地埋管地源热泵系统在废弃矿山应用中的换热性能研究
发布时间：2023-04-08 02:41
当今世界正面临着能源结构转型与环境问题双重挑战,地热能作为一种清洁高效能源越来越受到人们重视,国内也紧跟时代步伐大力发展地热能,其中,地源热泵占据了当前地热开发应用类型的较大比例。但受制于浅层地热能储量有限、土地面积有限、受气候影响较大。另一方面,随着浅层矿产资源日益枯竭,矿山采掘深度逐渐向更深的地层发展,近年来出现了大量不同埋深的停运或废弃矿山,其中蕴含大量的矿山地热资源而没有得到重视。本文提出地埋管技术与废弃矿山地热开发相结合的思路,根据矿山巷道埋置于地下的特点,提出了放射状的换热器布设形式,利用换热器中循环流体与地下岩体的换热,进而对该部分地热能加以利用,同时为废弃矿山的二次利用提出了新的思路。本文分析了矿山地埋管换热过程,结合传热理论,提出了矿山地埋管传热模型,基于此,对换热相关影响因素进行了归纳总结,为后续换热特性的研究奠定了基础,主要研究如下:(1)设计并搭建了一套微型实验台,对单管换热器进行恒定热流负荷的传热实验,获得换热器循环流体及岩土体的温度响应特征,利用数值计算方法模拟了整个实验过程,通过对比两种研究手段下的计算结果,验证了数值计算方法的可靠性。(2)利用有限元方法...
【文章页数】：144 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 深部采掘常态化,废弃矿山数量增多
1.1.2 矿山地热资源丰富
1.1.3 矿山地热研究意义
1.2 地埋管地源热泵研究现状
1.2.1 地埋管系统应用发展现状
1.2.2 地埋管换热性能研究现状
1.3 矿山地热利用现状
1.3.1 矿山地温勘察研究现状
1.3.2 矿山地热资源利用现状
1.4 主要研究内容及方法
1.4.1 主要研究内容
1.4.2 技术路线
1.4.3 主要创新点
第二章 矿山地埋管换热器传热理论研究
2.1 废弃矿山地埋管系统
2.1.1 矿山地下结构
2.1.2 地埋管系统在废弃矿山中的应用
2.2 矿山地源热泵传热过程理论研究
2.2.1 热传导与对流传热概念
2.2.2 矿山地埋管系统换热过程分析
2.2.3 矿山地埋管换热器的传热模型
2.3 矿山地埋管换热器影响因素分析
2.3.1 矿山天然因素
2.3.2 工程设计因素
2.4 本章小结
第三章 矿山地埋管换热器传热性能的试验研究
3.1 实验原理与系统
3.1.1 实验原理
3.1.2 实验系统
3.2 实验系统组成及搭建
3.3 实验设计与步骤
3.3.1 实验前准备工作
3.3.2 实验步骤
3.3.3 实验结果分析
3.4 数值模拟与实验验证
3.5 本章小结
第四章 矿山地埋管换热器单管传热数值模型及参数分析
4.1 COMSOL Multiphysics简介
4.2 矿山地埋管单管三维传热模型
4.2.1 模型建立
4.2.2 控制方程与边界条件
4.2.3 网格独立性验证
4.3 模拟工况设计及结果分析参数
4.3.1 模拟工况设计
4.3.2 模拟结果分析指标
4.4 矿山地层条件对换热效率的影响
4.4.1 原始地温对单管换热效率的影响
4.4.2 岩体导热系数对单管换热效率的影响
4.4.3 岩体恒压热容对单管换热效率的影响
4.5 结构设计因素对换热效率的影响
4.5.1 钻孔孔径对单管换热效率的影响
4.5.2 管径对单管换热效率的影响
4.5.3 钻孔深度对单管换热效率的影响
4.5.4 U型管支管间距对单管换热效率的影响
4.5.5 钻孔充填材料导热系数对单管换热效率的影响
4.6 负荷设计因素的换热效率的影响
4.6.1 注水温度对单管换热效率的影响
4.6.2 注水速率对单管换热效率的影响
4.7 各影响因素敏感度分析
4.8 本章小结
第五章 矿山地埋管管群传热性能分析
5.1 管群换热模型建立
5.2 模型远边界的确定
5.3 单排管设计夹角对系统换热的影响
5.3.1 单排钻孔夹角对换热效率的影响
5.3.2 单排钻孔夹角对岩体温度场的影响
5.4 排距对系统换热的影响
5.4.1 顺排工况下排距对换热效率的影响
5.4.2 顺排工况下排距对岩体温度场分布的影响
5.4.3 叉排工况下排距对换热效率的影响
5.4.4 叉排工况下排距对岩体温度场分布的影响
5.5 管群排布方式对系统换热影响的对比分析
5.5.1 排布方式对换热效率的影响
5.5.2 排布方式对岩体温度场分布的影响
5.6 基于换热主控因素的正交回归预测
5.6.1 换热器系统正交试验设定
5.6.2 多元非线性回归分析
5.6.3 回归分析效果检验
5.7 本章小结
第六章 矿山换热工程方案预设计
6.1 模拟工程概况
6.2 换热器系统设计
6.3 计算结果分析
6.3.1 首年取热季计算结果
6.3.2 首年取冷季计算结果
6.3.3 全年运行岩体温度响应特征
6.4 长期运行条件下不同开采形式的换热特征对比
6.4.1 换热系统连续运行五年的换热效率
6.4.2 连续运行五年的岩体温度变化特征
6.5 本章小结
第七章 结论与展望
7.1 结论
7.2 展望
参考文献
致谢
攻读学位期间发表的学术论文及参与的项目
学位论文评阅及答辩情况表
本文编号：3785837
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【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 深部采掘常态化,废弃矿山数量增多
1.1.2 矿山地热资源丰富
1.1.3 矿山地热研究意义
1.2 地埋管地源热泵研究现状
1.2.1 地埋管系统应用发展现状
1.2.2 地埋管换热性能研究现状
1.3 矿山地热利用现状
1.3.1 矿山地温勘察研究现状
1.3.2 矿山地热资源利用现状
1.4 主要研究内容及方法
1.4.1 主要研究内容
1.4.2 技术路线
1.4.3 主要创新点
第二章 矿山地埋管换热器传热理论研究
2.1 废弃矿山地埋管系统
2.1.1 矿山地下结构
2.1.2 地埋管系统在废弃矿山中的应用
2.2 矿山地源热泵传热过程理论研究
2.2.1 热传导与对流传热概念
2.2.2 矿山地埋管系统换热过程分析
2.2.3 矿山地埋管换热器的传热模型
2.3 矿山地埋管换热器影响因素分析
2.3.1 矿山天然因素
2.3.2 工程设计因素
2.4 本章小结
第三章 矿山地埋管换热器传热性能的试验研究
3.1 实验原理与系统
3.1.1 实验原理
3.1.2 实验系统
3.2 实验系统组成及搭建
3.3 实验设计与步骤
3.3.1 实验前准备工作
3.3.2 实验步骤
3.3.3 实验结果分析
3.4 数值模拟与实验验证
3.5 本章小结
第四章 矿山地埋管换热器单管传热数值模型及参数分析
4.1 COMSOL Multiphysics简介
4.2 矿山地埋管单管三维传热模型
4.2.1 模型建立
4.2.2 控制方程与边界条件
4.2.3 网格独立性验证
4.3 模拟工况设计及结果分析参数
4.3.1 模拟工况设计
4.3.2 模拟结果分析指标
4.4 矿山地层条件对换热效率的影响
4.4.1 原始地温对单管换热效率的影响
4.4.2 岩体导热系数对单管换热效率的影响
4.4.3 岩体恒压热容对单管换热效率的影响
4.5 结构设计因素对换热效率的影响
4.5.1 钻孔孔径对单管换热效率的影响
4.5.2 管径对单管换热效率的影响
4.5.3 钻孔深度对单管换热效率的影响
4.5.4 U型管支管间距对单管换热效率的影响
4.5.5 钻孔充填材料导热系数对单管换热效率的影响
4.6 负荷设计因素的换热效率的影响
4.6.1 注水温度对单管换热效率的影响
4.6.2 注水速率对单管换热效率的影响
4.7 各影响因素敏感度分析
4.8 本章小结
第五章 矿山地埋管管群传热性能分析
5.1 管群换热模型建立
5.2 模型远边界的确定
5.3 单排管设计夹角对系统换热的影响
5.3.1 单排钻孔夹角对换热效率的影响
5.3.2 单排钻孔夹角对岩体温度场的影响
5.4 排距对系统换热的影响
5.4.1 顺排工况下排距对换热效率的影响
5.4.2 顺排工况下排距对岩体温度场分布的影响
5.4.3 叉排工况下排距对换热效率的影响
5.4.4 叉排工况下排距对岩体温度场分布的影响
5.5 管群排布方式对系统换热影响的对比分析
5.5.1 排布方式对换热效率的影响
5.5.2 排布方式对岩体温度场分布的影响
5.6 基于换热主控因素的正交回归预测
5.6.1 换热器系统正交试验设定
5.6.2 多元非线性回归分析
5.6.3 回归分析效果检验
5.7 本章小结
第六章 矿山换热工程方案预设计
6.1 模拟工程概况
6.2 换热器系统设计
6.3 计算结果分析
6.3.1 首年取热季计算结果
6.3.2 首年取冷季计算结果
6.3.3 全年运行岩体温度响应特征
6.4 长期运行条件下不同开采形式的换热特征对比
6.4.1 换热系统连续运行五年的换热效率
6.4.2 连续运行五年的岩体温度变化特征
6.5 本章小结
第七章 结论与展望
7.1 结论
7.2 展望
参考文献
致谢
攻读学位期间发表的学术论文及参与的项目
学位论文评阅及答辩情况表
本文编号：3785837
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