不同方式地下埋管换热器的实验研究

埋地换热器换热性能是地源热泵设计基础,针对不同埋管方式埋地换热器建立了砂石回填单 U 型、双 U 型井埋管和混凝土回填单 U 型井埋管的单井实验系统,开展埋地换热器单井的换热性能实验研究。研究了不同的土壤物性、回填材料、埋管数量和运行工况下单井换热器换热性能。     

管壳式换热器瞬态换热性能分析

通过理论分析，分别以壳程流体、管程流体、管内外壁为研究对象，建立了管壳式换热器瞬态换热数学模型．模型中很好地解决了顺流和逆流同时存在的问题．存此基础上借助于仿真手段对管壳式换热器的瞬态换热性能进行分析，为了减小线性化方法带来的误差以及提高计算的准确度，仿真计算时所采用的数学模型未进行线性化处理，而直接采用非线性化方程进行程序编写．仿真结果与换热器实际运行数据吻合很好，说明所建立的数学模型可用于同类换热器瞬态换热性能分析．通过对换热器瞬态换热性能的分析，町清楚地了解换热器的动态换热特性，为换热器设计及控制提供理论依据．     

基于时间序列聚合的有机朗肯循环系统优化方法

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle, ORC) 发电技术在回收中低温余热和中低温太阳能热发电方面具有广阔的应用前景,系统优化设计对提高系统发电效率和降低系统全年发电成本具有重要意义。本文建立了太阳能驱动ORC系统设备结构参数和系统运行参数同步优化模型;考虑到太阳能辐射量和环境温度随时间变化的特性,基于时间序列聚合法获得5个聚合点作为设计工况,分别得到了5个聚合设计工况下最优设计方案。结果表明：太阳能辐射量和环境设计温度不同,设计的系统结构参数和运行方案不同;在环境温度值低、太阳辐射值高时度电成本 (Electricity Production Cost, EPC) 最低,ORC效率最高。     

LNG绕管式换热器管侧流动与传热实验台设计及验证

绕管式换热器是天然气液化的核心设备,然而目前中国天然气液化用大型绕管式换热器的实验研究比较薄弱,相关设计工作的指导理论还不完善.为研究液化天然气(LNG)绕管式换热器管侧流动与传热特性,提出一种可以模拟LNG绕管式换热器实际运行工况的实验方法,并完成实验台的设计、搭建及调试工作.为保证实验数据的准确性,以液相丙烷为实验介质,对其在不同工况下的传热系数进行实测,并将实验所得传热系数与在相同工况下由经典的管内传热关联式计算所得传热系数进行对比.结果表明:实验台可以稳定工作,实验工况可以达到LNG绕管式换热器的实际运行工况,实验测试值与相同工况下的关联式计算值偏差在±10%以内.说明实验台精度较高,实验数据可靠,为LNG绕管式换热器管侧冷凝流动与传热特性的深入研究奠定了实验基础.     

基于高斯过程回归方法两相对流换热系数预测

两相流经常发生在换热器中,其中气液两相流的换热特性在换热器的结构设计、材料选择和优化运行上起到了至关重要的作用。因此,在实际应用中需要获得两相对流换热系数。不同于常规的实验研究和数值计算方法,提出了一种利用实验数据和高斯过程回归(Gaussian Process Regression,GPR)相结合的方法快速预测两相对流换热系数。与其它方法的比较结果表明,GPR方法的预测精度高,预测结果与实验数据吻合较好;而且,该方法有利于减少实验次数和实验成本,节省原材料以及缩短设计周期,从而为研究气液两相流的换热特性提供一种有效方法。     

有机朗肯循环系统工质设计与系统参数的同步优化

工质是有机朗肯循环（organic Rankine cycle，ORC）中能量转换的载体，其与冷、热源之间的匹配直接影响ORC系统性能。现有工质提升ORC系统性能有限，新型工质的设计对提升ORC性能非常重要。提出了基于计算机辅助分子设计（computer-aided molecular design，CAMD）的工质设计与和ORC系统同步优化的建模和求解方法，对传统CAMD模型进行了改进。建立了以ORC系统输出净功最大为优化目标的混合整数非线性数学规划（mixed integer non-line programming，MINLP）模型，提出了求解策略。基于9个基本元素选择37个基团，应用于建立的同步优化模型，获得了热源范围353.15~463.15 K和冷源范围293.15~298.15 K工况下的最优工质，并与现有工质进行了对比验证。对比结果表明，新型工质的ORC净功比现有工质ORC净功增加12.46%。对在计算ORC循环性能中涉及的工质物性，如临界温度、临界压力、沸点温度、比热容、密度和相对分子质量等进行了敏感性分析。     

以蒸汽和R245fa为介质的有机朗肯循环蒸发器设计及测试研究

文中介绍了一种适用于热源及工质均发生相变的换热器分段设计方法,筛选了相应的关联式.使用该方法,对一台以饱和蒸汽及R245fa为换热介质的有机朗肯循环蒸发器展开设计,蒸发器热负荷为3.6 MW.为验证设计的准确性,对该换热器进行实验测试,在设计工况附近测得蒸发器的热负荷及综合换热系数仅比设计值低2.6%和9.1%,表明本文所使用的设计方法可行,选用的关联式精度较高.研究结果同时表明,以饱和蒸汽为热源的蒸发器换热窄点在换热器的进口或出口处,而不是在工质的泡点处.忽略单相(过热和过冷)段的换热面积,将为设计结果带来较大偏差.     

双U型地埋管换热器模型的建立及实验验证

地埋管换热器与土壤的换热状况,直接影响到土壤源热泵系统的运行性能.因而建立恰当的地埋管换热器模型,对埋管与土壤的传热研究至关重要.根据钻孔内外传热的不同特点,建立了钻孔内准三维稳态导热数学模型和钻孔外二维非稳态导热数学模型;并以钻孔壁为纽带,将内、外模型组建成完整的地埋管换热器模型.进而利用Ansys有限元法建立其物理模型并进行求解.通过热响应实验,充分验证了该模型的可靠性.这为建立土壤源热泵系统模型,模拟系统长期变负荷工况运行下土壤热堆积情况奠定了坚实基础.     

非共沸混合工质有机朗肯循环系统变工况特性研究

鉴于分布式能源系统中燃气轮机负荷波动较大,而目前对有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle,ORC）研究更注重相同吸热量及其热力性能随初始参数变化的对比,很少考虑燃气轮机负荷降低时导致烟气温度和质量流量均下降对系统性能的影响。通过HYSYS平台构建特性模型,以换热器内窄点温差为约束条件,研究变工况特性ORC工质优选方案。在燃气电厂变负荷工况下,寻求对应系统最大净输出功的最佳运行参数,从热耗率、质量流量和AP值等特性比较,采用不同组分工质的循环性能,经对比发现R152a系统净输出功、热耗率、质量流量在所选工况区间内相比混合工质具有明显优势,而冷凝器AP值及系统热回收率却相反。研究结果为ORC系统二元非共沸混合工质优选提供参考。     

板式换热器的性能仿真

结合板式换热器的性能特点运用CyberSim仿真平台建立了板式换热器的数学模型及仿真模型,通过板式换热器的实际运行数据验证其仿真模型.研究结果表明,仿真数据与实际运行数据的相对误差在5%以内,即可通过该仿真模型对板式换热器进行性能仿真.     

添加隔热板对竖直U型地埋管换热器热短路的影响

采用FLUENT模拟软件,建立起U型地埋管换热器三维传热模型.分别模拟了有、无添加隔热板时的工况,对热短路进行数值模拟,分析了对地埋管换热器性能的影响.通过对比两种工况下的温度云图和出口温度监测图,证明了两支管间热短路现象严重,而且添加隔热板后,进出口温差变大可达3.94 ℃,可使单位井深换热量提升6.13%.     

基于双有机朗肯循环的柴油机余热回收系统性能分析

为了有效回收柴油机的尾气、冷却介质和进气中冷的能量,针对一台六缸柴油机,设计了一套双有机朗肯循环系统,结合Aspen plus软件对该系统进行建模,研究双有机朗肯循环系统的运行性能,分析柴油机燃油经济性.经研究发现,加装双有机朗肯循环系统可有效改善原柴油机的热力学性能和经济性能.在设定的柴油机工况下(转速2 000 r/min、转矩1 313 N·m),双有机朗肯循环系统的总净输出功率最高可达43.65 k W,柴油机-双有机朗肯循环联合系统的有效燃油消耗率和热效率分别可达191.24 g/(k W·h)和37.57%,相比于原柴油机可分别改善13.69%和15.86%.     

武汉与重庆典型地质结构下的地埋管换热性能

地埋管地源热泵换热器的换热性能受到不同地质结构的影响。以武汉和重庆地区的典型地质构成为边界条件,建立了三维地埋管的单孔双U管换热模型,通过模型计算,获得了两种地质条件下的地埋管换热性能,以重庆地区的地源热泵热响应测试结果以及工程运行数据出发,对模型的计算结果进行了验证,结果表明,模型吻合度较好,可以应用于工程分析。以模型为条件,进行地质结构对换热性能的影响度分析,预测了两地地埋管地源热泵的换热性能并计算得到换热器的平均换热系数分别为武汉地区K₁=1.65（W/m·K）,重庆地区K₂=1.51（W/m·K）。     

乙二醇质量浓度对垂直U型地埋管的传热影响的数值模拟

目的研究添加不同质量浓度乙二醇溶液对地埋管换热性能的影响．方法利用gambit和fluent软件建立一个简单垂直U型地埋管热泵机组模型,模拟在不同工况下不同乙二醇的热物性参数对应的机组性能．结果夏季制冷工况下,添加乙二醇与未添加相比冷凝器的出口温度升高,乙二醇质量浓度每升高10％,温度升高1‰左右．冬季制热工况下,添加乙二醇与未添加相比蒸发器的出口温度降低,乙二醇质量浓度每升高10％,温度降低1％左右．结论通过数值模拟,得出在夏季制冷工况下,乙二醇质量浓度变化对地埋管换热的影响不太大．冬季制热时,随着乙二醇质量浓度的升高制热量降低．并得到在制冷和制热的工况下不同质量浓度的乙二醇对应的热泵机组的出口温度随时间的变化规律及模拟出在质量浓度对应的制热量的修正系数．     

三角形布管方式下两种换热器传热与流阻性能研究

采用CFD数值模拟方法和折流板换热器、帘式折流片换热器周期性全截面计算模型,对两种换热器在正三角形布管方式下的传热系数、阻力、综合性能随Re数的变化情况进行了数值研究.研究结果表明,两种换热器对应的换热系数和壳程压力损失均随Re数的增加而增大,折流板换热器的传热系数大于帘式折流片换热器,约是帘式折流片的1.32倍,但其阻力大幅高于帘式折流片换热器,是帘式折流片换热器的2.4倍左右,两种换热器的综合性能均随Re数的增大而下降,帘式折流片换热器的α/ΔΡ几乎是折流板换热器的2倍,体现了帘式折流片换热器在保持较高的传热效果的情况下,具有显著的流动减阻性能.     

闭环地源热泵系统建模

目前国内对地源热泵的研究多集中在地热换热器的传热模型理论研究方面,而对地源热泵系统整体性能的研究则局限于实验测试,因此迫切需要建立一个地源热泵的系统模型来进行系统的优化设计和系统性能预测.采用理论解析方法建立了竖直U型埋管地热换热器的准三维模型,该模型考虑了两支管间的热短路问题,比现有模型更接近于实际工程.采用确定性模型法建立了热泵机组的模型,然后通过能量和质量守衡方程式建立了系统动态耦合模型.利用该模型即可预测在不同的地热换热器配置情况下,地源热泵系统的各项性能.试验表明,该系统模型预测结果与实测值吻合的较好.     

板式换热器单相换热和压降数值模拟

建立了板式换热器水侧单流道CFD仿真计算模型,并通过与实验点的对比验证了该模型的精确性.基于数值模拟结果,拟合得到板式换热器水侧换热系数和摩擦因子计算关联式,为板式换热器的优化设计提供了依据.     

土壤源热泵单U型埋管换热器短期运行换热分析

单U型管是当前土壤源热泵系统广泛使用的地下换热器形式,而地下换热器是地源热泵系统的重要组成部分。考虑U型管的实际形状,借助数学方法和数值分析软件,建立了地下垂直埋管换热器传热模型,并通过编程求解数学模型,得到了系统短期运行不同工况下埋管周围土壤的温度场分布情况。通过分析得出土壤导热系数、土壤比热、钻孔回填材料导热系数以及U型管间距的大小对埋管的换热性能具有直接影响。得出的结果可为合理设计地下埋管换热器提供参考。     

虚拟风洞下车辆散热器模块传热性能数值仿真

为提高车辆散热器模块性能和改善动力舱温度场以保证车辆工作性能稳定,依照图纸建立动力舱内、外的三维物理模型,使用热交换模型来代替动力舱内散热器模块,利用CFD数值仿真方法在虚拟风洞中模拟车辆动力舱在标准工况下的传热性能,分析总结散热器、动力舱内外的温度场与流场特点。通过将实验数据与仿真结果对比发现误差在可接受范围内,验证了文中模型的有效性以及分析的准确性。