竖直双螺旋地埋管换热器的传热研究

论文摘要

地源热泵系统作为建筑领域对能源高效利用的重要形式,是一种消耗少量电能将土壤中的低品质能量转化为高品质能量的技术。由于地热能为清洁、廉价的可再生能源,在能源危机日趋严重的今天,土壤源热泵作为一种节能环保的“绿色空调”,受到了国内外专家的一致推崇。地埋管换热器作为地源热泵最重要的组成部分之一,其换热性能对地源热泵整体运行效率有着重要的影响。提高埋管换热器的换热效率,节约占地,并降低钻井、埋管的初投资一直是人们研究的重点之一。本文根据目前在水平埋管或建筑物地基桩埋管中采用单螺旋管增加换热面积的思路,设想在竖直埋管中采用双螺旋管,这样在同在同样埋深的情况下,双螺旋管更长,换热面积更大,因而总换热量也更大。反之,在换热面积一定的条件下,采用双螺旋管则可以减少钻井深度,节省初投资。因此,本文研究了竖直埋管中双螺旋管换热器的换热特性。主要研究内容如下：1、首先利用西南交通大学的地源热泵换热实验台进行不同工况的U型管模拟实验,然后再借助FLUENT软件对相同运行工况下地埋管与周围土壤的换热情况进行数值模拟,其结果经过试验数据验证后,得出合理的边界条件；2、按此边界条件,重新对竖直双螺旋管系统进行建模,进而模拟竖直双螺旋管换热器的换热情况,得到了不同管间距、不同螺距,不同进口流速、不同进口温度等参数对换热的影响规律；3、分别比较了U型管、单螺旋管及双螺旋管；不同螺距、不同管间距的双螺旋管；以及单螺旋管和双螺旋管在温度分布、换热效率、换热量等方面的优劣以及对热短路的影响。主要研究结论如下：1、同样钻孔深度时螺旋管换热器的换热性能优于单U型管。与U型管的管长3.15m相比,500mm螺距的双螺旋管、250mm螺距的双螺旋管的管长分别增加到3.34m与3.47m,增幅为5%与10%。在运行时间,进口温度及进口速度等参数相同的情况下,总换热量分别增长接近5%与10%。2、螺旋管换热器适当减小螺距后的换热性能优于大螺距螺旋管。因为适当减小螺距可以增加埋管换热器的管长及管内流体与壁面的对流换热系数,从而提高整体的换热效率。500mm螺距的双螺旋管与250mm螺距的双螺旋管相比,管长从3.334m增加到3.471m,相应的各个工况的总换热量也提高了约6%。3、在文中所模拟的工况下,管间距越大的双螺旋管埋管换热器的换热性能越好。文中建立了管间距100mm、螺距500mm的双螺旋管和管间距150mm、螺距500mm的双螺旋管两种模型,并模拟其在各个工况下的运行情况。从其得出的数据可以看出,随着管距的增大,进、回水管之间的热短路效应相应减弱,体现在换热量上,各个工况的换热量总体提高约4%。4、单螺旋管和U型管的铺设方式基本相同,唯一的区别就是出水管走向：单螺旋管的出水管是从中轴线穿出。U型管中管长为3.16m,而单螺旋管管长增加到3.34m,管间距从100mm减少到50mm。体现在换热量上,各个工况下U型管的换热量都要高于单螺旋管换热量约3%到4%。在此情况下,即使管长增加,但是由于热短路对整体换热量的影响较为严重,造成整体换热量下降。5、单螺旋管的敷设方式导致在有限的管井内,管间距的最大距离只能为管井的半径。与双螺旋管相比,即使螺距与换热管长相同,同为500mm螺距,管长分别为3.14m与3.33m,但是由于单螺旋管的管间距50mm仅有双螺旋管管间距100mm的一半,在换热过程中热桥效应严重,在各个工况下,单螺旋管的总换热量仅为同螺距下双螺旋管换热量的80%左右。6、增大管间距和适当减小双螺旋管的螺距,都有利于强化换热。但在长期换热条件下,适当增加螺距对强化传热的效果比增加管间距更显著。本为所做的研究工作证明双螺旋管埋管换热器的换热效率高于U型管和单螺旋管换热器,可为以后双螺旋管埋管换热器在地源热泵系统中的应用提供一定的理论参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.1.1 能源与可持续发展
• 1.1.2 可再生能源与绿色建筑
• 1.2 地源热泵系统概述
• 1.2.1 地源热泵系统简介
• 1.2.2 地源热泵系统的特点
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 问题的提出
• 1.5 本文拟研究内容
• 第二章 地埋管换热器概述与传热模型
• 2.1 地埋管的作用及分类
• 2.2 影响地埋管换热器的因素
• 2.3 地埋管换热器的传热模型
• 2.3.1 几种重要的竖直U型管换热器的解析解模型
• 2.3.2 针对螺旋管换热器的解析解模型
• 2.3.3 数值解模型
• 第三章 埋地换热器实验台与实验方案
• 3.1 实验台的设计目的及设计要求
• 3.2 地埋管换热器实验台简介
• 3.2.1 地埋管换热器实验台系统工作原理
• 3.2.2 地埋管换热器实验台的构成
• 3.3 实验方案
• 第四章 地埋管换热器的数值模拟及实验验证
• 4.1 Fluent软件简介
• 4.1.1 Gambit前处理器
• 4.1.2 求解器及求解方法
• 4.1.3 后处理器
• 4.2 FLUENT的控制方程
• 4.2.1 动量守恒方程
• 4.2.2 质量守恒方程
• 4.2.3 能量守恒方程
• 4.2.4 湍流流动模型
• 4.3 控制方程的离散化及方法
• 4.3.1 有限差分法
• 4.3.2 有限元法
• 4.3.3 有限体积法
• 4.3.4 空间离散格式
• 4.4 U型管换热器的数值模拟
• 4.4.1 几何模型的建立
• 4.4.2 模型的网格划分
• 4.4.3 边界条件的简化及确定
• 4.4.4 求解器设置
• 4.4.5 模拟工况参数的选择
• 4.5 U型管换热器数值模拟的验证
• 4.5.1 土壤温度场验证
• 4.5.2 出水温度验证
• 4.6 验证结果及小结
• 第五章 竖直双螺旋地埋管换热器的数值模拟
• 5.1 竖直双螺旋管换热器数值模拟模型
• 5.1.1 几何模型
• 5.1.2 物理模型及简化条件
• 5.1.3 网格划分
• 5.2 模拟工况选择
• 5.3 模拟结果及分析
• 5.3.1 模拟结果的温度分布
• 5.3.2 换热量分析及出口温度逐时变化情况
• 结论与展望
• 主要研究结论
• 课题展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文