热渗耦合作用下地埋管传热的模拟与实验研究

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地源热泵作为一种节能、环保的技术近年来已经得到了广泛研究与应用。研究的重点主要集中在如何提高地源热泵地埋管的换热性能,以提高地源热泵系统的运行效率,从而使节能减排的目的更好的实现。本文考虑土壤中地下水的渗流,利用Gambit软件建立了土壤中有无地下水渗流时的几何模型,并通过ANSYS13.0对模型进行求解。针对无渗流的情况,模拟分析了不同管内流速下地埋管换热器的换热性能,得到了不同管内流速下的土壤温度场和热作用半径分布。结果表明:随着管内流速的增加,地埋管的换热增强,增幅逐渐减小,当流速增加到0.9m/s时,继续增加流速对换热的增强作用不大。针对有渗流的情况,模拟分析了不同地下水渗流速度、土壤孔隙率对地埋管换热器换热性能的影响,得到了不同地下水渗流速度下的土壤温度场。结果表明:渗流使土壤温度场发生了变形,并且增强了埋管的换热。当渗流速度为1×10-7m/s时,埋管的换热增强了0.83%,当渗流速度增强到3×10-6m/s时,埋管的换热增强了8.83%:土壤孔隙率越大,埋管与土壤之间的换热越强。为了验证本文所建立的地埋管热渗耦合模型的准确性,本文在相似性理论的基础上,搭建了一个模型实验台。分别进行了地埋管换热器夏季工况下游渗流和无渗流的实验,通过测试U型管进出口水温及测点的温度,得到了地埋管的实际换热情况。研究得到的实验结果与数值模拟结果具有良好的吻合性,从而验证了地埋管热渗耦合模型的解析解所描述的热量传递规律。
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