度有利于提高GHE的总换热量,且相对水平方向,竖直方向上的地下水渗流强化GHE的换热性能的效果更明显;在全年运行工况下,与连续运行模式相比,采用间歇运行模式更有利于提高GHE的换热性能,且两种模式在全年运行结束后均不会存在冷热堆积现象。实验研究方面,对不同条件下HSGHE的换热性能和土壤温度分布的进行了实验测试。结果表明:夏季进口水温的升高和冬季进口水温的降低都会提高HSGHE的换热量,但也在一定程度上加剧了土壤过余温度的变化,因此要依据实际应用情况确定进口水温;减小线圈中心距,可以提高GHE的总换热量,但是单位管长换热量会减小,并增大了对埋管周围土壤的热干扰;地表面风速的增大,强化了地表面与空气间的对流换热,提高了换热器的换热性能,但考虑换热的稳定性以及使用地区的冻土层深度,GHE的埋深不宜较浅;此外,从埋管形式来看,“spiral”型GHE的换热性能优于“slinky”型GHE;且在本文实验条件下,HSGHE的水平方向的热影响范围约为0.4m,深度方向上的热影响范围应大于0.2m。本文主要旨在探讨不同因素对HSGHE传热特性的影响规律,以期为其在工程推广应用中提供理论支持和技术指导。

基本信息

题目水平螺旋型地埋管换热器传热特性的理论与实验研究
文献类型硕士论文
作者徐瑞
作者单位扬州大学
导师杨卫波,殷叔靖
文献来源扬州大学
发表年份2020
学科分类工程科技Ⅱ辑
专业分类建筑科学与工程
分类号TU83
关键词水平螺旋型地埋管换热器,数值模拟,实验研究,影响因素,传热特性
总页数:69
文件大小:5778K

论文目录

摘要
Abstract
符号表
第1章 绪论
  1.1 课题研究背景与意义
  1.2 水平螺旋型地埋管换热器的研究现状
    1.2.1 国外研究现状
    1.2.2 国内研究现状
  1.3 本课题的主要研究内容
第2章 水平地埋管换热器及其传热特性的影响因素
  2.1 水平地埋管换热器
    2.1.1 传统水平地埋管换热器
    2.1.2 水平螺旋型地埋管换热器
  2.2 水平螺旋型地埋管换热器传热特性的影响因素
    2.2.1 结构物性参数
    2.2.2 运行参数
    2.2.3 其他因素
  2.3 水平螺旋型地埋管换热器应用中有待解决的关键问题
  2.4 本章小结
第3章 水平螺旋型地埋管换热器的数值模型
  3.1 COMSOL Multiphysics软件介绍
  3.2 水平螺旋型地埋管换热器的理论模型
    3.2.1 模型简化
    3.2.2 物理模型
    3.2.3 数学模型
    3.2.4 定解条件
  3.3 水平螺旋型地埋管换热器CFD模型
    3.3.1 网格划分
    3.3.2 网格独立性验证
  3.4 模型验证
  3.5 本章小结
第4章 水平螺旋型地埋管换热器传热特性的数值模拟
  4.1 COMSOL Multiphysics运行参数设置
  4.2 不同因素对换热器传热特性的影响
    4.2.1 线圈直径
    4.2.2 运行模式
    4.2.3 土壤类型
    4.2.4 地下水渗流
  4.3 长期运行对换热器传热特性的影响
    4.3.1 换热量
    4.3.2 土壤温度
  4.4 本章小结
第5章 水平螺旋型地埋管换热器传热特性的实验研究
  5.1 设计依据
    5.1.1 相似理论
    5.1.2 模型实验
  5.2 实验台简介
    5.2.1 实验系统原理及组成
    5.2.2 实验装置及仪表
    5.2.3 测点布置及热电偶标定
    5.2.4 导热系数测定
  5.3 数据处理及误差分析
    5.3.1 实验数据处理
    5.3.2 实验误差分析
  5.4 实验结果分析与讨论
    5.4.1 不同因素对水平螺旋型地埋管换热器传热特性的影响
    5.4.2 不同方向上换热器传热特性分析
    5.4.3 不同因素对换热器换热效率的影响
  5.5 本章小结
第6章 结论与展望
  6.1 主要研究结论
  6.2 创新点
  6.3 展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间发表的学术论文与研究项目及获奖情况

参考文献

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