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地埋管换热器非稳态换热性能的实验研究点击：2293 日期：[ 2014-04-26 21:58:06 ] |
| 地埋管换热器非稳态换热性能的实验研究 杨敏 陈颖 史保新 (广东工业大学材料与能源学院,广东广州510006) 摘要:通过对一个土壤源热泵系统非稳态连续制冷工况运行情况的测试,总结了土壤温度、埋地管换热器进出口水 温及换热性能随时间的变化规律,比较了3种换热器在非稳态连续换热过程换热性能的差异.对比实验结果发现, 双U形管换热器单位井深换热能力最强,是单U形管的1.05倍,是套管的1.73倍.比较了这3种换热器管内的流 动阻力. 关键词:地埋管换热器;非稳态换热性能;流动阻力 中图分类号:TU833+.3 文献标识码:A 文章编号:1007-7162(2008)02-0022-04 热泵技术对于节约能源、防止环境污染有重要 意义.地源热泵技术是一种利用地表浅层地热资源 (也称地热能,包括地下水、土壤和地表水等)的高 效节能空调技术.由于地下一定深度的土壤、水温度 相对稳定,因此,地源热泵与空气源热泵相比,可获 得较高的循环性能[1].在地源热泵系统中,高效地埋 管换热器是研究的重要方向.目前有两种常见的方 式:水平埋设和垂直埋设.由于垂直地埋管换热器占 地面积少,换热能力强,因此,国内外更多关注的是 垂直地埋管换热器.主要研究的地埋管形式有:单U 形管、双U形管、小直径螺旋盘管、大直径螺旋盘 管、立式柱状管、蜘蛛状管、套管式管等形式[2].并建 立了各种换热单元模型,通过模拟计算,分析影响换 热能力的诸多因素.在北方地区实验表明:散热工况 下,单U管的单位管长平均换热量为35W/m(井深 80m),而双U管的单位管长平均换热量为20W/m (井深66m)[3].若以单位埋深计,单U形埋管的单 位埋深换热量约为双U管的87.5%. 地埋管换热器的换热能力受地理条件的影响较 大,包括气候、季节、土壤的性质、地质的结构等等, 在运用该项节能技术时必须因地制宜.目前土壤源 热泵在寒冷地区的研究与工程运用十分踊跃,国家 相应制定了很多设计与施工规范,但在夏热冬暖的 南方地区(如广东、广西、海南以及东南亚地区)关 于热泵技术的运用还在理论论证方面,许多结论缺 乏实验数据的支撑,地源热泵技术是否适用于冬暖 夏热地区,又如何合理地运用该项技术,是一个值得探讨的问题.基于此,笔者在广州大学城搭建了地埋 管换热器换热性能实验台,对埋地换热器与土壤之 间非稳态连续换热过程进行实验研究,了解土壤换 热能力随时间变化的规律,同时比较3种换热器换 热性能和变化趋势,本研究将对该地区开发地源热 泵有一定的意义. 1 实验装置 实验台搭建在广州大学城校园内一草坪上.本 实验台由地埋管换热器与地上热泵系统构成,图1 是整个系统的流程图.系统分为地上部分与地下部 分.地下部分共设有3口井,钻孔直径为120mm,井 间距离为5m.分别埋入30m长的单U、双U和套 管换热器.单U及双U换热器的管材均为PPR,管 径为DN15.套管换热器外管为PVC管,管径DN90, 内管为PPR管,管径为DN15,各种换热器的管间距 均为70mm.填埋土为黏土,地上部分设有水箱、水 泵、过滤器、热泵机组及转子流量计.管道中的水首 先在冷凝器中与制冷剂交换热量,变为高温水,到达 分水器,在水泵的作用力下被输送到埋地换热器,水 温降低,再到达集水器,完成水循环.在整个实验过 程中,使用的仪表设备有:LZS-15/25转子流量计 (精确度等级为4)、Agilent34970A型数据采集仪、 1DBZ-65型自吸式清水泵(最大流量50L/min,最 大扬程65m,转速2800r/min).热泵机组的额定制 冷量为5.35kW,制冷额定输入功率为1.2kW,工 质为R22. 管壁处土壤温度的变化将由安装在管外不同深 度的K型热电偶测定,测点采用上密下疏的方式布 置,具体布置见图2所示.测得的数据由数据采集仪 实时记录,并实时传送到计算机中保存起来.在热泵 机组的进出水口处,也安放了热电偶,测定进出水的 水温.3种地埋管换热器中的水流量用转子流量计来测定,并通过阀门的开度来调节不同的水流量.为 了保证机组进、出口的水力平衡,在井的进出口处分 别安装了分水器和集水器. 3种换热器的纵向剖面图如图3所示,其中套 管的进水方式为长进短出型,双U形管为十字交 叉型. 2 测试数据处理方法 换热量: Q=mcp(tin-tout),(1) 式中,Q为地埋管换热器时均换热量,kW;m为地埋 管换热器内水的质量流量,kg/s;cp为水的比定压热 容,kJ·(kg·K)-1;tin和tout分别为地埋管换热器进 出口水温,℃. 时均单位埋深换热量: ql=Q·1000/L,(2) 式中,ql为埋地换热器时均单位埋深平均换热量, W/m;L为埋管深度,L=30m. 3 结果与分析 3.1 实验前土壤温度随时间的变化 根据文献[4],越到地面深处,土壤温度受气温 的影响越小.这就是土壤源热泵比空气源热泵性能 稳定,COP(CofficientofPerformance)高的原因.通过测试数据分析发现,广州夏季地下12m深处土壤温 度波动很小(0.2℃).在实验前,测试井地下12m 深处土壤温度逐时变化情况,由图4可以看出,夏季 地面下12m深处土壤平均温度为24.6℃,比室外 温度要低6~7℃. 3.2 稳态换热时土壤温度的变化 热泵机组从启动开始,连续运行了45d,土壤温 度不断升高,45d后,土壤温度趋于稳定.图5为机 组运行45d后,地下12m处土壤的温度一天内的 变化情况,纵坐标是管壁处土壤的时平均温度.从图 5可以看出,3种换热器管壁处的土壤温度变化幅度 已不是很大(0.25℃),此时换热器与土壤的换热达 到平衡.与图4的初始土壤平均温度相比,土壤温度 都均有不少的升幅:单U形管周围的土壤温度升高 了16.9℃,双U形管周围土壤温度升高了17·9℃, 套管周围土壤温度升高了14.1℃. 3.3 非稳态换热过程中土壤日平均温度的变化 图6为热泵进行连续制冷工况时,3个换热器 12m深处管壁土壤日平均温度的变化趋势.由图6可知,随着机组运行的开始,管壁周围土壤的温度逐 渐上升.在最开始的几天,土壤温度上升速率最快, 尤其是在前两天,12m处土壤初始平均温度在 24·6℃,运行1d后,3个换热器此处的土壤温度都 超过了30℃,由于气候变化的原因,在中间的时间 段有一些波动,波动范围在0.6~1.5℃,最后温度 趋于平缓.从图6还可以看出,在运行期间,管壁土 壤温度最高的是双U形管,最低的是套管,单U形 管位于两者之间.这说明,当土壤温度达到稳定后, 通过地埋管换热器交换的热量双U形管最多,套管 最少,单U形管次之. 3.4 非稳态换热过程中换热量及进出口水温随时 间的变化 在非稳态换热过程中,换热器中水的流量为 m=0·094kg/s,使用数据采集仪实时采集地下土壤 温度和进出口水温并对采集的数据进行了整理.得 到的结果如图7、图8所示.从图7可以看出,虽然3 种换热器的进口水温都是一样的,但出口水温却相 差很大.出口水温最高的是套管,其次是单U形管, 最低的是双U形管.这种差异在机组运行的开始阶 段尤为明显,在后期,单U形管和双U形管的出口 水温相差逐渐趋于一致. 图8为非稳态换热工况时3种换热器日均单 位埋深换热量,3条曲线的走势是先升高后下降, 最后趋于平稳.与图7相对应,出口水温越高,日 均单位埋深换热量越小.图7中是套管换热器日均 单位埋深换热量最小,平均为19.8W/m,双U形 管稍高于单U形管为34.3W/m,单U形管日均单 位埋深换热量为32.7W/m.分析得出:双U形管 日均单位埋深换热量为单U形管的1.05倍,是套 管的1.73倍. 3.4 换热器的阻力比较 地埋管换热器主要由管道和附件组成.管内流 动阻力主要有沿程阻力和局部阻力. 1)沿程阻力计算 由此可见,虽然套管换热器换热能力最小,其 流动阻力也最小,故在设计地源热泵系统时要充分 考虑系统的换热能力与阻力大小,针对不同场合选 择合适的埋地换热器,保证系统具有较高的能源利 用率. 4 结论 通过对在广州大学城的地源热泵非稳态换热工 况的实验,得到了换热器周围土壤温度、进出口水温 以及流量的数据.结果表明: 1)非稳态连续换热过程结束后,3种换热器周 围土壤温度不同.双U形地埋管换热器管壁土壤温 度最高,套管换热器管壁土壤温度最低,单U形地 埋管换热器管壁土壤温度处于两者之间.由此可以 定性比较3种地埋管换热器换热量的大小. 2)在非稳态连续换热过程中,单U形管、双U 形管和套管3种换热器的时均单位埋深换热量是不 同的.在相同流量下(m=0·094kg/s),双U形管的 时均单位埋深换热量最高(34·3W/m),单U形管 次之(32·7W/m),最低的是套管(19·8W/m).原 因是水在双U形管内的流程长,套管内流程短,另 外,套管换热器的外管直径比U形管换热器的直径 大很多,导致套管换热器中水的流速很小,从而换热 量减小. 3)3种换热器的管道阻力是不同的.埋地管换 热器的正确选择必须充分考虑使用场合的需要,对 整个流体输配系统进行合理的设计和选择,才能发 挥地源热泵的节能优势. 参考文献: [1]BoseJE.Advancesingroundsourceheatpumpsystems— aninternationaloverview[C]∥7thinternationalEnergyA- gencyHeatPumpConference.Beijing,2002:313-324. [2]丁勇,李百战,卢军,等.地源热泵系统地下埋管换热器 设计(1)[J].暖通空调,2005,35(3):86-89. [3]李新国,薛玉伟,赵军.不同方式地下埋管换热器的实验 研究[J].制冷学报,2004,25(2):39-42. [4]常征.土壤温度的变化特点及规律[J].油气储运, 1989,8(3):34-37. |
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