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单Ｕ形和双Ｕ形地埋管换热器传热模拟点击：1751 日期：[ 2014-04-26 21:08:28 ] |
| 单Ｕ形和双Ｕ形地埋管换热器传热模拟 马健 郑中援 机械工业第六设计研究院 摘要：以单Ｕ形和双Ｕ形地埋管换热器为研究对象，应用ＦＬＵＥＮＴ软件对其传热性能进行了数值模拟。将计算结果与实验测试结果进行比较，验证了该模拟模型的准确性。结果表明，在排热工况下，单Ｕ形管换热器的单位井深换热量约为８６Ｗ／ｍ，而双Ｕ形管换热器的单位井深换热量达到１２０Ｗ／ｍ。在打井费用较高的场合，可以考虑使用双Ｕ形管。研究了进口水温、流速以及埋管深度等因素对Ｕ形管传热量的影响。 关键词：地源热泵 地埋管换热器 Ｕ形管 传热性能 换热量 ０ 引言 目前国内的地源热泵工程中，地埋管换热器的埋管形式主要分为三种：单Ｕ形、双Ｕ形及Ｗ形，本文主要针对前两种埋管形式的换热器在稳定运行期间的传热进行研究。笔者采用ＦＬＵＥＮＴ软件作为建立数学模型和数值计算的工具，利用它不仅可以建立与单Ｕ形管及双Ｕ形管形状完全相同的三维数学模型，而且进一步提高了建模和计算效率。 １ 模型的建立 建模工作在ＧＡＭＢＩＴ软件中进行。本文所模拟的Ｕ形管内径为２６ｍｍ，外径为３２ｍｍ，两支管脚的中心距为１６０ｍｍ。土壤的远边界半径为２．５ｍ。为避免划分的网格数过多，从而导致后期的计算处理速度过于缓慢，将Ｕ形管的埋深设置为３０ｍ。 单Ｕ形管及双Ｕ形管的管脚布置如图１与图２所示。 由于Ｕ形管很长，管内流动充分发展，沿管长方向流态变化很小，所以在弯管以上的两段直管段以及管内的流体段中以１ｍ为间距在竖直方向上布置网格。而在Ｕ形管转弯处的半圆管段流体转向会产生很多旋涡，流场变化剧烈，因此沿流向作３０等分，并密集布置网格。土壤的网格在靠近Ｕ形管处较密，随着与Ｕ形管距离的加大而变疏，如图３所示。土壤中的网格密度与流体相同。最终单Ｕ形管网格数为５５万，双Ｕ形管网格数为１４０万。其整体效果如图４所示。 边界条件设置如下：Ｕ形管进口处定义为ＶＥＬＯＣＩＴＹ＿ＩＮＬＥＴ，随后在ＦＬＵＥＮＴ中给定进口流速和水温的边界条件；出口处为充分发展流动状态，选择ＯＵＴＦＬＯＷ边界类型；距Ｕ形管最远处认为是无限远处，定义为定温壁面型边界条件；竖直方向上的顶面除了Ｕ形管的进出口外还有管壁和土壤的顶面，它们的边界条件性质是一样的，要与外界空气进行对流换热，故定义为对流换热型墙面；另外内管壁，即流体与固体的分隔面要定义为一个墙面；其他内界面定义为ＩＮＴＥＲＩＯＲ，作为内部边界。在ＧＡＭＢＩＴ中还要对固体区域和流体区域定义，管内为流体，其他管壁与土壤部分均为固体。 ２ 模拟结果与分析 由于该几何体为细长形的，故使用双精度求解器求解。本模型涉及流体与固体的传热计算，故采用耦合式计算方法，为加快计算速度，选用显式计算。对管内流动状况进行分析，为加强传热，多为湍流状态，故在Ｄｅｆｉｎｅ－Ｍｏｄｅｌｓ－Ｖｉｓｃｏｕｓ中选取可实现Ｋε－湍流模型。进口处给定进水水温３５℃及流速０．７ｍ／ｓ。顶面由于和空气存在着对流换热，故定义为对流换热边界条件，换热系数经计算获得。无限远处的远端边界条件设置为定温条件，土壤的初始温度设置为２０℃。其他的固、液态几何体内分别定义为各自对应的材料。一般根据Ｕ形管进口处的流场初始值对整个计算区域的流场进行初始化。 本文主要研究地埋管地源热泵稳定运行期间单Ｕ形管与双Ｕ形管换热器的传热性能。在这种工况下，虽然参与换热的土壤体仍在不断增加，即地埋管换热器的热作用半径仍在不断增大，但经过地源热泵长期稳定的运行之后，热作用半径的增长速率已越来越趋近于０，可以认为此时的地源热泵已经处于稳态或近稳态的工作状态中，因而采用稳态模型进行数值分析。在ＦＬＵＥＮＴ软件中设置监视器，用于监测地埋管换热器出口水温的变化。模拟计算的结果如图５，６所示。 随着地埋管换热器的运行，地埋管周围的土壤温度会越来越高，这导致地埋管内的流体与周边土壤之间的温差越来越小，所以换热量将会不可避免地减小，这也就最终使得地埋管的出口水温不断升高。由图５及图６中温度曲线的末端可以清楚地看出，在运算了将近１００ ０００步时，出口水温的升高速度越来越慢。且此阶段的各项残差一直很稳定，均保持在较低的数值，说明了最终的计算解即为真实解。这里近似地认为出口水温值趋于稳定。温度曲线中段的波谷阶段由于其计算残差较大，处于极不稳定阶段，故不认为这一阶段的出口温度值为真实解。因而读取曲线尾处的温度值，得到进水温度３５℃的情况下，单Ｕ形管换热器的出口水温为３３．３５℃（３０６．５Ｋ），双Ｕ形管换热器的出口水温为３３．８５℃（３０７Ｋ）。尽管双Ｕ形管的进出口温差比单Ｕ形管小，但是考虑到双Ｕ形管的流量为单Ｕ形管的两倍，所以双Ｕ形管的换热量比单Ｕ形管大。 通过计算获知，单Ｕ形管换热器的单位井深换热量约为８６Ｗ／ｍ，而双Ｕ形管换热器的单位井深换热量达到１２０Ｗ／ｍ，较单Ｕ形管高约４０％。 为了验证本传热模型的正确性，将计算结果与实验测试结果进行比较。实验系统位于东南大学动力实验室外，测量仪器主要部件为加热器、循环水泵、温度测量装置、流量测量装置、数据采集模块、上位机等，测试装置中的管路与地埋管换热器地下回路相接，循环水泵驱动流体在回路中循环流动，流体经过加热器加热后流经地下回路与地下岩土进行换热。模块采集的进出口流体温度、流体流量、加热功率等数据传送到上位机。现场布置两口３３ｍ深的竖井，分别埋设单Ｕ形、双Ｕ形地埋管换热器，夏季工况实验从２００９年５月２０日开始，连续运行４８ｈ后，机组运行达到稳定状态。单Ｕ形井的进水温度为４０．７℃，出水温度为３８．１℃，进出口温差为２．６℃；双Ｕ形井的进水温度为４１．２℃，出水温度为３９．４℃，进出口温差为１．８℃。单Ｕ形、双Ｕ形地埋管中的水流速度均为０．５ｍ／ｓ。按照上述测试数据，换算出单Ｕ形管换热器的单位井深换热量约为８０．６Ｗ／ｍ，模拟值对于实测值的相对误差仅有６．７％；双Ｕ形管换热器的单位井深换热量约为１１２Ｗ／ｍ，模拟值对于实测值的相对误差仅有７．１％，证明了本模拟模型的准确性。 图７和图８分别为单Ｕ形管和双Ｕ形管地下５ｍ深平面的土壤温度分布图。由图中可以看出，与地埋管换热器发生换热的土壤体集中在距离地埋管０．５～１ｍ的半径范围内，参与双Ｕ形管换热的主要土壤体比单Ｕ形管多。因而双Ｕ形管附近的土壤平均温度比单Ｕ形管附近的土壤温度高，从而导致管内的循环水与管外土壤的温差减小，沿程的传热量也随之减小，从而进出口水之间的温差也减小了。 由以上模拟结果可换算出，单Ｕ形管换热器的单位管长换热量为４３Ｗ／ｍ，双Ｕ形管换热器的单位管长换热量为３０Ｗ／ｍ。对比分析可得：在负荷相同的条件下，采用双Ｕ形管设计，埋管的长度会明显增加。但是在相同的洞孔数量下，双Ｕ形管的埋管深度将明显减小。因此，对于地质坚硬钻孔打井的费用比较高的地区和埋管区域受限制场所，可以考虑使用双Ｕ形管。 ３ 地埋管换热器的换热特性研究 ３．１ 进口水温的影响分析 通过模拟，将相同流速（０．７ｍ／ｓ）下Ｕ形管的出口水温随进口水温的变化情况制成表１。可以看出，进出口水温差随着进口水温的升高而增加。 单位井深换热量随着进口水温的升高而迅速增加。这很容易理解，夏季升高进口水温，增大了Ｕ形管内流体与埋管周围土壤的传热温差，有利于增强土壤与Ｕ形管的传热。而Ｕ形管进口温度的确定需要根据具体的工程应用来综合决定。 ３．２ 管内流速的影响分析 本文选取０．５，０．６，０．７，０．８和０．９ｍ／ｓ进行计算，Ｕ形管的进口水温设为４０℃。各流速下的模拟结果如表２所示。 不同流速下的单Ｕ形管换热量如图９所示。 由表２及图９可知，随着流速的增加，进出口流体温差不断减小。这是由于流体与管壁的换热时间减少，循环水还没有来得及与管壁充分换热便离开了Ｕ形管，但是这并不意味着换热量减小。 由图９可以看出，单Ｕ形地埋管换热器的单位井深换热量随着流速增加而增大。这是由于增加流速一方面使质量流量增加，从而增大了单位时间内与换热器管壁发生换热的水的质量，另一方面也会增加管内的对流换热强度。但流速的增加不会带来换热量的无限增大，而是逐渐趋于平稳。同时流速的增加会带来流动阻力的加大，增加泵的功耗。因此，流速的选择要同时考虑换热量和功耗的影响。 ３．３ 埋管深度的影响分析 受时间及计算条件所限，本文只比较了３０ｍ以及６０ｍ单Ｕ形地埋管换热器的换热情况，进口水温同为４０℃，管中循环水的流速同为０．７ｍ／ｓ。比较结果如表３所示。 由表３可以清楚地看出，随着埋管深度的增加，出口水温降低，因而进出水的温差增大。但是随着埋管深度的增加，单位井深热换量明显下降，这是因为埋管深度越大，循环水在Ｕ形管内的流动时间越长，温度下降越大，从而导致水与土壤的温差减小，沿程的传热量也随之减小，因此单位井深平均换热量减小。 另一方面，埋管深度的增加会使得进出口循环水的温差增大，同时进水支管与出水支管内流体平均温差进一步加大，由于两支管相距较近，导致两管间发生直接及间接换热所产生的热（冷）量损失，即产生所谓的埋地Ｕ形管换热器的“热短路”现象。热短路现象会使地埋管换热器的换热量减小，降低系统的换热效率。因此建议在用于打井的地表面积充裕的前提下，地埋管换热器不要埋得太深。而在工程实际应用中，应结合打井地表面积与地埋管深度两个因素进行考虑，确定最经济、高效的埋管形式。 ４ 结论 ４．１ 排热工况下，埋深３０ｍ时，单Ｕ形管换热器的单位井深换热量约为８６Ｗ／ｍ，而双Ｕ形管换热器的单位井深换热量达到１２０Ｗ／ｍ，较单Ｕ形管高约４０％。 ４．２ 对于地质坚硬钻孔打井的费用比较高的地区和埋管区域受限制场所，可以考虑使用双Ｕ形管。 ４．３ 升高Ｕ形管的进口水温，可以显著增大地埋管换热器的进出口温差以及单位井深的换热量。 ４．４ 随着水流速度的增加，进出口水温差减小，但单位井深换热量却在增大；同时流速的增加会带来流动阻力的加大，增加泵的功耗。流速的选择要同时考虑换热量和功耗的影响。 ４．５ 随着埋管深度的增大，进出水的温差变大，但是单位井深的平均换热量却在减小。 参考文献： ［１］Cane R L D．Modeling of GSHP performance[G]//ASHRAE Trans，1991 ，97(1)：909－925 ［２］马健．基于ＦＬＵＥＮＴ软件的地源热泵地下垂直式埋管换热器的传热研究［Ｄ］．南京：东南大学，２００９ ［３］刁乃仁，方肇洪．地埋管地源热泵技术［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００６ ［４］胡达剑．地源热泵地埋管换热器的传热特性研究及工程设计软件开发［Ｄ］．南京：东南大学，２００８ |
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