蒸汽换热器
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U型管换热性能影响因素研究点击：1822 日期：[ 2014-04-26 21:39:57 ] |
| U型管换热性能影响因素研究 杨昌智 ,黄 兵 (湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082) 摘 要:建立了钻井单位井深换热量与钻井深度、流量变化关系的计算模型.通过实例计算,分析了在流量不变时钻井的单位井深换热量随钻井深度的变化以及50 m,100 m,150m和200 m钻井单位井深换热量随流量的变化.得出在设计地源热泵地下换热器时,需要合理的选择钻井深度、U型管内的流体流量来保证钻井的换热经济性.最后提出单位井深换热成本指数作为U型管换热经济性评价指标. 关键词:U型管;钻井深度;流量;换热成本 中图分类号: TU831.6 文献标识码:A 文章编号:1674-2974(2009)12-0044-05 目前,地源热泵在中国已经推广开来,《地源热泵系统工程技术规范》[1]在2005年出版,规范推荐的计算方法为利用无限长线热源理论推导的计算式.按照规范设计地源热泵地下换热器,钻井深度对垂直埋管的换热性能的影响是没有考虑的.而钻井深度对垂直埋管的换热经济性是有很大影响的,因为当地下温度保持恒定时,U型管内流体的温度将会随着深度的增加而降低[2].当随着钻井深度的增加,U型管内流体的温度会越来越接近土壤温度,传热温差越来越小,钻井的换热能力降低.可见一味增加钻井深度,并不一定能取得较好的换热效果. 土壤源热泵垂直埋管的传热计算可以分为钻孔内的传热和钻孔外的传热.对于钻孔外的传热,Es-kilson采用无因次温度反应系数法(即g函数法),建立了基于有限长线热源的圆柱模型[3],通过计算温度反应系数来确定钻孔周围的温度分布.此模型使用长时间步长的方法,计算在动态负荷下的钻孔壁温度的变化情况,但是在计算地源热泵长时间运行时,g函数的计算量非常大.文献[4]改进了Es-kilson的圆柱模型,引入负荷累积的概念,采用短时间步长的方法计算在动态负荷下的钻孔壁温度.但是对于不同尺寸的钻孔和不同数量和组合方式的钻孔群仍需要计算不同的g函数,计算过程繁琐,很难应用到工程设计当中.曾和义等[5-6]利用虚拟线热源法建立了有限长线热源理论来求解垂直地埋管换热对土壤的影响,考虑了埋管径向和轴向的传热,比无限长线源理论更接近于实际.文献[7,8]建立了土壤与地下水耦合传热的数学模型,对地下水对地埋管换热的影响做了具体分析,但目前地下地质水文资料不全,很难保证其计算的准确性.对于钻孔内的传热,文献[9]提出了钻孔内的二维传热模型,但没有考虑埋管中流体轴向温度的变化和埋管相互之间的影响.文献[2]在钻孔内二维传热模型的基础上,建立了钻孔内准三维传热模型,考虑了埋管中流体轴向温度的变化.但是没有考虑土壤的轴向传热,且在计算过程中需要用到钻井壁温度,用到工程设计中需要联合钻井外的传热模型进行迭代计算.文献[10,11]对位于大连地区的75 m埋深的U型管换热器在不同的入口温度和流量下的换热特性进行了实验研究,只对个别情况进行了实验研究,没有代表性.本文在钻孔内准三维传热模型基础上,建立钻井深度和U型管内的流体流量对钻井换热量的影响的模型. 1 数学模型 对于U型管的两根支管,每一根支管的传热可以分为两部分:一部分为支管内流体与土壤的传热,另一部分为支管内流体与另一根支管内流体之间的传热.当支管某一点流体流动Δz的距离时,支管内流体的温度将会变化ΔT,在Δz的距离内支管内流体与土壤以及另一支管内流体的总传热量应该为McΔT,其中M为质量流量,c为流体的质量比热容.当Δz的长度趋向于无穷小时,则可以得出如下关系式: 式中,R11为支管流体与未受热扰动的土壤的传热热阻,包括管壁热阻、管壁到钻井壁的热阻,钻井壁到未受热扰动的土壤的传热热阻,(m·K)/W;R12为两支管相互影响的叠加热阻,(m·K)/W. 2·地埋管换热的影响因素分析 2·1 钻井深度对钻孔传热的影响 在本文中,选取土壤导热率为2.5 W/(m·K),土壤初始温度为18.6℃,钻孔填埋材料的导热率为1.5 W/(m·K),钻井直径为110 mm,U型管的外径32 mm,内径25 mm,管材为PP管,导热率为0.4W/(m·K),只对夏季工况进行分析.U型管的传热温差和单位井深的平均传热量可由式(5)~(15)计算.当U型管流量为0.15 kg/s时,由式(5)~(15)计算得出的工程中常用40 m到200 m的钻井深度的传热温差见图1,单位井深平均换热量随井深的变化见图2. 从图1可以看出,U型管的出入口温差会随着钻井深度的增加而增加,但是曲线的斜率越来越小.因为随着深度的增加,U型管内流体的温度将会越来越接近土壤温度,传热温差减少.另外,在排热工况时,U型管的入口温度越高,传热能力越强,但出水温度也会越高,会降低热泵的能效比.从图2可以看出,在流量为0.15kg/s单位井深的平均换热量是随着钻井深度的增加而减少的,减少的幅度较大.工程中常用单位井深平均换热量作为钻井换热能力的评价指标.从图2可以看出,钻井越深,单位井深平均换热量越小,钻井的经济性越差. 2·2 U型管内流体流量对钻孔换热的影响 土壤物性参数和U型管的参数选择同上,U型管入口温度设为34.5℃,深度为50 m,100 m,150m,200 m的钻井在不同流量下的传热温差和单位井深的平均传热量由式(5)~(15)计算,计算结果见图3和图4. 从图3可以看出,当U型管的入口温度和深度一定时,流量较小时,U型管的出入口温差会随着流量的增加急剧减少;当流量增加到一定时,U型管的出入口温差曲线将变平缓.从图3可知,不同深度钻井的U型管的出入口温差随流量的变化曲线会随着流量的增加越来越平稳,不同深度钻井的U型管的出入口温差会越来越接近,最终会达到一个相差不大的极限值.从图4可以看出,当流量较小时,随着流量的增加,U型管的换热能力显著增加,当流量增加到一定的程度后,U型管的单位井深平均换热量的增加幅度变缓,且不同深度的钻井的单位井深平均换热能力会随着流量的增加,越来越接近.钻井越深,U型管的单位井深平均换热能力与流量的变化曲线变缓所需的流量也越大.流量越大,U型管的单位井深平均换热能力会越大,钻井越经济,但是U型管的出入口温差会减小,这势必会增大热泵的换热器的面积.当流量增大到一定的值后,单位井深平均换热能力的增加幅度不会很大,而水泵的能耗将增大,导致钻井换热经济性不高.所以要根据不同的钻井深度选择合理的流量.热泵运行时,U型管的流量应该控制在一个合理的范围内才能充分挖掘U型管的换热潜力.根据计算数据和分析,建议选取的流量范围为[0.15,0.45],根据地温和地下地质结构选择合理的钻井深度. 3·单位井深换热成本指数 由上面的分析可知,在地源热泵的地下换热器的设计中,应该要充分考虑钻井深度、U型管流体的最大入口温度、流量对U型管换热能力的影响.在夏季工况下,如果流量选择过大,将会造成U型管的出入口温差太小,这就会增大热泵冷凝器的面积,且流量增加到一定的值后,U型管的换热性能并不能得到很大的提升,而水泵的运行功率是与流量成正比的,这样将会增加U型管的换热成本.如果在设计时,夏季工况下的U型管的入口温度选择过高,虽然可以增大传热温差,提高单位井深的换热能力,减少了所需的钻井长度,但会增加热泵的冷凝器的出入口温度,热泵的COP将会变小,提高了机组的能耗,也不能体现出地源热泵的节能效果.对此,本文提出单位井深换热成本指数作为评价钻井经济性的指标,为地源热泵的设计提供参考.由于相关的运行费用是按时间顺序发生的,且要经历一段比较长的时间,为了便于在相同的时间基础上进行比较,就需要将各时间段内产生的费用统一折算成初始年的现值.其计算式可由下式来表示: 式中:C为地下换热器的换热成本,元/kJ;L为地下换热器的设计长度,m;S单位长度的地下换热器的成本,元/m,包括钻井费用、材料费用和人工费等;w为热泵在一个冷暖期所消耗的电,kWh;p为单位电价,元/kWh;h为回收年限,年;d为折现率;e为相关能源价格上涨指数,这里假设了每年的能源上涨指数相同;Q为地下换热器在一个冷暖期的换热量之和,kJ.热泵在一个冷暖期所消耗的电和地下换热器的换热量可以通过以上建立的土壤源热泵系统的全年能耗模拟模型来计算.从式中可以看出,单位长度的地下换热器的成本对换热成本影响很大,对于不同的地质条件,打井费用是有很大差别的;回收年限对换热成本也有很大的影响,对同一个系统进行评估时,应选取相同的.回收年限.地下换热器的换热成本越低,土壤源热泵系统的经济性越高.通过对土壤源热泵系统进行全年能耗模拟,预测热泵全年的耗电量和地下换热器的全年的换热量,代入到(16)式中,计算换热成本,评估系统的经济性.这种评估计算方法只对土壤源热泵进行了一年的模拟计算,没有考虑在制冷和制热时,当地下换热器的传热量不相等时,多年累积对地下换热器换热的影响.单位井深换热成本指数越低,说明地埋管的换热经济性越好,可以为地源热泵的地下换热器的设计提供参考. 4 结 论 本文在钻孔内准三维传热模型的基础上建立了U型管换热能力与钻井深度、流量变化的计算模型.通过计算得出,当流量较小时,钻井越深,单位井深的平均换量越小;当流量增大到一定值后,流量对U型管的换热能力的影响变小,不同深度的U型管的单位井深平均换热量也相差不大.地源热泵的地下换热器的设计中要合理的选择钻井深度、U型管内的流体流量、U型管的流体入口温度,这对地埋管的换热经济性有很大的影响.为此,本文提出了单位井深换热成本指数的概念,来评价地埋管的换热经济性.单位井深换热成本指数越低,钻井的换热经济性越好,可以为地源热泵的设计提供参考. 参考文献：略 |
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