中深层地热井换热性能模拟研究

结合北方邯郸地区,通过Fluent软件建立中深层地热能井下同轴套管式换热器换热模型,模拟研究了岩土导热系数、内管导热系数、循环流体流量、循环流体入口温度变化对井下同轴套管式换热器换热性能的影响。结果表明：岩土的导热系数从1W/（m·K）增加到9W/（m·K）,换热器换热量增长约324.53%;内管导热系数从0.5W/（m·K）增加到4.5W/（m·K）,换热器换热量减少约40.37%;循环流体流量从10m³/h增加到50m³/h,换热器换热量增长约103.92%;循环流体入口温度从5℃增加到15℃,换热器换热量减少约23.14%。所以在实际工程中,应在岩土导热系数相对较大的地域开发中深层地热能,选择导热系数较小的内管以及循环流量较大的井下换热器,并保持外管循环流体入口温度较低。     

影响地埋管换热器侧换热量因素分析

利用线热源模型,结合约束最优化方法,使用河北工程大学自主研制的岩土热物性测试仪,测试并计算出石家庄市正定区岩土综合导热系数和地埋管侧换热量值。根据测试结果,分析实验中的测试时间、地埋管内进出口水温平均值、测试功率等因素对地埋管换热量的影响。测试结果表明：20 h后,测试计算出的岩土综合导热系数趋于稳定;岩土综合导热系数、地埋管内进出口水温平均值、测试功率对地埋管侧换热量值有影响,且影响依次减少。     

地下水对地埋管换热器换热性能的影响分析

在唐山地区测试了3组不同含水层条件下的地埋管换热器动态换热特性,初步获得了单位井深换热量随地下水流动状况的定量变化规律.结果表明,地下水流动会不同程度影响热响应试验结果.随着地下水流速增大,钻孔附近岩土的平均导热系数会呈增大趋势.随着地埋管换热器与地下水接触长度的增加,钻孔平均导热系数呈增大趋势,同时单位井深换热量也呈明显增加趋势,这对于减小富水性较强地区地埋管换热器系统的建设成本具有实际的应用价值.     

土壤源热泵在西安地区应用的数值模拟研究

针对西安地区的地质状况及气候特点,建立了管内流体、地埋管挟热器及周围土壤耦合传热模型,模拟了U型管内流体流动和传热、U型管与回填材料及土壤的传热.建立了连续模型和间歇模型,通过模拟分析得出结论:在西安地区应用土壤源热泵系统,热泵系统连续运行时间不能超过一定的时间(夏季为18h,冬季为7h),超出此时间后,由于换热器周围土壤中热量(或冷量)累积,使得换热环境恶化,换热器与周边土壤的换热量不断下降,导致热泵机组在不利工况下运行,长此以往,当U型管出口流体温度上升(下降到)到机组的保护温度时,压缩机将停止运行.与连续运行工况相比,在西安地区采用间歇运行工况时,地下换热器周围土壤可以得到一定程度的恢复,且间歇时间越长,恢复的程度越好.     

回填材料对埋地换热器传热性能的影响研究

在天津地区开展了3种不同回填材料的埋地换热器换热特性实验研究,获得了地下换热量随管内流体平均温度的实测变化曲线,并对该3种回填材料下的实验结果进行了比较分析.实验结果表明,地下换热量与流体平均温度之间呈线性变化规律.随着回填材料导热系数的增加,可以显著减小钻孔内的导热热阻,这有利于改善粘土质土壤与埋管换热器之间的传热性能,提高地源热泵系统运行的稳定性.     

基于系统优化的岩土热物性确定方法

针对地埋管地源热泵系统设计中的岩土热物性确定问题,以竖直U形地埋管换热器的管式储热系统DST模型为基础,建立岩土热物性试验系统模型.通过系统模拟出的地埋管换热器进、出水平均温度与实测值的对比,以其差值的平方和为目标函数,利用系统优化的方法,对岩土的综合导热系数和热容量2个参数实施优化,确定出其最优值.通过具体算例,将优化算法确定的热物性参数应用于不同的地埋管换热器模型（有限长线热源模型、柱热源模型、DST模型）中计算埋管平均水温,并与试验结果进行对比,结果表明:应用DST模型确定的热物性参数对应的水温差值的平方和最小,且试验系统模型计算的地埋管换热量模拟值与试验输入值的最大误差为3.11%.     

套管式地下换热器传热模型及其特性分析

通过对套管式地下换热器传热过程的分析,在已有套管式地下换热器传热模型基础上,考虑管内流动和传热,提出了集管内流动与土壤导热相耦合的传热分析模型,并利用有限元数值计算方法进行了传热特性的分析。讨论了埋管管径组合和流体流速对流体出口温度及单位埋管换热量的影响。此外,还系统地研究了连续运行模式和可变负荷运行模式的地下传热特性,阐述了地下换热器高效运行的控制策略和影响。     

岩土温度场对垂直地埋管换热影响的数值分析

模拟夏季制冷条件下地源热泵地埋管周围岩土层非稳态传热过程,分析了钻孔外岩土区域温度场热作用特性及影响因素.利用多层岩土传热模型,研究距钻孔一定距离处岩土温度场分布随运行时间的变化规律,分析钻孔内回填土导热系数对换热器传热性能及周围岩土温度场的影响.模拟结果可为地源热泵地埋管换热器的动态模拟及设计提供参考.     

增强型同轴套管换热器热响应试验及换热对比分析

以3口120 m深度钻孔中的增强型同轴套管换热器、单U形和双U形地埋管换热器为研究对象,开展了现场热响应对比试验。结果表明,与原状土样的实验室测试值相比,单U形和双U形地埋管钻孔的现场测试岩土热导率分别偏高约7.3%和14.7%。增强型同轴套管换热器由于内管外侧设置了螺旋肋片,其环状槽道会不同程度增加流程长度,因此在利用线热源模型进行数据处理时需要修正计算;修正后的测试岩土热导率与U形地埋管测试结果吻合良好。就单位井深换热量而言,大小顺序如下:增强型同轴套管双U形地埋管单U形地埋管。     

有渗流时埋管换热器传热模型

为研究地下水渗流对埋管换热器传热的影响,以移动热源的格林函数为基础,通过引入虚拟热汇,由叠加原理建立热渗耦合作用下的有限长线热源模型.将此模型与有渗流无限长线热源模型和无渗流有限长线热源模型作了对比,比较结果表明该模型计算有渗流时埋管换热器的传热更加合理.针对地下水渗流流速和土壤热物性等对传热影响的分析,表明地下水渗流导致土壤温度场发生变形,渗流速度越大,钻孔壁中点温度越快达到稳态,且稳态过余温度越低;土壤密度和比热越大,土壤导热系数越小,则土壤温度场变形越大.     

竖直U型埋地换热器两支管间热量回流的分析

竖直U型埋地换热器两支管间存在的热量回流("热短路")现象对换热器实际的传热性能有较大的影响,这是工程技术人员在设计和施工U型埋地换热器时必须考虑的问题.本文利用地热换热器传热模型及设计软件,对竖直U型埋地换热器两支管间的热量回流现象进行了分析,着重讨论了两支管间距和回灌材料的导热系数对热量回流的影响.提出了减小热量回流的措施.     

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%.     

考虑土壤分层的地源热泵圆柱面热源模型

为研究土壤分层特性对埋地换热器传热的影响,将不同土层的埋管换热器简化为分层圆柱面热源,同时根据叠加原理,构建考虑土壤分层的埋管换热器解析传热模型,并用Ansys有限元模型验证传热模型的合理性.分层传热模型与均质传热模型的计算结果对比表明：采用土壤分层传热模型计算得到的钻孔壁温升具有明显的分层特性,分层土壤导热系数和热扩散系数相对均质参数越大,计算得到的钻孔壁温升越小;采用分层传热模型计算得到的土壤稳态温升与均质模型计算结果存在较大差别;在考虑土壤分层时,地下埋管中循环液的出口温度与均质模型计算结果存在差异.     

地下连续墙内埋管换热器传热性能的试验研究

采用现场试验的方法对上海自然博物馆地下连续墙内埋管的传热性能进行了试验研究,分析了埋管布置形式、循环水流速、进水温度和运行模式对换热效果的影响.试验结果表明:地下连续墙内埋管的布置形式和传热性能都与传统的地埋管有较大的不同;混凝土水化热对地下连续墙体的温度有较大影响;增大埋管的支管间距可以提高其换热效果;在试验工况下的单组埋管合理流速为0.6～0.9m/s,;地下连续墙内埋管的换热量随进水温度呈线性变化;采用间歇运行的模式,可以提高热交换系统的换热量.     

定热流热响应实验确定岩土热物性方法

针对工程中常用的定热流热响应实验方法,分析研究了采用不同传热模型耦合不同数据处理方法对确定岩土热物性及钻孔热阻的影响,研究结果表明:采用线热源模型与柱热源模型确定的岩土热物性及钻孔热阻存在较大差异;岩土容积比热对导热系数的确定影响很小,但对钻孔热阻影响较大;三参数估计确定导热系数及钻孔热阻具有良好可信度,但是对于热扩散率的确定稳定性较差.通过分析总结,以最小平均误差作为线热源及柱热源传热模型的权值分析基础,提出三参数估计耦合线热源及柱热源模型的加权平均方法确定岩土热物性及钻孔热阻,该方法具有稳定性好,可信度高的特点.     

波纹翅片管换热器空气侧流动换热的三维数值模拟

基于有限容积法建立波纹翅片管换热器流体流动与传热的计算模型,在不同送风速度工况下,分别对6种不同波纹倾角结构换热器内流体的流动及传热进行了数值模拟,分析了流道内的温度场、压力场及速度场的变化规律,得到了换热量、压降以及出口温度随入口风速变化的规律。结果表明,换热量、压降以及出口温度均随波纹倾角的增加而增大;换热量随着送风速度的加快而增加,压降及出口温度随着送风速度的加快而降低;翅片板间流体的流动与传热存在比较明显的不均性,导致换热管背风侧存在明显的传热"死区"。     

垂直U型管换热器周围土壤温度场的数值模拟

目的 分析地下U型埋管周围土壤的温度分布情况,了解埋管周围土壤温度随时间的变化规律.方法 在夏季制冷工况下,对地埋管换热器中的单U型管建立了非稳态数学模型,应用数学软件MATLAB中的PDETOOL进行求解,对地埋管周围土壤的温度分布状况进行了模拟.结果 随着热泵的不断运行,埋管周围的温度越来越高,热作用半径越来越大,热泵运行10 h后,热作用半径为0.5m,埋管周围土壤温度最高达26℃.热泵运行2190 h(90 d)后,热作用半径为10 m,埋管周围土壤温度最高达45℃.结论 通过数值模拟,得出了埋管周围土壤温度随着时间的变化规律,热泵不能连续运行,要间歇运行.     

竖直U型埋地换热器两支管间热量回流的分析

竖直U型埋地换热器两支管间存在的热量回流(“热短路”)现象对换热器实际的传热性能有较大的影响，这是工程技术人员在设计和施工U型埋地换热器时必须考虑的问题。本文利用地热换热器传热模型及设计软件，对竖直U型埋地换热器两支管间的热量回流现象进行了分析，着重讨论了两支管间距和回灌材料的导热系数对热量回流的影响。提出了减小热量回流的措施。     

地源热泵土壤热物性测试与分析

运用恒热流测试原理自主研发了岩土热物性测试仪,通过现场测试的方法,调整加热管的加热功率、埋管中循环水流量、埋管进出口水温随时间变化规律,利用线热源理论确定了地下岩土的热物性参数。实验表明,土壤初始温度的测量精度对于提高土壤的导热系数是至关重要的,在未扰动的土壤温度以及给定PE管材的条件下,测试时间为50小时左右时,土壤导热系数逐渐趋于稳定,收敛于3.109 W/(m.℃),整个测试过程平均导热系数为3.489W/(m.℃),该结果为地源热泵系统的准确设计提供了依据。     

套管式地下换热器传热特性分析

通过对套管式地下换热器传热过程的分析,在套管式地下换热器传热模型基础上,考虑管内流动和传热,提出了集管内流动与土壤导热相耦合的传热分析模型,并利用数值计算方法进行了传热特性分析.讨论了不同埋管管径组合对流体出口温度及埋管换热率的影响.