深部矿井埋管充填体换热器蓄/释热过程中的热干扰问题

矿床开采形成的丰富地下空间为太阳能等可再生能源的大规模存储提供了基本条件。将地埋管换热器置入矿井充填体中构建出具有蓄/释热功能的埋管充填体换热器是实现太阳能等可再生能源跨季节存储的新方法,但是热干扰问题会影响其蓄/释热性能而不容忽视。利用COMSOL仿真软件建立并验证了典型蛇形埋管充填体换热器的三维非稳态传热模型,通过管间热干扰系数(I_(tub))和层间热干扰系数(I_(lay))量化研究了管间距、管径、充填体导热系数和比热容对埋管充填体换热器的单层蛇形管管间和多层蛇形管层间热干扰影响,通过引入相对灵敏度参数讨论分析了管间和层间热干扰对研究参数的敏感度。结果分析表明,I_(tub)随蓄/释热时间呈先下降后上升的变化趋势,整体变化不大(0.92~1.00),说明单层蛇形管管间热干扰影响较小。I_(lay)呈单调显著递减,在蓄/释热阶段末分别低于0.25和0.49,说明多层蛇形埋管层间热干扰随着蓄/释热的进行严重恶化。通过灵敏度分析发现,I_(lay)对研究参数的敏感度明显高于I_(tub)。I_(lay)对充填体比热容、管间距、充填体导热系数和管内径的敏感度依次降低,其中充填体比热容和管间距为正面影响,另外2个为负面影响。I_(tub)在蓄/释热的大部分时间段对管间距最敏感。本研究量化了关键参数对埋管充填体换热器热干扰的影响,为优化蛇形埋管布置及充填材料制备以降低热干扰影响提供了依据。

不同埋深水平蛇形地埋管换热器换热性能比较分析

本次采用热响应实验方法,在加热量相同的前提下,分别运行埋深为1.8m层和2.2m层的水平蛇形地埋管系统。还分别建立了与实验工况条件一致水平蛇形地埋管与土壤换热耦合数值计算模型,利用CFD软件求解,分别比较分析埋深为1.8m层和2.2m层水平蛇形地埋管与土壤换热数值计算工况和实验工况,发现数值计算结果与实验结果吻合较好,从而证明实验结果是可用的。比较实验工况下单独开启1.8m层和单独开启2.2m层水平蛇形地埋管与土壤换热数进出口水温、土壤平均传热系数K随时间的变化,得出埋深为2.2m层的水平蛇形地埋管与土壤换热的换热性能远远优于埋深为1.8m层的水平蛇形地埋管的结论。

水平蛇形地埋管与土壤换热数值计算模型与实验结果对比分析以及变系统加热量对水平蛇形地埋管换热性能的影响

采用热响应实验方法,在系统流量相同的前提下,改变热响应实验的加热量运行埋深2.2m层的水平蛇形地埋管系统。还建立了与实验工况之一条件一致的水平蛇形地埋管与土壤换热耦合数值计算模型,利用CFD软件求解,比较分析埋深为2.2m层水平蛇形地埋管与土壤换热数值计算工况和实验工况,发现数值计算结果与实验结果吻合较好,从而证明实验结果是可用的。比较在相同流量不同加热量的实验工况下单独开启2.2m层水平蛇形地埋管与土壤换热数进出口水温、土壤平均传热系数K随时间的变化,得出一定的变化规律和参考数据。