地热换热器的传热问题研究及其工程应用

【摘要】：论文首先对竖直U 型埋管地热换热器的传热问题进行了理论研究,在分析地热换热器各个传热环节热阻的基础上,求得了传热过程解析解。主要成果有:(1) 求得了有限长线热源在半无限大介质中的瞬态温度响应解析解。并指出了Eckert 的传热学教科书及一些传热手册中相关稳态解中的错误。(2) 提出了分析竖直埋管地热换热器钻孔内的传热过程的准三维模型,通过对U 型埋管两支管内循环流体的能量平衡方程式的分析与推导,求得了该传热问题的解析解,得到了计算U 型管换热器中流体温度沿深度变化的解析表达式,给出了钻孔内热阻的解析表达式。(3) 利用求解导热问题的格林函数法和移动热源等分析方法,导得了有均匀渗流的无限大介质中线热源引起的温度响应。 这些解析解清晰地揭示了地下传热过程中各影响因素的定量关系,可以直接应用于地热换热器设计和模拟计算,有效地促进了基于系列解析解和叠加原理的传热研究方法的发展。 论文第二部分工作是地热换热器理论研究成果的工程应用。主要成果是:(1) 在单个钻孔传热分析的基础上利用叠加原理,解决了实际工程中地热换热器由多个钻孔组成、换热负荷变化、系统间歇运行等实际问题,建立了U 型埋管地热换热器计算方法,并将该方法与国外同类设计方法进行了比较。(2) 利用提出的新方法,进行了多个地源热泵系统的地热换热器设计与安装。(3) 对实际工程的地热换热器运行工况进行了较长时间的测试。 实际工程测试结果以及与国外同类地热换热器设计方法的对比结果均证明:基于理论研究成果建立的U 型埋管地热换热器的计算方法,计算模型更接近工程实际,计算结果更趋合理,便于设计优化及动态模拟,可计算的时间跨度长,空间区域大。 论文第三部分工作是建立了单U 型埋管换热实验台,对理论研究成果进行了实验验证。分别进行了无渗流和有渗流的U 型埋管换热实验。研究中得到的U 型埋管传热模型解析解所揭示的传热规律在实验中得到了较好的验证。 【关键词】：传热 地源热泵 地热换热器 暖通空调 热阻
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：TK172
【目录】：

• 中文摘要3-4
• ABSTRACT (英文摘要)4-10
• 主要符号表10-12
• 第一章 引言12-27
• 1.1 课题背景12-18
• 1.1.1 热泵与建筑供热空调12-13
• 1.1.2 空调用热泵的分类13-16
• 1.1.3 地源热泵技术分析16-18
• 1.2 地源热泵技术的发展和研究现状18-22
• 1.2.1 国外的发展与研究现状18-20
• 1.2.2 国内的研究与应用现状20-22
• 1.3 本文研究的内容及其意义22-25
• 1.3.1 研究内容22-24
• 1.3.2 研究的理论意义与应用价值24-25
• 1.4 本文研究的技术路线与拟解决的主要问题25-27
• 1.4.1 研究的技术路线25-26
• 1.4.2 拟解决的主要问题26-27
• 第二章 钻孔外的传热模型27-47
• 2.1 无限长线热源模型27-30
• 2.1.1 概述27
• 2.1.2 传热模型及解27-29
• 2.1.3 解的讨论29-30
• 2.2 有限长线热源模型30-43
• 2.2.1 钻孔外瞬变温度场30-33
• 2.2.2 钻孔外稳态温度场33-38
• 2.2.3 钻孔壁温度计算及其影响因素分析38-43
• 2.3 有限长线热源与无限长线热源模型的比较43-45
• 2.4 小结45-47
• 第三章 钻孔内的传热模型47-68
• 3.1 一维导热模型47-48
• 3.2 二维导热模型48-55
• 3.2.1 热流与温度场的关系48-52
• 3.2.2 复合区域内的线热源解52-53
• 3.2.3 结果分析53-55
• 3.3 准三维传热模型55-63
• 3.3.1 单U 型埋管换热器55-57
• 3.3.2 双U 型埋管换热器57-60
• 3.3.3 单、双U 型埋管及其不同行程布置对传热的影响60-63
• 3.4 U 型埋管换热器的效能63-66
• 3.4.1 U 型埋管换热器效能的定义与计算63-65
• 3.4.2 影响地热换热器效能的因素65
• 3.4.3 效能概念在地热换热器计算中的应用65-66
• 3.5 小结66-68
• 第四章 有渗流时地热换热器的温度响应68-81
• 4.1 概述68-69
• 4.2 数学模型及解69-75
• 4.2.1 多孔介质中有渗流时的能量方程69-70
• 4.2.2 移动热源问题70
• 4.2.3 无限长线热源在均匀渗流中的温度场70-72
• 4.2.4 有限长线热源在均匀渗流中的温度响应72-75
• 4.3 计算结果及分析75-80
• 4.3.1 渗流对地热换热器温度场的影响75-76
• 4.3.2 线热源周向上的任一点温度及其平均温度76-78
• 4.3.3 有渗流时温度场达到稳态的时间78-79
• 4.3.4 渗流对多个钻孔U 型埋管换热器的影响79-80
• 4.4 小结80-81
• 第五章 单U 型埋管换热的实验研究81-90
• 5.1 实验目的81
• 5.2 实验装置与测试系统81-84
• 5.2.1 实验装置81-83
• 5.2.2 测试系统83-84
• 5.3 实验结果与分析84-89
• 5.3.1 实验过程84-85
• 5.3.2 无渗流实验85-87
• 5.3.3 有渗流实验87-89
• 5.4 小结89-90
• 第六章 地热换热器传热分析的工程应用90-112
• 6.1 地热换热器的计算方法90-96
• 6.1.1 单U 型埋管传热模拟90-91
• 6.1.2 叠加模型91-92
• 6.1.3 计算方法与框图92-94
• 6.1.4 与现有地热换热器计算方法的比较94-96
• 6.2 地热换热器设计96-104
• 6.2.1 影响地热换热器设计的主要因素96-99
• 6.2.2 设计前准备工作99-100
• 6.2.3 设计工程实例100-104
• 6.3 地热换热器的安装104-106
• 6.3.1 放线、钻孔104
• 6.3.2 U 型管现场组装、试压与清洗104
• 6.3.3 下管与二次试压104-105
• 6.3.4 灌浆封孔与土壤热物性测定105
• 6.3.5 挖槽、安装分集水器105-106
• 6.4 地热换热器的运行测试106-111
• 6.4.1 测试目的与方法106-107
• 6.4.2 测试系统与装置107-108
• 6.4.3 测试结果与分析108-111
• 6.5 小结111-112
• 第七章 结论112-114
• 参考文献114-120
• 致谢及声明120-121
• 附录121-126
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的论文126-128

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