地埋管换热器换热性能数值模拟及实验研究

摘要

地源热泵技术是利用浅层地热能来进行建筑供热、供冷的一种节能型空调技术，此技术随着对建筑节能的重视而逐步得到广泛应用。地源热泵系统分为水源与地埋管地源热泵系统，由于水源热泵技术在使用推广中受到水资源等条件的限制，应用局限性较大，而地埋管地源热泵技术避免了水源热泵的缺点，具有广泛的适用性。地埋管地源热泵技术在近几年才得到广泛应用，由于地下土壤条件的复杂性，地埋管换热器仍存在诸多问题需要解决。
　　 本文通过对地埋管换热器的传热过程进行分析，利用数值模拟与实验相结合的方法对竖直单U型、双U型地埋管换热器及套管式地埋管换热器在不同流速、埋管布局、管径匹配以及不同流程形式时的换热性能以及上述三种地埋管的土壤温度场进行了研究。通过数值模拟及实验研究得出以下结论:
　　 模拟研究表明，随着流速的提高，地埋管换热器的换热量随之增大;单U型地埋管换热器采用管间距50mm时的换热能力高于管间距60mm，埋管换热器采用DN32管径时换热能力高于DN25管径的单U型地埋管换热器;双U型地埋管换热器采用交叉埋管形式时换热效果优于其它形式的埋管;套管式换热器采用内进外出、同轴形式时换热量优于采用外管进内管出形式的地埋管换热器;内管管径为DN32时的套管式换热器换热能力大于内管为DN25的套管换热器。三种形式的地埋管换热器模拟达到稳定时，土壤温度场的作用半径可达到2m左右。
　　 本课题根据数值模拟研究，从中选择了三种最佳的地埋管换热器形式，即管间距60mm、DN32的单U型地埋管，交叉形式的双U型地埋管，内管进外管出的同轴套管换热器进行了实验研究。实验表明地下3米处土壤温度增加的幅度随着埋管运行时间的增长而逐渐减小;随着流速的增大，地埋管换热器的进出口温差减小，但埋管换热量却随流速的增大而增大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景、目的及意义

1．2 地埋管换热器的研究现状

1．3 课题研究内容与方法

1．4 本章小节

第二章 竖直地埋管换热器传热分析

2．1 地埋管换热器的传热分析

2．1．1 U型地埋管换热器的传热

2．1．2 套管式地埋管换热器的传热

2．2 影响地埋管换热器换热效果的主要因素

2．2．1 支管间距对埋管换热效果的影响

2．2．2 钻孔回填材料对埋管换热效果的影响

2．2．3 土壤热物性对埋管换热效果的影响

2．2．4 土壤温度变化热阻对换热效果的影响

2．2．5 地下水渗流对换热效果的影响

2．4 本章小结

第三章 地埋管换热器数值模拟

3．1 物理模型建立及简化

3．2 竖直地埋管换热器数学模型

3．2．1 控制方程

3．2．2 管内流体流动模型

3．2．3 湍流参数

3．2．4 边界条件设置

3．2．5 方程离散化

3．3 竖直地埋管换热器数值模拟及分析

3．3．1 单U型地埋管换热器模拟

3．3．2 双U型地埋管换热器模拟

3．3．3 套管式地埋管换热器模拟

3．3．4 三种形式埋管换热能力对比分析

3．4 本章小节

第四章 地埋管换热器实验研究

4．1 长沙地区土壤特性

4．1．1 地下地质情况

4．1．2 土壤初始温度

4．2 地埋管换热器的实验方案设计

4．2．1 实验方案设计

4．2．2 实验仪器的选择

4．3 实验结果及分析

4．3．1 单U型地埋管换热器实验及分析

4．3．2 双U型地埋管换热器实验及分析

4．3．3 套管式地埋管换热器实验及分析

4．3．4 土壤平均导热系数

4．4 实验结果准确性验证

4．5 地埋管换热器换热特性

4．6 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录 (攻读硕士学位期间参加的科研项目及取得成果)