[發(fā)明專利]一種豎直單U型地埋管換熱器溫度場分析方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911074163.3
• 申請日: 2019-11-06
• 公開（公告）號: CN110826225B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發(fā)明（設計）人: 王昌龍;黃志甲;錢付平;魯進利;魯月紅;孫彥紅
• 申請（專利權）人: 安徽工業(yè)大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G01K13/00;G06F119/08
• 代理公司: 安徽知問律師事務所 34134
• 代理人: 平靜

1.一種豎直單U型地埋管換熱器溫度場分析方法，其特征在于：首先，對豎直單U型地埋管鉆孔進行簡化；然后，對簡化后的鉆孔中傳熱、鉆孔外土壤中的傳熱行分析，建立豎直單U型地埋管數(shù)值傳熱模型；最后，設置時間步長，將鉆孔劃分為若干個網(wǎng)格，對各個網(wǎng)格的傳熱方程進行離散，采用迭代法計算各時刻的鉆孔內溫度場，并基于無限長柱熱源模型計算各時刻的土壤溫度場；

所述豎直單U型地埋管鉆孔簡化方式具體為：將豎直單U型地埋管的進口支管和出口支管分別簡化為等效進口半管和等效出口半管，同時將整個鉆孔分成對稱的兩個半圓柱，其中進口側的半圓柱鉆孔包括進口側流體、等效進口半管和進口側回填土，而出口側的半圓柱鉆孔包括出口側流體、等效出口半管和出口側回填土；

將兩個半圓柱鉆孔中的傳熱均近似為徑向和軸向上的二維傳熱，將鉆孔外土壤中的傳熱近似為徑向上的一維傳熱并采用無限長柱熱源模型進行分析，從而建立豎直單U型地埋管數(shù)值傳熱模型；

數(shù)值傳熱模型中對鉆孔的劃分如下：

在進口側的半圓柱鉆孔中，徑向坐標r≤r_ie對應的區(qū)域為進口側流體，r_ie≤r≤r_oe對應的區(qū)域為等效進口半管，r_oe≤r≤r_b對應的區(qū)域為進口側回填土；在出口側的半圓柱鉆孔中，r≤r_ie對應的區(qū)域為出口側流體，r_ie≤r≤r_oe對應的區(qū)域為等效出口半管，r_oe≤r≤r_b對應的區(qū)域為出口側回填土；鉆孔外r≥r_b的區(qū)域為土壤；其中r_ie和r_oe分別為等效進口半管及等效出口半管的內半徑和外半徑，r_b為鉆孔半徑；

r_oe和r_ie的計算式分別如下：

k_g——進口側回填土及出口側回填土的熱導率；

R_b——鉆孔內熱阻；

h——流體的對流換熱系數(shù)；

k_p——等效進口半管及等效出口半管的熱導率，等于U型地埋管的熱導率；

r_i——U型地埋管的內半徑；

r_o——U型地埋管的外半徑；

數(shù)值傳熱模型具體的建立過程如下：

進口側流體的溫度滿足如下方程：

T_fi(z,t)——進口側流體的溫度；

ρ_f——流體的密度；

c_f——流體的比熱容；

z——軸向坐標；

t——時間；

T_pi(r,z,t)——等效進口半管的溫度；

T_fo(z,t)——出口側流體的溫度；

M——流體的質量流量；

H——U型地埋管的長度；

R_io——進口側流體與出口側流體之間的單位深度熱阻；

等效進口半管和進口側回填土的溫度均滿足柱坐標系下的二維傳熱方程：

T_gi(r,z,t)——進口側回填土的溫度；

(ρc)_pe——等效進口半管及等效出口半管的體積比熱容；

(ρc)_ge——進口側回填土及出口側回填土的等效體積比熱容；

出口側流體的溫度滿足如下方程：

T_po(r,z,t)——等效出口半管的溫度；

等效出口半管和出口側回填土的溫度均滿足柱坐標系下的二維傳熱方程：

T_go(r,z,t)——出口側回填土的溫度；

鉆孔外土壤的溫度滿足徑向一維傳熱方程，則可采用無限長柱熱源模型進行計算：

T_s(r,z,t)——土壤的溫度；

t_n——第n個時刻對應的時間；

T₀——無限遠處的土壤溫度；

t_j——第j個時刻對應的時間；

k_s——土壤的熱導率；

q_bi(z,t)——進口側的半圓柱鉆孔壁面在徑向上的單位深度熱流：

q_bo(z,t)——出口側的半圓柱鉆孔壁面在徑向上的單位深度熱流：

G(r,t)——無限長柱熱源模型的G函數(shù)：

(ρc)_s——土壤的體積比熱容；

β——積分變量；

J₁(β)——第一類一階貝塞爾函數(shù)；

J₀(βr/r_b)——第一類零階貝塞爾函數(shù)；

Y₁(β)——第二類一階貝塞爾函數(shù)；

Y₀(βr/r_b)——第二類零階貝塞爾函數(shù)。