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CO2跨临界循环直膨式地源热泵系统仿真研究

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CO2跨临界循环直膨式地源热泵系统仿真研究

作者：彭英欣华北电力大学

学位级别：硕士

直膨式地源热泵系统将制冷剂铜管环路直接埋入土壤，实现制冷剂和土壤的一次换热，因此其比常规地源热泵系统更加高效。但制冷剂环路直接埋于土壤中，一旦泄露，将会污染地下水和土壤资源。本文以自然工质CO2为制冷剂，建立了CO2直膨式... 详细信息

直膨式地源热泵系统将制冷剂铜管环路直接埋入土壤，实现制冷剂和土壤的一次换热，因此其比常规地源热泵系统更加高效。但制冷剂环路直接埋于土壤中，一旦泄露，将会污染地下水和土壤资源。本文以自然工质CO2为制冷剂，建立了CO2直膨式地源热泵系统的仿真模型，并对系统在制热工况下系统的性能进行了仿真研究，旨在为直膨式地源热泵系统的发展和应用提供参考。首先，论文应用热力学第一定律对跨临界CO2热泵系统进行了理论研究，分析了高压侧压力、气体冷却器出口温度、蒸发温度对系统性能的影响，针对系统节流损失大、性能较低的特性，提出了用回热器、双级压缩及用膨胀机来代替节流阀三种措施;其次，根据系统各部件的结构特点和热力过程，分别采用分区稳态分布参数法和集中参数法建立了地埋管换热器、压缩机、膨胀阀和气体冷却器的数学模型，在此基础上采用顺序模块法建立了CO2直膨式地源热泵系统模型，应用Matlab软件进行编程，并借鉴他人的实验结果对气体冷却器和地埋管换热器模型进行了验证，在一定程度上验证了系统模型的准确性。通过对北京一住宅建筑应用CO2直膨式地源热泵系统进行了性能模拟，得到了其热泵系统的制热系数为2.14，并在此基础上模拟研究了蒸发温度、气体冷却器出口温度、井壁温度、地埋管长度及过热度的改变对系统性能的影响。最后，采用五种不同的方式对提高CO2直膨式地源热泵系统的效率进行了探讨，结果表明：用膨胀机代替节流阀可以有效的提高CO2直膨式地源热泵系统的效率，在膨胀机效率为0.5时，最大制热系数可以达到3.07，简单系统最大制热系数为2.72，比其高出11.4%;在一定的蒸发温度下，通过增加回热器也可以提高热泵系统的性能;双级压缩更适合应用于蒸发温度较低的热泵系统中;膨胀机与回热器之间存在矛盾，同时使用会降低系统的性能。

关键词：直膨式地源热泵 CO2制冷剂性能仿真优化分析

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基于直膨式热泵技术的深井集热降温实验系统

有色金属工程 2020年第3期10卷 62-68页

作者：侯江丽伍玲玲罗旭照侯江涛张志军贺桂成喻清南华大学资源环境与安全工程学院湖南衡阳421001 长沙医学院基建处长沙410000 河北永灏地质勘查有限公司石家庄050000

为解决矿山深层化开采引发的热害问题,营造舒适安全的矿井作业环境,推动深井高温控制技术的发展,提出了基于直膨式热泵技术的深井集热降温系统,并通过室内试验对装置的运行工况和土体降温效果进行了试验研究。结果表明:在RT(室内温度)为... 详细信息

为解决矿山深层化开采引发的热害问题,营造舒适安全的矿井作业环境,推动深井高温控制技术的发展,提出了基于直膨式热泵技术的深井集热降温系统,并通过室内试验对装置的运行工况和土体降温效果进行了试验研究。结果表明:在RT(室内温度)为29.1~34.3℃的条件下,土体温度场由45~55℃降至20~25℃,热传导主要发生在水平方向;集热降温阶段的制冷性能系数EER的最大值为2.24,均值为1.64,明显高于理论值;系统整体运行高效稳定,集热制冷效果显著,为全面防治深井热害问题提供了一种新思路。

关键词：深井热害围岩散热直膨式地源热泵降温系统

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基于直膨式热泵技术治理深井热害问题的研究

基于直膨式热泵技术治理深井热害问题的研究

作者：侯江丽南华大学

学位级别：硕士

浅层资源的枯竭和能源需求日增致使化石能源的深层化开采成为必然趋势,也使深井热害问题由个别现象发展为普遍问题。深井热害严重危害井下作业工人的身心健康,加快电气作业设备的老化,进一步还会诱发围岩高温软化和吸附瓦斯溢出,致使矿... 详细信息

浅层资源的枯竭和能源需求日增致使化石能源的深层化开采成为必然趋势,也使深井热害问题由个别现象发展为普遍问题。深井热害严重危害井下作业工人的身心健康,加快电气作业设备的老化,进一步还会诱发围岩高温软化和吸附瓦斯溢出,致使矿井安全事故率上升,渐已成为继水、灰、瓦斯之后的第四大矿井灾害。深井高温及局部高温是多种因素综合作用的结果,其中围岩散热超过总热源的40%,是其根源所在,且随着开采深度加深,该比重将显著上升,所以针对热源的首要因素——围岩散热开展热害治理是值得研究的问题。本文以降低围岩散热量、改善深井热环境为目标,以围岩调热圈为研究对象,对其传热机理和主要热源进行系统研究,基于直膨式地源热泵技术原理,提出了一种利用直膨式地源热泵技术采集围岩调热圈一定范围内的热量来动态阻隔岩壁向风流散热的深井集热降温系统,并通过室内试验对装置的运行工况和土体降温效果进行了试验研究。主要的研究内容和结论如下:(1)围绕围岩散热机理展开研究,确定围岩体内部的非稳态导热计算和壁面-风流在不同换热状态下的换热系数k,进而掌握巷道围岩热量的热传递规律。通过分析各种热源因素散热来掌握深井热害的主要成因,并采用反分析计算法推导出作业面冷负荷的计算公式,为采取针对性的热害治理措施提供理论依据;(2)通过分析直膨式地源热泵的工作原理和优缺点,对该技术在深井热害治理中的应用条件的适用性和技术的可行性进行分析,分析表明直膨式地源热泵的施工条件、资源性条件和系统性条件在深井中均具有良好的适用性,该技术在深井环境中表现出更好的能源性能;(3)通过搭建立柱型直膨式地源热泵实验系统,对装置的运行工况、主要性能指标以及土体降温效果进行分析研究,结果表明:在RT(室内温度)为29.14.3℃的条件下,土体温度场由455℃降至205℃;热传导主要发生在水平方向;集热降温阶段的制冷性能系数EER的最大值为2.24,均值为1.64,明显高于理论值;单一装置的有效冷却半径为1.34m;系统整体运行高效稳定,集热降温效果显著。(4)冷却积累后的调热圈制冷效果示意图表明:直膨式地源热泵通过采集地热能的方式在巷道调热圈的一定范围内形成动态热阻隔层,阻断了围岩深部能量向巷道壁面的热传导,降低巷道壁面温度,缩小了壁面-风流温度的差值,从而削弱了对流换热过程,甚至当壁面温度<风流温度时,围岩由放热体变为吸热体,这对降低围岩散热、动态调控深井热环境具有重要意义,也为全面防治深井热害问题提供了一种新思路。

关键词：深井热害围岩散热直膨式地源热泵降温系统

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垂直U形管内含油制冷剂流动的数值分析

垂直U形管内含油制冷剂流动的数值分析

作者：陈惠中南大学

学位级别：硕士

直接膨胀式地源热泵是土壤源热泵的一种特殊形式。其把制冷剂直接通入地下换热器中与周围介质进行换热,减少换热环节,提高能量利用率。由于该系统管路长、落差大、系统存油的地方多,导致了系统回油困难。为了克服油的重力作用,让制冷剂... 详细信息

直接膨胀式地源热泵是土壤源热泵的一种特殊形式。其把制冷剂直接通入地下换热器中与周围介质进行换热,减少换热环节,提高能量利用率。由于该系统管路长、落差大、系统存油的地方多,导致了系统回油困难。为了克服油的重力作用,让制冷剂蒸气能够夹带润滑油回到压缩机,地下换热器上升管中的蒸气速度必须达到一定值。设计地下换热器上升管时,必须保证管中的制冷剂流速大于该速度。建立了直接膨胀式地源热泵实验台,测量地下U形埋管内含油制冷剂温度、压缩机进口压力、膨胀阀出口压力等随时间的变化情况。供热运行工况时,对地下U形埋管换热器内含油制冷剂流动状况进行研究：首先计算含油制冷剂混合物的物理性质,在此基础上建立数学模型,判断含油制冷剂在管内的流型,根据流型判断润滑油在U形埋管内的存在状况,最后根据润滑油的存在情况建立润滑油回油模型,分析计算上升管道内制冷剂蒸气的最小回油速度。将模拟结果与实验数据进行分析比较,模拟结果与实验值吻合较好,说明了模型的可靠性。得出结论：在管径12.7mm,质量流量为0.01668kg/s时,制冷剂最小回油速度为3.348m/s。当其他参数不变时,改变地下换热器管径大小与制冷剂质量流量,结果表明：随管径增大,最小回油速度增大,管径在10-50mm范围内,最小回油速度为3-10m/s,最小回油速度随着质量流量增大而减小,但变化不大。本文所做的工作,对直接膨胀式地源热泵的研究、设计与施工具有一定的理论指导意义。

关键词：空调两相流直膨式地源热泵回油速度