地埋管换热器三维非稳态传热数值模拟

论文摘要

随着传统能源的逐步消耗,新能源的开发和利用被世界各国提上议程。地热能是一种可再生的清洁能源,地源热泵技术有广阔的发展空间。由于不同地区地质结构的差异,导致不同地区的地热资源以及土壤热物性的差异。因此,对地源热泵技术中的地埋管换热器性能以及材料物性、结构尺寸、运行工况对换热器性能的影响进行深入研究,准确预测地埋管换热器的换热能力,对地埋管换热器设计和施工具有重要的理论指导意义。现场岩土热物性测试是合理设计地埋管换热器的基础,现在国际上通用的岩土热物性测试方法是恒热流法,恒热流热响应测试（Thermal Response Test, TRT）方法中的数据处理是基于线热源模型,它将管子周围的土壤连同回填料部分看作是一个无限大的实体,不能考虑回填料热物性对土壤当量导热系数的影响。同时,该模型也忽略了U型管管材、管间距等参数在进行热响应测试时对土壤当量导热系数的影响。本文利用gambit和fluent建立了地埋管换热器三维非稳态耦合传热的物理数学模型,针对工程中典型的地埋管换热器几何结构参数,对地埋管换热器的耦合传热过程进行了数值模拟;将数值模拟计算结果与TRT热响应实验测试结果进行了比较,验证了该数值模型的正确性。在此基础上,系统地分析了地埋管换热器回填料和U型管管材导热系数及比热等热物性参数、U型管内不同流速和不同管间距以及不同钻孔深度对换热性能及岩土热物性的影响规律。研究结果表明:回填料的热物性参数对岩土当量导热系数影响较大,设计或施工过程中选择回填料的导热系数至少不得低于土壤导热系数,同时应尽量减小回填料比热。管材的热物性参数、管内水流速度和埋管深度对热响应测试的结果影响较小,建议管材选用普通聚乙烯管,进行TRT热响应测试时流速在0.5-1.1m/s,钻孔深度为60-80m为宜。同时,岩土当量导热系数随U型管的管间距增大而增大,但增加的梯度很小,U型管的管间距对岩土当量导热系数的影响不大。本文的研究成果为地埋管换热器的实际工程设计和准确地预测地埋管换热器的换热能力,提供科学的理论依据和参考数据。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 地源热泵系统
• 1.2.1 地源热泵简介
• 1.2.2 地源热泵的分类
• 1.3 岩土热物性测试方法研究现状
• 1.3.1 土壤耦合热泵地埋管换热器的设计
• 1.3.2 岩土热物性测试方法
• 1.3.3 岩土热响应测试的数据处理
• 1.4 地埋管换热器的理论研究进展
• 1.5 本文主要研究内容
• 2 单 U 型地埋管换热器模型以及数值求解
• 2.1 物理数学模型
• 2.1.1 假设条件
• 2.1.2 物理模型
• 2.1.3 控制方程
• 2.2 数值求解模型
• 2.2.1 几何模型的建立
• 2.2.2 网格的划分
• 2.2.3 网格无关性检查
• 2.2.4 边界条件的设定
• 2.2.5 FLUENT 中的求解设置
• 2.3 模型的验证
• 3 回填土热物性对地埋管换热器性能及热响应测试结果的影响
• 3.1 回填材料的作用
• 3.2 管内流体温度沿程分布
• 3.3 回填料导热系数对TRT 热响应测试结果的影响
• 3.4 回填土比热对TRT 热响应测试结果的影响
• 4 结构与运行工况对地埋管换热器性能及热响应测试结果的影响
• 4.1 传热流体的速度分布和压力分布
• 4.2 管内流速对热响应测试结果的影响
• 4.3 不同管间距对热响应测试结果的影响
• 4.4 不同埋管深度对热响应测试结果的影响
• 4.5 管壁导热系数对热响应测试结果的影响
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 对后续工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在攻读硕士学位论文期间发表论文的目录