當今世界正面臨著能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與環(huán)境問題雙重挑戰(zhàn),地熱能作為一種清潔高效能源越來越受到人們重視,國內(nèi)也緊跟時代步伐大力發(fā)展地熱能,其中,地源熱泵占據(jù)了當前地熱開發(fā)應(yīng)用類型的較大比例。但受制于淺層地熱能儲量有限、土地面積有限、受氣候影響較大。另一方面,隨著淺層礦產(chǎn)資源日益枯竭,礦山采掘深度逐漸向更深的地層發(fā)展,近年來出現(xiàn)了大量不同埋深的停運或廢棄礦山,其中蘊含大量的礦山地熱資源而沒有得到重視。本文提出地埋管技術(shù)與廢棄礦山地熱開發(fā)相結(jié)合的思路,根據(jù)礦山巷道埋置于地下的特點,提出了放射狀的換熱器布設(shè)形式,利用換熱器中循環(huán)流體與地下巖體的換熱,進而對該部分地熱能加以利用,同時為廢棄礦山的二次利用提出了新的思路。本文分析了礦山地埋管換熱過程,結(jié)合傳熱理論,提出了礦山地埋管傳熱模型,基于此,對換熱相關(guān)影響因素進行了歸納總結(jié),為后續(xù)換熱特性的研究奠定了基礎(chǔ),主要研究如下:(1)設(shè)計并搭建了一套微型實驗臺,對單管換熱器進行恒定熱流負荷的傳熱實驗,獲得換熱器循環(huán)流體及巖土體的溫度響應(yīng)特征,利用數(shù)值計算方法模擬了整個實驗過程,通過對比兩種研究手段下的計算結(jié)果,驗證了數(shù)值計算方法的可靠性。(2)利用有限元方法...

【文章頁數(shù)】：144 頁

【學位級別】：碩士

【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 研究背景及意義
        1.1.1 深部采掘常態(tài)化,廢棄礦山數(shù)量增多
        1.1.2 礦山地熱資源豐富
        1.1.3 礦山地熱研究意義
    1.2 地埋管地源熱泵研究現(xiàn)狀
        1.2.1 地埋管系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀
        1.2.2 地埋管換熱性能研究現(xiàn)狀
    1.3 礦山地熱利用現(xiàn)狀
        1.3.1 礦山地溫勘察研究現(xiàn)狀
        1.3.2 礦山地熱資源利用現(xiàn)狀
    1.4 主要研究內(nèi)容及方法
        1.4.1 主要研究內(nèi)容
        1.4.2 技術(shù)路線
        1.4.3 主要創(chuàng)新點
第二章 礦山地埋管換熱器傳熱理論研究
    2.1 廢棄礦山地埋管系統(tǒng)
        2.1.1 礦山地下結(jié)構(gòu)
        2.1.2 地埋管系統(tǒng)在廢棄礦山中的應(yīng)用
    2.2 礦山地源熱泵傳熱過程理論研究
        2.2.1 熱傳導與對流傳熱概念
        2.2.2 礦山地埋管系統(tǒng)換熱過程分析
        2.2.3 礦山地埋管換熱器的傳熱模型
    2.3 礦山地埋管換熱器影響因素分析
        2.3.1 礦山天然因素
        2.3.2 工程設(shè)計因素
    2.4 本章小結(jié)
第三章 礦山地埋管換熱器傳熱性能的試驗研究
    3.1 實驗原理與系統(tǒng)
        3.1.1 實驗原理
        3.1.2 實驗系統(tǒng)
    3.2 實驗系統(tǒng)組成及搭建
    3.3 實驗設(shè)計與步驟
        3.3.1 實驗前準備工作
        3.3.2 實驗步驟
        3.3.3 實驗結(jié)果分析
    3.4 數(shù)值模擬與實驗驗證
    3.5 本章小結(jié)
第四章 礦山地埋管換熱器單管傳熱數(shù)值模型及參數(shù)分析
    4.1 COMSOL Multiphysics簡介
    4.2 礦山地埋管單管三維傳熱模型
        4.2.1 模型建立
        4.2.2 控制方程與邊界條件
        4.2.3 網(wǎng)格獨立性驗證
    4.3 模擬工況設(shè)計及結(jié)果分析參數(shù)
        4.3.1 模擬工況設(shè)計
        4.3.2 模擬結(jié)果分析指標
    4.4 礦山地層條件對換熱效率的影響
        4.4.1 原始地溫對單管換熱效率的影響
        4.4.2 巖體導熱系數(shù)對單管換熱效率的影響
        4.4.3 巖體恒壓熱容對單管換熱效率的影響
    4.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計因素對換熱效率的影響
        4.5.1 鉆孔孔徑對單管換熱效率的影響
        4.5.2 管徑對單管換熱效率的影響
        4.5.3 鉆孔深度對單管換熱效率的影響
        4.5.4 U型管支管間距對單管換熱效率的影響
        4.5.5 鉆孔充填材料導熱系數(shù)對單管換熱效率的影響
    4.6 負荷設(shè)計因素的換熱效率的影響
        4.6.1 注水溫度對單管換熱效率的影響
        4.6.2 注水速率對單管換熱效率的影響
    4.7 各影響因素敏感度分析
    4.8 本章小結(jié)
第五章 礦山地埋管管群傳熱性能分析
    5.1 管群換熱模型建立
    5.2 模型遠邊界的確定
    5.3 單排管設(shè)計夾角對系統(tǒng)換熱的影響
        5.3.1 單排鉆孔夾角對換熱效率的影響
        5.3.2 單排鉆孔夾角對巖體溫度場的影響
    5.4 排距對系統(tǒng)換熱的影響
        5.4.1 順排工況下排距對換熱效率的影響
        5.4.2 順排工況下排距對巖體溫度場分布的影響
        5.4.3 叉排工況下排距對換熱效率的影響
        5.4.4 叉排工況下排距對巖體溫度場分布的影響
    5.5 管群排布方式對系統(tǒng)換熱影響的對比分析
        5.5.1 排布方式對換熱效率的影響
        5.5.2 排布方式對巖體溫度場分布的影響
    5.6 基于換熱主控因素的正交回歸預測
        5.6.1 換熱器系統(tǒng)正交試驗設(shè)定
        5.6.2 多元非線性回歸分析
        5.6.3 回歸分析效果檢驗
    5.7 本章小結(jié)
第六章 礦山換熱工程方案預設(shè)計
    6.1 模擬工程概況
    6.2 換熱器系統(tǒng)設(shè)計
    6.3 計算結(jié)果分析
        6.3.1 首年取熱季計算結(jié)果
        6.3.2 首年取冷季計算結(jié)果
        6.3.3 全年運行巖體溫度響應(yīng)特征
    6.4 長期運行條件下不同開采形式的換熱特征對比
        6.4.1 換熱系統(tǒng)連續(xù)運行五年的換熱效率
        6.4.2 連續(xù)運行五年的巖體溫度變化特征
    6.5 本章小結(jié)
第七章 結(jié)論與展望
    7.1 結(jié)論
    7.2 展望
參考文獻
致謝
攻讀學位期間發(fā)表的學術(shù)論文及參與的項目
學位論文評閱及答辯情況表



本文編號：3785837