In a ground-source heat pump (GSHP) system, a vertical ground heat exchanger (GHE) is widely accepted due to a higher thermal performance. In the vertical GHE, grout (also called grouting material) plays an important role in the heat transfer performance and the initial installation cost of the GHE. Bentonite-based grout has been used in practice because of its high swelling potential and low hydraulic conductivity. This study evaluated the thermo-physical properties of the bentonite-based grouts through lab-scale measurements. In addition, we conducted performance simulation to analyze the effect of mixed ratio of grouts on the design length and thermal performance of the vertical GHE. The simulation results show that thermally-enhanced grouts improve the heat transfer performance of the vertical GHE and thus reduce the design length of GHE pipe.
Thermal loads, especially thermal gradients, have a considerable effect on the behaviors of large-scale bridges throughout their lifecycles. Bridge design specifications provide minimal guidance regarding thermal gradients for simple bridge girders and do not consider transversal thermal gradients in wide girder cross-sections. This paper investigates the three-dimensional thermal gradients of arch bridge girders by integrating long-term field monitoring data recorded by a structural health monitoring system, with emphasis on the vertical and transversal thermal gradients of wide concrete-steel composite girders. Based on field monitoring data for one year, the time-dependent characteristics of temperature and three-dimensional thermal gradients in girder cross-sections are explored. A statistical analysis of thermal gradients is conducted, and the probability density functions of transversal and vertical thermal gradients are estimated. The extreme thermal gradients are predicted with a specific return period by employing an extreme value analysis, and the profiles of the vertical thermal gradient are established for bridge design. The transversal and vertical thermal gradients are developed to help engineers understand the thermal behaviors of concrete-steel composite girders during their service periods.
The time variations in relative humidity observed at the Gangjeong (Goryeong) Reservoir in the Nakdong River over a one-year period (September 2012-August 2013) were analyzed with the Bowen ratio. The thermal vertical scale of the reservoir was also evaluated following Yamamoto's method. The study's results showed that the relative humidity at the reservoir was higher than that of the Daegu Meteorological Observatory (inland) all year round. The difference was slightly larger at nighttime (17-20 %) than at daytime (13-15 %) in all seasons except summer. The quantitative order of latent heat flux was summer, spring, autumn, and winter. This finding signifies that the thermal vertical scale of the reservoir corresponds to that of a shallow lake. The Bowen ratio was smallest at midday of the summer season. In other words, the net radiation energy was converted more as latent heat flux than sensible heat flux during a higher temperature period.
The stability of the geometrically thin, two-temperature hot accretion disk is studied. The general criterion for thermal instability is derived from the linear local analyses, allowing for advective cooling and dynamics in the vertical direction. Specifically, classic unsaturated Comptonization disk is analysed in detail. We find five eigen-modes: (1) Heating mode grows in thermal time scale, $(5/3)({\alpha}{\omega})^{-1}$, where alpha is the viscosity parameter and w the Keplerian frequency. (2) Cooling mode decays in time scale, $(2/5)(T_e/T_i)({\alpha}{\omega})^{-1}$, where $T_e\;and\;T_i$ are the electron and ion temperatures, respectively. (3) Lightman-Eardley viscous mode decays in time scale, $(4/3)(\Lambda/H)^2({\alpha}{\omega})^{-1}$, where $\Lambda$ is the wavelength of the perturbation and H the unperturbed disk height. (4) Two vertically oscillating modes oscillate in Keplerian time scale, $(3/8)^{1/2}\omega^{-1}$ with growth rate $\propto\;(H/\Lambda)^2$. The inclusion of dynamics in the vertical direction does not affect the thermal instability, adding only the oscillatory modes which gradually grow for short wavelength modes. Also, the advective cooling is not strong enough to suppress the growth of heating modes, at least for geometrically thin disk. Non-linear development of the perturbation is followed for simple unsaturated Compton disk: depending on the initial proton temperature perturbation, the disk can evolve to decoupled state with hot protons and cool electrons, or to one-temperature state with very cool protons and electrons.
In nuclear thermal-hydraulic system codes, most correlations used for vertical pipes, under downward two-phase flow, have been developed considering small pipes or pool systems. This suggests that there could be uncertainties in applying the correlations to accident scenarios involving large vertical pipes owing to the difference in the characteristics of two-phase flows, or flow conditions, between large and small pipes. In this study, we modified the Multi-dimensional Analysis of Reactor Safety KINS Standard (MARS-KS) code using correlations, such as the drift-flux model and two-phase multiplier, developed in a plant-scale air-inflow experiment conducted for a pipe of diameter 600 mm under downward two-phase flow. The results were then analyzed and compared with those based on previous correlations developed for small pipes and pool conditions. The modified code indicated a good estimation performance in two plant-scale experiments with large pipes. For the siphon-breaking experiment, the maximum errors in water flow for modified and original codes were 2.2% and 30.3%, respectively. For the air-inflow accident experiment, the original code could not predict the trend of frictional pressure gradient in two-phase flow as / increased, while the modified MARS-KS code showed a good estimation performance of the gradient with maximum error of 3.5%.
The effect of thermal stratification on the turbulent dispersion from a fine cylindrical heat source was experimentally examined in a wind tunnel with and without a strong temperature gradient. A 0.5 mm dia. nichrome wire was used as a line heat source. Turbulent intensities, r.m.s. value of temperature and convective heat fluxes were measured by using a hot-wire and cold-wire combination probe. The results show that the peack value and the spread of the vertical turbulent intensity for the stratified case are far lower than those in the neutral case, which indicates that the stable temperature gradient suppresses the vertical velocity component. All of the third order moments including heat fluxes measured in the stable condition have very small values than those of the neutral case. This nature suggests that the decrease of scalar fluctuations in the stably stratified flow is mainly due to the suppression ofthe turbulent diffusion processes by the stable stratification. A simple gradient model with a composite timescale which has a simple weighted algebraic mean between dynamic and thermal time scale yields reasonably good numerical values in comparison with the experimental data.
In this study, we numerically investigated the thermal stratification in solar seasonal thermal storage tanks. The vertical in/out flows were unsuitable for the thermal stratification in a large scale. The effect of an aspect ratio (AR) on the thermal stratification was investigated. When AR was less than 2, water adheres and flows along the upper wall due to buoyance and the surface effect. Thereafter, hot water flows down and a large scale vortex occurs in entire tank. For high AR, jet flows ejected from the inlet pipe impinges to the opposite wall and splits. The divided flows create two vortex flows in the upper and lower regions. These different flows strongly influence temperature and thermal stratification. The thermal stratification was evaluated in terms of the thermocline thickness and degree of stratification. Compared to ARs, the maximum degree of stratification was obtained with AR of 5 having the minimum thermocline thickness.
배열회수 증기발생기는 복합발전플랜트에서 사용되는 주요기기로서, 박판으로 제작된 대형구조물이며 열변형과 열피로에 매우 민감하다. 따라서 운전 중에 발생하는 열피로에 의한 파손을 예방하기 위하여 대규모해석 기반의 안전성 평가가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 대규모해석을 수행하고 이를 활용하여 배열회수 증기발생기의 손상 메커니즘 분석 및 해결방안을 도출하고자 한다. 또한 이를 반영하여 열변형과 열피로를 예방하고 건전성을 확보할 수 있는 모델을 제안 및 검증하고자 한다. 이는 수직형 배열회수 증기발생기의 안전성 향상을 위한 기초자료로 활용된다.
In this study, a series of numerical analyses has been performed in order to evaluate the performance of a full-scale closed-loop vertical ground heat exchanger constructed in Wonju. The circulation pipe HDPE, borehole and surrounding ground were modeled using FLUENT, a finite-volume method (FVM) program, for analyzing the heat transfer process of the system. Two user-defined functions (UDFs) accounting for the difference in the temperatures of the circulating inflow and outflow water and the change of the surrounding ground temperature with depth were adopted in the FLUENT model. The thermal properties of materials estimated in laboratory were used in the numerical analyses to compare the thermal efficiency of the cement grout with that of the bentonite grout used in the construction. The results of the simulation provide a verification of the in situ thermal response test data. The numerical model with the ground thermal conductivity of 4W/mK yielded the simulation result closer to the in-situ thermal response test than with the ground thermal conductivity of 3W/mK. From the results of the numerical analyses, the effective thermal conductivities of the cement and bentonite grouts were obtained to be 3.32W/mK and 2.99 W/mK, respectively.
International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration
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제16권4호
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pp.109-116
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2008
Ground temperature restoration characteristics are the crucial factors to evaluate whether a ground source heat pump system can keep long time steady operation. They are mainly dependent on soil thermal properties, layout of pile group, operation/shutoff ratio, cooling/heating load, thermal imbalance ratio and so on. On the one hand, several types of vertical pile foundation heat exchangers are intercompared to determine the most efficient one by performance test and numerical method. On the other hand, according to the layout of pile group of a practical engineering and running conditions of a GSHP system in Shanghai, the temperature distribution during a period of five years is numerically studied. The numerical results are analyzed and are used to provide some guidance for the design of large-scale GSHP system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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