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地热换热器的传热问题研究及其工程应用

刁乃仁  
【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。


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