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U形垂直埋管换热器换热性能试验研究点击：1682 日期：[ 2014-04-26 21:57:56 ] |
| U形垂直埋管换热器换热性能试验研究 吴晓寒,孙友宏,李小杰,王庆华 吉林大学建设工程学院,长春130026 摘要：在地源热泵系统中,埋管换热器的换热性能与很多因素有关。本文通过地源热泵试验台,参照 国外地下埋管换热器岩土温度场的求解方法,采用线热源理论及热阻原理,将U形垂直埋管换热器 等效转化为单管换热器,对相关影响因素进行了分析与实验研究。实验结果表明,循环流体的流速对 换热器换热效果影响较大,流速维持在2·5m3/h左右内比较合理,管道材料的热物性对换热影响不 大,但在回填材料中加入砂砾可以显著提高换热量,在北方寒冷地区应尽量避免系统的长时间连续运 行。 关键词：垂直埋管换热器;换热性能;线热源;影响因素 中图分类号：TK523 文献标识码：A 0 引言 以地下土壤作为热源或热汇的地源热泵系统具 有节能、环保、运行稳定可靠等优点,在欧美发达 国家已经大量应用。近年来中国国内的众多学者也 对此进行了大量的研究和探索,但从目前的使用情 况来看,该系统仍存在不少缺点[1]:地下换热器的换热性能受土壤性质和连续运行时间影响较大, 同时由于土壤热导率较低,地下换热器与周围土壤 的传热量较少,与空气源热泵相比,土壤源热泵地 下换热器的设计换热面积较大。因此,地下埋管换 热器换热性能研究一直是土壤源热泵系统研究的主要方向。 针对影响地下埋管换热器换热性能的几大主要因素,如埋管周围回填土的导热性能、埋管材料的导热性能、管内流体的流量、系统的运行方式等 笔者通过地源热泵试验台及现有的传热模型对其进 行了定性分析,为日后地源热泵系统的推广和应用 提供了参考依据。 1 垂直埋管换热器传热理论模型 1·1 垂直埋管换热器传热热阻模型 由于热泵系统垂直埋管换热器传热问题的复杂 性,迄今为止还没有普遍公认的模型和规范。目前 应用比较广泛的传热模型主要有V·C·Mei传热模 型、GSHPA(InternationalGround-sourceHeatPum Association)模型和NWWA(NationalWater-We Association)模型3种[2]。但对实际工程,得到详 细的模拟和分析所需的全部数据是不现实的。由于 埋管换热器内流体与土壤之间的换热是一个非稳态、复杂的传热过程,受众多因素制约,现有的设 计计算方法都是基于简化的模型。 地源热泵系统无论是在冬季供暖或是夏季制冷 运行,虽然两者热流的方向是相反的,但其传热模 型是相同的。热流从管内流体传到远离钻孔的土壤 层中主要需要克服以下4部分热阻:①管内流体和 U形管道内壁间的对流换热热阻RL;②U形管道 管壁的导热热阻RG;③U形管道外壁和钻孔孔壁 间回填材料的导热热阻RH;④钻孔孔壁到土壤层 远处的热阻RT。 1·2 对流换热热阻分析 根据牛顿冷却公式,对流换热的热阻RL为: 式中:dn为U形埋管内径(m);h为管道的 表面传热系数(W/m2·K)。 表面传热系数的大小与传热过程中的许多因素 有关。它不仅取决于管内流体的热物性以及换热表 面的形状、大小与布置,而且还与流速有密切的关 系[3]。因此,在管内流体热物性确定的情况下, 流体的流速将是影响管道内对流换热的主要因素。 1·3 管壁导热热阻分析 由于钻孔的深度远大于其直径,因此,周围土 壤和钻孔内回填材料中的轴向导热,与横截面内的 导热相比可以忽略不计。同时由于U形管的结构特点,在钻孔横截面上的几何形状比较复杂,求解 较为困难。因此,工程上最常用的简化模型是把钻 孔中U形管的两个或若干个支管简化为一个当量 的单管,使问题变为径向一维导热[4]。这样,U形 埋管管壁的导热热阻RG即为: 式中:λG为管壁的导热系数(W/m2·K); dw为U形埋管外径(m);deq为U形埋管的当量直 径(m);n为钻孔内的所有支管的数量。 1·4 回填材料导热热阻分析 同样将钻孔内回填材料的导热简化为一维稳态 导热后,可以得到回填材料的导热热阻RH为: 式中:λH为回填材料导热系数(W/m2·K); dz为钻孔直径(m);β0,β1为钻孔内U形管的几 何形状因子,根据图1所示的不同形式的U形埋 管,其值见表1[5]。 1·5 钻孔周围土壤传热热阻分析 钻孔周围土壤的传热过程较为复杂,通常可以 近似地看作是置于半无限大介质中的线热源而进行传热分析,以确定钻孔壁的温度。在埋管换热器持 续运行时,管内流体不断地向周围土壤地层输送热 量,因此地层的热阻是随时间变化的。国外正式推 荐的计算钻孔外热阻的模型主要是无限长线热源模 型,也即是一维模型。采用这种模型,可以得到孔 周围土壤的传热热阻RT为[2]: 对于钻孔周围的土壤传热而言,在土壤地层的 热物性确定的情况下,埋管换热器连续运行的时间 长短就成了影响土壤换热的主要因素。 2 换热器换热性能影响因素试验研究 2·1 埋管换热器管内流量对换热的影响 埋管内流体流量决定流体流速,进而影响管内 对流换热热阻。流速减小,对流换热系数减小,如 果流动状态由紊流流动变成层流流动,则对流换热 系数变化很显著。而管内流速越低,压力损失越 小,循环水泵的压头越低。由于地下埋管是封闭循 环系统,水泵扬程只需克服沿程摩擦阻力和局部阻 力,因此流速可以适当取高一些,以保证管内流体 流动处于紊流状态,增加对流换热系数。 在冬季供热工况下,本文对不同流量条件下单 U形埋管换热器的换热量进行了实验测试。具体试 验数据如表2所示,换热器与土壤的换热量随流量 的变化情况如图2所示。 由图2可知,随着流体瞬时流量增大,换热器 单位时间换热量也随之增加,瞬时流量在2·20~ 2·70m3/h范围内,换热量增加显著,流量>2·70 m3/h时,单位时间换热量增加开始变缓。同时, 随着瞬时流量的增加,埋管换热器的出口温度下降 很快,地源热泵系统工作效率受到限制。因此,从 经济与实用角度考虑,管内瞬时流量在2·50m3/h 左右内比较合理。 2·2 埋管材料对换热的影响 选用合适的管材作为换热器管道对热泵系统运 行非常重要。50年代初期,普遍采用金属管材, 金属盘管导热性能良好,强度高,但抗腐蚀性能 差。随着材料科学的发展,到70年代后期,塑料 管开始普遍应用在热泵系统中,虽然塑料管导热性 能没有金属管好,但由于其热阻与土壤热阻相匹 配,所以对埋管换热器的整体换热量影响不大,同 时,一般塑料管的使用寿命在20年以上,有些甚 至能达到50年左右。目前国内外介绍的地源热泵 系统都采用塑料管。常用的塑料管有高密度聚乙烯 管(HDPE)和聚氯乙烯管(PVC)两种,其导热 系数分别为0·43W/m2·k和0·14W/m2·k。 本文中的系统采用HDPE管作为埋地换热管, 如果改用PVC管,其他参数都保持不变,则换热 器换热量将有所下降,两种材料的换热器的模拟换热效果如图3所示。 虽然HDPE管的传热系数远大于PVC管的传 热系数,但相对于整个钻孔内部的换热来说,U形 管管壁的几何尺寸和热容量要小得多,因此管壁材 料的热物性对U形垂直埋管换热器的影响不是很 大。 2·3 回填材料对换热的影响 一般,回填材料可以用与地层相近的材料,如 膨润土、水泥和砂等充填、夯实。这样既方便又有 效,而且已经在许多工程中得到了有效的利用。 笔者对两种不同回填材料的U形垂直埋管换 热器进行了对比试验,回填材料的配方和试验结果 如图4、图5所示。 A型回填材料导热系数0·7744W/m2·k,B 型回填材料导热系数1·1145W/m2·k。加了10% 砂的B型回填材料的性能明显优于A型回填材料。 2·4 连续运行时间对换热的影响 随着供暖/制冷负荷的变化或用户的不同使用需求,热泵系统在实际运行过程中,需要根据情况 连续运行或间歇运行。不同的连续运行时间就会产 生不同的土壤温度分布,进而影响埋管换热器的换 热性能。本文在冬季供暖情况下对两种运行工况进 行了实验研究。 在冬季供暖运行试验中,换热器分别连续和间 歇运行了15天。间歇运行时,每天连续运行8h, 然后停机16h。换热器运行时,换热器管壁土壤温 度变化情况如图6所示。 从图中可以看出,在连续运行工况下,开始时 管壁处土壤温度不断降低,系统连续运行24h后 土壤温度基本稳定并缓慢降低,该稳定温度约为 1·8℃。间歇运行工况下,8小时内管壁处土壤温 度不断下降至2·8℃时,系统停止运行,系统停机 时间16小时后,土壤温度基本恢复到上一次开机 时的温度。间歇运行时的土壤平均温度明显高于连续运行状态下的土壤温度,十分有利于埋管换热器 性能发挥。因此,对类似地源热泵系统应尽量避免 长时间连续运行,采用间歇方式运行更能发挥系统 的性能。 3 结论 (1)通过简化的一维线热源模型和热阻原理 可以有效地建立U形垂直埋管换热器换热过程的 数学模型,定性分析其影响因素。 (2)埋管内流体流量主要影响流体与U形管 之间的对流传热系数,当流体充分达到紊流时可以 增强埋管的换热能力。考虑到地源热泵系统的工作 效率,管内瞬时流量在2·50m3/h左右内比较合 理。 (3)由于对于整个钻孔内部的换热而言,U 形管管壁的几何尺寸和热容量要小的多,因此管壁 材料的热物性对U形垂直埋管换热器的影响不是 很大。 (4)砂的加入可以使回填材料的导热系数显 著增长,但同时也要考虑过加入过多的砂对回填材 料可泵性的影响。 (5)间歇运行可十分有利于地下土壤温度的 恢复,从而使热泵系统具有较高的运行效率。尤其 是在供暖/制冷负荷严重不平衡的北方寒冷地区, 应尽量避免长时间连续运行。 |
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