U型管换热器

  U型管换热器

           土壤源热泵因其运行的节能性,越来越受到人们的青睐,但其初投资高的问题也一直困扰着人们.降低初投资最重要的是对系统进行优化设计,掌握和了解埋管周围的土壤温度对系统的优化设计起着至关重要的作用.对地下埋管周围的土壤温度场进行数值模拟有利于合理设计地下埋管的埋深,埋管间距及埋管数量,从而可以降低系统的初投资和使埋管与周围土壤进行充分换热.从1986年开始国际地热协会主席L.Rybach对地源热泵垂直埋管换热器周围温度场进行长达10余年的研究,研究表明热泵运行30年后距离垂直埋管换热器1m,50m深处土壤温度的下降仅1·5℃.文献[1-3]以V. C.Mei传热模型为基础,联立能量方程和热传导方程,通过解析求解,研究结果主要为传热模型的对比分析以及影响传热模型的因素,提出了土壤温度场的离散计算方法.山东建筑大学刁乃仁[4-5]等人对地下水渗流情况下埋管换热器周围土壤温度场进行了理论研究,给出了有均匀渗流时无限大多孔介质中在线热源作用下的瞬态温度响应的解析解.该解是对地源热泵工程中广泛采用的纯导热线热源模型的扩展,为分析讨论地下水渗流对于地埋管换热器传热的定性和定量的影响提供了有用的理论基础.文献[6-7]采用有限元方法对土壤的温度场及U型埋管换热器的热流量分布进行了分析,应用ANSYS软件建立有限元模型模拟换热器的传热,分析土壤的热物性、U型换热器两管间距对U型管换热器热干扰的影响,埋管周围土壤温度呈非稳态分布.作者主要是针对钻孔内的土壤温度变化情况进行了研究,钻孔外土壤温度场的变化没有作深入的探讨.目前针对钻孔外周围土壤的温度场研究的较少,笔者针对单U型管建立数学和物理模型,利用数学软件MATLAB中的PDETOOL进行求解,研究埋管周围温度随时间的变化规律,对垂直埋管式系统的设计提供依据.
     物理模型
    地下埋管换热器的结构传热介质以恒定的流量从进口流入出口流出,不断与土壤进行换热获取一定的冷量或者热量.
    
  　等效管的确定
    以夏季为例,热泵运行期间,进口管侧传热介质温度较高与土壤温度的温差大,换热量大,随着介质不断与土壤进行换热,介质在出口管侧温度降低,传热介质与土壤换热量变小.假设周围土壤温度均匀一致,由传热学理论分析得两根管与土壤换热量是不同的,进口管侧换热量大于出口管侧换热量.由于两根支管之间存在温度差,彼此会产生热干扰现象.为了简化计算笔者将U型管的两根支管用一根管等效管来代替.其当量半径[8-12]为：
   
    式中:rep为等效管半径,m;r为U型管半径,m.
 　传热模型假设
    影响埋管周围温度场的因素很多,为简化计算笔者对传热模型作出如下假设:
    (1)不考虑地下渗流的影响;
    (2)岩土均匀;
    (3)岩土和回填材料热物理参数不变;
    (4)等效管不同深度散热量一致;
    (5)忽略管壁与回填材料,回填材料与钻孔壁的接触热阻;
    (6)回填土与周围土壤性质相同.
 数学模型
    地埋管换热器与周围岩土的换热可分为钻孔内传热过程和钻孔外传热过程.相比钻孔外,钻孔内的几何尺寸和热容量均很小,可以很快达到一个温度相对比较稳定的阶段,因此埋管与钻孔内的换热过程可以近似为稳态换热过程.笔者主要针对钻孔外周围土壤温度场进行数值模拟.当钻孔外的传热过程视为柱热面热源的无限大介质中非稳态传热时,其传热控制方程为：
   
    式中:λs为土壤的导热系,W /(m·K);ρs为土壤的密度, kg/m3;cs为土壤比热容, J/(kg·K);rb为钻孔壁半径,m;t为土壤的温度,℃;τ为时间, s.
 初始条件
   
    式中:t0为土壤原始温度,℃.
 边界条件
    等效管外壁设为第二类边界条件,热泵运行时有