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添加隔热板对竖直U型地埋管换热器换热能力的影响点击：1777 日期：[ 2014-04-26 21:35:17 ] |
| 添加隔热板对竖直U型地埋管换热器换热能力的影响 王韬，余跃进，夏晨 (南京师范大学能源与机械工程学院，江苏南京210042) ［摘要］本文就如何减轻竖直U型地埋管换热器2个支管间的热短路损失、提高地源热泵系统的单位井深换热量进行了研究。在对竖直U型地埋管钻孔内准三维传热模型进行研究的基础上，运用数值模拟的方法对竖直U型地埋管换热器有、无隔热板2种情况下的换热能力进行了分析。 ［关键词］竖直U型地埋管换热器;隔热板;数值模拟 ［中图分类号］TQ051.5［文献标识码］A ［文章编号］1002-8528(2011)10-0093-05 0·引言 地源热泵具有良好的节能和环保效益，目前正在我国被大力推广。由于地源热泵系统相对于空气源热泵系统而言大大增加了初投资，因此如何提高地源热泵系统的能效比(COP)、降低静态投资回收期已经成为了推广该系统的关键［1］。提高地源热泵地埋管的换热效率，减少打井深度，可以节约初期投资成本，而竖直U型地埋管换热器2个支管间的热短路损失对系统的换热效率影响很大［2-4］。本文通过数值模拟和模型试验的验证就如何减少U型地埋管2个支管间的热短路损失进行了研究，以促使地源热泵系统在国内能有更好的推广和应用。 1·钻孔内传热模型 竖直U型地埋管换热过程的描述为:U型地埋管内的液体先与管壁进行对流换热，然后管壁再与钻孔内的回填材料进行热传导，最后钻孔内的回填材料再与周围土壤进行热传导。本文研究的是钻孔内的准三维模型，由文献［5］可知通过对U型地埋管钻孔内的热平衡分析，可以得到U型地埋管进水管与出水管中的流体的能量平衡方程式: 式中，M为U型地埋管内流体的单位质量流量;cp为流体的定压比热容;H为钻孔深度;Tf1为U型地埋管进水温度;Tf2为U型地埋管出水温度;Tb为钻孔壁的平均温度;z为钻孔深度方向上的变化值;R△1、R△2和R△12为热阻。 由(1)式可以得出U型地埋管2个支管中流体的无量纲温度: 式中，Θ1(Z)为U型地埋管进水支管内流体无量纲温度;Θ2(Z)为U型地埋管出水支管内流体无量纲温度;R11为U型地埋管进水支管与周围回填材料之间的热阻;R12为U型地埋管2个支管间的热阻;Tf(z)为井深方向上的水温变化值;其余参数含义同前。 钻孔内加隔热板的准三维导热模型是在钻孔内准三维导热模型的基础上针对地源热泵系统的热短路现象建立的一种准三维模型，该模型因为在U型地埋管2个支管间加了隔热板，所以认为U型地埋管2个支管间的热传导为零。在忽略U型地埋管2个支管间热传导的前提下，可以得到U型地埋管进水管与出水管中的流体的能量平衡方程式: 根据式(2)、(3)、(6)和(7)，使用Matlab程序可以得出竖直U型地埋管换热器在有、无隔热板的条件下，其U型地埋管支管内流体无量纲温度随钻孔深度的变化情况(见图1)。图中Θ11和Θ12为U型地埋管2个支管间无隔热板时流体温度随深度的分布，其中Θ11为进水支管，Θ12为出水支管;Θ21和Θ22为U型地埋管2个支管间加隔热板时流体温度随深度的分布，其中Θ21为进水支管，Θ22为出水支管。由图可知，当R*1=0.5、R*12=10时，有隔热板的U型地埋管无量纲出口温度为0.018，无隔热板的U型地埋管无量纲出口温度为0.028。由此可以看出，在U型地埋管2个支管间加了隔热板后其热短路损失明显降低了。 2·模拟研究 2.1模拟工况 本文模型模拟的是夏季排热工况下南京地区钻孔深度为36 m的竖直U型地埋管换热器，设定地下土壤恒温层温度为17．3℃;一般的热泵或冷水机组标准工况下冷凝器的出口水温为35℃，因此将夏季排热工况下的U型地埋管进水温度设定为35℃;隔热板的导热系数设为0.025 W/(m·K)。 2.2控制方程 在U型地埋管中的水流一般都处于湍流状态，因此本文在进行Fluent模拟时选择了k-ε双方程模型来求解水管中水的流动和传热的控制方程［6］，并利用能量方程使回填材料和土壤中的传热过程耦合起来。 由于传热传质的耦合模型与纯导热模型精度接近，因此本文将含有多孔介质的回填材料和土壤看作是固体，即其中的传热仅为热传导而没有对流换热，其导热微分方程为: 式中，μeff为有效黏性系数;b为源项;h为流体的焓;qr为化学反应热和其它体积热源的源项;k为湍流脉动动能;ε为湍流脉动动能耗散率;ρs为回填材料或土壤密度;λ为回填材料或土壤导热率;c为回填材料或土壤比热容;ρ为水的密度;t为时间;u为水的速度;p为水的压力;μt为湍流粘性系数;μ为流体的粘性系数;T为温度;Gk和Gb为湍动能产生项;a为热扩散系数;σt、σk、σε、cε1和cε2为常数。 2.3边界条件设定 将U型地埋管的进水口恒温水流温度设为35℃，U型地埋管的出水口的水流为充分发展流动，土壤的边界除了顶部，定义为恒壁温边界条件的wall，即设为1个定值，本文模拟设Ts=17．3℃;将U型地埋管、回填材料、隔热板和土壤的顶面定义为绝热边界条件的wall，即Фs=0。 2.4模拟结果与分析 1)有、无隔热板时竖直U型地埋管换热器钻孔内的温度分布图2和图3分别给出了有、无隔热板时钻孔内的温度分布，由图可知，由于隔热板的存在，图2中2个支管间的换热明显要小于图3中2个支管间的换热，但支管间仍然有换热存在。这说明隔热板有效阻隔了2个支管间的传热，即有效减小了热短路损失，但并不能完全消除热短路损失。 2)有、无隔热板时竖直U型地埋管换热器管内流体沿管长方向的温度分布 图4和图5分别给出了夏季排热和冬季吸热工况下，有、无隔热板时U型地埋管换热器沿管长方向的水温分布，模拟结果表明，夏季排热工况下有隔热板的U型地埋管出口水温为32.985℃，无隔热板的U型地埋管出口水温为33.034℃;冬季吸热工况下有隔热板的U型地埋管出口水温为7．881℃，无隔热板的U型地埋管出口水温为7．851℃。由于当U型地埋管插入隔热板的时候不但减少了2个支管间的热短路损失，并且隔热板阻隔了一部分钻孔内回填材料间的换热。因此从U型地埋管的进水口处到U型地埋管管底，由于受隔热板阻隔钻孔内回填材料间换热的影响，有隔热板的U型地埋管换热器的水温递减/递增的坡度要明显小于无隔热板的U型地埋管换热器。而从U型地埋管管底部到U型地埋管的出水口处，有隔热板的U型地埋管换热器由于几乎不受2个支管间热短路的影响，因此水温仍呈递减/递增分布;而无隔热板的U型地埋管换热器由于受到2个支管间热短路的影响，水温变化非常小，甚至在出水口附近由于处于同一水平面的2个支管中的水温温差较大以至于水温出现了一定的上升/下降。 由式(16)可以求得U型地埋管换热器单位管长的换热量: 式中，q为单位管长换热量;M为质量流量;tin为U型地埋管进水温度;tout为U型地埋管出水温度;Hu为U型地埋管管长;其余参数含义同前。 对于36 m深的竖直U型地埋管换热器，夏季排热工况下有、无隔热板时其单位管长换热量分别为74．842 W/m和72.875 W/m;冬季吸热工况下，有、无隔热板时其单位管长换热量分别为42.49 W/m和41.25 W/m。由此可见，添加隔热板可以使该U型地埋管换热器在夏季排热工况下提高2.74%的换热能力，在冬季吸热工况下提高3.01%的换热能力。 3·经济性分析 本文以南京地区为例，该地区主要以夏季冷负荷为主，由上文可知在夏季排热工况下添加隔热板可使该U型地埋管换热器提高2.74%的换热能力。以一口100 m深的竖直U型地埋管换热器为例，添加隔热板后打井深度可减少为97.26 m。按目前市场上地源热泵公司的报价钻孔约为160元/m计算，添加隔热板后一口钻井可节约438.4元;隔热板采用目前工程中应用较多的聚氨酯，按照一口井所需的尺寸为95 m×40 mm×10 mm(因为在U型地埋管底部2个支管中的水温温差很小，故隔热板的长度可适当缩短)计算大约需要250元。综合两者可知添加隔热板后一口100 m的钻井可节省约188.4元。 在实际工程中，添加回填材料后U型地埋管2个支管往往紧靠在一起，添加隔热板还可以起到将U型地埋管2个支管分开的作用，因此其对竖直U型地埋管换热器换热能力的影响应该是大于2.74%的。但以目前的回填工艺而言，在钻孔中添加隔热板比较困难，在实际工程中可能还会遇到其它问题，这些将在后续工作中进行进一步的研究。 4·总结 本文在对竖直U型地埋管钻孔内准三维传热模型进行研究的基础上，运用数值模拟方法对南京地区竖直U型地埋管换热器有、无隔热板2种情况下的换热能力进行了分析，结论如下: 1)由通过数值模拟得到的U型地埋管换热器沿管长方向的水温分布图可知U型地埋管2个支管间的热短路现象是存在的，且其对U型地埋管换热器换热性能的影响是不容忽视的。 2)添加隔热板后，对竖直U型地埋管钻孔内的换热主要有2个方面的影响，一是隔热板有效减少了U型地埋管2个支管间的相互传热，即有效减少了支管间的热短路损失;二是隔热板也将竖直U型地埋管钻孔内的回填材料分为了相对独立的2部分，因此减少了U型地埋管与回填材料间的传热。 3)增加隔热板后U型地埋管换热器的换热性能有所提高，在夏季排热工况下单位管长换热量提高了2.74%，在冬季吸热工况下单位管长换热量提高了3.01%。虽然提高的比例比较小，但确实是一种提高竖直U型地埋管地下换热器换热性能的可行方法。 ［参考文献］ ［1］胡连营．地源热泵技术讲座(一)地源热泵技术及其发展概况［J］．可再生能源，2008，26(1):115～117． ［2］范军，刁乃仁，方肇洪．竖直U型埋地换热器两支管间热量回流的分析［J］．山东建筑工程学院学报，2004，19(1):1～3. ［3］杨正武，秦萍，刘宇．U型地埋管换热器热短路特性研究［J］．制冷与空调，2009，23(3):59～63. ［4］沈国民，张虹．竖直U型埋管地热换热器热短路现象的影响参数分析［J］．太阳能学报，2007，28(6):604～607． ［5］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． ［6］袁艳平，雷波，余南阳，等．地源热泵地埋管换热器传热研究(2):传热过程的完全数学描述［J］．暖通空调，2009，39(7):9～12. |
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