土壤空气换热器换热特性的模拟研究

文章针对日光温室环境下土壤空气换热器的换热特性进行了研究。首先通过监测土壤空气换热器沿程空气温度的全天变化,分析了试验工况下土壤空气换热器的动态换热过程及系统性能变化规律。研究结果表明,在试验工况下,土壤空气换热器系统的性能系数(COP)可高达24.1。在此基础上,通过建立土壤空气换热器的非稳态换热模型,模拟研究不同的入口风速对土壤空气换热器换热性能的影响。研究结果表明,当换热管入口空气温度相同时,随着入口风速的增加,土壤空气换热器进出口空气温度差逐渐减小,出口处空气温度与土壤温度差值逐渐增大,这意味着土壤空气换热器有效换热长度逐渐变长。在此过程中,土壤空气换热器系统的换热量和COP随着入口空气风速的增加呈现出先增后减的规律。通过模拟结果可知,当入口风速达到5.5 m/s时,土壤空气换热器系统的换热量与COP均达到最大值。     

湿工况下低气压对翅片管换热器换热特性的影响

在高空低气压环境下模拟舱内对开缝翅片管换热器在湿工况下的换热特性进行了实验研究,分析了不同环境压力对空气侧换热特性的影响,包括显热换热、潜热换热和努赛尔数的变化规律。实验结果表明,当干球温度和相对湿度不变时,湿工况下空气侧显热换热量、潜热换热量和空气侧传热系数均随着环境压力的降低而减小;而单位质量潜热换热量几乎不变,潜热换热所占比例略微增大。同一个环境压力下,入口空气的相对湿度对换热器的显热换热量影响不大,而对潜热换热量影响显著。当相对湿度分别为40%、60%和80%时,显热换热量差异小于5%;而潜热换热量当相对湿度为80%时,是相对湿度为40%时的5.9~6.8倍。     

综合管廊地埋管换热系统传热特性的数值模拟

提出综合管廊地埋管换热系统,将地埋管与综合管廊的混凝土结构相结合,通过管内流体吸收管廊围岩的热量用于建筑供热或供冷,不仅省去传统地源热泵的钻孔费用,且系统运行更加稳定。为研究地埋管的换热情况和地埋管运行对综合管廊内空气温度的影响情况,建立管内流体、管廊内空气及混凝土结构和土壤的耦合传热数理模型。同时,分别选取中国5个气候分区的代表城市,对地埋管换热器的地区适应性进行模拟分析。计算结果表明:夏季工况下,严寒地区地埋管的单位管长换热量最大,为106 W/m,夏热冬暖地区相对最小,为53 W/m;冬季工况下,夏热冬暖地区地埋管的单位管长换热量最大,可达44 W/m,严寒地区由于土壤温度低于地埋管内流体温度无法运行,寒冷地区换热量可达24 W/m;处于管廊不同位置处地埋管的换热能力也不同,其中底板的换热量大于侧壁大于顶板,且地表面年周期性温度波幅越大的城市,不同位置处地埋管的换热能力差别也越大;根据对比是否埋设地埋管的计算工况,得出地埋管换热系统的运行不会对管廊内空气温度造成大的影响。     

低气压环境下开缝翅片管换热器换热性能研究

利用低气压环境模拟装置对开缝翅片管换热器在不同气压下的换热性能进行实验研究.研究结果表明:随着气压不断降低,换热器周围空气密度逐渐降低,换热器空气侧换热系数以及显热换热量逐渐降低,而空气含湿量随着气压降低逐渐升高,导致潜热换热量逐渐增加;当气压降至0.058 MPa以下时,换热器空气侧潜热换热量占主要部分,当气压为0.04 MPa时,换热器换热能力与常压下相比下降了36.63%.     

青岛地区水平埋管换热器换热特性分析

水平埋管换热器的换热性能对地源热泵系统的运行节能性有重要影响。以青岛棕壤地区为例,建立了考虑太阳辐射、地表温度波动、土壤竖直方向上的温度梯度等因素的水平埋管换热器传热模型,模拟了埋管深度、土壤导热系数对水平埋管换热器换热性能的影响。研究结果表明:热泵系统制冷工况下,埋深2 m和2.5 m时对应的换热量较埋深1.5 m时的对应值分别增加了10.4%和15.4%;土壤导热系数由1.278 W/(m·K)增加到3.278 W/(m·K)时,水平埋管的换热量增加了68.24%;HGHE的传热效率随着埋深和导热系数的增加而不断提高。以埋深2 m为界,上部区域的土壤温度受气温和太阳辐射的影响较大,下部区域主要受地埋管换热影响。     

夏季间歇运行工况下相变温度对相变回填地埋管换热器传热性能的影响

为探究相变温度对相变材料回填地埋管换热器传热性能的影响,建立管内流体换热、回填区域相变换热及土壤换热的三维耦合传热数值模型,利用焓-多孔介质模型对相变区域相变问题进行处理,研究夏季间歇运行工况下不同相变温度回填材料对埋管换热器传热性能的影响。结果表明:添加PCM,可有效提高换热量,短期内缓解埋管周围热积聚,利用相变温度18℃的PCM回填,单位井深换热量至少比普通材料回填提高49.54%;在间歇运行初期,换热量随相变温度的升高逐渐减小,低相变温度的PCM可明显改善埋管换热量,但随着时间的进行,较高相变温度PCM回填对换热器换热量的改善效果优于前期低相变温度。此外,在运行期间,不同相变温度的PCM表现出不同的熔化、凝固特性,当PCM的熔化、凝固过程交替进行时,可减缓土壤温度在运行期间内波动幅度。     

土壤源热泵地下水平埋管换热性能及其周围土壤温度场的影响研究

通过建立地下水平埋管换热器模型,模拟了土壤导热系数对埋管及其周围土壤温度场分布和埋管换热量的影响.分析了埋管管材及埋管埋深、管径、管壁厚度等对埋管换热的影响.模拟结果显示,当土壤导热系数从1.1W/(m·℃)增大到2.5W/(m·℃)时,埋管单位管长换热量增幅达100.8%,且到埋管距离越近的点,其土壤温度随土壤导热系数的变化相对较快.地下二层埋管外表面温度及其周围土壤温度变化比地下一层换热稳定性好,换热量大.适当的加大管径,减小管壁厚,有利于增强埋管换热.     

海水源空调用盘管换热节能效果分析

为了研究海水源空调用盘管换热器节能效果,采用现场实验的方法对盘管单位管长换热量进行测定.基于实验测试值,结合工程实例,对海水源空调系统冷却水采用盘管换热器获取方式和传统冷却塔在节能、经济和环境方面进行对比.研究结果表明,管内流速越大换热量越大,在流速为0.7 m/s时,PE32的换热管单位管长换热量为27.2 W/m.此外,夏季采用盘管与海水换热制备冷却水的海水源空调系统经济性和环境效益明显.     

毛细管换热器在养殖水体温度调节中的应用

本文从传热学的基本原理出发,利用毛细管换热器的传热过程热量计算公式,探讨了不同毛细管长度、管间距及流量下的毛细管换热效果,为毛细管换热器在养殖水体温度调节提供参考。结果表明,管内介质流量和管长的增加,皆会增大毛细管换热量;管间距的增大伴随着换热面积的减小,换热效果降低。同时,根据毛细管换热的特点及海水温度和管内介质温度变化可知,进口温度与海水的温差越大,换热越明显。     

土壤水力学特征对水平埋管换热能力的影响分析

以土壤毛管水力特征曲线为基础,通过数值模拟手段,计算分析地下水位线变化对水平换热埋管换热特性、土体热失衡风险和热泵机组技术经济特性的影响规律,并提出“单位热影响面积换热量”这一新的评价指标,讨论土壤水力学特征对水平埋管换热能力的影响规律。研究结果表明：随着地下水位线埋深变浅,埋管水平土壤含水饱和度从12%增加到100%时,在制冷工况下,水平管延米换热量增加了30%,出口水温降低了23%,单位热影响面积换热量提高了47%;制热工况下,水平管延米换热量增加了24%,出口水温升高了25%,单位热影响面积换热量提高了39%。地下水位线埋深和土壤中含水饱和度对水平埋管换热器地下换热效率影响显著。同时,不同水力特征曲线的蓄能土体热失衡风险具有差异性。     

A study on latent heat storage exchangers with the high‐temperature phase‐change material

This paper presents a theoretical analysis and an experimental test on a shell‐and‐tube latent heat storage exchanger. The heat exchanger is used to recover high‐temperature waste heat from industrial furnaces and off‐peak electricity. It can also be integrated into a renewable energy system as an energy storage component. A mathematical model describing the unsteady freezing problem coupled with forced convection is solved numerically to predict the performance of the heat exchanger. It provides the basis for an optimum design of the heat exchanger. The experimental study on the heat exchanger is carried out under various operating conditions. Effects of various parameters, such as the inlet temperature, the mass flow rate, the thickness of the phase‐change material and the length of the pipes, on the heat transfer performance of the unit are discussed combined with theoretical prediction. The criterion for analyzing and evaluating the performance of heat exchanger is also proposed. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

非金属管式平板太阳能集热器研究

运用平板太阳能集热器热迁移因子F_R的表达式,研究集热器管间距W和管外径D_o对F_R的影响规律。研究发现,随着W的减小,F_R逐渐增大,当W趋近于D_o时,F_R趋近最大,此时集热管导热系数对F_R影响甚微,即可采用非金属材料替代金属材料制作集热管;随着D_o增大,F_R先增加而后逐渐下降。研制了非金属管式平板太阳能集热器,建立了其性能试验测量系统。试验结果表明,当工质流量为0.165 kg/s时,F_R为0.738,平均集热效率为54%。运用BP神经网络算法,建立了非金属管式平板太阳能集热器出口热流体温度的预测模型,并将预测结果与试验结果进行了比较。     

非金属管式平板太阳能集热器研究

运用平板太阳能集热器热迁移因子F_R的表达式,研究集热器管间距W和管外径D_o对F_R的影响规律。研究发现,随着W的减小,F_R逐渐增大,当W趋近于D_o时,F_R趋近最大,此时集热管导热系数对F_R影响甚微,即可采用非金属材料替代金属材料制作集热管;随着D_o增大,F_R先增加而后逐渐下降。研制了非金属管式平板太阳能集热器,建立了其性能试验测量系统。试验结果表明,当工质流量为0.165 kg/s时,F_R为0.738,平均集热效率为54%。运用BP神经网络算法,建立了非金属管式平板太阳能集热器出口热流体温度的预测模型,并将预测结果与试验结果进行了比较。     

Prediction of the air temperature and humidity at the outlet of a cooling coil using neural networks

The main objective of this study is to predict air temperature and humidity at the outlet of a wire-on-tube type heat exchanger using neural networks. For this purpose, initially the heat exchanger was coupled to a refrigeration unit and placed in a wind tunnel. Afterwards, its performance was tested under various experimental conditions. We measured nine input parameters, namely, temperature and humidity of the air entering the coil, air velocity, frost weight, the temperature at the coil surface, mass flow rate of the heat transfer fluid and its temperatures at the inlet and outlet of the coil along with ambient temperature. Additionally, we measured temperature and humidity of the air leaving the coil as the output parameters. Then, a feed-forward neural network based on backpropagation algorithm was developed to model the thermal performance of the coil. The artificial neural network (ANN) was trained using the experimental data to predict the air conditions at the outlet of the coil. The predicted values are found to be in good agreement with the actual values from the experiments with mean relative errors less than 1% for outlet air temperature and 2% for outlet humidity. This demonstrates that the neural network presented can help the manufacturer predict the performance of cooling coils in air-conditioning systems under various operating conditions.     

利用空气—土壤换热系统对温室降温除湿的分析

叙述了利用FLUENT6.3软件中的组分输运模型及多相流模型,对置于温室外的空气—土壤换热器（SHESS）进行三维动态模拟,采用典型时段的气象参数,分析换热器在输入环境空气时出口温度和含湿量随时间的变化趋势。指出,埋管深4m的换热器,最大可将输入空气的温度降低10.9℃,平均可降低9.2℃;最大减少含湿量8.14g/kg.干,平均可减少3.86g/kg.干,得出,空气—土壤换热器在北方地区夏季对温室具有明显的降温除湿效果的结论。     

基于CA-SE-GA-BP的光伏发电功率预测

针对光伏发电功率预测精度低的问题,以澳大利亚爱丽丝泉地区某200kW的光伏电站为例,选用遗传算法(GA)优化BP神经网络,采用相关性分析法(CA)确定太阳辐照度、温度、湿度为影响光伏发电功率的主要因子,结合经样本熵(SE)量化的天气类型作为模型输入量,提出CA-SE-GA-BP神经网络的光伏发电功率预测模型。结果表明,多云天气下CA-SE-GA-BP神经网络均方根误差、平均绝对百分比误差分别为4.48%、2.27%,晴天、雾霾、雨天三种天气类型下的预测误差也基本上不超过10%,相较于SE-GA-BP、CA-GA-BP、GA-BP神经网络,CA-SE-GA-BP神经网络预测误差降低,为解决光伏系统发电功率预测提供了一种高效准确可行的方法。     

微细管束换热器结霜及流动对流换热特性实验研究

利用可视化换热器性能实验台测试了微细管束表面在无换热、大温差、凝露条件下不同风速工况的流动损失与空气侧换热系数。同时探究了超低温工况下,相对湿度和风速对微细管束换热器流动换热特性影响。相对湿度增大,湿空气释放潜热增加,结霜量增大,换热器前后压损增加。高速气流具有剪切作用,风速增大会导致结霜迟滞。     

换热管内旋向自交叉转子强化传热性能研究

利用综合传热性能实验台,研究对比旋向自交叉转子、同向转子的换热器和光管的传热性能。结果发现:通过Webb性能比较方法,在同样面积和同等泵功率情况下,同向转子比光管换热器的换热量最大可提高为6.99%,而旋向自交叉转子比光管的换热量最大可提高8.11%,并计算推导了旋向自交叉转子与同向转子、光管之间的准则关联式;同时研究了换热量与转子外径的关系,结果发现换热量随转子外径变大而增多。     

Cold energy release characteristics of an ice/air direct contact heat exchanger

This paper deals with the cold energy release characteristics of an ice/air direct contact heat exchanger. Characteristics of the outlet temperature, humidity, and time history of heat release are examined when the initial height of the ice‐cube‐packed bed in the heat exchanger is changed. The following results were obtained in these experiments: (1) Inlet air of 30 °C is lowered to about 0 °C when passed through the heat exchanger, and the absolute humidity of the outlet air is reduced to about a quarter of that of the inlet air. (2) There is an optimum height of the ice‐cube‐packed bed to maximize the amount of cold energy release. (3) This heat exchange method can supply about twice as much cold energy as is released by an ordinary fin‐tube‐type heat exchanger even if the air velocity in the heat exchanger is reduced to about 0.38 times that of the fin‐tube‐type heat exchanger. (4) A nondimensional correlation equation for predicting the time taken for the ice‐cube‐packed bed to completely melt is derived. © 2001 Scripta Technica, Heat Trans Asian Res, 30(2): 95–113, 2001     

内展翅片换热器在压缩空气系统中的应用分析

通过实验数据分析以及实际工程案例,对内展翅片换热器在压缩空气系统的相同工况下采用光管换热器和外翅片换热器的换热效果及阻力特性进行了比较。结果表明,内展翅片换热器不仅具有较好的强化传热效果,而且单位压降损耗低,节能效果显著。