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垂直U型埋地换热器传热性能及其周围土壤温度场分析

作　者: 陈华清
导　师: 周亚素
学　校: 东华大学
专　业: 供热、供燃气、通风与空调工程
关键词: 地源热泵垂直U型埋地换热器土壤温度场 ANSYS软件模拟
分类号: TU833
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 287次
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内容摘要

地源热泵是以地表能为热源(或热汇),通过输入少量的高品位能源(如电能),实现低品位热能向高品位热能转移的热泵空调系统,是真正的“绿色能源”。它在欧美已有数十年的历史,近年来在中国受到广泛关注,并已开始得到利用。而垂直埋地换热器是目前最常用的一种地源热泵形式,但由于对它的研究还不够完善,使地源热泵的应用在很大程度上受到了制约。针对现有研究方法存在的问题,本文引入了通用有限元分析软件ANSYS软件对垂直U型埋地换热器传热性能以及周围土壤温度场进行模拟分析。模拟了热泵各运行工况下土壤温度场瞬态分布情况,并且只需酌情更改计算模型中的各相关参数即可将此方法应用于其他地区,解决了以往研究多针对短期工况,且计算模型缺乏普遍适用性等问题,为地下换热器模型的研究找到了新的途径。本文主要建立了垂直U型埋地换热器以及周围土壤温度场的数学模型,并利用有限元软件ANSYS软件进行模拟计算;对供冷工况进行实验分析,并通过模拟结果和实测数据的比较,论证了利用ANSYS软件进行垂直U型埋地换热器传热性能以及周围土壤温度场模拟的可行性与准确性;在此基础上,通过短期运行工况模拟,分析了影响垂直U型埋地换热器换热性能各因素的作用规律,如换热器循环水的流速、进口温度,回填材料和土壤的热物性参数等;最后利用ANSYS软件对垂直U型埋地换热器长期运行工况进行模拟,分析其换热性能、热作用半径以及土壤温度的恢复等,供设计地下换热器时参考。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-10
目录  10-13
第一章绪论  13-23
  1.1 课题研究背景  13-14
  1.2 地源热泵的工作原理及分类  14-15
    1.2.1 地源热泵的工作原理  14
    1.2.2 地源热泵的分类  14-15
  1.3 地源热泵的特点  15-16
  1.4 地源热泵国内外发展状况  16-17
  1.5 地源热泵垂直U型埋地换热管传热模型的研究状况  17-20
    1.5.1 线热源模型  18-19
    1.5.2 圆柱源模型  19-20
    1.5.3 Eskilson模型  20
  1.6 本文研究的内容和意义  20-23
第二章垂直U型埋地换热器传热模型的建立  23-34
  2.1 地源热泵垂直U型换热器数学模型的建立  23-26
    2.1.1 垂直U型埋地换热器传热的物理模型  23
    2.1.2 垂直U型换热器的数学模型  23-25
    2.1.3 采用当量直径修正  25-26
  2.2 模型的ANSYS求解  26-33
    2.2.1 ANSYS软件简介  26-27
    2.2.2 ANSYS热分析  27-28
    2.2.3 模型的ANSYS分析求解  28-33
  2.3 本章小结  33-34
第三章垂直U型埋地换热管传热性能的实验研究以及对模型的实验验证  34-42
  3.1 实验系统介绍  34-35
  3.2 实验测试目的与方法  35
  3.3 实验测试系统与装置  35-37
    3.3.1 温度测试  35-36
    3.3.2 流量测试  36
    3.3.3 计算机数据采集与监控系统  36-37
  3.4 实验操作规程  37
  3.5 垂直U型埋地换热器传热模型的实验验证  37-41
    3.5.1 流速为0.34m/s时的实验验证  38-39
    3.5.2 流速为0.37m/s时的实验验证  39-40
    3.5.3 流速为0.42m/s时的实验验证  40
    3.5.4 三个流速的误差比较  40-41
  3.6 本章小结  41-42
第四章垂直U型埋地换热器传热性能及周围土壤温度场影响因素分析  42-79
  4.1 系统运行时间对U型换热器传热性能及周围土壤温度场的影响  42-48
    4.1.1 系统运行时间对U型换热器换热性能的影响  42-43
    4.1.2 系统运行时间对周围土壤温度场的影响  43-48
  4.2 循环水流速对U型换热器传热性能及周围土壤温度场的影响  48-55
    4.2.1 流速对U型换热器传热性能的影响  49-51
    4.2.2 流速对周围土壤温度场的影响  51-55
  4.3 循环水进口温度和土壤初始温度的影响  55-61
    4.3.1 循环水进口温度与土壤初始温度差对U型换热器传热性能的影响  57-59
    4.3.2 循环水进口温度与土壤初始温度差对土壤温度场的影响  59-61
  4.4 回填材料导热系数对U型换热器传热性能及周围土壤温度场的影响  61-66
    4.4.1 回填材料导热系数对传热性能的影响  62-63
    4.4.2 回填材料导热系数对土壤温度场的影响  63-66
  4.5 土壤热物性对U型换热器传热性能及土壤温度场的影响  66-76
    4.5.1 土壤导热系数的影响  66-71
    4.5.2 土壤比热的影响  71-74
    4.5.3 土壤密度的影响  74-76
  4.6 本章小结  76-79
第五章垂直U型埋地换热器的长期运行模拟  79-92
  5.1 系统一个供冷期的模拟运行  79-83
    5.1.1 系统各运行参数  79-80
    5.1.2 系统换热性能  80-81
    5.1.3 U型换热器周围土壤温度场分布  81-83
  5.2 供冷期后土壤温度的恢复  83-87
    5.2.1 水平方向土壤温度的恢复  85-86
    5.2.2 垂直方向土壤温度的恢复  86-87
  5.3 冬、夏双季运行工况模拟  87-91
    5.3.1 系统各运行参数  87-88
    5.3.2 换热器周围土壤温度场分布  88-89
    5.3.3 换热器传热性能分析  89-91
  5.4 本章小结  91-92
第六章结论及展望  92-95
  6.1 结论  92-94
  6.2 展望  94-95
参考文献  95-99
在校期间发表论文  99-100
致谢  100

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