新闻动态
地埋管换热器换热性能影响因素的研究点击：2049 日期：[ 2014-04-26 21:35:23 ] |
| 地埋管换热器换热性能影响因素的研究 毛炳文，余跃进 (南京师范大学能源与机械工程学院，南京210042) 摘要：分析了地埋管换热器的传热模型及适用条件，讨论了影响地埋管换热器换热性能的因素，包括土壤热物性、回填材料、地下水流动、土壤冻结、埋管之间的热干扰以及管内循环流速，总结了目前国内外研究的不足，并指出了下一步的研究方向。 关键词：地埋管换热器；传热模型；回填材料；土壤冻结；地下水流动 中图分类号：TU831文献标志码：A文章编号：1673-7237(2011)09-0027-05 0·引言 近年来，地源热泵因其节能、环保、高效等特点而得到迅速的发展。地埋管换热器主要分为竖直和水平埋管两类，水平埋管的占地面积比较大，且传热条件受外界气候条件的影响较大，所以实际工程应用中多采用竖直埋管。因此，本文的分析对象为竖直地埋管换热器。 地埋管出口水温和单位井深换热量是反映垂直地埋管换热器换热性能的两个重要指标，地埋管出口水温影响地源热泵机组的运行效率；单位井深换热量直接影响地埋管设计尺寸和系统的初投资，目前尚缺少可靠的系统设计方法和模拟工具，Forgas和Cane通过计算提出了当前北美的地埋管地源热泵工程实例中地热换热器的管长都比实际偏大10%～30%[1]，这使得地源热泵系统的推广受到了极大的挑战。垂直地埋管换热器与土壤之间的传热是一个十分复杂的非稳态过程，影响因素繁多，包括土壤热物性、地下水文参数、回填材料、土壤冻结、地下水流动等。目前地埋管换热器主要研究手段为实测和数值模拟。然而各地的水文地质情况差别较大，实测的数据很难用于指导其他地区的地埋管换热器的设计；而在数值模拟中，为了节省计算的时间，模型被简化了，很难为实际工程所用。 1·地埋管换热器的传热模型 地下埋管的换热研究，目前主要基于3种理论：线热源理论[2]、圆柱热源理论[3-4]、能量平衡理论[5-9]。20世纪50年代，Ingersoll和Plass提出了基于Kelvin线热源理论的数学模型[2]，该模型是把地下U型埋管简化为一无限长的线热源，以其为轴心，在无限大介质中呈辐射状向四周传热，粗略的描述了U型管周围土壤的温度分布情况，是目前大多数地源热泵设计的理论基础。此模型适用于小管径、长时间运行的地源热泵系统。 1959年，Carslaw和Jaeger提出了圆柱热源理论[3-4](包括定壁温和定热流两种边界条件的模型)。该模型实际上是改进的线热源理论模型，不同的是它考虑了U型管内流体的性能和流动的特性，把热源放置在柱面上，因此，它也适用于大管径、短时间运行的地源热泵系统。控制方程为： 以上的两个公式的边界条件都为定热流的情况。当p=1时就可以求得U型管管壁处的温度。 要应用圆柱热源理论，需要把U型管等效为一个当量的直管，等效管的概念最早在1983年由Claesson和Duand首先提出。这个概念的关键就是要确定等效管的管径。Deq=CD，这是等效管管径的计算公式，其中Deq为等效管管径，D为U型管的管径，C为系数。Claesson和Dunand考虑了U型管外为均匀介质，不考虑回填材料的影响和两支管紧贴在一起的情况，指出。 20世纪90年代左右，圆柱热源理论得到了进一步的发展，出现了综合考虑U型管几何形状、回填材料、管壁、土壤冻结、水分迁移等因素影响的二维数学模型[10]。这些模型都是通过数值方法求解，它们模拟的结果能够反映系统运行开启后不久的情况。Yavuzturk[11]等基于能量平衡理论，综合考虑U型管形状、管壁及回填材料的影响，在水平平面极坐标下建立了二维瞬态模型。也有不少研究者基于能量平衡与质量平衡，综合考虑热湿传递相互耦合的过程，建立二维的瞬态模型[12-13]。 2·土壤热物性 土壤的热物性参数包括土壤导热系数、热扩散率、体积比热容(单位体积土壤的热容量)，它们是地埋管换热器设计的关键因素。地埋管换热器的设计必须事先准确知道反映岩土热响应能力的土壤热物性参数，据文献[14]报道，若土壤导热系数有10%的偏差，将导致设计结果至少有5%的偏差。在实际工程中，土壤的热物性是固定的，关键是如何准确测量岩土的热物性，目前关于现场测量岩土热物性的方法较多[15-17]，它们都为地埋管的设计提供了依据。 3·回填材料 地源热泵系统中，地埋管换热器换热性能和系统效率重点取决于回填材料的导热性能。有文献表明[18]，最佳的回填工艺是将在钻孔过程中排出的岩土进行原封不动的回填，获得与地层相一致的导热性能，不破坏原有的地层结构。但是在实际施工中，这些排出的岩土已经发生了本质性的改变，所以实际上是不可能实现的。 20世纪90年代开始，国外就对回填材料作了大量的模拟与实验研究，包括高性能回填材料的开发和回填区传热模型的模拟等[19-24]。从最初的膨润土-水混合物的回填材料到膨润土-添加剂混合物的回填材料。Allan等人研制出了一种水泥基回填材料CG111(水泥、膨润土、石英砂、水、减水剂等的混合物)，并对其进行了实验研究，研究表明，该回填材料的热稳定性较好，可用于干燥的岩土地区。 目前国内对于回填材料研究的相关文献相对较少，李新国等人对U型井埋管和U型桩埋管换热器采用不同的回填材料分别进行了取热和放热的实验研究，实验结果表明，在相同的实验工况下，U型桩埋管的换热效果和换热稳定性要优于U型井埋管，说明不同的回填材料对地埋管换热器的换热性能有一定的影响[25]。庄迎春等人对直埋闭式地源热泵系统中回填土的物质组成情况、不同温度以及时间对回填材料导热系数的影响进行了实验研究。试验结果表明，膨润土不适合单独作为回填材料，需要与水泥配合使用，并且最好使用非饱和态。回填材料的导热系数随水灰比的减少而增加。提高回填材料导热系数的有效途径是掺入大颗粒的骨料，含砂量的增加使导热系数呈线性的增长。当水灰比为0.45且砂的置换率为80%时，回填材料具有较高的导热性能，值得推荐使用[26]。刘玉旺等人对影响回填材料导热系数的因素进行了实验研究，结果表明，回填材料的导热系数在一定程度范围内随砂粒粒径的增大而增大，并推荐使用粒径为0.3～0.5 mm左右的砂子；导热系数随膨润土的含量增大而先增大后减小[27]，综合各方面的因素并不能确定膨润土的最佳含量，还需要进一步的研究。刘冬生等人实验结果表明，在干旱地区，膨润土不能单独作为回填材料使用，需要与水泥或者石英砂配比使用；回填材料的导热系数随含砂率的增加而增大，在砂中加入少量的膨润土可以增加其导热性，并且能改善回填材料的可泵性，但是膨润土会吸水膨胀，不能过量，加入量不宜超过5%[28]。陈卫翠等[29]对基于膨润土、水泥、石英砂、外加剂等的回填材料各组分对回填材料导热系数的影响进行了实验研究，并优选出了3种具有良好性能的水泥砂浆回填材料，其导热系数可达2.18～2.34 W/(m·K)。对一个工程实例的模拟计算表明，采用上述3种高性能的回填材料能够减少地埋管换热器长度的29%～36%。王向岩等[30]在热泵制热工况下，利用超强吸水树脂与源土混合作为回填材料，分别对螺旋盘管、U型管以及整个系统进行了实验研究。结果表明，超强吸水树脂与源土混合作为回填材料，在注入少量水的情况下，有利于的改善土壤的非饱和性，提高源土壤的导热系数，增大土壤的热恢复能力，此回填材料适合于干旱、土壤非饱以及地下水位比较低的地区，特别有利于螺旋盘管的应用。 以上所有关于回填材料的研究，包括回填材料中水泥种类、砂子种类、砂子粒径、含水率和膨润土的含量等，都为工程上应用提供了一定的理论依据及指导意义。然而，研究并没有得到水泥种类、砂子种类、砂子粒径、膨润土含量等对回填材料导热系数的综合影响的规律，很难得到回填材料中各组分的最佳配比比例，只是考虑各组分对回填材料导热系数的影响以及如何增大回填材料的导热系数，然而回填材料的导热系数不宜过大，稍稍高于或等于周围土壤的导热系数时最佳。而且，地源热泵换热器回填材料还需要根据不同的地质层状结构和对填料热传导性的不同而选用不同的填料。所以，高性能回填材料的研发还需要进一步的研究。 4·地下水流动 目前，关于地埋管设计的理论很多，大都是基于纯导热的模型，忽略土壤的热湿传递。实际上，土壤是一个多孔介质，其间会有地下水的流动。流体在多孔介质中的流动称为渗流，因此，地埋管周围土壤的传热过程其实是个传热传湿过程。竖直埋管一般都垂直深埋，在其穿透的地层中或多或少地都存在地下水的渗流，尤其是在沿海地区或地下水丰富的地区甚至有地下水的流动。地下水流量大时会因为热对流而有利于系统换热，此时如果在设计中考虑地下水流动影响，会减小热交换器的设计长度。在美国的明尼苏达州，就曾经出现过现场测试的土壤导热系数比设计时采用的高出许多，后经分析是由地下水流动引起的[31]。因此，有必要研究土壤中水的渗流对地下埋管换热器传热的影响。 含湿土壤对地埋管换热器换热的影响主要体现在两个方面：①湿度本身的静态影响；②含湿量梯度造成的渗流或流动的影响。关于地下水渗流对地埋管换热器换热的影响的文献相对较少，国外较早就认识到地下水渗流对土壤换热的影响。Eskilso[32]在Carslaw[4]等人研究的移动线热源问题的稳态解析解的基础上，讨论了稳定状态下地下水渗流对地下换热器的影响，但只是在稳定状态下，属于渗流的静态影响。而在实际工程中，由于地埋管换热器涉及的范围比较大，通常需要数年或更长的时间才能达到基本的稳定，因此，实际应用中必须讨论瞬态问题。Chiasson[33]等人利用有限元法数值求解了二维瞬态的渗流问题，研究的单孔换热器和4×4孔地埋管换热器在不同地质条件下的换热特性，对一些实际问题进行了比较和计算，并未能找到较一般的规律和结论。 刁乃仁[34-35]等为确定地下水渗流对竖直埋管换热器的影响，建立了多孔介质中有渗流时的换热能量方程，将渗流问题转化为带移动热源的纯导热问题，利用格林函数法，求得了介质中移动热源产生的二维瞬变过余温度场： 这一解析解清晰地揭示了该传热过程中各影响因素的定性与定量的关系，不过这只是基于单孔地埋管换热器的，还不能直接应用于地埋管管群换热器。范蕊[36-37]等人对热渗耦合作用下地埋管换热器的传热进行了理论分析和实验研究，并对管群换热器的传热进行了研究[38]。为了确定地下水渗流对U型埋管地下换热器的影响，基于热渗耦合作用下的数学模型，采用整体求解方法求得管内流体、地下埋管换热器及周围土壤的温度场数值解。分析了地下水渗流对传热过程的影响，结果表明：地下水流动对原土壤温度场的影响较大，而且地下水渗流速度越大影响越大，并通过实验对模型进行了验证，得到在进行土壤源热泵设计时，必须考虑地下水渗流的影响，可减小地埋管的设计尺寸。 5·土壤冻结 地源热泵系统在冬季供热工况下，特别在我国北方寒冷地区，进入地下热交换器的流体温度可能低于0℃，地埋管换热器周围的含湿岩土可能会冻结，这在一定程度上直接影响地埋管的换热特性。岩土冻结时，会有相变潜热释放出来，冬季取热时岩土降温幅度减小，邻近换热器周围的土壤温度升高，在某种意义上对地埋管的取热是有利的，可以减小地埋管的设计尺寸。所以，在严寒地区，必须考虑土壤冻结对地埋管换热器的影响。由于地埋管与周围土壤间的传热及相变传热机理的复杂性，因此，关于土壤冻结对地热换热器换热性能的影响的研究鲜有报道。 于明志[39]等研究了土壤冻结对地源热泵系统中地下热交换器与其周围土壤的传热过程的影响，以及原始地温、土壤水分含量、斯蒂芬数等对周围土壤温度场的分布、冻结锋面发展等的影响，并与不考虑土壤冻结的情况进行了比较。当考虑土壤冻结时，由于土壤中水分冻结会放出大量的潜热，并且冰的导热系数比水大，因此，可以算出地下埋管周围的土壤平均温度高，传热热阻减小，设计的地埋管换热器的规模可变小，可以减小钻孔的深度或数量，从而可以减少地源热泵系统的初投资。因此，在设计地源热泵系统时应当考虑土壤中水分的冻结。杨卫波[40]等为了探究严寒地区土壤冻结对地源热泵地埋管换热器换热性能的影响，建立了考虑土壤冻结的地埋管周围相应的传热模型，并利用显热容法[41-42]对冻结时出现的相变问题进行了处理。研究表明：考虑冻结时计算得到的土壤温度要高于未考虑冻结时的温度，可以看出土壤冻结对地源热泵系统的设计和运行是有利的；土壤的含水率对地埋管周围的土壤温度场和土壤冻结速度的影响较大，随着土壤含水率的增大，埋管周围的土壤温度升高，冻结速度减小，因此，提高土壤的含水率对地源热泵的设计和运行是有利的。唐逸[43]等根据寒冷地区地下土壤温度低和供暖负荷大的特点，指出了一种利用土壤的相变来取热的方法。根据此方法对长春地区的地源热泵系统的取热进行了模拟，结果表明：在整个取暖周期内，地源热泵系统的平均取热功率为21.82 W/m；系统运行39 d后，U型埋管的出水温度降到了0℃以下，设计时需要考虑土壤的冻结，适当的加入防冻液；运行80 d后内、外层U型埋管的出水温度呈现一定的差值；采暖结束时，外层U型埋管周围土壤未发生冻结，而当内层埋管半径为0.2 m时，土壤的冻结深度达到了8.6 m。 虽然土壤的冻结有利于地埋管的换热，但同时也会对地下埋管换热器产生挤压，使之产生不允许的变形，严重时甚至导致埋管破坏。Lenarduzzi等[24]分析了土壤冻结膨胀对地埋管换热器产生的变形现象，分析表明，由于埋管被挤压，严重时管径会减小很多，由于管径的减小而产生的节流作用使得管道内的流体的流量减少，从而影响热泵的热量输出，降低了地源热泵系统的供热性能系数。在实际工程中，要根据实际的冻胀程度来选择埋管材料或采取各种冻胀防治措施。所以，关于埋管冻胀安全性的分析还有待进一步的研究。 6·地埋管之间的热短路与管内循环流速 6.1地埋管之间的热短路 目前在工程设计计算中，对于地埋管钻孔内的传热普遍采用简化的模型进行计算，原理是将钻孔内的2根或4根塑料管简化为1根较粗的管子，可称为当量直径法，把二维传热问题简化为一维导热。然而流体在U型管中流动，两支管之间流体的温度不同，必然会发生热量传递“(热短路”)的现象，对U型管的实际换热性能产生一定的影响，从而导致埋管设计尺寸的变化，因此，在建模时应当考虑其影响程度，不能一味的采取当量直径法来简化处理。 范军[44]等利用地埋管换热器的传热模型及设计软件，对垂直U型埋管换热器两支管间的热量回流现象进行了分析。研究表明，为了减少U型埋管换热器的热量回流量，应使U型管两支管间的间距尽量大，最好是两个支管的管壁紧贴钻孔壁；当U型管的管间距一定时，选择导热系数大的回填材料对于减小热量回流有一定的效果。该研究工作并没有计算出具体的热量回流量，也没有考虑管间距的增大对地埋管设计带来的影响。沈国民[45]等利用有限元理论对U型埋管换热器热短路的影响参数进行了分析。结果表明：地下换热器出口的最高流体温度随支管间距的增大而减小，增大支管间距可减少由热短路现象引起的热损失；增大回填材料的导热系数一方面有利于地埋管与周围土壤的换热，另一方面同时也增大了U型管支管间由热短路现象而引起的热损失，所以在实际地源热泵系统设计中应综合考虑各方面的因素。 因此，为了减小热短路引起的热损失，应当增大支管间距，但增大支管间距会因孔径加大而增加钻孔费用及回填材料的量。所以要综合考虑各因素的影响，提高地源热泵系统的经济性。 6.2管内循环流速 地埋管管内循环流体流速也是影响地埋管换热性能的一个因素，流速增加，在一定时间内的流量增加，增大U型管的换热量。然而随着流量的增加，U型管的进口温差会减少，所以应该存在一个最佳流速。丁力行[46]等研究表明，U型埋管单位井深的换热量随着管内循环流体流速的增大而先增加后减少，因此，必然存在着一个最佳流速。 7·结论 (1)目前，地源热泵系统的模拟研究已经比较成熟，现有的传热模型基本上都能够模拟出U型管地下换热器与土壤间的传热情况。基于圆柱热源和线热源理论的传热模型都无法精确求解出短时间间隔负荷波动引起的温度变化，因此，无法模拟出地源热泵系统开始运行时的情况；基于能量平衡理论的传热模型大都没有把U型管内流动的对流换热和管与周围介质的热传导进行直接耦合求解，无法准确求解出地下埋管换热器传热的具体情况，且大多是二维模型，只求解埋管周围土壤温度场的变化情况，对沿管内流体的温度变化无能为力；某些准三维的传热模型也只能反映系统稳定状态下的情况。这些理论都为以后建立更精确的模型提供了一定的依据。 (2)土壤的热物性直接影响着地源热泵系统的运行效率，必须进一步加强对不同土壤与地层结构下的传热过程的数值模拟与实验研究，准确地测量出土壤的热物性的各项参数，进一步深入探索不同土壤状况下不同形式的埋地换热器的换热过程与传热机理，建立相应的传热模型。研发出基于更精确的传热模型的岩土热物性测试装置是下一步的研究方向。 (3)在实际工程中，垂直地埋管换热器会穿透不同的地质层，关系到土壤分层及地下水流动的问题，目前的研究都表明地下水的流动会增强地埋管的换热，但对于它的具体影响有多大还未有报道，缺少具体的工程数据。应该进一步加强对这方面的研究，改善传热模型在这方面的缺陷。另外，在排热工况下，土壤吸热会导致埋管附近的水分迁移，这可能会使埋管附近的土壤收缩而产生缝隙，进而影响埋管与周围回填材料的换热性能，关于这方面的研究也未见报道。 (4)地质结构的不同对回填材料也有着不同的要求，在岩石结构的地层中，回填材料与周围的岩层结合紧密，岩石周围没有水分的迁移，为了减少接触热阻，回填材料的含水量不需过大，以防冻结，影响地下换热器的寿命；在含水沙层中，回填材料的选择尽量不要影响水分的迁移；而在黏土层中，回填材料的选择尽量不要产生缝隙，可以添加适量的膨润土。所以，地源热泵换热器的回填材料应该要根据不同的地层结构和对填料热传导性的不同选用不同的填料。 (5)严寒地区土壤的冻结有利于地埋管与周围土壤的换热，同时，土壤体积膨胀也会对地下埋管产生挤压，产生一定的变形，严重时甚至导致地下埋管的损破，影响土壤源热泵系统运行的安全性及稳定性。所以关于寒区土壤源热泵埋管冻胀安全性的研究亟须进行。 参考文献：略 |
| 上一篇：管壳式换热器课程设计应重视流速和压力降的选取 | 下一篇：铸机板式换热器检修方法探究 |