一种现场测定土壤源热泵岩土热物性的新方法

利用现有土壤源热泵实验台测定了岩土热物性参数,采用传热学反问题的方法对实验数据进行分析。测试过程中从岩土取热,U型地埋管换热器形成一个线热汇,使其在测试过程中与热泵实际运行时的工作状态相接近,测试更准确,节省测量过程的耗电量。以每个采样时刻作为计算节点,取平均值作为计算结果。测定结果显示岩土导热系数为3.2W/(m·K),回填材料导热系数为2.0W/(m·K),岩土热扩散率为0.85×10~(-6)m~2/s。可靠性分析表明:其标准误差分别为0.08W/(m·K),0.04W/(m·K)和0.039×10~(-6) m~2/s。     

陕西渭南地区岩土热响应测试与分析

地层热物性参数的确定对浅层地热能地源热泵系统的设计至关重要。依托陕西渭南某地源热泵项目,应用恒流法进行了岩土热响应测试,测试共进行了58 h,根据线热源理论对测试数据进行分析计算,求得准确的地层热物性参数,得到工区地层导热系数为2.16 W/(m∙K),比热容为2.39 MJ/(m³∙K),单U地埋管每延米换热量45 W。该研究结果可为项目后期设计与施工提供了相关参考和依据。     

垂直U型地埋管换热器的数值模拟分析

采用Fluent软件对垂直U型地埋管三维非稳态热渗耦合换热进行研究。分析了土壤热物性、管内流速、渗流速度以及回填材料的导热系数对地埋管的换热影响。结果表明:地埋管的换热量分别与管内流速、渗流速度、土壤的导热系数以及回填材料的导热系数成正比,通过拟合分别获得平均每天换热量与管内流速、渗流速度和回填材料导热系数的关系式;土壤的热扩散系数对地埋管的热作用半径影响显著;同时渗流速度越大,换热稳定时间越短,土壤圆周方向上各点温度相差越大,且土壤温度场恢复能力越好。     

不同地质条件下地埋管热响应测试分析与比较

为获取不同地质条件下地埋管换热器换热特性,选取位于夏热冬冷地区的三个测试地点:浙江莫干山、上海浦江镇、江苏盐城。分别对所在地的地源热泵系统地埋管换热器开展热响应试验,利用线热源模型进行计算分析。得到莫干山、浦江、盐城的岩土导热系数分别为2.40 W/(m·℃)、1.92 W/(m·℃)、1.84 W/(m·℃)。岩石地质所具有的高热扩散性对地埋管换热器换热效果有促进作用;不能用"单位延米换热量"这个单一参数分析地埋管换热器换热效果。     

竖直U型埋管地热换热器热短路现象的影响参数分析

通过引入换热器出口最高流体温度的概念,对地源热泵竖直U型埋管地热换热器的热短路现象进行了量化,基于竖直U型埋管周围的瞬时有限元模型,对影响热短路现象的主要参数(支管间距和回填料导热系数)进行了模拟分析,得出了量化结果。结果表明,增大支管间距可降低换热器出口最高流体温度,减小由热短路现象引起的热损失;回填料的导热系数对热短路现象的影响较大,当回填料导热系数小于周围土壤的导热系数时,增大回填料导热系数对减小热短路损失有较大作用,而当回填料导热系数大于土壤导热系数时则作用不大,推荐使用导热系数与周围土壤导热系数接近的回填材料。     

不同形式地埋管换热器运行性能影响因素研究

为研究单U和双U地埋管换热器运行性能的影响因素,运用能耗模拟软件TRNSYS建立地埋管换热器模型对其运行特性进行仿真模拟后,与实际工程数据对比,验证模型有效性,继而以换热器能效系数为评价指标,分别对钻孔深度、U型管两管间距和回填材料导热系数等影响因素进行分析研究,得到:双U地埋管换热器的单位延米换热量为106.72 W/m,单U地埋管换热器的单位延米换热量为86.39 W/m;适当增加钻井深度、埋管间距和回填材料导热系数对整体换热效果有促进作用,且在双U埋管情况下促进作用更显著的结论.     

用于现场测量深层岩土导热系数的简化方法

为便于工程上实现应用现场测量确定实际介质的物性,采用一种简化的传热分析方法确定深层岩土导热系数。该方法不需要测量钻孔中埋管的具体位置、上升管和下降管之间的距离以及埋管和回填材料的特性等参数,可消除上述参数测量带来的误差。通过现场测量地下埋管回路的加热热流、回路循环水流量以及回路出入口水温度随时间的变化,利用简化分析和最优化估计方法,确定了某工地地下岩土的导热系数,检验证实了该方法的实用性和可靠性。     

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.     

石墨/炭黑/氧化铁黑对水泥基复合材料热学性能的影响

研究了石墨、炭黑、氧化铁黑单掺及复掺对水泥基复合材料导热性能和吸热性能的影响。实验结果表明,3种物质都能提高水泥的导热系数和吸热性能,石墨、炭黑、氧化铁黑掺量分别为20%、16%和8%时,可将空白样的导热系数由0.159W/(m·K)分别提高至0.238W/(m·K)、0.253W/(m·K)和0.203W/(m·K),吸热平均温度分别提高3.5℃、3.6℃和2.4℃,导热系数随物质总量的增大而增大。正交实验的结果优于单掺实验。正交实验中,当石墨分数为15%,炭黑分数16%,氧化铁黑分数为3%时,复合材料的吸热性能最优。试样平均温度比空白样提高了8.3℃。     

石墨烯粉末导热性能的研究

采用瞬态电热技术测量了5~6层纯石墨烯粉末中石墨烯的热扩散率,其值为1.15×10-5 m2/s,相应的导热系数为18.000 W/(m·K)。借助导热仪研究了不同密度下石墨烯粉末导热系数的变化情况,发现其导热系数与密度成正比。密度由0.02增加到0.22g/cm3时,导热系数总体提升了8.09%。另通过实验得到了含水率对石墨烯粉末导热性能的影响。实验结果显示,石墨烯粉末含水率由0.0%增加到99.8%的过程中,导热系数先是上升随后下降最终直线降至最低点(约为0.765~1.030 W/(m·K))。其中当含水率达到96.7%时,混合物(石墨烯与水)的导热系数提高了62.80%。该研究为石墨烯热应用及热管理提供了理论支撑。     

煤渣的导热蓄热性能及改性研究

利用激光导热仪和差式扫描量热仪(DSC)对温州电厂煤渣样品的比定压热容和导热系数进行测试,研究煤渣的蓄热和导热性能,及煤渣中添加铁粉和水泥对样品热性能的影响。实验结果显示:煤渣、铁粉质量比为6∶4时,相较于纯煤渣,比定压热容由1. 13 kJ/(kg·K)增加到50. 91 kJ/(kg·K),导热系数由0. 18 W/(m·K)增加到10. 78 W/(m·K)。当煤渣铁粉样品中水泥的添加量为0. 03 g时,比定压热容为49. 89 kJ/(kg·K),导热系数为8. 18 W/(m·K)。研究结果表明:煤渣中添加铁粉大幅度增加了煤渣的蓄热和导热性能,而水泥的加入在一定程度上降低了煤渣铁粉样品的导热性能,从而提高了煤渣作为太阳能光热发电蓄热材料的可能性。本实验可为蓄热材料的选择及性能改进提供参考。     

激光闪射法对石墨烯薄膜导热性能的研究

石墨烯是目前发现的导热系数最高的材料,其理论导热系数值可达5 300 W/(m·K),成为新一代最具潜力的高导热材料。文中采用激光闪射法研究了石墨烯薄膜横向和法向的热扩散系数,并根据测试的密度和比热计算得出导热系数。研究表明:横向热扩散系数随着薄膜厚度的增加而不断减小,当MCT检测器在电压为260 V,脉冲宽度为100μs,信号高度为1 V,Inplane+各向同性计算模型下,高温烧制薄膜横向热扩散系数高达740.16 mm~2/s,是法向的238倍,导热系数为1 252.28 W·(m·K)~(-1);压片法制得的石墨烯薄膜的横向热扩散系数为7.58 mm2/s,是法向的19倍,导热系数为9.43 W·(m·K)~(-1)。     

地源热泵地下岩土热物性的测定方法

提出了可用于现场测量计算地下岩土综合热物性参数的方法。垂直埋设在地下的换热器与周围岩土换热过程可以近似地看作半无限大介质中常热流边界条件下的非稳态导热过程来处理。这种方法克服了其他常用研究模型对钻孔中埋管的具体位置、上升管及下降管之间的距离、换热器材料和回填材料的物性参数的要求,相应地消除了上述各个参数所带来的误差。通过测量地埋换热器的循环水流量、进出水口温度,加热器的加热功率等数据确定地下岩土综合的热物性参数。     

基于TRNSYS模拟的地埋管换热效果影响因素分析

通过原位热响应试验数据验证了TRNSYS软件中U型地埋管换热器模块Type557计算模型的可靠性,应用TRNSYS软件建立地埋管换热模型。基于正交试验的研究方法,综合分析了埋管壁、回填材料、埋管周围岩土的导热系数对埋管换热器换热效果的影响规律。得到影响地埋管换热过程的最主要因素是岩土导热系数,回填料导热系数对其影响程度略低于岩土导热系数,埋管壁导热系数对其影响不大的结论。     

深层埋管式能源桩换热性能影响因素分析

提出一种新型的能源桩换热管型式,即深层埋管式能源桩。利用Comsol Multiphysics建立三维方法模拟桩体-土体传热,一维方法模拟管内水动态传热传质的数值模型,考虑了土体温度随深度的变化,模拟出口水温随时间的变化规律并计算换热量,比较深层埋管式与传统的1-U型、1-W型能源桩的换热量,分析了桩径、桩体导热系数、桩体密度、桩体比热容等不同参数对新型深层埋管式能源桩换热量的影响。模拟结果表明：以运行50 h为例,深层埋管式的总体换热量比1-U型、1-W型分别高122%、54%;而对于单位管长换热量,深层埋管式比1-U型、1-W型分别高9%、50%,桩径从0.5 m增加到1 m,换热量增加14.3%;桩体导热系数从1.2 W/(m∙K) 增大至2.5 W/(m∙K),换热量增加9.6%;桩体密度从1 800 kg/m³增大到2 600 kg/m³,换热量增大0.8%;桩体比热容从637 J/(kg∙K) 增大到1 037 J/(kg∙K),换热量增大1.1%。因此深层埋管式的热性能优于传统1-U型和1-W型,在满足能源桩力学性能的前提下,为了提高深层埋管式能源桩换热性能,可以适当增大桩径。对于桩体材料的选择,应该选择导热系数较高的材料。密度和比热容对换热量的提升影响不大。     

振荡流热管在太阳热水器上的应用

通过室内实验,研究柱型振荡流热管的传热特性。实验结果表明:加热功率越大,热管的传热性能越好。在相同加热功率下,热管的当量导热系数随倾角的增大先增大后减小,热阻随倾角的增大先减小后增大,在倾角为60°时传热性能最好。倾角为60°加热功率为65 W时,当量导热系数为23406.67 W/(m·K),热阻为0.61 K/W。对玻璃真空管振荡流热管太阳热水器进行室外热性能实验,实验结果表明,太阳热水器平均日效率为56.9%,平均热损系数为3.08 W/K。     

基于线热源模型的地下岩土热物性测试方法

提出了一种用于竖直埋管与周围岩土的传热分析模型。该方法回避了其它模型对钻孔中埋管的具体位置、上升管和下降管之间的距离以及埋管和回填材料的物性等参数的要求,从而可以消除上述参数测量带来的误差。在现场钻孔,埋设U型埋管,通过测量施加的加热功率、埋管中循环水流量、埋管出入口水温随时间变化,利用该模型并结合最优化估计方法,确定了某地源热泵空调系统工地地下岩土的热物性参数,检验证实了该方法的实用性和可靠性。     

硝酸盐/膨胀石墨储热材料的制备及热性能研究

为了得到膨胀石墨(EG)含量对NaNO₃-KNO₃/EG复合储热材料导热系数的影响,通过水溶液法,采用NaNO₃-KNO₃共晶盐作为储热材料,不同质量分数的EG作为基体材料,制备出NaNO₃-KNO₃/EG复合储热材料。分别用同步热分析仪(STA)和激光闪射仪(LFA)测量了材料的潜热和导热系数。结果表明,NaNO₃-KNO₃/EG复合材料的潜热随EG含量的增加而减小,导热系数相较于纯硝酸盐均有明显提升。添加20%的EG时,复合材料的平均导热系数可以达到3.95 W/(m·K),约为纯硝酸盐的7.4倍。将EG加入到二元硝酸盐中制备成复合储热材料是提高其传热性能的一种有前景的候选材料。     

超临界CO2螺旋槽管内冷却换热特性的数值模拟及实验研究

为了研究超临界CO₂螺旋槽管内的流动换热特性,本文首先在入口温度323.15 K、入口压力8.0 MPa、入口雷诺数35 000、总热量4 200 W的条件下对不同结构参数的螺旋槽管进行了数值计算,分析了各参数对换热系数及流动过程的影响,并根据换热评价因子,得到了最优螺旋槽管结构（管槽半径r₁为6.5 mm,管槽圆角r₂半径为2.0 mm,管槽槽深e₁为5.5 mm,套管间距e₂为1.0 mm,螺旋角w为0.70 rad）。在此基础上,实验研究了不同压力、不同入口雷诺数对换热系数的影响,得出其影响机理。分析换热系数的影响因素,并结合数值计算和实验数据,建立了超临界CO₂螺旋槽管内冷却换热关联式,并对实验数据进行了预测计算。结果表明,预测值与实验值的平均绝对值偏差为11.65%,最大绝对值偏差不超过25%,证明了其具有较好的准确性。     

分层岩土中地埋管换热器传热解析模型与分析

为准确预测地埋管换热器在分层岩土中的传热特征,采用分离变量法和格林函数法,基于单个圆环热源基本传热单元问题的解答,建立考虑岩土结构分层和横观各项同性特征的地埋管传热解析模型。该模型适用于工程中常见的垂直钻孔和桩基埋管换热器分层传热问题,具有较好的普适性。以2层岩土为例,利用模型解答对分层岩土中地埋管的传热特征以及分层参数对其影响规律进行研究。结果表明：均匀介质假设计算误差随作用时间的增加而逐渐增大,在靠近热源处误差更加明显,预测地埋管长时间温度响应时,应采用分层传热模型;在临界区域范围内,可用均质假设模型预测地埋管的传热特性,均质等效热物性参数取为对应岩土分层的热物性参数值;分层岩土导热系数对地埋管传热性能影响较大,岩土平衡温度随分层导热系数比的增大而明显降低;地埋管长度和直径的比值对地埋管传热性能有所影响,岩土平衡温度随长径比的增大而升高,且其影响程度随分层导热系数比的减小而增强。