Исследование параметров улучшения теплопередачи скважинного грунтового теплообменника
DOI:
https://doi.org/10.26577/JMMCS.2022.v115.i3.07Ключевые слова:
грунтовый скважинный теплообменник, грунтовый тепловой насос, тепловая производительность, тепломассоперенос в пористой среде, теплопроводность, геометрия теплообменников, математическая модельАннотация
В данной работе рассматривается исследование параметров улучшения теплопередачи скважинного теплообменника для применения в грунтовом тепловом насосе. Исследование параметров эффективности проведено на основе разработанного авторами экспериментального прототипа грунтового теплового насоса. Разработана математическая модель расчета эффективности грунтового теплообменника на основе трехмерных уравнений тепломассопереноса в пористой среде. Численное решение было осуществлено на ПО COMSOL Multiphysics. Численный алгоритм расчета был верифицирован путем сравнения с экспериментальными данными из созданного прототипа. Проведены расчеты эффективности грунтового скважинного теплообменника с различными геометрическими конфигурациями расположения трубок в скважине. С увеличением диаметра трубки теплообмен увеличивается. При диаметре трубки 40 мм тепловая эффективность теплообменника составила 42,4 W/m в режиме закачки тепла, что на 24 % больше при диаметре 20 мм. С увеличением глубины скважины увеличивается эффективность теплопередачи. Исследовано влияние коэффициентов теплопроводности материала трубки, материала грута и различных типов грунта на эффективность теплообмена. С увеличением коэффициентов теплопроводности грута и грунта, увеличивается тепловой поток, однако выше 6,0 Вт/м К тепловой поток практически не меняется. При коэффициенте теплопроводности материала трубки выше 1,0 Вт/м К тепловые потоки практически не меняются. В основном для трубок грунтовых теплообменников используются материалы, содержащие пластик, коэффициенты теплопроводности которых варьируются между 0,24-0,42 Вт/м К.
Библиографические ссылки
[2] Javed S., Spitler J., "ccuracy of borehole thermal resistance calculation methods for grouted single U-tube ground heat exchangers" , Applied Energy 187 (2017): 790-806.
[3] Fang L., Fang Zh., Zhu K., "Study on the efficiency of single and double U-tube heat exchangers" , Procedia Engineering 205, (2017): 4045-4051.
[4] Ma Zh., Xia L., Gong X., Kokogiannakis G., Wang Sh., Zhou X., "Recent advances and development in optimal design and control of ground source heat pump systems" , Renewable and Sustainable Energy - Reviews 131 (2020): 110001
[5] Ingersoll L.R., Zoel O.J., Ingersoll A.C., "Heat Conduction: with Engineering, Geological and Other Applications"
Madison: Madison University of Wisconsin Press (1954): 325
[6] Carslaw, H.S., Jaeger, J.C., "Conduction of Heat in Solids" , Claremore Press - Oxford (1959).
[7] Soni S.K., Pandey M., Bartaria V.N., "Around coupled heat exchangers: a review and applications" , Renew. Sustain. Energy Rev. 47 (2015): 83-92.
[8] Hecht-Mendez J., de Paly M., Beck M., Bayer P., "Optimization of energy extraction for vertical closed-loop geothermal systems considering groundwater flow" , Energy Convers Manag. 66 (2013): 1-1.
[9] Zeng H.Y., Diao N.R., Fang Z.H., "A finite line-source model for boreholes in geothermal heat exchangers" , Heat Transf. Asian Res. 31 (2002).
[10] Pu L., Qi D., Li K., Tan H., Li Y., "Simulation study on the thermal performance of vertical U-tube heat exchangers for ground source heat pump system" , Appl. Therm. Eng. 79 (2015): 202-213.
[11] Salilih E., Abu-Hamdeh N., Oztop H., "Analysis of double U-tube ground heat exchanger for renewable energy applications with two-region simulation model by combining analytical and numerical techniques" , Int. Commun. Heat Mass Transfer 123 (2021).
[12] Molina-Giraldo N., Blum P., Zhu K., Bayer P., Fang Z., "A moving finite line source model to simulate borehole heat exchangers with groundwater advection" , Int J. Therm. Sci. 50 (2011): 2506-2513.
[13] Madani H., Claesson J., Lundqvist P., "Capacity control in ground source heat pump systems part II: comparative analysis between on/off controlled and variable capacity systems" , Int. J. Refrig. 34 (2011): 1934-1942.
[14] Badescu V., "Economic aspects of using ground thermal energy for passive house heating" , Renew. Energy 32 (2007): 895–903.
[15] Amanzholov T., Akhmetov B., Georgiev A., Kaltayev A., Popov R., Dzhonova-Atanasova D., Tungatarova M., "Numerical modelling as a supplementary tool for Thermal Response Test" , Bulg. Chem. Commun. 48 (2016): 109-114
