竖直埋管换热器传热计算方法研究开题报告.doc

毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目：竖直埋管换热器传热计算方法研究 学 院： 化工装备学院 专业班级： 油气储运工程1001 学生姓名： 肖雪 学 号： 120100931 导师姓名： 姚辉 开题时间： 2013 年 10 月 指导教师评阅意见指导教师签字：年 月 日1.课题背景及意义1.1课题研究背景、目的及意义能源是人类赖以生存发展的物质基础。随着经济的稳步发展，能源问题如今已成为世界各国所面临的一个共性问题。随着能源危机的加剧，人们开始清楚的意识到，在合理开发利用常规能源的同时，也要大力发展清洁的可再生能源，这要求人们必须对于社会能源消耗情况要有清楚的认识。随着经济的发展和人民生活水平的大大提高,公共建筑和住宅的供热和空调己成为人们对于能源的普遍需求。在发达国家中，供热和空调的能耗可占到社会总能耗的30%一40%。而我国的建筑能耗占总能耗的比例也较大,统计资料显示为27.5%,并且这个比例呈现逐年增长的趋势。根据发达国家的经验,随着人民生活质量的改善,建筑能耗所占的比例还将上升,最终达到35一40%。而在建筑能耗中则又以建筑采暖和空调能耗为主,比例超过50%。因此,降低建筑能耗、发展和应用新能源技术是当前研究的重点和热点。地埋管地源热泵系统是利用大地(地层土壤、地下水)作为热源。但由于较深的地层在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度,远高于冬季的空气温度,又低于夏季的空气温度,因此地源热泵可以克服空气源热泵的技术障碍,效率得到大大提高。当系统运行时,冬季通过热泵机组将大地中的低位热能传递转移到需供暖的建筑物内,同时储存冷能量,以备夏用;在夏季，通过热泵机组将建筑物内的热量传输到大地中,对建筑物进行降温,同时储存热量,以备冬用。因此,地源热泵系统中大地起到了蓄能器的作用,提高了空调系统全年的能源利用率。这不仅使得冬季供热效率得到大大提高,而且夏季空调能耗也大大降低。地埋管地源热泵系统是利用2O0m以内浅层地壳中热量的地源热泵系统,它采用地埋管换热器(geothermal heat exehanger)与大地(地层土壤、地下水)进行换热,规避了地下水地源热泵的问题,同时保留了该系统的优点,有着广阔的适用范围,因此将成为地源热泵供热空调技术的主导形式。1本文主要讨论地埋管地源热泵系统。地源热泵系统由室内部分和室外部分两部分组成,室内部分包括热泵机组和风道系统(或风机盘管系统),与传统空调系统相似;室外部分是地埋管换热器部分(见图1.1)。地源热泵地埋管换热器的布置的形式主要有竖直埋管和水平埋管两种。水平埋管在地面挖1一2m的深沟,每个沟中埋设2、4或6根管道。竖直埋管是在地层中打直径为0.1一0.15m、深度为40一20Om的钻孔,每个钻孔中放置2根或4根U型管并用灌浆材料填实。竖直埋管换热器比水平埋管可以节省很多土地面积,适合中国地少人多的国情。目前国内的竖直埋管地源热泵系统得到越来越多的应用和研究。1.2 课题国内外研究现状及趋势 地源热泵是一种清洁、节能和高效的可持续能源利用技术。这项技术最先开始于1912年,瑞士Zoeny提出了“地热源热泵”的概念。在20世纪40一50年代,美国和欧洲对地源热泵进行系统研究,如地源热泵运行实验研究、地埋管实验研究以及土壤热物性测试研究等。20世纪20年代以来,随着能源危机和环境问题的出现并且日益严重,土壤源热原系统因节能、节水而普遍受到欧美各国等的关注,地源热泵的研究进人了高潮。20世纪80年代初,欧洲先后召开了5次大型的地源热泵专题国际学术会议。美国在能源部的直接资助下由橡树岭和布鲁克黑文等国家实验室以及俄克拉荷马州立大学等研究机构开展了大规模的研究2,为地源热泵的推广起到了重要的作用;到了90年代,计算机的发展又给地源热泵的计算和设计带来了极大的便利,人们对地源热泵的应用及理论和实验研究得到大量的实际运行经验和计算机模型,逐渐形成一整套成型的设计方法和一系列确定地下换热器尺寸的软件。而地源热泵真正意义上的商业应用也只有近十几年的历史。如到1985年为止美国共有1.4万台地源热泵,而1997年就安装了4.5万台,到目前为止共安装了40万台,而且每年在以10%的速度稳步增长。1998年国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19%,其中在新建筑里面占30%;据1999年的统计,欧洲的一些国家在家用的供热装置中地源热泵所占比例如下:瑞土为96%、奥地利为38%、丹麦为27%。 我国近地表低温地热资源丰富,国外学者认为是世界上直接利用地热潜力最大的国家之一。在未来的日子里,中国面临着巨大的能源和环保压力,中国的经济要保持较高速度的增长同时又必须考虑环保和可持续发展问题。因此,要求调整能源结构,提高能源利用效率。地源热泵空调技术以其节能环保和可持续发展的突出优点己成为空调供暖工程优先选择的方案之一。地源热泵系统作为一种新的空调方式在我国己经有许多的工程应用,而且发展势头良好。越来越多的中国用户开始熟悉地源热泵,并且对其应用产生了浓厚的兴趣,可以预计中国的地源热泵市场前景广阔。美国能源部和中国科技部于1997年11月签署了中美能源效率及可再生能源合作议定书,其中主要内容之一就是“地源热泵”,该项目拟在中国的北京、宁波和广州3个城市各建一座使用地源热泵进行供暖制冷的商业建筑,以推广运用这种“绿色技术”,缓解中国对煤炭和石油的依赖程度,从而达到能源资源多元化的目的。与此同时,科技部委托的中国企业公司正酝酿将美国的地源热泵技术及设备引进中国市场,这将促进我国地源热泵技术的市场化产业化的发展,并使我国地源热泵的研究开发尽快跟上国际潮流,因此我们有理由相信,在充分学习借鉴国外先进技术和运行经验的基础上,在各级政府的有力支持下,中硕士学位论文国的科技界与企业界携手共进,依靠自己的力量完全有能力在不长的时间内开拓出具有中国特色的地源热泵产业。 早期的研究主要集中于土壤的传热性质、换热器形式以及影响埋管换热因素等几方面。20世纪70年代末到90年代初,不少文献报道了地源热泵不同形式的地下埋管换热器的传热过程及其模拟计算方法。90年代后,地源热泵的研究热点依然集中在地下换热器的换热机理、强化换热及热泵系统与地下换热器匹配等方面。与前一阶段单纯采用的“线热源”传热模型不同,最新的研究更多地关注相互祸合的传热、传质模型,以便更好地模拟地下换热器的真实换热状况;同时开始研究采用热物性更好的回填材料,以强化埋管在土壤中的导热过程,从而降低系统用于安装埋管的初投资;为了进一步优化系统,有关地下换热器与热泵装置的最佳匹配参数的研究也在开展。综合国外有关地源热泵传热模型方面的文献报道,已提出的换热器传热模型大约有30多种3,所有模型建立的关键是求解岩土温度场的动态变化。目前,有关地下换热器传热模型的基本理论主要有三种:1947年carslaw和Jaeger4提出圆柱热源理论和1948年Ingersol5和Plassl6,提出Kelvin线源理论;1953年BNL提出的修改过的线源理论;1986年Mei提出的三维瞬态远边界传热模型8。文献161同时提出了现在比较广泛应用的三种传热模型:基于能量守恒定律的Mei传热模型9;IosH队(International round一sour Heat Pump)模型10该模型提供了计算单根竖直埋管、多根竖直埋管及水平埋管换热器土壤热阻的方法;NWWA(National Water Well Action)模型11,运用该模型可直接给出换热器内平均流体温度。2毕业设计研究内容及任务2.1 研究内容地埋管换热器的传热模型研究是地源热泵系统的难点,同时也是地源热泵技术的核心和应用基础。综合国内外地源热泵研究现状,可以发现地源热泵理论研究重点在于其地埋管换热器的传热分析及设计方法等方面的研究。因此,地源热泵技术的推广应用,关键和难点也就在于对地埋管换热器的传热机理及模型进行分析,建立准确的设计计算方法。竖直U型埋管是地埋管换热器的主要应用形式,竖直埋管地埋管换热器和周围的土壤之间的传热分析极其复杂,除了地埋管换热器的构造和几何配置外,还有许多因素影响地埋管换热器的性能,比如土壤初始温度分布、土壤湿度程度、土壤热物性、地下水流动、土壤可能的冻融等。此外,地埋管换热器负荷的变化性及全年冷热负荷的不平衡性等因素,也对传热性能有重要影响。目前竖直地埋管单个钻孔长时间的传热分析分为两方面,一个基于线热源理论的钻孔外传热分析,一个是基于热阻理论的钻孔内传热分析。钻孔域(多钻孔)变负荷传热问题一般采用叠加原理即叠加单个钻孔在阶跃热流下的温度响应来解决。本文将主要对地埋管地源热泵系统的竖直U型埋管的传热机理进行研究,改进和完善地下传热模型,并与己有的传热模型进行比较,进而确定竖直U型埋管较为准确的模型,并在此基础上提出地热换热器新的计算方法,为地热换热器的设计提供准确、快速的计算方法。2.2 设计思想及设计方案1.针对单个钻孔的钻孔壁外的传热过程,建立有限长线热源的改进模型,利用g一函数的概念,在改进模型解析解的基础上得出钻孔壁无因次温度响应的新g-函数形式。对钻孔域(多个钻孔)的传热分析,运用叠加原理方法,通过叠加单个钻孔在阶跃热流下的温度响应,得出钻孔域中不同钻孔的无因次温度响应的新g一函数形式。2.对竖直地埋管钻孔内的传热过程,采用准三维传热模型分析钻孔内流体温度分布及热阻,并考虑流体平均温度对钻孔内的热阻的影响,建立新的流体平均温度计算方法,在此基础上得出不同的钻孔内热阻的分析