管热交换器热实验及探研

1地埋管热交流器的热响应测试
    对地埋管热交流器的热响应测试采用了特地设计的实验台。该实验台包括测试设备、控制设备、丈量设备、数据采集系统等局部组成。测试设备可以摹拟夏天制冷工况和冬天制热工况，制成所需求的冷水和热水，用于地埋管换热器性能实验。控制设备可以依据需求调理所需的出水温度、流量和压力。丈量设备由传感器和仪表组成，用于丈量系统的温度、压力、流量等参数。控制设备和丈量设备均采用美国NI的FP模块，运用485通讯协议，完成模块与上位机之间的联络。数据采集系统基于Labview软件平台，开发了自动化数据采集、数据存储、平安控制的计算机程序，该程序还具备远程控制和远程数据采集的功用，每隔10秒钟采集一次数据，每隔2个小时自动存储系统中的丈量值。

停止热响应测试时，用电加热法向土壤中输入恒定的热流以摹拟夏季散热，运转48h后假定土壤处于准稳态热均衡。由系统中的水流特征变化，剖析土壤的系数以及计算出给定进水温度下的换热量。
     热响应测试采用恒热流法，摹拟热泵的夏季制冷工况。夏季制冷工况时，需求丈量地埋管热交流器向周边土壤的散热才能，坚持热交流器水流量和热流量稳定，保管一切传感器的测试数据，经过48小时的稳定测试后 。
    实验数据处置采用线热源模型，因其简单且具有适宜的精度。在初始温度平均的无限大介质中，由平均发热的无限长线热源惹起的温度场是一个径向的一维温度场。一些实践的导热问题，例如在用线热源法测定资料的热物性的非稳态导热过程等都可简化为这样的问题 。
    Tf为流体进出地埋管热交流器的均匀温度，℃；Q为电加热功率与水泵保送功率，W；H为地埋管深度，m；λ为土壤导热系数，W/(m·K)；α为土壤热扩散系数，m2/s；t为热响应时间，s；rb为钻孔半径，m；Rb为钻孔导热热阻，K·m/W；T0为土壤初始温度，K；γ为欧拉常数，γ=0.5772。关于测试数据剖析，上式Q、Tf、T0、H、rb均已知：Tf0为流体进出地埋管热交流器的均匀温度，℃；Q0为电加热功率与水泵保送功率，W。分离线热源的模型方式，对测试记载的数据停止处置。如图中细实线为实验时进出口水的均匀温度随着对数时间的变化状况，另一条为线性拟合直线，其斜率=3.13738。由此可求解土壤的导热系数λ=1.44W/(m·K)。联立式能够求得给定进出程度均温度下的散热量。计算得当进出口程度均温度为32℃时，单位井深散热量为75.78 W/m；均匀温度为37℃时，单位井深散热量为91.14 W/m。
    2地埋管热交流器的数值摹拟
    2.1测试井的摹拟
    采用全尺寸模型，埋管深度为48m，土壤的远边境半径为2.5m；钻孔直径为150mm，埋管方式为双U型管，每组进出水管中心间距80mm；高密度聚氯乙烯塑料管外径25mm，内径为20.4mm。摹拟计算时，土壤导热系数采用实验测得1.44W/(m·K)，回填资料导热系数设定为1.8W/(m·K)，聚氯乙烯管的导热系数为0.44 W/(m·K)，比热为2300J/(kg·℃)，密度为950 kg/m3；水流速为0.574 m/s，导热系数为28℃时的0.61 W/(m·K)；土壤的初始温度为17.2℃，土壤比热为1645 J/(kg·℃)，密度为1600kg/m3。
    摹拟稳态散热状况，单U及双U型管进口处定义为velocity_inlet，随后在FLUENT中给定进口流速和水温的边境条件；出口处为充沛开展活动，选择outflow边境类型；在图中x-y方向上距U形管最远处和z方向底部以为是无限远处，定义为相同边境条件的wall，即定温壁面型边境条件；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，它们的边境条件性质是一样的，要和外界空气停止对流换热，故定义为对流换热型的wall；另外内管壁，即流体与固体的分隔面要定义为一个wall；其他的内界面统统定义为interior，作为内部边境。模型所得出口处水温为299.97K。图中竖直埋管进水段水温降低大于出水段，这与散热温差有关。
    热响应测试测得的进出口水温差为1.61℃，而摹拟地埋管换热时进出口水温差为1.72℃。以散热量为比拟根据，摹拟的误差为6.8%，充沛考证了模型具有一定的精度。图为不同深度公开温度散布状况。图实验数据拟合曲线对数时间（ln(t)/s）水进出口均匀温度T（℃）
双换热管内水温随井深散布图（a）公开40m温度散布（地埋管中心到
0.9m处温度散布）（b）进出口平面温度散布（地埋管中心到1.1m
处温度散布）Tf进水段出水段从图中可看出不同截面深度的土壤及埋管的温度散布。随着深度的增加，钻孔内高温区域范围逐步在减少。在公开40m处，温度等高线具有一定的对称性，管内水温在同一温度梯度内。在水流进出口处，温度梯度较大，进水口的温度为301.68℃，出口水温在299.64℃与300.13℃之间。2.2不同方式地埋管热交流器的摹拟研讨在模型精度得到考证根底上，比拟三种最常见的埋管深度（50m、60m、70m）的两种埋管方式的散热能。除将进水流速改为0.7 m/s，进水温度为36.85℃外，设置土壤的导热系数、公开初始温度等参数均与上述摹拟分歧。经过比拟进出口温差、单位井深散热量、总散热量，为工程设计时选择埋管深度、埋管方式、肯定水流速、埋管数等提供参考的数据。
    相同深度的地埋管，单U型热交流器出水温度较低。相同方式热交流器及进水温度，深度越大出水温度越低。不同方式及埋管深度均标明，进水段水温降低速度快，出水段水温降低速度慢。经过计算发现，进水段的散热量占总散热量的60%以上。表2为各埋管方式换热性能汇总表。对50m、60m、70m竖直埋管停止摹拟时，进水温度均为36.85℃（310K），水流速度0.7 m/s。关于单U型管，单位井深换热量分别为59.19 W/m、56.23 W/m、53.40 W/m。关于双U型管，单位井深换热量分别为94.16 W/m、90.00 W/m、85.93W/m。无论单U或双U型换热管，随着埋管深度的增大，进出水的温差变大，但是单位井深均匀换热量在减小。每增大10m单位井深换热量减小约5%。不同深度的地埋管，双U型换热性能优于单U型，约高出37%。
    3结 论
    管热交流器的性能。依据实验数据与摹拟结果，剖析如下：
    1）应用线热源模型剖析热响应测试数据得，土壤的导热系数为1.44 W/(m·K)，进水温度为32℃时，每米井深散热才能为75.78 W/m；进水温度为37℃时，每米井深散热才能为91.14 W/m。
    2）摹拟热响应的全尺寸热交流器模型，以换热量为比拟根底，摹拟的误差为6.8%。摹拟48m深双U型垂直地埋管热交流器，得单位井深换热量为56.08 W/m。
    3）分别对50m、60m、70m竖直埋管停止摹拟，进水温度均为36.85℃
（310K），水流速度0.7m/s。关于单U型管，单位井深换热量分别为59.19 W/m、56.23W/m、53.40 W/m。关于双U型管，单位井深换热量分别为94.16 W/m、90.00 W/m、85.93 W/m。
    4）不同深度的地埋管，双U型换热性能优于单U型，约进步37%。
    5）无论单U或双U型换热管，随着埋管深度的增大，进出水的温差变大，但是单位井深均匀换热量在减小。每增大10m单位换热量减小5%。

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