浅层竖直螺旋地埋管换热器传热特性实验研究

搭建了浅层竖直螺旋地埋管换热器的原型尺度实验平台,对不同管内流速、降雨入渗影响下螺旋地埋管的传热特性进行了实验研究,引入瞬时传热系数、效能系数2个定量评价指标来反映螺旋地埋管的传热特性。结果显示:增大管内流速可提升螺旋地埋管的传热性能,但当流速增大到一定程度时,由于换热不充分,对地埋管传热性能的提升效果逐步减弱,同时还会增加系统水泵的能耗,所以建议螺旋地埋管的设计流速在保证湍流的前提下不宜过高;降雨入渗可在一定程度上提升螺旋地埋管区域土壤的热物性,更有利于热量的传递,可有效提升螺旋地埋管的瞬时传热系数和效能系数,从而强化地埋管换热性能。

基于p阶线性模型的地埋管换热器流体温度分布研究

利用自主研发的分层热响应测试系统,获取沿深度方向上(竖向)管内流体温度实测数据,对比p阶线性分布模型计算结果和实测数据,研究两种典型工况条件下分层岩土介质中管内流体竖向分布规律和最佳p值。结果表明:恒热流工况时,p=-5阶线性分布模型能够准确预测管内流体温度分布;恒温工况时,最佳p值随流量的变化而变化,其关系为:|p|=7.361ln V+6.684。

套管式地埋管换热器节能特性的研究与应用

大庆油田进入开发后期存在着一定数量的废弃井,采用套管式地埋管换热器可以获取到废弃井的中深层的地热能。首先对废弃井转换为地热井的可行性进行分析,通过确定中深层地埋管换热方式,建立外入内出型传热计算模型并对废弃井结构改造。再具体分析大庆油田的地层土壤温度分布和确定边界条件,得出符合现实的理论计算公式。进一步分析套管式地埋管换热器取热评价指标与传热影响因素研究,得到流体流量和进口温度对传热影响因素,及循环流体进口温度对运行特性的影响对取热效率的影响规律。最后,通过对两种工况的废弃井现场试验,得到套管式地埋管换热器平均换热量为478.5 kWh。为利用大庆油田1700口废弃井的节能改造找到了一条切实可行的出路。

基于土壤分层当量物性的地埋管换热器换热模型研究

文章综合考虑了土壤分层与地下水渗流等情况,结合实测数据,通过地埋管外壁温度计算得出地埋管内部流体温度与不同分层土壤的热物性参数,根据土壤当量物性进行分层,据此建立地埋管换热模型。经过对比验证实验发现,分层换热模型比常规均质模型更接近实测值,误差更小;基于土壤分层当量物性的地埋管换热器换热模型模拟出水温度与实测值平均绝对误差为0.21℃,模拟进、出口换热温差与实测值平均绝对误差为0.14℃,具有较高的准确度,可为工程设计提供依据并作为后续地埋管换热优化研究的基础。

多孔中深层地埋管换热器取热性能研究

基于移动线源法和叠加原理,建立考虑地下水渗流的多孔中深层地埋管换热器传热模型,研究渗流速度和大地热流对换热器长期运行中循环液温度和钻孔壁温的影响。结果显示:循环液进口温度随着渗流速度的增加而升高。渗流速度较低(<1×10^(-7)m/s)时,渗流速度对循环液进口温度的影响相对较小;渗流速度较高时,即使大地热流较小,循环液进口温度仍能达到低渗流速度时的值。地下水渗流对于减缓换热器周围土壤温度的下降有所帮助,但并不能完全抵消温度的降低。

中深层U型地埋管换热器取热特性研究

基于开源数值模拟计算软件OpenGeoSys建立了充分考虑中深层U型地埋管换热器尺寸特征与复杂地质参数分布的三维数值计算模型,开展了换热器长期取热过程逐时出口水温及取热性能影响因素分析。热性能测试分析结果表明,运行初期换热器出口水温快速下降,随着取热进程不断推进换热器出口水温逐渐平稳。敏感性分析表明,地温梯度、上下行井钻井深度及水平对接井长度对中深层U型地埋管换热器取热性能影响显著。相关研究结论可为中深层U型地埋管工程设计及技术应用提供参考。

基于正交试验的中深层U型地埋管换热器换热性能影响因素分析

对中深层U型地埋管换热器换热性能影响因素进行了研究,建立了中深层U型地埋管换热器三维全尺寸数值传热模型,通过正交试验极差法,分析了入口温度、岩土热导率、地温梯度、埋深以及支管间距的影响。结果表明,这5项因素对中深层U型地埋管换热器换热性能的影响显著性依次为:埋深、地温梯度、入口温度、岩土热导率、支管间距。埋深、地温梯度对换热性能的影响近似于线性;岩土热导率对换热性能的影响则接近于抛物线变化,随岩土热导率的增加,换热性能快速提升;当入口温度从15℃升高至20℃时,平均进出口温差迅速下降,换热量迅速减少,因此建议U型地埋管的入口温度应小于20℃。

基于Fluent的地下水渗流对套管式地埋管换热器性能的影响

为了探究渗流对套管式土壤源热泵运行时周围土壤的温度波动及其换热的影响,采用数值模拟方法建立了套管式地埋管换热器的渗流三维模型。结果显示:渗流会影响土壤温度场,能够将地埋管换热产生的冷量向下游传递,从而明显降低土壤中冷量的集中程度。通过优化渗流速度可以进一步提高出口温度,增强整体的换热能力。研究表明,渗流可以解决土壤冷堆积问题,提高套管式地埋管换热器的出口水温,并提高其换热效率。

考虑岩土分层的不同管材地埋管换热器换热性能研究

以竖直U型地源热泵地埋管换热器为研究对象,考虑岩土分层,设计一种复合管材,模拟分析传统PE管材、复合管材的换热性能,并根据区段能效系数设计复合管材、复合管材+PE管材布置形式,进一步探究两种布置形式的换热性能、经济性。结果表明:地埋管换热器使用复合管材能显著提高换热性能,特别是在进水管段及出水管段下部使用复合管材换热能力明显增强,在出水管段中、上部使用复合管材对提升换热性能不明显;复合管材+PE管材与复合管材布置形式换热性能相差甚小,但复合管材+PE管材布置形式管间热短路影响更小、更经济。

三种埋管换热器换热性能的模拟与实验研究

本文采用数值模拟与实验相结合的方法,研究了单U型、双U型及套管式地埋管换热器在不同管内流速下的换热情况以及埋管周围土壤温度场的变化情况。研究表明:实验值与模拟值相吻合;地埋管换热器换热能力随着管内流速的增大而增强;三种形式地埋管换热器换热能力以套管式最优,双U型及单U型地埋管次之。

中深层地埋管换热器性能研究——基于某体育训练基地场馆供暖工况

为研究同轴式地埋管换热器和U形地埋管换热器这2种中深层地埋管换热器换热性能,利用Fluent结合某体育训练基地场馆实际情况建立数值模型。模拟研究10年运行时间内,间歇运行模式、岩土导热系数和地温梯度等因素对这2种地埋管换热器换热量的影响。结果表明:前5年这2种地埋管换热器换热能力衰减较大,均下降6.6%左右,随后逐渐平稳;岩土物性参数一致时,2种换热器10年内换热能力衰减相差不大。4种间歇运行工况下,U形地埋管换热器换热性能均略优于同轴式地埋管换热器;在高岩土导热系数和高地温梯度时,运行10年后U形地埋管换热器换热性能优于同轴式地埋管换热器。

地源热泵地埋管换热器传热研究(1)：综述

综述了地源热泵地埋管换热器传热问题分析解、数值解的研究情况,分析了埋管之间的热干扰、管井回填材料、土壤含水量以及埋管内循环流体流量对地源热泵运行特性的影响,总结了当前研究的不足,指出了下一步研究的方向。

高性能地埋管换热器钻孔回填材料的实验研究

通过实验研究了基于水泥、石英砂的回填材料各组分对材料导热系数、稠度、强度及膨胀率等的影响,优选出三种具有良好特性的水泥砂浆回填材料,其导热系数可达2.18～2.34W/(m·K)。通过对一个工程实例的模拟计算得出,与传统的膨润土回填材料相比,采用这些高性能回填材料能够减少地埋管换热器埋管长度29%～36%,可显著节省地埋管换热器的初投资和降低运行能耗。

U型垂直埋管换热器管群周围土壤温度数值模拟

在所建立的内热源型埋地换热器模型基础上,采用专业多孔介质计算软件Autough2对模型进行模拟计算。在对单根换热器不同土壤物性对土壤温度影响模拟结果基础上,着重对U型垂直埋管换热器管群模拟只有取热或只有排热单季运行工况下的土壤温度变化,和既有取热又有排热的双季运行工况下的土壤温度变化,分析各自对地源热泵应用效果的影响。

地源热泵地埋管换热器传热研究(2):传热过程的完全数学描述

建立了管内流体换热和土壤换热的耦合模型,并在此基础上建立了与地面热泵模型耦合的地源热泵系统仿真模型。给出了边界条件和计算参数的确定方法,计算参数包括:流体与管内壁面的表面传热系数、地面的表面传热系数、大气温度、不同埋深土壤温度、多孔介质土壤有效导热系数。

竖直U形地埋管换热器传热热阻计算方法比较

介绍了基于线热源理论和柱热源理论的竖直U形地埋管换热器的设计计算方法.结合工程实例,采用不同计算方法,对设计热阻参数项进行了比较.结果表明:关于钻孔内热阻,一维导热模型最大,形状因子法次之,二维导热模型最小,准三维传热模型略大于二维导热模型,最小值较最大值小32%(单U管)和44%(双U管);关于钻孔外热阻,柱热源理论较线热源理论小16%(单U管)和19%(双U管);关于钻孔总热阻,将4种钻孔内热阻计算方法和2种钻孔外热阻计算方法自由组合,最小值较最大值小20%(单U管)和26%(双U管).

竖直U形地埋管换热器热短路现象及换热性能研究

针对影响地埋管换热器热短路现象及换热性能的主要因素（回填材料导热系数和热泵运行方式），建立了U形地埋管换热器的三维非稳态数值模型，通过热响应实验验证了该模型。采用FLUENT软件进行模拟分析，得到不同导热系数土壤条件下地埋管换热器的热短路损失系数和每延米换热量随回填材料导热系数的变化规律，推荐采用导热系数比周围土壤稍大的回填材料。对比了地源热泵连续与间歇两种运行方式，得出当回填材料导热系数小于或等于周围土壤导热系数时，间歇运行对热短路现象基本无影响；当回填材料导热系数大于周围土壤导热系数时，间歇运行可使热短路损失系数降低51．6％～74．5％，每延米换热量提高32．6％～34．0％。

地下水渗流对竖埋管换热器传热影响的数值模拟

地下水渗流对竖埋管换热器与岩土体的热量交换具有显著影响。该文应用地下水渗流理论和传热学理论,建立考虑热传导和地下水渗流共同作用的热渗耦合传热模型;针对南宁河流阶地土层,模拟分析地下水渗流对竖埋管换热器传热的影响。研究结果表明:1)地下水渗流可以强化地埋管的换热,且随着渗流速度的增大,强化换热作用越明显;2)地下水渗流对换热器热交换的影响具有方向性,在此基础上,对竖埋管换热合理的布置方式进行分析;3)南宁河流阶地地区,仅考虑砂砾层存在地下水渗流对换热的影响,更符合工程实际。

分层土壤中竖直埋管换热器传热特性

基于移动有限长线热源理论,考虑土壤分层及存在渗流现象,建立了埋管传热解析模型。利用热响应试验验证了该模型的正确性。对比分层模型与均质模型所给出的埋管散热过程的土壤温度响应表明:埋管周围土壤沿轴向分层使其温度分布也呈现分层而非均匀的特点,各层土壤中钻孔壁处温度趋于稳定所需的时间及数值因各层物性的差异而不同。对整个埋管区土壤均质或分层但存在渗流作用以及部分土壤层存在渗流作用等3种情况进行了计算分析,发现:若整个分层土壤中存在渗流,而视土壤为均质并忽略渗流的影响,则对换热能效系数低估可达6.3%;埋管散热在各土壤层中的热作用距离因存在渗流与否偏差可达43%。可见,为了准确评估钻孔周围渗流作用下分层土壤中的温度分布特性,应利用分层模型计算各土壤层中的热作用距离,以最大值确定管间距,否则会导致管群布置时管间距选取偏小。

运行模式对地埋管换热器热交换性能的影响试验

运行模式对地埋管换热器的热交换性能具有显著影响。文章借助桂林理工大学建立的地源热泵实验平台,对桂林地区地源热泵制冷工况下3种运行模式进行试验,研究地源热泵的运行状况及管壁温度变化特性,分析运行模式对地埋管热交换性能的影响规律。研究结果表明：3种运行工况下,地源热泵机组的性能系数COP分别为4.30,4.03,3.48,竖埋管单位管长换热量为14.4~32.8 W/m,水平埋管单位管长换热量为14.8~17.9W/m;地埋管的管壁温度随着地源热泵的运行发生变化,其恢复程度与停机时间的长短有关;间歇运行模式有利于土壤温度场的恢复,提高地埋管换热器的热交换性能;停运比Ps-o由0变化到1时,热泵机组性能系数COP增加了15.8%。