螺纹管换热器
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影响U型管埋地换热器传热性能的因素实验研究点击：1829 日期：[ 2014-04-26 22:00:55 ] |
| 影响U型管埋地换热器传热性能的因素实验研究 1.朱汉宝 2.周亚素 3.柳国忠 3.朱忠良 (1上海莘阳建筑节能科技开发有限公司上海200235；2东华大学环境工程与科学学院上海200051； 3特灵空调系统有限公司上海200001) 摘要:通过利用七口不同深度的试验钻孔，采用热响应原理，做了数组热响应实验与热恢复实验。分别详细地分析了热 响应实验初始运行时间、U型管内循环水流速、埋孔深度与埋孔内的回填土等因素对U型管埋地换热器传热性能的影响程 度。研究结果表明：在分析实验数据时，一般得忽略实验前10小时的数据；U型管内循环水的流速设计在0.8m/s~1.2m/s之 间比较恰当；60m~100m深的钻孔比较适宜；需选择导热系数与土壤的导热系数相匹配的回填土。实验研究为地源热泵空 调工程设计与施工提供一定的参考依据。 关键词:工程热物理；埋地换热器；热响应原理；土壤导热系数；传热性能 中图分类号：TK172；TK523文献标识码：A 埋地换热器是地源热泵空调系统的核心部 件，目前对其研究还不够完善，在很大程度上制约 了地源热泵的应用与发展。如：对各地土壤的导热 系数、扩散率、传热率与初始温度等传热性能参数 不清楚，设计出的埋地换热器可能富余量过大，造 价过高；也可能系统达不到实际负荷的要求，空调 效果较差。从而，Morgenson、Kavanaugh、Gehlin 与Cruickshankes等专家针对地下岩土的导热系数不 能象测量温度、压强等那样直接测量,而只能根据 传热学理论通过测量温度、热流等参数进行反向推算，就引进了热响应原理。并把这个原理应用 到埋地换热器传热特性的研究中。 在上海不同地点钻了深分别为A井(60m)、B井 (60m)、C井(40m)、D井(20m)、E井(94m)、F井(96m)与G井(62m)共七口井作为试验井。利用研制的土壤性能测试仪器对实验井进行传热性能实 验研究，并对影响U型管埋地换热器传热性能的各因素进行了实验研究与分析，如：热响应实验初始运行时间、U型管内循环水流速、埋孔深度与埋孔内的回填土。 1.影响U型管埋地换热器传热性能的因素分析 1.1初始运行时间 热响应实验达到传热平衡需要一段时间过程。在实验的前阶段，水箱内水的温度高于U型管内的水的温度，而且在加热器的输入功率下水温变化比较迅速。所以土壤传热性能测试仪器水箱进出管路上的热电阻所测到的温度可能会对测试结果有影响。 根据图1，前5小时，由于传热刚开始，土壤与循环水的具有温差，传热平衡还未建立，这时根据实验测得数据算出的土壤导热系数高达34.49 W/ mk，明显是不符合实际的；5h~12h内虽然热平衡已经被打破，但由于测试时间较短，循环水与土壤还未达到进一步平衡，测试出来的导热系数还是偏大。12h~20h内系统传热基本平衡，测试结果符合要求。图1~图2拟合直线2是忽略前10小时的测试 数据拟合直线，其导热系数比48h内所有数据算出 的导热系数要大。这表明：对于一般的测试环境条 件，为了获得更准确的导热系数，至少忽略前10小 时的数据，这些数据会导致导热系数的估值偏大。 1.2 循环水流速 埋地换热器的U型埋管内循环水的流速也是影响传热性能的重要因素。循环水流速过小，U型管内循环水处于层流状态。此时的对流换热热阻不可忽略。而循环水流速过大，管路中的水力损失也较大，需要配备大功率的水泵，从而浪费能源。对 60mB井做了流速在0.2~1.2m/s之间的6组实验。研究循环水流速对埋地换热器的传热性能的影响， 寻找合适的流速范围。 图3~图6表现了流速与传热率、热阻、进出口压差以及进出口平均温度的关系。当流速在0.2m/ s~0.4m/s之间，循环水在U型管内流速缓慢，流量 较小，循环水处于层流状态。循环水与U型管壁之间的对流热阻占总热阻的5％~10％。虽然与土壤 换热充分，但在相同的输入功率下，循环水的平均 温度较高，已经超过地源热泵机组的设计运行参数，影响地源热泵机组运行效果。当流速在0.6m/ s~1.2m/s之间，循环水在U型管内处于湍流状态，平均温度正好处在地源热泵机组运行状态点，换热效果较好，对流热阻基本上都可以忽略不计。系统 运行状态平稳，节能效果比较明显。这个流速段进出口平均温度的理论计算与实验的误差更小(如图 3)，热阻理论计算与实验误差在2％~4％之间(如 图4)。这表明流速大于1.2m/s，循环水平均温度过小，将偏离机组工作的状态点，而且系统还需安装功率较大的水泵，不建议采用。 单根U型管循环水进出口压差随着流速的增加逐渐增加。流速在0.8m/s~1.2m/s之间时，压差大约在0.06MPa~0.15MPa之间。实验数据进过 二次拟合，获得流速与进出口压差的关系式： Y=0.09911X 2 -0.025X+0.04。而且，这个流速段的 单位钻井传热率都大于100W。流速在1m/s~1.2m/s 之间，传热率基本上达到最大状态。二次拟合方 程为：Y=-50.31X 2 +111.57X+45.31。而流速大于 1.2m/s时，埋地换热器的传热率已经开始下降。所 以综合考虑，在设计埋地换热器时，循环水的流速应选0.8m/s~1.2m/s之间。 1.3 钻井深度 虽然对埋地换热器的钻井深度没有严格要求，但受到很多因素的制约，如：土壤结构，土壤热物性，工程要求等。井深度较浅传热性能不够好，而且也容易受环境的影响。井钻得太深施工难 度较大，很容易碰到岩石层，工程造价较大。目前最深的钻井大约在200m左右。七口试验井的地下土质基本上都由细砂组成。施工简单，打一口井工期较短，土壤传热性能较好。这里针对钻井深度，研究其对传热率、导热系数、热阻、压差与平均温度的影响[9]，为工程实践提供参考依据。 图7~图11表明钻井深度不同，其它因素(如：传热系数、压差与导热系数等)都会随之改变。导热系数随深度的增加而递增，传热率以抛物 线的轨迹在增加。抛物线方程为：Y=0.011X 2 - 0.011X+92.2。主要原因有：1)不同深度土壤的土质与结构不同，热物性也不相同，从而导热系数与 传热率都有一定的差异；2)地下土壤越深，地下水越丰富。有些地区还存在着地下水流动情况， 这样就产生了对流换热，促使热量扩散。深度越深，循环水所走的路径越长，水力损失越大。图 7所示，40mC井与60mB井的压力损失相同是因为 C井比B井多走了20m的水平管。基本上每米管路 的压力损失为75Pa。不同深度钻孔，循环水在管 路内所走的长度不同，换热程度也不同，从而进出口的温差也不同。从图8可知，20m深的钻井温 差很小，很容易受到室外环境的影响。40m深钻 孔的温差勉强符合机组的运行状态点。钻井深在 60m~100m之间，进出口温差在3.5℃~5℃之间，正 处在机组运行参数范围之内。进出口温差以直线的 轨迹随钻孔深度的增加而递增。递增直线方程为： Y=0.0445X+0.859。当钻井深度为200m时，进出口温差就上升到9.8℃。此时温差严重偏离机组运行状态点。若减小温差，有效的办法就是提高循环水 的流速。但进一步加大管路的水利损失，会造成能 量的浪费。从而，根据实际工程情况，推荐钻孔深 在60m~100m之间。图9是通过比较实验测试热阻 与理论模型计算热阻，反应深度对土壤导热系数测 试结果的影响程度。各钻孔的实验与理论热阻误差非常小，在图9上两者基本上是重合的。 1.4 回填土 回填土实际就是用于填充埋地换热器与地层 之间得填充材料。填充到钻井内，包裹在钻井周围 不但可以起到固定U型管，防止污染物向深井泄漏 与各含水层之间水的渗透，而且还应促进埋地换热 器的传热[10~11]。不同的回填土导热系数不同，原则 上是导热系数大的有利于埋地换热器传热。若比土 壤导热系数大得很多，U型管内的循环水的热量能 及时通过回填土扩散到土壤中，但土壤不能来不及 向周围扩散，导致热量都聚集在钻井周围。从而， 选择回填土必须考虑与土壤的匹配。这里对深度相 同的60m的A井、B井与62mG井进行回填土的实验研究。 60m的A井与B井的埋管都采用高密度聚乙烯 (HDPE-100)，62mG井埋管采用HDPE-80，分别 回填了50％膨润土、50％的泥浆与100％泥浆，纯 水泥和重量比为5％的膨润土粉，经测定三者的导 热系数分别为2.6W/mK、1.8W/mK与2.4W/mK。循 环水的流速设定为0.8m/s，分别对各井做了三组热 响应实验。分析回填土对钻井的传热率的影响，为选择与土壤导热相匹配的回填土提供参考意见。 对于两个其它条件相同的A井与B井，回填土 对钻井的热阻与传热率的影响比较明显。导热系数大的回填土促进钻孔的传热。如图12所示，A井的 传热率大于B井的传热率。如图13所示，导热系数 小的热阻较大，影响热量的传递。两图中的G井的传热率最小、热阻最大，而回填土导热系数值还处 在A井与B井之间。这就说明如何选择回填土的重要性。G井周围土壤的导热系数只有1.87W/mK， 远小于A、B井周围土壤的2.697W/mK。A井的回 填土与土壤比较匹配，而B井的回填土导热性能比 土壤的导热性能要差，一定程度上阻止了热量传递。但G井的回填土导热性能远优于其周围土壤的导热性能。从而，选择回填要遵循两个基本的原 则：1)先对实验井进行土壤导热系数测试，或查阅已有的土壤导热性能参数资料，确定土壤的导热系数；2)根据施工环境，选择导热系数与土壤的导热系数相当的回填土。图13中的黑点是根据数学模型计算的理论热阻，与实验测试的热阻相比误差在-5.9％~5.8％之间。 2 结论 针对七口不同钻井，利用实验方法研究了影响钻井传热性能的因素。通过研究表明： 1)初始运行时间对土壤导热系数影响很大，在分析实验数据时，一般得忽略实验前10小时的数据； 2)选择回填要遵循两个基本的原则：A、先对 实验井进行土壤导热系数测试，或查阅已有的土壤 导热性能参数资料，确定土壤的导热系数；B、根 据施工环境，选择导热系数与土壤的导热系数相当 的回填土。 3)一般情况，U型管内循环水的流速设计为 0.8m/s~1.2m/s比较恰当。 4)土壤的导热系数会随着钻井深度不同而改 变，60m~100m深的钻孔比较适宜； |
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