板式换热器
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热渗耦合的地下水源热泵抽灌井传热数值模拟点击：1842 日期：[ 2014-04-26 21:35:54 ] |
| 热渗耦合的地下水源热泵抽灌井传热数值模拟 马云东 姜秋耘 潘 科 (大连交通大学土木与安全工程学院,辽宁大连116028) 摘要:基于达西定律,分析了饱和区土壤中地下水源热泵抽灌井传热机制,构建了热渗耦合共同作用下的数学模型,研究了有无地下水渗流及渗流速度对抽灌井周围温度场变化的影响,使用COMSOL Multiphysics软件对建立的模型进行了分析模拟。实例结果表明,该模型具有较好的适用性,为系统的优化设计与参数合理匹配提供了理论支持。 关键词:抽灌井;地下水源热泵;边界设定;数值模拟;渗流 中图分类号:TV138; TK124文献标志码: A 文章编号:1000-7709(2010)12-0039-03 地下水源热泵空调系统是一种新型的可再生能源利用技术,即利用浅层地下水温度较为恒定的特性,以浅层地下水作为能量载体,通过压缩机系统,夏季将建筑物内的热量转移到地下水中,冬季将地下水中的热量转移到建筑物内,可实现建筑物内的制冷和供暖[1]。运行中每消耗1 kW电能,就获得3.5~4.0 kW冷热能,也不会产生N、C、S、P等有害大气气体,高效能,无污染[2],因此该系统已在我国得到推广应用。 目前,地下水源热泵换热器设计理论如线源理论、圆柱源理论及其他数学模型均以无地下水流动和岩土热物性不变为假设条件,但地下水源热泵抽灌水井深度通常达数十米乃至上百米,其中或多或少存在地下水的渗流甚至流动,这有利于地下水源换热器的传热、减弱或消除换热器吸放热不平衡的现象,进而能减少换热器的设计容量,最终关系整个系统的初投资费用。地下水源热泵系统在土壤中的传热过程受地下水渗流的影响,是一个热渗耦合过程,长期运行对地下水温度场影响较大,需对抽灌井进行合理布置。鉴此,本文借助计算机模拟该过程获得相应数值解,研究有无地下水渗流及渗流速度对抽灌井周围温度场变化的影响,对解决实际问题具有指导意义。 1·地下水源热泵抽灌井热渗耦合模型 多孔介质具有吸收和贮存地热能的特点[3],土壤是一个饱和或部分饱和的含湿多孔介质体,存在于土壤中的水在重力、土粒吸附力、毛管力等各种力的共同作用下表现出固态、气态、吸附态、自由态等。地下水位线以上多为非饱和区土壤,地下水位线以下换热器区域水体流动指侧向近水平的饱和流动,一般包含潜水和承压水。土壤中热量的传递必然引起水分的迁移,而水分的迁移又将伴随热量的传递。 1.1 饱和土体达西定律 土壤液态水在土壤空隙中运动,所以采用描述一般液体在多孔介质中流动的达西定律表示土壤水的运动规律,即: q =-KdH/dL(1) 式中,q为单位时间通过单位断面的水量;K为土壤渗透系数,在土壤水饱和运动中K为常数,不随水压值变化,在不饱和运动中K值随水压值变化而变化;dH为水流运动起点和终点的势能差;dL为水流运动起点和终点的距离;负号表示水势梯度与水流方向相反。 1.2 饱和土体水分运动基本方程 质量与能量守恒是物质运动和变化普遍遵循的原理,将此原理应用于多孔介质液体流动可获得土壤水分运动基本方程,见文献[4]。 对土壤空隙中粘滞阻力大、流速缓慢的一维水平层流流动,以x(θ,t)为未知函数修正土壤水分运动基本方程: 式中,t为时间;θ为土壤含水率;D为土壤水扩散率,是含水率的函数。 1.3 饱和土体渗流能量方程 单相流体非等温渗流能量方程见文献[5,6],渗流速度均匀,且仅沿水平方向的一维水平层流流动的能量方程简化为: 式中,ρ为密度;cp为比热容;T为温度;f为饱和水的物性值;k为多孔介质导热系数。 1.4 模型简化假设 ①将土壤视为一个均匀、各向同性的饱和多孔介质,忽略质量力、热辐射影响和粘性耗散,流体与固体瞬间达到局部热平衡。②忽略地下水纵向渗流影响,仅考虑水平方向层流流动。③抽灌水井壁与原状土壤相同,物性参数一致。④忽略渗流路径迂回曲折,仅分析主要流向,土粒空隙为渗流所充满。 式(2)、(3)共同构成了地下水源热泵抽灌井在有渗流的饱和土体周围热渗耦合控制方程。 初始条件:θ=θ0,t=0,T=T0 边界条件: θ/ x=0,t≥0,0≤x≤ 2·数值模拟 对建立的热渗耦合模型,除个别理想条件或十分简单情况下,一般无法获得解析解。数值模拟采用COMSOL Multiphysics 3.5软件。假设某地下水源热泵系统灌水井管长60 m,地下水温为当地常年平均温度287 K,回灌井水温297 K。管材选用高密度聚乙烯(PE)管,筒壁导热系数k=0.3 W/(m·K)。管中循环液为水,流速0.8 m/s。管内壁温度与循环液温度相同,管外壁温度与地下水温度相同。 297 K水的物性系数为:动力粘度μ=1×10-3N·s/m2,密度ρ=998 kg/m3,比定压热容cp=4 000 J/(kg·K),导热系数k=0.6 W/(m·K)。土壤为粗砂土,287 K粗砂土:ρ=1 600 kg/m3,cp=1 650 J/(kg·K),k=1.8 W/(m·K),孔隙率n=0.38,含水率θ=1.4。 应用COMSOL Multiphysics地球科学模块,采用模型构建的偏微分方程及边界条件对该模块进行修正,通过如下步骤进行参数设置和分析模拟无渗流及渗流速度分别为v=10、30、90 m/a时土壤温度场的变化规律。 步骤1 绘制几何图形。选择模型导航视窗地球科学模块新增瞬态分析的对流与传导模型,空间维度为2D。在绘图面板上绘制内径0.5 m、外径20 m的圆环(内径为回灌水井直径,外径为土壤热作用半径范围),见图1。 步骤2 元素、截面及材料定义。选择管壁材料为聚乙烯(PE)管,循环液为水,土壤为粗砂土,使用SI单位制。 步骤3 分格。最大单元尺寸比例调整系数1,单元增长率1.3,网格曲率系数0.3,网格截止曲率0.001,狭区松弛度1,三角形网格划分方法,温度梯度大的区域较温度梯度小的区域网格划分更为细密。COMSOL Multiphysics软件对网格的划分及加密十分方便,避免了繁琐的绘制过程。 步骤4 载荷及约束。求解域地热密度设为多孔介质,初始温度为当地常年平均温度287 K。对假定模型,将比定压热容、边界温度、密度、导热系数、孔隙率、含水率等参数输入模型约束设定。步骤5 计算及结果。软件模拟有渗流和无渗流2种情况下地下水源热泵换热器的传热情况。图2、3分别为离抽灌井不远处有渗流和无渗流2种情况下土壤温度场的分布。由图2可看出,无渗流的土壤温度场以中心对称,而有水平渗流的温度场发生了变形。在模拟工况中,渗流速度从10 m/a增加到90 m/a时,热传递距离分别约从6.0 m增至9.5 m。在有渗流情况下,由于土壤水分热容大于土壤固相热容,因此加权平均后土壤总的热容增大,沿渗流方向的热传递距离增大。地下水的渗流或流动对通过土壤进行的热交换影响明显,将有效减弱地下水源热泵换热器冷热负荷的不平衡。 3·结语 a.将土壤视为多孔介质,运用达西定律可很好解决地下水渗流对水源热泵换热器传热的影响。 b.有渗流时抽灌井周围温度场热作用半径低于无渗流时情况,在相同面积土壤范围内可布置更多的热源井以提高土壤利用价值。建议抽水井与回灌井间的距离为10~15 m,且回灌井应位于抽水井下游。 c.模拟结果表明,地下水流速越大,沿渗流方向的热传递距离越大,系统达到稳态的时间越短,热作用半径越小。若忽略地下水渗流影响,将导致地下水源热泵设计容量偏大、成本增加。由于不同岩土层介质渗流速度变化范围大,建议地下水源热泵系统方案设计前应加强工程场地状况调查,以获取水文地质资料和数据。 参考文献: [1]陈东,谢继红.热泵技术及其应用[M].北京:化学工业出版社,2006. [2]胡连营.地源热泵技术讲座(三)地源热泵系统的选择[J].可再生能源,2008,26(3):122-124. [3]欧阳莉,刘伟.多孔介质—双层玻璃幕墙传热与流动特性[J].水电能源科学,2010,28(6):163-164,170. [4]王红旗,刘新会,李国学,等.土壤环境学[M].北京:高等教育出版社,2007. [5]Bear J. Dynamics of Fluids in Porous Media [M].NewYork:American Elsevier Publishing Company,Inc. 1972. [6]范蕊,马最良.热渗耦合作用下地下埋管换热器的传热分析[J].暖通空调,2006,36(2):6-10,82. |
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