钻孔埋管换热器用于寒区隧道消防管网加热保温的理论研究

为解决寒区隧道消防管冻结失效问题,提出一种基于钻孔埋管换热器的新型加热保温系统;基于非等温管道流模型,联立消防管段加热过程和埋管换热器换热理论,得到系统运行过程中流体温度分布的解析解。以林场隧道工程为背景,对加热段水温、换热器换热效率等的变化规律进行理论分析与数值验证。研究结果表明：进、出口水温先降低后快速上升再缓慢下降,10 h时达到峰值;加热初期,轴向水温分布为“进口温度高、出口温度低、段中温度突变”,之后在4～5℃范围内近似呈均匀分布;随着系统的运行,换热器平均换热效率稳定在约15 W/m。系统连续运行对地温的影响范围不断扩大,钻孔附近地温不断降低。系统间歇运行模式由设定高限和低限控制,在间歇期内,围岩地温可得到一定程度的恢复,且换热器换热效率较连续运行工况下的高。水温、换热器换热效率等的理论计算结果与数值模拟结果吻合度较高,本文所提出的寒区隧道消防管网钻孔埋管换热保温系统可使消防管段水温维持在设定低限温度以上,节能高效,有一定的应用价值。     

某地地埋管热响应试验研究与传热性能分析

地埋管换热器传热性能及传热过程的研究一直是地源热泵工程应用的理论基础和重点。结合河南某地地源热泵工程,针对不同埋管方式的垂直U型地埋管建立现场热响应试验系统,分析得到场地土壤等效导热系数为1.52 W/（K?m）;双U型地埋管换热器的换热效果比单U形管高30%左右,De32型双U地埋管的延米换热量比De25型高10%左右,地埋管延米换热量随载热流体流速的变化不呈正相关变化,存在最优流速使得换热器换热效果最好;以单位钻孔深度换热量最大作为优化条件提出优化U型地埋管换热器设计的方法,建议设计前试验确定适合管径和流体最优流速。     

地下水对地埋管换热器换热的影响分析

针对传统传热模型无法反映地下水对地埋管换热器换热的影响,结合黄土高原地区的地质条件,通过Fluent流体仿真软件建立地埋管换热器的三维非稳态分层渗流传热模型,并利用实验数据验证该模型的准确性.在不同的地下水流速和岩土体孔隙率的条件下,通过数值模拟的方法,研究以含水层厚度为特征长度的贝克莱数与地埋管换热器换热之间的关系.结果表明:单位井深换热量增加率与贝克莱数成对数关系;当贝克莱数较大时,地下水对地埋管换热器换热有促进作用;当贝克莱数较小时,地下水对地埋管换热的强化作用不明显,甚至起到抑制作用.同时,对含水层处的导热系数进行修正,得到新的分层渗流传热模型.     

桩埋管与井埋管实验与数值模拟

建立了一套组合型地下埋管换热器地源热泵实验系统，针对该系统所采用的不同回填材料U型垂直埋管即沙石回填的U型井埋管和混凝土回填的U型桩埋管换热器，分别进行在不同进口温度和流量下的取热和排热实验，分析这两种埋管换热器的换热效果和性能．理论上，采用所建立的内热源埋地换热器理论模型和专业软件，对这两种埋管方式的周围土壤温度场进行数值模拟．经检验，理论计算与实验结果吻合较好．相同实验工况下，得到了U型桩埋管的换热效果和换热稳定性要优于U型井埋管．排热时，U型桩埋管比U型井埋管的单位井深换热量提高62．5％，取热时，提高约16％．     

地下水渗流对单U形地埋管埋深的影响

为解决因埋深过大而引起的竖直地埋管换热器换热效果不佳的问题,根据黄土高原地区的地质条件,建立轴向岩土分层的单U形地埋管换热器数值模型.通过数值模拟,分别研究了改变含水层厚度、地下水渗流速度和地下水位线高度对地埋管换热性能的影响,并提出了以典型含水层厚度来确定地埋管最佳埋深的方法.结果 表明:当实际含水层的厚度不超过典型含水层厚度时,地埋管最佳埋深的位置为实际含水层底部;反之,地埋管最佳埋深的位置为典型含水层底部;随着渗流速度的减小,典型含水层厚度先增大后趋于不变,在渗流速度为1×10-6 m/s时达到最大值30 m;地下水位线的提高对典型含水层厚度没有影响,但提高了典型含水层的位置,使得最佳埋深变小.     

水化热对地源热泵地埋管夏季换热效果的影响

通过数值模拟与现场实测地温的变化,研究了水泥水化热对地埋管周围地温的影响;通过理论分析、现场实测地埋管换热能力以及数值模拟研究了地埋管周围地温变化对地埋管夏季工况换热效果的影响.对上海自然博物馆地埋管系统的研究表明:在地源热泵投入使用时,地下室底板以下约10m处的地温受水泥水化热影响最大,距离地下连续墙2.85m处地温的平均升高为2.2℃;地埋管夏季工况的换热量随初始地温的升高而线性减小,地埋管周围地温每升高1℃,将使地埋管夏季工况的换热量减小5%以上;地源热泵系统由夏季工况作为首次投入使用时应对距离地下连续墙13m以内地埋管采取相应措施,以保证换热系统高效运行.     

桩基螺旋埋管强化换热性能数值模拟研究

桩基螺旋埋管换热器是一种新型地埋管换热器形式,能缓解常规地埋管换热器钻孔初投资较高、土地资源占用量大等问题,但由于桩基螺旋埋管埋深浅、螺距小,长期连续运行导致热堆积问题显著,会影响系统持续换热能力。以某桩基三螺旋埋管土壤源热泵系统为工程案例,提出基于额外冷量利用的桩基三螺旋主辅管联合换热器,并进行全尺寸建模,利用CFD(computational fluid dynamics)数值模拟方法对所提出的主辅管联合换热器的夏季换热特性、额外冷量利用率进行研究。模拟结果表明,与常规桩基三螺旋埋管换热器相比,所提联合换热器在主辅管联合运行工况下能够有效利用额外冷量强化主管的换热,计算得到的强化效率最高为26.4%;且能提高地埋管换热器的进出水温差,最高达1.15℃。     

不同负荷特性下单U型地埋管换热器换热性能模拟分析

文章对单U型地埋管换热器建立二维传热模型,并通过二维截面推移得到其三维模型.运用Ansys热分析软件,分析了某地区在不同空调负荷特性下的单U型地埋管换热器换热性能.模拟结果表明,单U型地埋管换热器在连续负荷作用下,每延米换热量从运行初期的约130 W下降到末期的34 W左右,在连续运行约200 h后基本保持不变;在间歇...     

不同型式地埋管换热器换热性能的试验研究

在同一地埋管热交换孔中,用De32的双U和单U型埋管换热器,及De25双U和单U分别进行了现场热响应对比试验,研究其换热性能的差异;并且在同一场地中用De25与De32的双U,以及De25与De32单U型埋管进行了换热性的对比试验。研究了在地层条件、回填材料、PE管内循环液流速等均相同的情况下,双U与单U型,以及De32与De25埋管换热器的换热性能。结果表明,单U型埋管换热器单位长度换热量比双U型低20%左右,De 32管比De 25低25%左右。     

人工流场影响下地埋管管群换热的模拟研究

针对地源热泵系统运行时出现的地埋管周围冷热量堆积的问题,提出了在地埋管管群两侧加抽水井和回灌井来产生人工流场,从而强化地埋管管群换热效果的方法.通过FEFLOW软件模拟了人工流场影响下地埋管的换热,对单个地埋管的换热进行了单因素敏感性分析,模拟了水井数量以及流场切换时间对地埋管管群换热效果的影响.结果表明:在选定工况下,加入人工流场后地埋管的换热量较无流场时均有较大提高,其中单个地埋管在流场定期切换与不切换情况下的换热量可较无流场时分别提高54.06%,和69.67%,;设置有1组水井、2组水井、3组水井的地埋管管群的平均换热量与无人工流场时相比分别提高了9.89%,、21.54%,和33.00%,;人工流场的切换时间越长,地埋管管群的换热效果越好,但随着切换时间的增长,平均换热量提高的幅度减小.     

土壤-空气换热系统传热的数值模拟

采用土壤自然温度场与空气冷却效应的叠加方法,对土壤-空气换热系统的出口温度和传热性能进行了数值模拟,并通过计算探讨了埋管的深度、管长和管径对换热器进出口温度的影响．分析结果表明,换热器的出口温度随着埋管入口温度的周期性变化而呈周期性变化;随着埋管深度和管长的增加,换热器的出口温度降低,同时出口温度的变化幅度减小;随着管径的减小,埋管出口温度降低,出口温度波动减小,换热系统的降温供冷性能提高。     

换热面裕量对再生式换热器热工特性的影响分析

再生式换热器由再生段和冷却段共同构成,凭借再生段的加入,再生式换热器有助于减小换热器承受的热应力以及回收部分热量,而广泛应用于研究型反应堆的各试验回路中。在再生式换热器设计中,通常会对换热面积保留一定的裕量以应对换热管破损、阻塞以及工况波动等情况发生。结合再生式换热器的结构特点,在不利因素未发生时,将设计裕量效果计入实际的换热中,分析不同的设计裕量对再生式换热器理论运行功率、流质流量以及出口温度等的影响。分析结果表明,再生式换热器的理论运行功率随着冷却段设计裕量的增加而逐渐增加,而随着再生段设计裕量的增加而逐渐减小。再生段及冷却段设计裕量对再生式换热器的功率调节跨度影响不大,但再生式换热器的理论功率调节区间在再生段设计裕量增加时会逐渐下移,而在冷却段设计裕量增加时会逐渐上移。要克服再生段裕量对运行功率带来的不利影响,可以选择增加相应的冷却端设计裕量以及加大二次水流量。再生式换热器运行于功率调节下边界以下时,再生段保持一定设计裕量有利于一次水的流量更为接近设计流量。鉴于分析的结果,对于处于稳态试验回路中的再生式换热器,建议再生段裕量小于10%以满足设计功率,而对需要具备降功率运行的再生式换热器,建议可以取较大的再生段裕量以减小一次水流量的波动。     

地源热泵型地下连续墙内埋管换热器优化设计

根据地下连续墙内埋管换热器传热模型及埋管内流体温度场提出了地下连续墙内埋管换热器换热能力和出水温度的计算方法,并基于正交分析给出了上部建筑负荷最大时地下换热器的换热量及出水温度最高值的回归公式.在此基础上,根据出水温度最高值、单组埋管长度以及地下连续墙单幅宽度等限制条件提出了地下连续墙内埋管换热器的优化设计方法,并以上海自然博物馆地下连续墙内埋管为例进行了计算.分析表明,该优化设计方法计算简便,容易为工程设计人员所接受.     

A novel method to improve the performance of heatexchanger——Temperaturefields coordination of fluids

The methods to enhance the heat transfer in heat exchanger may be classified into two levels: one is to improve the heat transfer coefficient; the other is to upgrade the whole arrangement of the heat exchangers. For the second level, the performance of heat exchanger can be upgraded by increasing the coordination degree between the temperature fields of cold and hot fluids. When the temperature distributions are similar to each other, the temperature difference field (TDF) is more uniform, which means that the temperature fields are more coordinated with each other. For the cross-flow heat exchanger, rearrangement of the heat exchange surface area should improve the heat transfer effectiveness, which is even equal to that of the counter-flow heat exchanger when the surface area is reassigned optimally. For the multi-stream heat exchanger, the thermal performance is also dependent on the uniformity of the TDF, and the parallel-flow arrangement may achieve higher heat exchange effectiveness than the counter-flow arrangement, which indicates that the performance of heat exchanger depends on the coordination degree of temperature fields instead of the flow arrangement.     

卫生热水蓄热方式对地埋管换热性能的影响分析

竖埋管地源热泵系统为室内环境控制提供冷热量。在空调工况下,热回收机组可以提供卫生热水。卫生热水的供应在冬夏不同的运行模式下,对地埋管的换热性能影响不同。通过某地源热泵工程设计,分析了冬夏季卫生热水系统在蓄热方式下对地源热泵系统地埋管换热性能的影响。利用卫生热水的蓄热能力,对地埋管换热器在不同工况下的动态换热性能进行了对比分析,并通过数值计算得到了不同运行模式下地埋管的换热性能参数。根据计算结果提出了在该工程负荷特性下的系统调节方式。     

基于有限元法的垂直地埋管换热器传热研究

根据能量守恒原理,对地埋管换热器建立二维传热模型.运用Ansys热分析软件,采用热传导的有限元瞬态分析方法,对地源热泵垂直埋管与回填材料及岩土间的传热进行数值模拟与分析.根据合肥地区某住宅的地源热泵工程的相关设计资料,分析了垂直埋管在岩土中传热的温度场及温度梯度场的影响大小及范围,对地埋管在1个周期运行后对岩土体的温度恢复情况的影响进行了数值分析,结果表明:对于地处夏热冬冷的合肥地区,较适宜应用地源热泵系统,岩土温度的自平衡性较好.     

A novel method to improve the performance of heat exchanger——Temperature fields coordination of fluids

The methods to enhance the heat transfer in heat exchanger may be classified into two levels: one is to improve the heat transfer coefficient; the other is to upgrade the whole arrangement of the heat exchangers. For the second level, the performance of heat exchanger can be upgraded by increasing the coordination degree between the temperature fields of cold and hot fluids. When the temperature distributions are similar to each other, the temperature difference field (TDF) is more uniform, which means that the temperature fields are more coordinated with each other. For the cross-flow heat exchanger, rearrangement of the heat exchange surface area should improve the heat transfer effectiveness, which is even equal to that of the counter-flow heat exchanger when the surface area is reassigned optimally. For the multi-stream heat exchanger, the thermal performance is also dependent on the uniformity of the TDF, and the parallel-flow arrangement may achieve higher heat exchange effectiveness than the counter-flow arrangement, which indicates that the performance of heat exchanger depends on the coordination degree of temperature fields instead of the flow arrangement.     

冷却风量影响烧结余热竖罐回收中火用传递系数实验研究

将对流换热器和填充床中火用传递系数的概念引入到竖罐式余热回收工艺中,推导出烧结移动床层火用传递系数公式;在自制的气固传热实验装置上,测定不同工况下罐体料层内气固传热过程的相关数据,研究冷却风量对烧结床层火用传递系数的影响.研究结果表明:冷却风量不变时,平均物理火用传递系数hex,m随矿温的升高而增大;相同平均矿温条件下,当hex,m大于0时,hex,m随冷却风量的增加而增大;当hex,m小于0时,会导致竖罐出口冷风火用值减少,对强化气固换热不利.     

湍流模型在折流板换热器壳侧结构优化中的应用

研究不同湍流模型在换热器流场和传热计算中的适用性,分别采用Spalart-Allmaras湍流模型、标准k-ε湍流模型和可实现k-ε湍流模型计算换热器在不同入口速度下的出口温度、换热系数等参数.将3种湍流模型的CFD计算结果与Bell-Delaware理论计算值进行对比可知,Spalart-Allmaras湍流模型的换热器性能数值计算存在明显缺陷,可实现k-ε湍流模型的换热器CFD较其他两种湍流模型的更为适用.将适用性较好的可实现k-ε湍流模型进行CFD数值模拟,模拟结果表明挡切率为25%时换热器性能最佳.     

Discontinuous Operation of Geothermal Heat Exchangers

IntroductionGround- source heat pumps (GSHPs) have beenextensively used in heating and air- conditioning ofbuildings in the United States and Europe since theoil crisis in the early1 970 s.This technology hasalso aroused more and more interest in China in…