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含湿岩土间歇蓄/放热传热传质研究

尚妍  
【摘要】:含湿岩土蓄/放热过程中,地下传热的衰减不仅影响岩土的蓄/放热能力,而且影响地热能利用系统的性能和经济性。可控间歇技术,能够周期恢复岩土温度,提高岩土传热速率,有效控制地下传热衰减。在此过程中,岩土的热湿耦合传热特性直接影响到间歇的周期控制,进而影响到整个地热能利用系统的一体化控制。因此,含湿岩土间歇蓄/放热过程传热传质的研究对于如何合理地控制岩土间歇蓄放热过程,保证岩土在良好的温度趋势下,充分扩散和传递热量,优化运行地热能利用系统有重要的意义。本文以地热能利用系统为研究平台,从实验研究出发,在总结地下岩土温度变化特性的基础上,基于体积平均理论、Darcy定律及非饱和多孔介质中热湿传递理论,分别建立了考虑衰减内热源的含湿岩土传热传质间歇模型和基于土壤为非饱和多孔介质的含湿岩土间歇蓄/放热过程的数学模型,通过实验和数值模拟方法研究了可控间歇过程岩土热湿耦合传递特性,揭示了岩土传热与间歇特征的关系。其目的在于更深入理解可控间歇过程和地温恢复特性,寻找抑制地下传热衰减的方法,从而为地热能利用系统的运行提供理论依据。 首先,本文改进了现有的地热能利用系统实验台,通过含湿岩土间歇蓄/放热实验,测试分析了岩土间歇放热过程中地温变化规律及其对换热率、热泵机组性能的影响;不同回填材料、不同U型地埋管入口流量及不同大气温度对含湿岩土蓄/放热过程传热传质的影响,指出在整个间歇蓄放热过程中,土壤温度的变化与U型管入口流量,大气温度,土壤导热系数等因素成指数关系。利用此结果,通过非线性回归方法拟合出大连地区,含湿岩土间歇放热过程中浅层地下温度场温度变化关联式。 其次,视地下含湿岩土为饱和多孔介质,对饱和多孔介质间歇蓄/放热过程传热传质进行了理论研究:①考虑饱和多孔介质内渗流,通过修正热边界条件,建立了具有内置变温热源的饱和多孔介质间歇蓄/放热过程三维非稳态传热传质间歇模型,该模型中,引入内置变温热源随时间阶跃变化的特征,以及岩土传热衰减和间歇恢复的特征,区别于无内置热源或内置热源无阶跃变温的饱和多孔介质岩土传热模型。在实验验证该模型的正确性后,基于该模型研究了地下垂直U型埋管与周围含湿岩土之间的热湿耦合传递过程,数值分析了地热能利用系统运行状态下含湿岩土的温度变化规律,以及停歇状态下含湿岩土的温度恢复特性。②基于该模型,数值研究了含湿岩土孔隙率、导热系数和回填土物性参数对含湿岩土温度恢复特性的影响。结果表明,含湿岩土的物性参数对温度恢复过程影响较大,随着岩土导热系数的增大,温度恢复速度加快;随着孔隙率的增大,温度恢复速度减慢;不同的回填材料,如粘土、砂粘土和水泥砂浆中,水泥砂浆使温度恢复速度加快。③数值研究了太阳辐射、大气温度和自然风速对含湿岩土间歇过程温度恢复特性的影响。结果表明,自然环境因素相比于岩土热物性对温度恢复影响较小当考虑太阳对地表辐射时,浅层土壤的传热速率在土壤放热过程中加快,而在土壤蓄热过程减慢,这种现象随太阳辐射吸收率的增大更加明显;随着大气温度的降低,温度恢复速率在岩土放热过程中减慢,而在岩土蓄热过程中加快;随着环境风速等增大,温度恢复速率在岩土放热过程中减慢,而在岩土蓄热过程中加快。 最后,视地下含湿岩土为非饱和多孔介质,对非饱和多孔介质间歇蓄/放热过程传热传质进行了理论研究:①建立基于土壤为非饱和多孔介质假设的含湿岩土间歇蓄/放热过程地下U型管与周围含湿土壤传热传质数学模型,模型中,将含湿岩土视为非饱和多孔介质,多孔介质孔隙中充满水、水蒸汽和空气,同时针对土壤水分的入渗和蒸发运动过程,分别建立了相应的传热传质模型。②对基于无渗流无蒸发的三相热力学平衡状态下的含湿岩土间歇蓄/放热过程传热传质进行数值研究,并通过与饱和多孔介质模型、实验模型的对比,得出相对于饱和模型而言,非饱和模型与实验数据吻合更好。③建立基于入渗过程的含湿岩土间歇蓄/放热过程传热传质模型,数值研究了土壤入渗过程及其影响因素土壤吸湿率、土壤饱和水力传导系数对含湿岩土间歇蓄放热传热传质的影响。结果表明存在土壤水分入渗时,土壤温度在岩土放热过程中下降较快,在恢复过程中上升较慢,且随着土壤深度的增加,对土壤温度场的影响逐渐减小,并且土壤吸湿率和饱和水力传导系数越大,在放热过程中土壤温度下降越快,恢复越慢。④建立基于蒸发过程的含湿岩土间歇蓄/放热过程传热传质模型,数值研究了土壤水分表土蒸发和内部蒸发及各自的影响因素:土壤饱和含湿量、土壤实际含湿量、环境风速、干土层厚度、水汽扩散系数和大气温度对含湿岩土间歇蓄放热过程传热传质的影响。结果表明,在土壤水分蒸发时,土壤的温度在岩土放热过程中下降较快,恢复过程中上升较慢,不同于表土蒸发过程,内部蒸发过程对土壤放热及恢复过程的影响在土壤不同深度影响基本相同。土壤的饱和含湿量、大气风速、水汽扩散系数越大时,土壤温度在岩土放热过程中下降越快,恢复过程上升越慢;土壤的实际含湿量、干土层厚度、大气温度越大时,土壤温度在含湿岩土放热过程中下降越慢,恢复过程上升越快。


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