基于自然冷源的地下冷冻墙制冷系统研究

【摘要】油页岩原位开采地下冷冻墙，是通过人工制冷技术建立的，制冷过程中需要大量的冷能冻结地下岩土和水，冷冻设备能耗巨大。我国东北地区冬季寒冷而漫长，有相当丰富的可以开发利用的自然冷源。地下冷冻墙风冷制冷系统布置于自然空气冷源之中，能直接利用其周围空气冷能进行制冷，节能的空间非常巨大。基于自然冷源的利用对地下冷冻墙制冷系统进行研究，具有直接的经济意义，确定利用自然冷源制冷的换热规律，据此为整个冷冻墙优化运行提供参考，特别是数值模拟研究，同样具有一定意义。本文基于自然冷源对地下冷冻墙的风冷制冷系统作了如下研究：（1）油页岩地下冷冻墙风冷制冷系统的设计依据油页岩地下冷冻墙整体制冷设计与要求，提出了风冷制冷系统的设计方案。根据传热学、流体力学及换热器等相关方面的理论对直接影响自然冷源利用的关键部件风冷换热器换热面积进行计算，对换热器的翅片管的形式和布置进行计算。以风冷换热器为核心完成系统中其他部件的选型与计算。（2）油页岩地下冷冻墙风冷制冷系统的数值模拟运用数值分析软件Ansys/workbenchthermal模块对风冷制冷系统的关键设备空冷式换热器的关键部位翅片管的换热进行数值模拟，建立换热器翅片管的一维传热模型；选择翅片厚度=0.23mm和翅片高度H=20mm为最优翅片组合，得到空冷换热器几何参数最佳优化方案。（3）自然冷源对风冷换热的影响模拟与优化通过Ansys/workbenchCFD软件对自热冷源不同风速、不同风温下空冷式换热器温度场分布的分析，在空冷换热器结构优化的基础上，自然冷源影响的条件下，以节能经济为目标找到风冷制冷系统最优风机风量17000m3/h；在东北地区自然冷源达到-10℃后，采用风冷换制冷果更佳。（4）油页岩地下冷冻墙风冷制冷系统的实验研究在理论研究的基础上，在吉林大学建设工程学院实习基地内搭建地下冷冻墙实验平台，从实验方面对风冷制冷系统进行了进一步研究，得到风冷制冷与自然冷源温度关系，风冷制冷与地下冷冻温度关系。综上，完成对自然冷源应用于地下冻土墙风冷制冷系统研究。地下冷冻墙在积极冻结期，采用自然冷源作冷源，配备功率仅需常规制冷机组的25%。运行成本大约在冷冻墙形成初期减小72.8%，具有明显的经济效益。将风冷制冷系统的优化分析作为地下冷冻墙系统中一部分，据此还可为整个地下冷冻墙运行提供参考指导。
【作者】李淑敏；
【导师】赵大军；
【作者基本信息】吉林大学，地质工程，2014，硕士
【关键词】自然冷源；地下冷冻墙；风冷换热；数值模拟；

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