耦合抽-灌井式埋地换热系统咸水层传热过程研究北大核心CSCD

基于多孔介质传热、传质控制方程与线热源理论,以耦合抽-灌井式埋管换热系统为研究对象,建立埋地换热器及咸水层水-热-盐运移耦合数学模型。选用有限元计算软件FEFLOW6.1针对不同运行模式下咸水层温度场演变规律与传热过程开展模拟研究。计算结果得到,单独使用埋管换热系统,运行8年后观测井2所在咸水层温度上升1.4℃;采用耦合式系统,相同观测点未出现升温趋势,有效避免"热堆积"发生。在抽-灌水量不变条件下,采用去离子水回灌时观测井1所在中粉砂咸水层达西流速高于原水回灌工况54%。研究表明,回灌溶液盐度降低是诱导地下水渗流速度上升,对流换热与热弥散效应增强的主要作用机制。     

强制渗流作用下的耦合式土壤源热泵运行模式研究

以多孔介质传热、传质理论以及有限长移动线热源模型为基础,建立了地埋管换热器井孔内、外传热数学模型。基于抽、回灌井不同运行时长,对耦合式土壤源热泵系统的全年运行过程进行了数值模拟。通过模拟计算,抽、回灌井运行24 h比抽、回灌井运行8,16 h地埋管单位井深换热量分别增加了32.7%,9.2%,对应能效系数提高了34.4%,11.2%,然而此时耗电量却增加了200%,50%。研究表明,抽、回灌井运行时间越长,地埋管单位井深换热量越高,系统的运行能耗持续增加。因此针对所建耦合式土壤源热泵系统,通过采取抽、回灌井开启10~14 h的运行模式,能够有效地降低系统的运行能耗,进而使该耦合式系统得到合理的应用。     

单井循环地下换热系统健康运行的研究

单井循环地下换热系统的热源井现阶段共有三种:循环单井、抽灌同井和填砾抽灌同井.数值计算表明,渗透系数是传统回灌井和抽灌同井回灌难易程度的决定因素,填砾抽灌同井显著降低了灌压,循环单井没有回灌困难的问题.单井循环地下换热系统运行时会产生热贯通问题,尤其是填砾抽灌同井和循环单井.抽灌同井运行时的季节性储能很大程度地减轻了对含水层作为热源(汇)的依赖,而让其作为一种蓄热的载体.回灌问题、热贯通问题和季节性储能问题是单井循环地下换热系统能否长期健康稳定运行的关键影响因素.     

异井循环地源热泵系统地下换热特性研究

建立异井循环地源热泵系统地下换热数学模型,采用有限差分法求解,对回灌井水及其周围土壤换热特性进行了数值计算和模拟分析,得出回灌井与土壤间的热影响半径至少为2m;同时对取水井井水温度变化进行现场运行试验研究,其结果表明在热泵运行期间,取水井水温相对稳定,即为初始温度.     

用于热泵空调的异井回灌系统理论计算与试验研究

利用热泵空调系统夏季运行需水量和回灌井渗流量的数学模型,计算回灌井半径,采用增大渗流面积的方法,获得较好回灌效果;由需水量计算匹配的潜水泵功率,使系统节能效果更佳;试验证明,在天津地区农村住户采用一抽一灌的异井回灌方式,效果良好。     

垂直埋管换热器布置形式对地下换热特性的影响分析

基于地源热泵地埋管换热器钻孔内准三维传热模型和钻孔外有限长线热源模型,采用温度叠加原理,编写地下换热系统计算程序,通过引入管群横截面水力半径的概念,研究了管群不同布置形式对地埋管换热器换热效果的影响。研究结果表明:在匀强交变脉冲热流作用下,当向地下吸热放热平衡时,管群的布置形式对地埋管换热器换热影响不显著;当吸热放热不平衡时,管群的布置形式对地埋管换热器换热影响较大,水力半径小的布置换热效果较好;并推出即使地埋管换热器向地下土壤吸热放热不平衡,只要不平衡率不高,通过设计合理的管群布置形式,单独的地源热泵空调系统依然可以长期正常运行。     

土壤源热泵地下埋管传热强化与控制的试验研究

为了探讨土壤源热泵地下埋管传热强化及其控制的有效措施,基于相似理论搭建了垂直U型地下埋管换热模型试验台,进行了不同回填材料、不同间歇运行控制模式及不同进口温度对埋管周围土壤温度场及换热性能影响的试验测试;建立了垂直U型埋管准三维非稳态数值传热模型,分析了间歇运行与进口温度对土壤温度分布与埋管换热性能的影响.研究结果表明:导热性能好的回填材料能有效提高地埋管的换热能力,但考虑到两支管间热短路的增加,回填材料导热系数并非越大越好.同时,埋管换热量随运停时间比的减小和进口温度的增加而增大;此外,垂直地埋管可利用传热温差上层高于下层,因此,地埋管换热主要集中在中上层土壤.试验验证表明,所建数值模型能较好地模拟地下换热过程,其预测精度在5％以内.     

基于埋地换热器的强化传热研究现状及展望

地埋管换热器作为直接与岩土接触进行取/释热装置,其换热性能决定了土壤源热泵系统的运行效率。地埋管换热器强化传热研究旨在提高土壤源热泵系统运行效率及地能利用率。通过对土壤源热泵地埋管换热器的研究进行综述,论述了地埋管换热器的研究现状及发展动态,分析影响地埋管换热器换热的主要因素及强化换热措施。兼顾理论知识及工程特点,提出目前研究存在的问题,指出日后研究方向及重点,并对土壤源热泵的发展进行展望。     

地埋管热响应测试及数据分析方法

对上海某商务楼垂直地埋管换热器进行热响应测试,该商务楼占地面积大,在相隔300m两个地块分别钻三口测试井.本测试的特点是:地埋管换热器有效换热深度大,测试内容包括单U型及双U型地埋管,根据测试要求设定不同的循环流速.采用一维线热源模型对测试数据进行科学严谨的分析,本文将给出计算土壤导热系数、垂直地埋管换热器传热热阻及确定单位井深换热量方法.试验数据具有很强的对比性并能验证测试准确度.测试结果表明,该测试点的土壤导热系数为1.84～1.94 W/(m·K);相同埋管形式与管径地埋管换热器,传热热阻相同.本测试中双U型φ32埋管热阻大于双U型φ25热阻,单U型φ32型埋管热阻最大.应用线热源模整理出计算给定进水温度下的单位井深换热量公式,并计算出不同埋管形式及循环水流量下的单位井深换热量.     

地埋管换热器传热特性模拟与试验研究

利用土壤源热泵试验系统,进行不同埋管间距下夏季连续运行试验,用FLUENT软件建立竖直U型地埋管换热器与土壤间的传热模型,对不同管间距的U型地埋管周围土壤温度场和地埋管换热器传热特性进行了数值模拟,将数值模拟结果与试验数据进行对比分析。通过分析,得到了不同埋管间距对土壤源热泵系统性能的影响大小,以及地埋管周围土壤温度场的变化对地埋管换热器换热性能影响规律,验证了所建立的模型和所用模拟条件的正确性。     

地源热泵U型管换热器夏季工况试验分析

U型管换热器设计是土壤源热泵系统应用的关键,埋管深度、管内流速、土壤初始温度、运行模式等都是影响其性能的主要因素,利用上海地区所建设的不同埋深U型换热器(60m,90m)土壤源热泵试验装置,进行了夏季工况试验,测得热泵运行前土壤初始温度分布;测试了热泵机组间歇和连续运行时换热器的换热情况;还针对不同埋管内冷却水流速,测得到了单位孔深换热量,结果表明增加冷却水流速并不能一味地提高其每延米换热量,埋管内冷却水流速存在一个最佳值。     

基于线热源模型的垂直U型埋管换热器的换热分析

为了研究U型地埋管换热,以线热源模型作为基础,以夏季制冷工况为例,运用C语言编程软件对其进行了分析求解。研究了运行时间、换热介质的流量、土壤物性、埋管深度对U型埋管传热的影响以及周围土壤温度分布变化规律。模拟结果表明:当换热介质流量和埋管深度均增大3倍,土壤导热系数增大1.6倍时,单位管长换热量变化幅度分别为9.9%、-10.7%、23.3%。研究结果可为U型垂直埋管换热器的优化设计提供参考。     

A thermal design method for the performance optimization of multi-stream plate-fin heat exchangers

An optimization design method based on field synergy principle is developed for Multi-stream plate-fin heat exchangers (MPHEs) with a segmented differential model. The heat exchanger is divided into a number of sub-exchangers along the main stream, and each sub-exchanger consists of N passages along the height of the exchanger. Compared with the traditional heat exchanger design, this method allows temperature and pressure fields to be obtained via coupling calculation with consideration of variable physical properties and the axial heat loss of the heat exchanger. Finally, the heat exchanger is optimally designed using a temperature-difference uniformity optimization factor based on field synergy principle. This design model can provide an accurate temperature field and pressure field, because the stream properties are determined by the mean temperature and pressure of each local sub-exchanger. Optimum results indicate that the temperature distribution on the cross section of the heat exchanger is relatively uniform and that the temperature difference of heat transfer for each stream is always a small value. These characteristics prove the feasibility and effectiveness of this design model. In this paper, a case of five stream plate-fin heat exchangers for an ethylene plant is designed under a practical cold box operating condition with the proposed model, the structure and heat transfer of which are optimally determined. The design model and optimization method proposed in this work can provide theoretical and technical support to the optimization design of MPHEs.

     

空气源蓄热式土壤源热泵系统模拟研究

提出了空气源蓄热式土壤源热泵系统,该系统将夏季自然空气热量蓄存于土壤中,冬季再由热泵取出供热,即实现了可再生能源的移季利用又能解决严寒地区应用土壤源热泵引起的土壤全年总取热量与总排热量失衡的问题.为研究系统运行特性,建立了系统全年仿真模型,并以哈尔滨某建筑为例进行了模拟计算.结果表明,经移季蓄热埋管管壁处土壤温度升高了3.2℃,显著改善了热泵运行条件,使得供暖保证率达到了99.5％,热泵性能系数为3.99,系统全年供热性能系数为2.56.证明了该系统在严寒地区应用是可行的.     

聚光电池组件用换热器内温度场和速度场的模拟研究

根据换热器结构特点及换热特性,对换热器内的换热情况进行理论分析,建立了以水为工质的流动和传热的几何模型,并用有限元分析软件ANSYS模拟出换热器在换热过程中水的温度场和速度场的变化情况,分析了换热器内这两种场的相互作用,对换热器的最优化设计提供了理论依据。     

基于准三维模型的垂直U型埋管换热特性影响因素的分析

为了探讨各因素对地源热泵地下埋管换热特性的影响,建立了同时考虑流体温度沿程变化与U型两支管热干扰的垂直U型埋管准三维传热解析解模型.基于模型求解,分析了回填物与管材导热性、管脚间距、循环流体流量及钻孔深度等对埋管换热特性的影响.结果表明:回填物与管材的导热性、管脚间距及循环流体流量的加大均可以强化地下换热器的换热效果.但回填物导热性不可无限制增大,其大小要考虑对增大管脚热干扰的影响及其与管脚间距的相互关联性,应对两者进行优化设计.同时,流体流量的加大会增加单位埋管换热量,但其增加幅度越来越小,应以流动阻力增加作为限制条件,采用变流量调节来进行优化.此外,单个钻孔不宜太深,以免降低单位埋管换热能力.试验验证表明,所建模型具有一定的预测精度,其最大预测相对误差在3％以内,可为地埋管换热器传热特性分析及其优化设计提供参考.     

蒸发器内置毛细管开孔系统强化换热的试验研究

基于场协同强化理论,结合射流冲击的换热特点对常规毛细节流制冷系统进行优化,设计出一种新型的换热器装置。该换热器装置是将开孔毛细管内置到蒸发管中,使得制冷剂在节流后直接从毛细管沿轴向的不同孔口处冲击到蒸发管的内壁上蒸发换热,该冲击过程中由于速度场与温度梯度方向的协同性最大而具有显著的强化换热效果。首先,理论分析了毛细管进口速度(2m/s和0.5m/s)和开孔直径(1mm和0.5mm)的速度场与温度梯度方向的协同性,其次,在0MPa的回气压力下对该新型换热器装置进行性能试验,并以常规毛细节流系统作对比试验。试验结果表明,开孔试验中蒸发管表面的温度场比较稳定,而常规毛细试验中各测点由于毛细管节流的流量调节能力差而存在较大的波动。在蒸发压力和换热面积相同条件下,毛细试验的排气压力要比开孔试验高出13.6%,所以开孔试验的性能系数、制冷剂充注量比毛细试验更优;同时,毛细试验的压缩机功耗要比开孔试验高出9.1%,可见开孔试验系统的制冷效率比常规毛细试验的更高。开孔试验因为在多处射流冲击供液,并且射流冲击在冲击区中射流工质的流场和温度梯度场具有极好的协同度而能显著强化换热,使得蒸发管表面形成的温度场相对更均匀。     

基于动态内热源特性的车用锂离子动力电池温度场仿真及试验

针对电动汽车动力电池在充放电工作过程中由于热量聚集而导致的温度场非均匀性问题,采用数值仿真与试验相结合的方法,基于电池内阻温升特性,考虑耦合正负极耳的热影响,建立生热速率的时变内热源模型,获得更加精确的电池温度场分布及其动态变化规律,并深入进行温度一致性分析。以某车用锂离子动力电池为样本,对电池单体及模块分别进行温升计算和三维温度场分析及相应的测试试验。结果表明:同一充/放电倍率下,放电温升明显大于充电温升,且电池最大温差随着倍率的增大而增大;电池的温升是一个随时间先增大后恒定的非线性变化过程,且随着放电倍率的增大电池温升速率越大;电池模块温度场并非电池单体温度场的简单叠加,且在相同充放电倍率下电池模块的热一致性不如电池单体。     

基于ANSYS的双管板换热器管板厚度设计探讨

由于双管板换热器管板结构的多样性,其管板厚度设计方法目前国内没有标准可依。针对某U型管及固定管壳式换热器双管板结构,根据SW6软件相应模块进行管板厚度近似计算,在此基础上采用ANSYS软件对管板结构进行热应力分析和优化设计,进一步讨论了聚液壳结构的影响。分析结果表明,双管板换热器管板厚度采用SW6软件近似计算是安全的,但结果过于保守。有限元优化设计有效地降低了管板厚度,为双管板换热器管板设计提供了有效手段。