地铁隧道围岩毛细管热泵系统换热器传热特性研究

发布时间：2017-07-18 19:24

  本文关键词：地铁隧道围岩毛细管热泵系统换热器传热特性研究

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【摘要】：地铁隧道围护结构与其周围岩土是一个极大的热容体,蕴含丰富的可再生能源,可用于供热供冷。传统地铁环控系统与地埋管地源热泵系统相互独立,使城市浅层地热能的利用受到较大限制。本项目将毛细管网换热器嵌入地铁隧道防水层与二衬之间,构成嵌入式毛细管换热器,与地下岩土换热,从而将地铁环控系统与地埋管地源热泵系统有机结合起来,从而实现夏季为地铁站台供冷,冬季为地上建筑供暖。本文研究的主要内容有以下五个方面:一是:分析影响嵌入式毛细管换热器传热过程的因素,考虑毛细管网、围岩与空气之间的耦合传热关系,依据能量方程,建立嵌入式毛细管换热器传热理论模型;二是:根据嵌入式毛细管换热器传热模型,通过合理简化并忽略次要影响因素,根据复合介质传热理论,利用分离变量法和格林函数法,得到嵌入式毛细管换热器的理论解。三是:考虑隧道内地铁系统运行时隧道内空气温度、列车运行散热对隧道内热环境的热扰,建立热扰模型,分析考虑热扰情况下嵌入式毛细管换热器全年运行后对围岩温度场的影响;四是:通过开展地铁隧道围岩嵌入式毛细管热泵系统的毛细管网换热器与其周围的围岩热响应试验,研究毛细管网换热器管内循环介质的流量、入口温度对换热量的影响,然后利用数值模拟计算的方法,对比数值计算值和实验值,数据吻合较好,证明了模型的合理性,最后将实验值和理论计算值进行对比分析,验证理论解的可靠性;五是:将模糊优化理论应用于毛细管换热器的优化设计,解决了设计过程中因目标太多考虑不全面和多目标之间相互制约的问题。本项目开展现场测试,建立隧道内传热模型,考虑毛细管网、岩土与隧道内空气间的耦合关系,研究围岩内温度场的时空分布,以预测空气温度变化趋势。最后根据模糊优化理论,建立多目标模糊优化计算毛细管换热器简化数学模型,并通过线性加权法将多目标化为单目标求解。以期为嵌入式毛细管换热器应用和推广于地铁隧道工程提供了理论依据。
【关键词】：地铁隧道 毛细管换热器 热泵 传热机理 模糊优化
【学位授予单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U453;TU83
【目录】：

• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-20
• 1.1 课题研究的背景与意义12-14
• 1.2 毛细管换热器发展和应用特点14-16
• 1.3 国内外研究现状16-18
• 1.4 研究的意义18-20
• 第2章 地铁隧道毛细管换热器传热理论分析及模型的建立20-30
• 2.1 地铁隧道围岩毛细管热泵系统20-21
• 2.2 以毛细管换热器作为前端取热的传热模型建立21-29
• 2.2.1 毛细管换热器外围岩温度场传热方程23-27
• 2.2.1.1 传热数学方程23-24
• 2.2.1.2 热源g_i(r,θ,t)的确定24-25
• 2.2.1.3 传热方程的解析解25-27
• 2.2.2 毛细管换热器内工质温度场27-29
• 2.3 本章小结29-30
• 第3章 换热器换热数值模拟与传热分析30-40
• 3.1 物理模型的建立及网格的划分30-31
• 3.2 边界条件的设定31-32
• 3.3 模拟结果分析32-39
• 3.3.1 夏秋季工况32-34
• 3.3.2 冬春季工况34-37
• 3.3.3 第一年夏天和第二年夏天对比37-39
• 3.4 本章小结39-40
• 第4章 毛细管换热器与围岩热响应实验与分析40-62
• 4.1 实验目的及原理40-45
• 4.1.1 工程概况40-42
• 4.1.2 试验系统介绍42-45
• 4.1.2.1 试验系统构成42-43
• 4.1.2.2 实验仪器43-45
• 4.2 实验方案与步骤45-46
• 4.2.1 换热器设计45
• 4.2.2 实验方案45-46
• 4.2.3 实验步骤46
• 4.3 实验结果及分析46-53
• 4.3.1 毛细管换热器周围围岩初始温度的测试46-47
• 4.3.2 毛细管换热器入口温度对换热量的影响47-51
• 4.3.3 毛细管换热器流量对换热量的影响51-52
• 4.3.4 毛细管换热器压力对换热量的影响52-53
• 4.4 实验工况数值模拟53-59
• 4.4.1 模型的建立和网格划分53-55
• 4.4.2 边界条件设置55
• 4.4.3 模拟结果分析55-57
• 4.4.4 实验数据和数值模拟结果对比分析57-59
• 4.5 现场实验实测值和理论计算值对比59-60
• 4.6 本章小结60-62
• 第5章 毛细管换热器多目标模糊优化设计62-70
• 5.1 多目标优化及模糊分析处理62-68
• 5.1.1 计变量的选择63
• 5.1.2 隶属函数63-68
• 5.2 实例计算68-69
• 5.3 本章小结69-70
• 第6章 结论与展望70-72
• 6.1 结论70-71
• 6.2 展望71-72
• 参考文献72-77
• 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况77-78
• 致谢78

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本文编号：559400