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Ｕ型垂直埋管换热器管群间热干扰的研究点击：1776 日期：[ 2014-04-26 22:21:11 ] |
| Ｕ型垂直埋管换热器管群间热干扰的研究 纪世昌 胡平放 (华中科技大学) 摘要:在单根Ｕ型垂直埋管周围土壤传热模型的基础上建立管群的传热模型。通过ＭＡＴＬＡＢ软件中的ＰＤＥ工具箱求解Ｕ型垂直埋管管群周围非稳态温度场。通过对夏季制冷工况的模拟,确定一定条件下管群间的热干扰及其发生时间,定量预测热干扰的程度及其结果。通过对管群间热干扰的分析,提出解决方案,为Ｕ型垂直换热埋管的地下管群的设计提供参考依据。 关键词:土壤源热泵 Ｕ型垂直埋管 非稳态温度场 热作用半径 热扰动 实际工程应用中,地源热泵系统很少有只采用一个换热器来满足供暖空调要求的,一般地下换热器采用几十组甚至上百组垂直埋管。大多数情况下,由于空间的限制,埋管管群间的热干扰是不可避免的,应对其热干扰做出正确的评估,以设计出合理的竖埋管数量、水平间距、竖向埋深及合理的系统运行方式。笔者建立了单根Ｕ型垂直埋管周围非稳态温度场的物理和数学模型[1],并利用ＭＡＴＬＡＢ软件中提供的解偏微分方程的功能进行数值模拟,并与实验结果相对比证实了其可靠性。现将其推广到多根埋管换热器数值模拟中,以评估管群间的热干扰作用。 1 传热模型 实际工程中,地下埋管管群经常布置成阵列状,管井位于矩形网格的节点处。其水平间距和竖向间距由实际工程确定,一般为3～5ｍ不等,平面布置见图1。 埋管的放热或取热都是呈辐射状向四周扩散,因此其影响及受影响程度最大的都是来自于其最相邻的管井。本文的研究对象为一中心管井及与其相邻的四口管井,通过其对中间管井的影响来评估管群间的热干扰。单根地下换热埋管的结构如图2所示,传热介质在其中流动方向相反,一进一出构成闭式循环回路。计算区域及边界见图3,采用柱热源的计算模型,将Ｕ型管简化成单管的非稳态传热模型,关于具体建模过程见参考文献[1]。 2 数值模拟结果及分析 2.1 数值模拟 结果笔者应用ＭＡＴＬＡＢ软件中的ＰＤＥ工具箱求解Ｕ型垂直埋管管群周围非稳态温度场,针对夏季制冷工况土壤源热泵连续运行时地下换热埋管管群周围温度场的分布进行了模拟。土壤的初始温度由实测获得[1];单位管长的换热量依据工程经验取值为60Ｗ/ｍ。由于在相同的运行时间下,靠近底层的土壤热作用半径较大,因此取其作为模拟对象。模拟结果如图4～图6所示。 2.2 数值模拟结果分析 由图4可知,当机组连续运行1天时,各埋管换热状况基本相同,即只有各埋管左右0.5米范围内的土壤温度有较大幅度的上升,上升幅度大约为7℃;远离各埋管的土壤温度没有变化。这是由于机组运行时间尚短,各埋管的热作用半径较小,即热作用区域较小,因此各埋管互不干扰,换热状况基本相同。 由图5可知,当机组连续运行10天时,各埋管左右0.5米范围内的土壤温度持续上升,土壤温升的范围在加大,即各埋管的热作用半径在加大。同时由模拟的数值解可以得到,中心埋管周围土壤的温升要比其他埋管周围土壤的温升要高。随着机组的持续运行,埋管将热量源源不断地输送给土壤,其热作用半径在慢慢地变大。由于埋管的位置关系,各周围埋管的热作用区域最先开始与中心埋管相重叠。由于各埋管同时向中心埋管周围的土壤散热,导致其温升要高于其他埋管周围土壤的温升。因为温差是传热的动力,所以中心埋管周围土壤的温升加剧直接影响中心埋管的换热。 图6～图8分别为机组连续运行20天、40天和60天时的土壤温度。由图可知,随着机组的连续运行,中心埋管周围土壤的温升将以高于其他埋管温升的速度持续发展。为了更清楚地看出其他埋管对中心埋管的热扰动,做了单根埋管的换热模拟,埋管参数与管群完全一致(即埋管管长、直径、热工参数、循环液流量等),并且由参考文献[1]中公式(7)～(9)计算出埋管的出水温度见图9。 在机组运行直到第7天,管群换热与单管换热的出水温度基本上都是一致的,这是因为运行时间段还不存在热扰动;之后机组运行时,管群换热的出水温度比单管换热的出水温度越来越高,这是由于热扰动的作用使得管群换热时换热效果恶化。 同样由图9可知,当机组连续运行60天时,管群换热的埋管出水温度已达到47℃。如果机组继续运行,水温将继续上升,而冷水机组为保护压缩机,对水温有一个设定值。当超过这一设定值时,机组将停机,这就对设计者提出了要求:为了保证机组正常运行,需要采取一定措施,如加大埋管间距。但大多数情况下,空间是相当有限的。因此,如果此方法行不通的话,可以采取加装冷却塔,即地埋管和冷却塔联合运行的模式。 3 结 论 1)将单跟埋管的数学模型扩展到管群,并通过ＭＡＴＬＡＢ软件中的ＰＤＥ工具箱求解Ｕ型垂直埋管管群周围非稳态温度场。 2)通过对夏季制冷工况的模拟,确定一定条件下管群间的热干扰及其发生时间,定量预测热干扰的程度及其结果。 3)由对管群间热干扰的分析,提出解决方案,为Ｕ型垂直埋管的地下管群的设计提供参考依据。 |
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