U型地埋管换热器换热性能的边界元法分析

摘要

地源热泵作为一种高效节能、绿色环保的新技术,日益受到人们的广泛关注。地源热泵技术是目前空调技术领域的前沿研究课题之一,也是浅层地热能利用的重要形式。地埋管换热器是地源热泵系统的重要组成部分,其换热性能是影响地源热泵系统运行效果的关键因素。本文在分析地埋管实际传热过程和已有传热模型基础上,建立了地源热泵垂直地埋管换热器的稳态传热模型,采用适合薄体问题的边界元法对其传热性能进行分析。本文主要工作和成果如下:
　　1、分制冷和供热两种工况,对垂直单、双U型地埋管的换热性能进行对比研究;分析两种埋管方式下,地埋管材料、管径、管壁厚度、回填材料、钻孔内支管间距、钻孔半径等对其换热性能的影响,并比较二者之间的差异。边界元法计算结果表明:普通PVC管较多地阻碍了地埋管的换热量,地埋管管材应选用高密度聚乙烯管HDPE或者钢管,在满足管体应力强度和稳定性的条件下,尽量减小塑料管材的厚度;改善和优化回填材料的导热性能能够有效增强地埋管的换热;增加支管间距,单、双U型地埋管的换热量均增大;钻孔孔径从0.055~0.075m变化时,双U型地埋管的换热量比单U型地埋管的高出约10％。
　　2、通过本文计算模型和FLUENT软件三维计算模型分别计算竖直单根地埋管的进出口温度及换热量,两种模型计算结果非常吻合,表明本文建立的计算模型是合理的,对其三维热传导问题,边界元法分段研究地埋管的换热情况及累加计算其所需的埋管长度是可靠的。然后根据地埋管进出口温差和流速等参数,并考虑管壁热阻的影响,运用边界元法计算了单、双U型地埋管在制冷和供热两种工况下各段的换热量及其所需的埋管长度。
　　3、U型地埋管管壁、回填区域、土壤等热传导过程涉及到管壁薄体与土壤厚体的耦合问题,FLUENT有限体积法及其他数值方法难以考虑地埋管管材、壁厚等参数的影响,本文边界元法为地埋管换热过程的计算提供了一个有效途径,边界元法只需沿不同材质区域的边界划分单元,用较少的单元可获得较高的计算精度。依据计算结果,本文对地埋管换热系统的材料选择、设计施工提出了有益建议,也为该系统运行参数的选择提供定量分析依据。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 地源热泵空调系统的分类

1.3 地源热泵系统国内外研究发展现状

1.4 本文的主要研究内容

第二章 地源热泵系统运行分析

2.1 地源热泵系统的组成和运行原理

2.2 垂直地埋管换热器传热过程概述

2.3 本章小结

第三章 垂直U型地埋管换热器传热模型的建立及分析方法

3.1 传热模型和假设条件

3.2 边界元法控制方程

3.3 边界元法分析管径、壁厚和管材对地埋管换热的影响

3.4 本章小结

第四章 垂直U型地埋管换热器换热性能影响因素的研究

4.1 模型参数设置

4.2 边界元网格划分

4.3 垂直U型地埋管换热性能影响因素分析

4.4 本章小结

第五章 垂直U型地埋管管长的分析计算

5.1 计算方法

5.2 计算模型及其结果比较

5.3 垂直U型地埋管管长的确定

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文