竖直埋管换热器传热过程的数值模拟

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在地源热泵系统中,地埋管换热器是实现载流体与土壤间进行热量交换的关键传热器件,其传热性能的优劣对地源热泵系统能否长期、高效、经济地运行具有决定性的影响。由于地埋管换热器的传热性能取决于埋管周围岩土的当量导热系数、钻孔内回填料导热系数、埋管几何结构布置参数以及运行参数等,本文通过对地埋管换热器三维CFD数值分析模型的求解,定量地对测量岩土热物性参数的TRT实验的各种影响因素进行了讨论;针对现有单U型地埋管换热器三热阻传热分析模型的不足,建立了单U型地埋管换热器的四热阻传热分析模型,并对其进行求解,获得地埋管内流体温度沿程分布的解析解;在此基础上,对地埋管换热器的各设计、运行参数进行了优化分析,详细地讨论了各参数对地埋管换热器传热性能的影响规律。研究表明,在地下埋管岩土TRT热响应的测试过程中,测试周围环境空气温度的波动和岩土地下水的渗流对岩土热物性参数的测试有一定影响。在空气温度波动较大、风速较高、地上暴露于空气中的管段较长时,空气温度波动对测试结果的影响不能忽略。当地下水流速过高时,测试结果也会出现较大的偏差。因此,在进行地下埋管岩土热物性参数的热响应测试时,建议尽量缩短地面上管路的连接长度,并且必须对其进行保温隔热处理,以减少测试环境对岩土热物性参数测试结果的影响。在有条件的情况下,对地下水渗流速度进行测量,以修正地下水渗流对TRT测试结果的影响。根据目前单U型埋管换热器传热分析模型的不足,本文提出了一种改进的四热阻传热分析模型。通过对二维单U型埋管换热器大量的数值模拟分析,获得了四热阻模型中各热阻的拟合计算公式,并对该埋管换热器传热分析模型进行了验证,得出四热阻传热分析模型具有与三维数值分析模型的计算结果精度相当这一结论。随后,在得到验证的地埋管换热器四热阻传热分析模型基础上,提出了确定钻孔内回填料导热系数的一种新方法,并且还对影响地埋管换热器传热性能的各设计、运行参数(包括埋管内流速、回填料导热系数、埋管间距和钻孔深度等)进行了优化分析,详细地讨论了这些参数对埋管换热器传热性能的影响规律,分析总结出对地埋管换热器在设计和实际工程运行过程中具有指导性的建议与意见。
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