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。     

土壤源热泵系统埋地换热器换热性能研究

对土壤源热泵系统埋地换热器的影响因素进行研究,分析三种获得土壤热物性参数的方法,得到利用现场测试法较精确.搭建实验台对埋地换热器传热量进行测试,发现室内负荷和埋管循环水流量对埋地管与土壤的换热量影响较大,利用圆柱源传热模型进行模拟验证,模拟结果与实验结果吻合较好.     

水平螺旋型地埋管换热器换热特性的数值模拟与试验验证

基于有限差分法建立了水平螺旋型地埋管换热器的传热数学模型,分析了地下水渗流速度、地下水位、土壤孔隙率、土壤类型对其换热量及其周围土壤温度分布的影响,结果表明:随地下水渗流速度增加,埋管换热器周围土壤温度降低速率增加,从而可提高其换热性能;当地下水位在4.2 m以上时,地下水位越浅,带走换热器周围土壤的热量越多,换热器周围土壤温度越低;当地下水位在4.2 m以下时,地下水渗流对换热器换热量影响较小;随孔隙率增加,埋管内水温下降速率增大,埋管换热量增加。此外,土壤类型对土壤温度变化影响较大,热扩散系数高有利于土壤中热量的扩散,比热容高有利于降低土壤温度上升速率和幅度,砂岩由于其比热容和热扩散系数高,最有利于换热器运行,而黏土是最不利于换热。试验验证表明:所建水平螺旋型埋管模型预测出的换热量与对应试验值吻合较好,其最大与平均相对误差分别为9.1%与3.3%。     

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.     

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。     

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。     

蓄取热工况下同轴套管式地埋管换热器周围土壤温度变化规律

为研究不同因素对同轴套管式地埋管周围土壤温度的影响,建立三维同轴套管式地埋管换热器非稳态传热数理模型,利用自建实验台开展试验对数理模型进行试验验证。在此基础上,对蓄取热工况下同轴套管式地埋管的非稳态传热过程进行数值模拟研究,分析了管径、回填材料、土壤初始温度等因素对同轴套管式地埋管周围土壤温度的影响,获得了不同因素对套管式地埋管换热器周围温度场的影响规律。研究结果表明：外管径相同时,内管径的变化对周围土壤温度场影响较小;径向距离0.4 m处,土壤初始温度为14℃时地埋管周围土壤温度最高为17.803℃;循环介质选用氯化钙比选用水换热量提高约23%。试验验证表明,所建模型最大相对误差为12.5%,具有合理性。研究结果显示蓄热时土壤初始温度越高的地区越有利于地埋管周围土壤储存热量,取热时循环介质选择氯化钙溶液可使系统高效运行。     

地下水渗流对地埋管传热影响的理论分析

根据有渗流时无限大介质中线热源温度响应的解析解,讨论了在不同地下水流速和土壤热物性条件下,地下水渗流对地埋管与周围土壤的换热影响;并介绍了在地埋管换热器设计中,选择Pe数作为是否应考虑地下水渗流因素的判别条件.     

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。     

高温热管换热器的研究与工业应用

介绍了以液态金属热管技术为代表的高温热管换热器的研究与工业应用。研究内容涉及液态金属热管传热性能及其传热极限的研究、高温热管换热器整体传热特性及效率的试验研究、液态金属热管工业应用安全性的研究、低合金钢－液态金属热管相容性的研究、高温热管换热器的模拟优化研究。基于理论及实验研究基础，高浊热管换热器得以在工业领域应用，介绍了高温热管热风炉与高温热管取热器的工业应用实例。     

热管废热回收蒸发器在浊水余热回收中的应用

针对污水的特性,为避免生活污水与热泵工质R22产生交叉污染,从而导致系统不能正常运行的可能性,提出在污水与热泵系统工质R22之间采用一个热管换热器,得出在系统增加了一个热管换热器的情况下,污水流量一定时,热泵制热量,性能系数COP值,热泵系统R22工质蒸发温度,污水废热回收热量随污水进口温度的增大而增大,其中热泵工质蒸发温度的增幅最大,达到65.79%,废热回收热量的增幅最小,为6.8%,污水入口温度一定时,热泵制热量,性能系数COP值,热泵工质蒸发温度,废水回收热量随着污水流量的升高而升高,但是热泵工质蒸发温度的和性能系数COP值的增幅减少,热泵制热量,热管工质蒸发温度以及废水回收热量的增幅缓慢增加.     

复合中空热管传热性能研究

为了解决工业中的大量低品质烟气余热的回收利用和烟气酸露点腐蚀导致设备容易失效的工程问题,提出了一种复合中空热管传热元件,介绍了其结构及工作原理;对其内部传热机理进行了分析,并对其启动特性、等温性能和传热性能进行了试验研究。研究结果表明:复合中空热管在外管壁温度30℃时,加热时间2 min之内就能正常快速启动工作;在自然空气对流冷却条件下,具有较好的等温特性;复合中空热管的传热系数随着冷却水雷诺数的增加而增加;在加热蒸汽温度低于125℃的低温蒸汽加热条件下,当冷却水的雷诺数为6650时,复合中空热管的传热系数为1350W/(m2.℃)。试验研究结果为复合中空热管换热器的工程应用提供了基础。     

板式脉动热管强化传热方法研究

为了研究板式脉动热管的传热性能强化的方法,对原型和改进型两种不同板式脉动热管传热特性进行数值分析比较。基于VOF方法建立板式脉动热管汽液两相流动及相变传热三维非稳态数学模型,仿真得到不同加热功率条件下热管内流型演化和温度分布。仿真结果表明,改进型脉动热管在高功率阶段,整体等效热阻小于原型。     

空调性能试验装置用热管空气热回收器的数值模拟

采用CFD方法对热管空气热回收器进行了数值模拟研究,分析了其冷凝段和蒸发段空气侧的温度场和速度场。模拟了不同管排组合方式、不同室内外温差及不同风量对热管空气热回收器换热性能的影响。结果表明,1对1管排组合的总换热量最大,2对2管排组合其次,4对4管排组合最小;并发现模拟结果与试验结果误差在5%以内,验证了所建模型的合理性。模拟结果为实际工程应用提供数据支持。     

热管冷板冷却性能实验研究

文中通过实验研究了热管冷板在不同热流密度下的冷却性能。结果表明:当热流密度为16.7 W/cm2、29.6 W/cm2和46.3 W/cm2时,用热管冷板取代普通冷板能使热源的平均温度分别降低1.0℃、4.2℃和12.5℃,同一组件上不同热源的温度差异分别减小1.4℃、1.4℃和1.7℃。在未来高热流密度的雷达冷却场合,采用热管冷板取代现有的普通冷板,有望取得可观的冷却效果。     

一种用于高热功率密闭计算机散热的环路热管系统

工作在潮湿、粉尘、腐蚀等恶劣环境下的电子设备需要密封,当机箱内部元器件的总发热功率过高时急需一套有效的散热系统来保证该电子设备安全稳定地工作.文中设计了一种环路热管系统.该环路热管系统的蒸发段位于密闭机箱内部,通过工质的相变源源不断地将元器件的热量传递到位于机箱外侧的冷凝段中.若PCB上电子元器件的结温低于其上限值,则该环路热管散热系统满足要求.理论计算和数值计算表明,该环路热管散热系统能够很好地保证高热功率密闭计算机安全稳定工作.     

基于ANSYS Icepak的热管模块设计与仿真分析

NVIDIA JETSON TX2高功率系统芯片的散热功率一般在25 W左右,一般的风扇与肋片式散热器组合的散热方式存在体积大、高度高、不方便整合在小型系统中等问题,而热管、风扇、铜鳍片散热器组合的散热方式具有高度低、体积小、传热效率高等优点。文中首先对热管模块进行结构设计;然后对热管模块设计的合理性进行计算验证,并利用ANSYS Icepak对热管模块进行热稳态仿真,发现主要芯片的温度都在要求范围内,表明设计合理;最后将热管模块装入系统进行温度测试。结果表明,主要芯片的计算、仿真与实验的温度基本一致。     

热管滚珠丝杠热性能仿真和实验

针对传统液冷散热滚珠丝杠存在的丝杠表面温度梯度及温度波动性较大、达到热平衡时间较长等问题,设计了内置热管的新型滚珠丝杠。选择热管丝杠充液介质并计算其结构尺寸参数;为验证热管丝杠热性能,提出了含管壁层、冷凝回流层、蒸气腔层的热管丝杠分层等效模型并对其进行仿真;分析螺母位于不同位置时丝杠表面的温度分布,并与传统液冷丝杠散热性能进行对比分析;采用沸腾排气法制备热管丝杠,搭建实验台,测试热管丝杠表面温度并与仿真结果进行对比。研究结果表明,相对传统的液冷散热丝杠,热管丝杠表面具有较小的温度梯度,温度均匀性良好,且达到热平衡的时间短,仿真与实验结果一致,验证了仿真方法的有效性。     

脉动热管理论及技术进展

脉动热管作为热管家族新成员,相对传统热管和其他的散热器件有着很大的传热优势,能够实现高热流密度的微型电子器件的散热要求,近年来很多学者开展了对脉动热管的理论和技术研究,本文主要从以下方面介绍脉动热管研究进展:实验研究,通过可视化和传热性能实验,观察流型变化并分析传热强化效果;理论研究,通过建立脉动热管的简化模型,采用数值模拟的方法观察流动过程中流态的变化或者采用数值编程计算的方法分析求解脉动热管的传热过程;管路结构改进研究,采用不同的脉动热管的管路形式来实现两相流工质的合理分配,减少两相流的局部阻力,从而分析其对传热的影响。